摘要
研發新的燃油涉及到一家石油公司的多個領域以及多種試驗，包括基于底盤測功機的車輛排放試驗以及基于發動機臺架試驗室的發動機性能試驗。尤其是對于柴油以及汽柴油混合燃料，一個重要的試驗就是評估車輛冷起動過程中的發動機轉速曲線。
在該工作中，對于發動機轉速曲線分析，技術人員研發了一個系統通過使用發動機飛輪齒圈信息以及一臺標準筆記本電腦的音頻輸入端口來獲取信息。同時，研發了一套精確的軟件來分析所獲得的信號。該系統可以給出發動機起動過程的許多重要信息，如起動電機開始運行時間，停止時間以及發動機怠速。所有這些信息都通過一個廉價的儀器裝備被采集。這個系統同樣可以分析，發動機的某個轉速，發動機轉速的微小波動。
因此，本文推薦了一種可以用于不同車輛以及發動機轉速分析的簡單以及廉價的程序，任何試驗室都可以實施的。

說明
新燃油混合物的研究包含多種基于臺架發動機試驗以及基于車輛自身的試驗。其中的一些試驗包括排放試驗，氣門沉積物，動力性試驗等等。其中的一項為發動機冷起動評估瞄準確定排放物，如參考文獻[1]和[2]中所示，以及冷起動后發動機達到穩定怠速的時間?？紤]到這些，該研究提出了一種方法以及一套系統來獲取發動機起動初始階段的轉速。下文中將介紹研發的系統如何獲取轉速信號，起動過程信號的理論研究以及定性起動過程的重要參數。最終，討論了該系統的新的可能性。

方法
本部分描述如何獲取以及處理飛輪齒圈信號的方法，以確定發動機冷起動過程中的轉速曲線。第一步，需要確定傳感器的型號及其在車輛上的安裝位置。在該項工作中，車輛有一個霍爾傳感器。第二步，需要研發新的硬件來獲取車輛轉速信號并將其發送至電腦。最后，通過兩個軟件來獲取轉速曲線：一個獲取信號，另一個用來處理信號。接下來的章節將會介紹更加詳細的情況。

霍爾傳感器
霍爾傳感器是一種當磁場變化時，輸出電壓會發生變化的傳感器,參考文獻[3]。在汽車工業中，這種傳感器被廣泛應用在車輛上來獲得發動機轉速以及發動機活塞在機體內的位置。一般情況下，這種傳感器直接附屬于飛輪齒圈。在本論文中，它被應用到柴油機皮卡上，傳感器位于車輛前部的發動機下面。
飛輪齒圈有一組磁性齒牙，當這些齒牙經過傳感器時可以在霍爾傳感器中產生電壓。因此，當發動機一開始轉動，傳感器就會產生脈沖，通過脈沖寬度能夠得出發動機轉速。圖1距離說明了這種傳感器，飛輪齒圈以及產生的脈沖信號。在飛輪中，同時存在一些非磁性齒牙，用來確定活塞在燃燒室內的位置。所以，磁性齒牙以及非磁性齒牙的數量是進行信號分析前最先需要確定的事情。


硬件
試驗用到的硬件僅僅是一根線纜和一個電路，用來降低通過終端的電壓，證明文章前面提到過的這是一個廉價系統。這根線纜一端裝有一個相容的P2插頭用來連接筆記本電腦，另一端是一對鱷魚嘴夾子，用來連接傳感器。
用來降低電壓的電路是一個由兩個電阻構成的簡單的電壓分配回路，其中R1的阻值為33kΩ，R2的阻值為270Ω。選擇這樣兩個電阻是為了確保以下兩個方面：
電壓分配應該降低電壓至10，這意味著R2/(R1+R2)=1/10，同時；
該電路必須具有高阻抗以保證不會干擾車輛的正常功能，這意味著R1與R2的取值要很大。
圖2給出了電壓分配電路的示意圖。


軟件
軟件由兩部分構成：其中一部分用來獲取數據，另一部分用來處理信號。獲取的轉速信號使用Windows的“錄音機”應用程序進行處理，如圖3所示。用戶需要起動錄音機而后發動車輛。記錄一分鐘的數據，必須保存記錄數據。


在保存對話框里，可以將采集到的數據存為WAV格式。此外，可以設置成其他一些音頻參數，如：樣本率，單聲道或立體聲等等，如圖4所示。在本文中，設置為單聲道，樣本率為48kHz。


聲音文件處理是通過一個用MATLAB編寫的程序參考文獻[4]計算的。通過改程序載入WAV文件，計算并測量脈沖寬度，并計算發動機轉速。最后，發動機轉速被顯示給用戶。圖5給出了該系統的示意圖。

識別齒牙數量
飛輪齒圈磁性及非磁性齒牙數量是通過一個簡單的試驗來確定的。起動發動機同時采集霍爾傳感器信號。信號與圖6中所示的相似。

很明顯，圖中顯示出了一種圖案包含幾個短的脈沖緊接著一個長的脈沖，代表每個磁性齒牙經過霍爾傳感器的情形。長脈沖信號代表沒有在霍爾傳感器中產生感應的非磁性齒牙。

飛輪齒圈的齒牙數量可以通過圖6及圖7確定。圖6可以發現55個短脈沖代表磁性齒牙數量。長脈沖信號代表連續的非磁性齒牙。從圖7中可以看到，長脈沖信號的持續時間接近段脈沖信號的5倍；故而有5個非磁性齒牙。


計算程序
圖8描述了計算程序的流程圖，基本上，它測量脈沖時間長度。它跨越了整個數據設置及計算，并且記錄了兩組不同類型的信息:段脈沖持續時間以及兩個連續長脈沖之間的時間間隔。第一種信息可以測量瞬時轉速第二種信息會給出每轉一圈的平均轉速。
計算程序的結果是一幅圖像顯示發動機每一轉的瞬時轉速及平均轉速。這些圖像對于確定發動機轉動的一些特性有用，這將在下面的章節中討論。

發動機速度曲線模型
圖9給出了一種典型的發動機速度曲線。里面有一些特性值得注意。這些特性是：起動電機的作用時間（Tm），發動機最大轉速（Ro），爬升階段（Ts），發動機怠速（Re），達到最大轉速時間（Tp）以及穩定時間（Te）。

曲線中的參數可以用來評估發動機冷起動品質或者用于不同燃油、不同車輛間或者兩種同時包括的比較研究。另外，他們也是診斷機械失效原因所必須的有價值信息參考文獻[5]。起動過程中可能發生的故障：
起動時間過長：在低溫環境下起動時間超過2S；
冷起動失敗：發動機在10S內沒有成功起動；
起動失?。喊l動機起動但是關閉點火開關后立即停車；
不規則的怠速運行：怠速不規則，發動機震動明顯；
振動：發動機轉速循環波動，甚至不踩加速踏板時也存在；
游車：當打開節氣門時，車輛沒有及時反饋，有可能導致熄火；
瓶頸：在車輛移動過程中加速率短暫但是顯著的降低；
爆炸：因發動機內油氣混合物的不正常點火引起的金屬敲擊聲；
回火：車輛進氣門或排氣門內放炮；
發動機熄火：點火開關開啟過程中發動機停轉。
試驗
研發的系統在兩臺皮卡柴油機上進行了試驗。圖10給出了兩臺柴油機的區別。車輛B看上去起動時間要比車輛A起動時間長。

圖11顯示的是使用不同燃油混合物時進行相同的試驗所產生的不同結果。在該案例中，車輛A的起動時間比車輛B的起動時間要長。

注釋
盡管獲取發動機冷起動轉速曲線很容易，所研發的系統能夠獲得定性描述發動機冷起動所需信息，此外，能夠給出發動機每轉的詳細轉速信息。圖12顯示的是兩條曲線，其中的藍線代表發動機轉動一圈內的平均轉速，紅線代表發動機瞬時轉速。可以看出，不同通過一個固定的發動機轉速提升達到怠速，而是圍繞平均速度來回震蕩提升的。


前面提到的行為可以通過兩方面來解釋：燃燒室內活塞速度并不一致，同時活塞曲軸間的傳遞作用并不是線性的。
燃燒室內活塞速度并不一致是因為某一瞬間發動機正在做正功這會使發動機加速；某一瞬間發動機壓縮油氣混合物會降低發動機轉速。此外，其他的許多變動也會影響活塞的速度，如：點火時刻，壓縮比，燃空比，僅僅列舉這些。
轉速震蕩的另外一個原因是由于曲軸與活塞速度間的非線性關系參考文獻[2]，圖13中舉例進行了說明。這個關系可由下式表示：
式中
S：曲軸軸心與活塞銷中心間距；
Θ：曲軸轉角；
a:曲柄半徑；
l：連桿長度

圖13顯示了活塞連接到曲軸情況，參考文獻[6]說明。
可以看出，瞬時轉速類似于一個正弦波，并且對于每一轉有兩個周期的正弦波，見圖14。這個現象可以從2個方面解釋。發動機每2轉完成一個熱力循環，發動機有4個氣缸。所以，對于每一轉，都有2個沖程。

圖14同樣顯示出，更多信息可以從瞬時轉速曲線上解讀出。同樣的，通過缸壓曲線可以分析每度曲軸轉角下噴油或點火；近似的分析可以應用于氣缸的容積變化曲線，進而獲得有關發動機運行的更多信息。

在汽油機上的應用
開發的系統同樣可以用于分析汽油機冷起動。對于此，僅需對系統進行兩個微小改動。線纜的一段必須連接一個小爪子，通過點火脈沖來獲取信號，不再是通過飛輪齒圈。同時軟件也會有一些不同，但是同樣很簡單。需要測量兩個連續峰值電壓間的時間間隔。圖15給出了新的構成。


點火信號的例子在圖16中給出。為了處理這個信號，需要定義一個最低電壓門檻，以便識別有效點火脈沖同時一個算法程序可以計算連續點火信號間的時間間隔。圖17中的數據顯示了一臺汽油發動機的速度曲線。在冷起動初期以外，推薦系統可以監測發動機在任何轉速范圍內監測發動機轉速，所以可做其他用途，如：發動機轉速控制。


總結/結論
在本研究中，介紹了一種廉價的系統來獲取柴油發動機冷起動過程中的轉速曲線。就像前面敘述的那樣，該系統并不昂貴也不復雜。需要一個筆記本電腦，一根電纜以及一個電壓降低回路以及一個軟件來處理信號。需要格外注意的是需要一些汽車硬件知識以便于確定傳感器的類型及安裝位置。這是布置該系統最復雜的一環。


這個簡單的系統可以識別出發動機冷起動過程中的重要信息，如：發動機啟動時間，發動機怠速以及最高過沖轉速。同時，通過對轉速分析可以從數據中獲得更多信息。通過使用一個高分辨率的角碼器以及高采樣頻率的數據采集裝備，可以獲得更多的發動機信息，例如點火時刻，進氣門開啟時刻以及排氣門開啟時刻等等。
最后，值得注意的是該系統同樣可以應用于汽油機。在這些應用中，可以通過一些改動采集點火信號以及確定發動機轉速曲線。