摘要
研发新的燃油涉及到一家石油公司的多个领域以及多种试验，包括基于底盘测功机的车辆排放试验以及基于发动机台架试验室的发动机性能试验。尤其是对于柴油以及汽柴油混合燃料，一个重要的试验就是评估车辆冷起动过程中的发动机转速曲线。
在该工作中，对于发动机转速曲线分析，技术人员研发了一个系统通过使用发动机飞轮齿圈信息以及一台标准笔记本电脑的音频输入端口来获取信息。同时，研发了一套精确的软件来分析所获得的信号。该系统可以给出发动机起动过程的许多重要信息，如起动电机开始运行时间，停止时间以及发动机怠速。所有这些信息都通过一个廉价的仪器装备被采集。这个系统同样可以分析，发动机的某个转速，发动机转速的微小波动。
因此，本文推荐了一种可以用于不同车辆以及发动机转速分析的简单以及廉价的程序，任何试验室都可以实施的。

说明
新燃油混合物的研究包含多种基于台架发动机试验以及基于车辆自身的试验。其中的一些试验包括排放试验，气门沉积物，动力性试验等等。其中的一项为发动机冷起动评估瞄准确定排放物，如参考文献[1]和[2]中所示，以及冷起动后发动机达到稳定怠速的时间。考虑到这些，该研究提出了一种方法以及一套系统来获取发动机起动初始阶段的转速。下文中将介绍研发的系统如何获取转速信号，起动过程信号的理论研究以及定性起动过程的重要参数。最终，讨论了该系统的新的可能性。

方法
本部分描述如何获取以及处理飞轮齿圈信号的方法，以确定发动机冷起动过程中的转速曲线。第一步，需要确定传感器的型号及其在车辆上的安装位置。在该项工作中，车辆有一个霍尔传感器。第二步，需要研发新的硬件来获取车辆转速信号并将其发送至电脑。最后，通过两个软件来获取转速曲线：一个获取信号，另一个用来处理信号。接下来的章节将会介绍更加详细的情况。

霍尔传感器
霍尔传感器是一种当磁场变化时，输出电压会发生变化的传感器,参考文献[3]。在汽车工业中，这种传感器被广泛应用在车辆上来获得发动机转速以及发动机活塞在机体内的位置。一般情况下，这种传感器直接附属于飞轮齿圈。在本论文中，它被应用到柴油机皮卡上，传感器位于车辆前部的发动机下面。
飞轮齿圈有一组磁性齿牙，当这些齿牙经过传感器时可以在霍尔传感器中产生电压。因此，当发动机一开始转动，传感器就会产生脉冲，通过脉冲宽度能够得出发动机转速。图1距离说明了这种传感器，飞轮齿圈以及产生的脉冲信号。在飞轮中，同时存在一些非磁性齿牙，用来确定活塞在燃烧室内的位置。所以，磁性齿牙以及非磁性齿牙的数量是进行信号分析前最先需要确定的事情。


硬件
试验用到的硬件仅仅是一根线缆和一个电路，用来降低通过终端的电压，证明文章前面提到过的这是一个廉价系统。这根线缆一端装有一个相容的P2插头用来连接笔记本电脑，另一端是一对鳄鱼嘴夹子，用来连接传感器。
用来降低电压的电路是一个由两个电阻构成的简单的电压分配回路，其中R1的阻值为33kΩ，R2的阻值为270Ω。选择这样两个电阻是为了确保以下两个方面：
电压分配应该降低电压至10，这意味着R2/(R1+R2)=1/10，同时；
该电路必须具有高阻抗以保证不会干扰车辆的正常功能，这意味着R1与R2的取值要很大。
图2给出了电压分配电路的示意图。


软件
软件由两部分构成：其中一部分用来获取数据，另一部分用来处理信号。获取的转速信号使用Windows的“录音机”应用程序进行处理，如图3所示。用户需要起动录音机而后发动车辆。记录一分钟的数据，必须保存记录数据。


在保存对话框里，可以将采集到的数据存为WAV格式。此外，可以设置成其他一些音频参数，如：样本率，单声道或立体声等等，如图4所示。在本文中，设置为单声道，样本率为48kHz。


声音文件处理是通过一个用MATLAB编写的程序参考文献[4]计算的。通过改程序载入WAV文件，计算并测量脉冲宽度，并计算发动机转速。最后，发动机转速被显示给用户。图5给出了该系统的示意图。

识别齿牙数量
飞轮齿圈磁性及非磁性齿牙数量是通过一个简单的试验来确定的。起动发动机同时采集霍尔传感器信号。信号与图6中所示的相似。

很明显，图中显示出了一种图案包含几个短的脉冲紧接着一个长的脉冲，代表每个磁性齿牙经过霍尔传感器的情形。长脉冲信号代表没有在霍尔传感器中产生感应的非磁性齿牙。

飞轮齿圈的齿牙数量可以通过图6及图7确定。图6可以发现55个短脉冲代表磁性齿牙数量。长脉冲信号代表连续的非磁性齿牙。从图7中可以看到，长脉冲信号的持续时间接近段脉冲信号的5倍；故而有5个非磁性齿牙。


计算程序
图8描述了计算程序的流程图，基本上，它测量脉冲时间长度。它跨越了整个数据设置及计算，并且记录了两组不同类型的信息:段脉冲持续时间以及两个连续长脉冲之间的时间间隔。第一种信息可以测量瞬时转速第二种信息会给出每转一圈的平均转速。
计算程序的结果是一幅图像显示发动机每一转的瞬时转速及平均转速。这些图像对于确定发动机转动的一些特性有用，这将在下面的章节中讨论。

发动机速度曲线模型
图9给出了一种典型的发动机速度曲线。里面有一些特性值得注意。这些特性是：起动电机的作用时间（Tm），发动机最大转速（Ro），爬升阶段（Ts），发动机怠速（Re），达到最大转速时间（Tp）以及稳定时间（Te）。

曲线中的参数可以用来评估发动机冷起动品质或者用于不同燃油、不同车辆间或者两种同时包括的比较研究。另外，他们也是诊断机械失效原因所必须的有价值信息参考文献[5]。起动过程中可能发生的故障：
起动时间过长：在低温环境下起动时间超过2S；
冷起动失败：发动机在10S内没有成功起动；
起动失败：发动机起动但是关闭点火开关后立即停车；
不规则的怠速运行：怠速不规则，发动机震动明显；
振动：发动机转速循环波动，甚至不踩加速踏板时也存在；
游车：当打开节气门时，车辆没有及时反馈，有可能导致熄火；
瓶颈：在车辆移动过程中加速率短暂但是显著的降低；
爆炸：因发动机内油气混合物的不正常点火引起的金属敲击声；
回火：车辆进气门或排气门内放炮；
发动机熄火：点火开关开启过程中发动机停转。
试验
研发的系统在两台皮卡柴油机上进行了试验。图10给出了两台柴油机的区别。车辆B看上去起动时间要比车辆A起动时间长。

图11显示的是使用不同燃油混合物时进行相同的试验所产生的不同结果。在该案例中，车辆A的起动时间比车辆B的起动时间要长。

注释
尽管获取发动机冷起动转速曲线很容易，所研发的系统能够获得定性描述发动机冷起动所需信息，此外，能够给出发动机每转的详细转速信息。图12显示的是两条曲线，其中的蓝线代表发动机转动一圈内的平均转速，红线代表发动机瞬时转速。可以看出，不同通过一个固定的发动机转速提升达到怠速，而是围绕平均速度来回震荡提升的。


前面提到的行为可以通过两方面来解释：燃烧室内活塞速度并不一致，同时活塞曲轴间的传递作用并不是线性的。
燃烧室内活塞速度并不一致是因为某一瞬间发动机正在做正功这会使发动机加速；某一瞬间发动机压缩油气混合物会降低发动机转速。此外，其他的许多变动也会影响活塞的速度，如：点火时刻，压缩比，燃空比，仅仅列举这些。
转速震荡的另外一个原因是由于曲轴与活塞速度间的非线性关系参考文献[2]，图13中举例进行了说明。这个关系可由下式表示：
式中
S：曲轴轴心与活塞销中心间距；
Θ：曲轴转角；
a:曲柄半径；
l：连杆长度

图13显示了活塞连接到曲轴情况，参考文献[6]说明。
可以看出，瞬时转速类似于一个正弦波，并且对于每一转有两个周期的正弦波，见图14。这个现象可以从2个方面解释。发动机每2转完成一个热力循环，发动机有4个气缸。所以，对于每一转，都有2个冲程。

图14同样显示出，更多信息可以从瞬时转速曲线上解读出。同样的，通过缸压曲线可以分析每度曲轴转角下喷油或点火；近似的分析可以应用于气缸的容积变化曲线，进而获得有关发动机运行的更多信息。

在汽油机上的应用
开发的系统同样可以用于分析汽油机冷起动。对于此，仅需对系统进行两个微小改动。线缆的一段必须连接一个小爪子，通过点火脉冲来获取信号，不再是通过飞轮齿圈。同时软件也会有一些不同，但是同样很简单。需要测量两个连续峰值电压间的时间间隔。图15给出了新的构成。


点火信号的例子在图16中给出。为了处理这个信号，需要定义一个最低电压门槛，以便识别有效点火脉冲同时一个算法程序可以计算连续点火信号间的时间间隔。图17中的数据显示了一台汽油发动机的速度曲线。在冷起动初期以外，推荐系统可以监测发动机在任何转速范围内监测发动机转速，所以可做其他用途，如：发动机转速控制。


总结/结论
在本研究中，介绍了一种廉价的系统来获取柴油发动机冷起动过程中的转速曲线。就像前面叙述的那样，该系统并不昂贵也不复杂。需要一个笔记本电脑，一根电缆以及一个电压降低回路以及一个软件来处理信号。需要格外注意的是需要一些汽车硬件知识以便于确定传感器的类型及安装位置。这是布置该系统最复杂的一环。


这个简单的系统可以识别出发动机冷起动过程中的重要信息，如：发动机启动时间，发动机怠速以及最高过冲转速。同时，通过对转速分析可以从数据中获得更多信息。通过使用一个高分辨率的角码器以及高采样频率的数据采集装备，可以获得更多的发动机信息，例如点火时刻，进气门开启时刻以及排气门开启时刻等等。
最后，值得注意的是该系统同样可以应用于汽油机。在这些应用中，可以通过一些改动采集点火信号以及确定发动机转速曲线。