一种内燃机活塞顶面瞬态温度测试系统的制作方法

本发明涉及一种内燃机活塞顶面瞬态温度测试系统，属于能源动力领域。

背景技术：

在内燃机的强化程度不断提高的大背景下，活塞作为内燃机的核心部件，其热负荷不断增大，导致出现活塞头部烧蚀、头部拉缸以及头部热裂纹等现象。严重制约高强化内燃机的发展。而活塞热负荷的关键问题在于内燃机缸内传热过程。但是内燃机缸内传热由于具有时间尺度上的瞬变特点，因此需要对活塞顶面的瞬态温度的进行测量，以便深化对内燃机缸内传热过程的认识，从而达到减小活塞热负荷，推进高强化内燃机的发展。但是活塞运行过程中的加速度能够达到上千个G，同时高强化内燃机缸内环境温度可以达到150℃，对瞬态温度测试系统提出了非常苛刻的要求。

现有活塞测温技术中，主要有硬度塞法、引线式测温法、储测式测温法、红外遥测、蓝牙遥测等几种测温方法。其中硬度塞法由于采用金属温度传感器，只能测量活塞稳定工况点下的最高温度，不适合测量活塞顶面的瞬态温度变化。引线式测温采用改造的四连杆机构将传感器信号通过导线传输至缸外，但是对内燃机的改造较大，且由于可靠性的问题无法在高转速下运行，因此不适合小型高速内燃机下瞬态温度测量。储测式测温是将所测的活塞温度数据直接保存在现场的存储器中，等测试完成后再将活塞拆卸后再读取数据。但是瞬态温度数据的量较大，目前适合内燃机缸内储测用的小型存储器的存储速度以及存储空间都不能满足瞬态温度测试要求。红外遥测可以实现将所测活塞顶面温度实时发送至缸外的要求，但是红外发射头与接收头之间的角度要求较高，从而导致测试系统的安装较复杂，对活塞以及缸套的结构改动较大。此外红外信号传输过程中容易受到机油油雾的干扰而导致出现数据丢失。蓝牙遥测技术可以克服红外遥测系统安装复杂以及易受油雾干扰的缺点，但是在缸内高温情况下会出现工作不可靠的现象。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有内燃机活塞瞬态温度测试技术中存在的问题，提出一种内燃机活塞顶面瞬态温度测试系统。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种内燃机活塞顶面瞬态温度测试系统，主要包括无线通信模块、时钟信号模块、信号调理模块、控制器、数据存储模块、电源模块。

信号调理模块包括K型热电偶冷端补偿电路与信号放大电路。电源模块包括为整套测试系统提供电源的正电源模块以及为双电源差分放大器提供负电源的负电源模块。

无线通信模块主要是基于TI开发的Zigbee协议栈而设计的Zigbee无线数据收发模块；

时钟信号模块采用的是基于MEMS全硅振荡器设计的时钟信号电路；

信号调理模块，包括基于Pt100热电阻的K型热电偶线性冷端补偿电路以及具有高共模抑制比的差分放大器，将调理后的热电偶信号输出至控制器；

控制器，利用内置的A/D转换电路将经过调理后的热电偶温度信号转换成数字信号，并将其保存至数据存储模块中；

数据存储模块采用的是铁电晶体存储器(F-RAM)作为数据存储器；

电源模块为整套测试系统提供正负电源。

本发明的进一步改进在于：

所述无线通信模块是采用集成Zigbee通信模块的CC2630单片机，采用3.3V电源供电，外围时钟电路改为有源晶振提供；

所述无线通信模块所用的通信天线为外接PCB板载天线，天线接口为ipex类型；

所述无线通信模块及控制器的时钟电路是基于MEMS全硅振荡器的有源晶振提供；

所述信号调理模块包括5个电阻与1个运算放大器。Pt100热电阻的两端分别于地和放大器的正输入端相连。运算放大器的增益通过电阻RG确定。电阻R1的一端与Pt100相连接，另一端与正电源连接。电阻R2的一端与电阻R3相连接，另一端与正电源连接。电阻R3的一端接地，另一段与电阻R2相连接。K型热电偶的负极与仪表放大器的负极输入端连接，正极则连接至电阻R2与R3的连接端；

所述的控制器采用间歇式工作的低功耗单片机；

所述的数据存储模块采用F-RAM存储器，并且与控制器之间采用SPI串口通信进行数据的；

所述的电源模块中，其正电源模块采用DC/DC转换器实现1.8V～5.5V输入的情况下，输出端维持在3.3V，以实现元器件的低功耗运行，降低整套系统的运行功率。负电源模块采用电荷泵电压反向器，实现将1.6V～5.5V的输入电压转换成对应的负电压。

有益效果

1、本发明的一种内燃机活塞顶面瞬态温度测试系统，通过将Zigbee无线通信技术引入到内燃机活塞顶面瞬态温度测试领域，大幅度提高了缸内复杂环境下数据与控制指令无线传输的可靠性与稳定性。克服了红外遥测系统安装复杂、结构改动大且易受油雾干扰的缺点，同时也克服了蓝牙遥测系统高温工作不可靠的弱点。

2、本发明的一种内燃机活塞顶面瞬态温度测试系统，采用基于MEMS全硅振荡器取代传统的石英晶振为无线通信模块与控制器提供时钟信号，大幅度提高了高温高往复加速下的时钟信号的精度与稳定性。同时采用兼具RAM与ROM存储器优点的F-RAM存储器，在保证采样频率的同时，确保了缸内复杂环境下数据存储的可靠性。

附图说明

图1是内燃机活塞顶面瞬态温度测试系统整体结构图；

图2是本发明冷端补偿电路原理图；

图3是本发明信号放大电路原理图；

图4是本发明控制器与数据存储器硬件结构图；

图5是本发明缸内无线通信模块硬件结构图；

图6是本发明电源模块硬件结构图；

图7是本发明实机测试结构示意图；

图8是本发明实机测试的结果图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

一种内燃机活塞顶面瞬态测试系统，如图1所示，主要内燃机缸内模块与内燃机缸外模块。本发明主要涉及内燃机缸内模块，包括无线通信模块、时钟信号模块、信号调理模块、控制器、数据存储模块、电源模块。信号调理模块包括K型热电偶冷端补偿电路与信号放大电路。电源模块包括为整套测试系统提供电源的正电源模块以及为双电源差分放大器提供负电源的负电源模块。

如图1所示，K型热电偶的信号经过信号调理电路包括冷端补偿电路建(见图2)与信号放大电路见(见图3)后输送至控制器中。控制器采用内置A/D将经过调理后的信号转换成数字信号，然后通过SPI串口将温度数据存储至F-RAM存储器中。当完成瞬态温度采集后，控制器将存储在F-RAM(见图4)存储器中的数据通过UART串口通信发送至缸内无线通信模块，缸内无线通信模块通过Zigbee无线通信模块(见图5)将温度数据发送至缸外无线模块，缸外无线模块通过USB将数据发送至计算机。同时缸内系统的工作状态也可以通过上述途径上传至缸外计算机中。而处于缸外的计算机的控制指令也可以通过上述途径发送至缸内采集系统的控制器和无线通信模块中。整套系统在电源模块(见图6)提供的±3.3V环境下工作。

参见图2，本发明中K型热电偶冷端补偿电路采用3个电阻与一个Pt100电阻组成，可以消除K型热电偶冷端节点温度对输出电势Vs的影响。电路中，电阻R1的一端与Pt100相连接，另一端与正电源连接。电阻R2的一端与电阻R3相连接，另一端与正电源连接。电阻R3的一端接地，另一段与电阻R2相连接。K型热电偶的负极与仪表放大器的负极输入端连接，正极则连接至电阻R2与R3的连接端。工作过程中Pt100电阻值会随着环境温度的变化而变化，导致电阻R1与Pt100之间的电势V1也会发生相应的变化，同时V1与V2之间的电势差也会发生变化。两点之间的电势差正好弥补热电偶冷端节点因温度变化而引起的电势差，使最后输出的电势V_out等于当前测点温度下对应的标准K型热电偶分度表中对应温度下输出的电势。

参见图3，本发明的K型热电偶放大电路采用一个集成式的差分仪表运算放大器对经过冷端补偿后的热电偶信号进行放大。电路主要由1个仪表差分运算放大器、一个电阻R_G组成，并在正负电源下工作。图2所示的V_out的正负极与放大器对应的正负信号输入端连接。放大器的放大倍数由电阻R_G决定。R_G的电阻值的选择根据电路中的AD转换电路的参考电压以及在选定的测温范围内对应的热电偶的输出电势的范围决定。确保采集电路具有最大的温度分辨率。放大器的输出电压V_out对应的参考电压V_ref则与地相连接，方便后期对AD转换数据的解码，同时可以减少电路元器件，提高电路在缸内复杂环境下工作可靠性。

参见图4，本发明的采集系统的控制器模块与数据存储模块的硬件结构示意图，K型热电偶的信号经过信号调理模块调理后输出至AD转换电路。由于换换速率与转换精度都满足瞬态测试的要求，因此选用控制器内部10位的逐次逼近型AD转换器。同时瞬态数据需要在缸内恶劣的环境下可靠且稳定的保存，本发明选用外围的F-RAM存储器，在高温高往复加速度条件下既能满足瞬态测试的存储速率要求又能稳定可靠的保存瞬态温度数据。其与控制器之间采用SPI串口通信进行数据与控制指令的交换。此外控制器内部的MCU模块需要外部电路提供时钟信号。本发明采用基于MEMS全硅振荡器提供的时钟信号，确保MCU在缸内高温高往复加速度情况下能够得到高精度稳定的时钟信号。

参见图5，本发明的缸内无线通信模块的硬件电路结构示意图。Zigbee无线通信芯片与数据采集端控制器采用UART串口通信进行温度数据与控制指令的相互传输。同时运行时当采集端控制器处于空闲状态时会让其进入睡眠模式，因此Zigbee无线通信芯片会根据采集端控制器引发外部中断的电平信号要求产生相应的电平使底层控制器被唤醒。此外，在缸内恶劣的环境下有可能会让采集端控制器出现程序跑飞死机现象，因此Zigbee无线通信芯片会根据控制器外部硬件复位的电平信号要求产生相应的电平信号，使底层控制器发生复位从而确保其在缸内恶劣环境下能够正常工作。同时Zigbee无线通信芯片通过外围的巴伦平衡电路以及PCB板载天线将数据通过无线电发送至缸外。Zigbee无线通信芯片内部的运行程序是基于Zigbee协议栈基础上编写的适用于缸内瞬态温度采集的APP程序。Zigbee无线通信芯片内部的MCU也是在MEMS全硅振荡器提供的时钟信号下运行的。

参见图6，本发明的电源模块硬件电路结构示意图。整个电源模块由高温锂电池提供，首先先对其进行滤波，消除电源的高频信号干扰，然后进入到DC-DC线性电压转换器。该转换器芯片通过内部的高频的MOSFET开关以及外围电路的配合，能够将1.8V～5V的输入电压稳定在3.3V电压输出。这样既可以消除锂电池输出电压受缸内恶劣环境的影响以及电量的消耗而导致较大的电压波动，保证了测试系统工作的可靠性。同时，DC-DC电压转换器还向电荷泵电压反向器提供3.3V电压，经过电压反向器后变为-3.3V提供给运算放大器，使运算放大器在±3.3V下能够正常工作。

参见图7为实机实验时的结构示意图。将本套测试系统安装在云内4100QB-2柴油机活塞上进行实机测试。缸内瞬态温度遥测电路用高温胶固定在活塞的裙部上，避开活塞的高温区。瞬态热电偶安装在活塞的顶部，其信号线沿着活塞壁面连接至遥测电路中。同时高温锂电池由于体积较大，将其放置在连杆上并用高温胶固定。电源线沿着连杆延伸至活塞的裙部上，然后沿着活塞的壁面连接至遥测电路中，为其供电。同时在缸体上安装一个天线，并通过无线电信号延长线连接至缸外无线通信模块。缸外无线通信模块与计算机之间采用USB进行通信。

工作时先利用缸外的计算机向遥测系统的控制器发送唤醒睡眠指令使其处于正常待机状态。当发动机运行状态稳定后，在计算机中输入柴油机当前运行工况下的转速，计算机会计算出适合当前工况的采样频率并将该信息发送至遥测系统的控制器中，控制器接收信息后会启动瞬态温度采集程序对活塞顶面瞬态温度进行采集并将数据保存至存储器中。由于柴油机循环波动较小，因此只采集2个循环的活塞顶面瞬态温度。待采集完成后，控制器会向计算机反馈已经采集完毕的信息。此时外界计算机可以向底层控制器发送“发送瞬态温度数据”的指令，底层控制器接收到指令后会将数据打包传输至缸外，当瞬态温度数据发送完毕后，控制器会向计算机发送“已经完成发送”的状态信息后。然后可以利用既定的数据协议对数据包进行解码以及后处理，此时已完成一个工况下的活塞顶面温度数据的测量。当需要对不同柴油机不同工况下的活塞顶面温度进行测量时，可以按照上述流程对不同工况进行逐个测量即可。

完成测量后需要对数据进行处理。由于柴油机采集的是2个循环的温度数据，为了减小误差，将相同曲轴转角位置下的温度数据取2个循环的平均值。如果是汽油机，则需要取50个循环相同曲轴转角的温度的平均值。图8为转速为2100rpm时不同扭矩下活塞顶面的瞬态温度波动曲线。从图中可得在压缩冲程上止点附近，由于燃气的冲击会导致活塞顶面瞬间有一个温度波动。