一种内燃机活塞顶面瞬态温度测试系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术的瞬态温度测试系统具体包括信号调理模块、控制器、数据存储模块、无线数据收发模块、时钟信号模块、电源模块。传感器信号经过信号调理电路中的冷端补偿电路与差分放大电路后输出至控制器。控制器利用内置的A/D转换器将其温度信号转换成数字信号通过SPI存储至F‑RAM存储器中。通过基于Zigbee协议栈的无线通信模块将温度数据传输至内燃机缸外。系统利用DC/DC电压转换器提供3.3V的工作电源，同时利用电压反向电荷泵为差分放大器提供负电源。本发明专利技术可安装在内燃机活塞上，对不同工况下的内燃机活塞顶面瞬态温度进行测试，以深化对缸内传热的认识。

Transient temperature measuring system for piston top surface of internal combustion engine

The invention relates to a transient temperature measuring system for a piston top surface of an internal combustion engine, belonging to the energy power field. The transient temperature testing system of the invention comprises a signal conditioning module, a controller, a data storage module, a wireless data transceiver module, a clock signal module and a power supply module. The sensor signal is output to the controller after the cold end compensating circuit and the differential amplifying circuit in the signal conditioning circuit. The controller use the built-in A/D converter converts the temperature signals into digital signals by SPI to F RAM memory storage. Through the wireless communication module based on Zigbee protocol stack, the temperature data is transmitted to the outer cylinder of the internal combustion engine. The system uses the DC/DC voltage converter to provide the power supply of the 3.3V, and uses the voltage reverse charge pump to provide the negative power supply for the differential amplifier. The invention can be installed on the piston of an internal combustion engine to test the transient temperature of the piston top surface of the internal combustion engine under different working conditions, so as to deepen the understanding of heat transfer in the cylinder.

【技术实现步骤摘要】
一种内燃机活塞顶面瞬态温度测试系统
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的进一步改进在于：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、本专利技术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、本专利技术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是本专利技术冷端补偿电路原理图；图3是本专利技术信号放大电路原理图；图4是本专利技术控制器与数据存储器硬件结构图；图5是本专利技术缸内无线通信模块硬件结构图；图6是本专利技术电源模块硬件结构图；图7是本专利技术实机测试结构示意图；图8是本专利技术实机测试的结果图。具体实施方式为了更好的说明本专利技术的目的和优点，下面结合附图和实施例对本专利技术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。本专利技术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，本专利技术中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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种内燃机活塞顶面瞬态温度测试系统，其特征在于：采用Zigbee无线数据的形式将采集到的活塞顶面瞬态温度无线传输至内燃机缸外的接收端。

【技术特征摘要】
1.一种内燃机活塞顶面瞬态温度测试系统，其特征在于：采用Zigbee无线数据的形式将采集到的活塞顶面瞬态温度无线传输至内燃机缸外的接收端。2.如权利要求1所述的一种内燃机活塞顶面瞬态温度测试系统，其特征在于：包括：无线通信模块、时钟信号模块、信号调理模块、控制器、数据存储模块和电源模块；信号调理模块将传感器采集到的温度信号调理成能够被控制器采集的温度信号；温度信号被存储在数据存储模块；根据需求将数据存储模块中存储的数据通过无线通信模块传输给接收端；所述时钟信号模块采用的是基于MEMS振荡器设计的时钟信号电路；所述的数据存储模块采用的是铁电晶体存储器作为数据存储器；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。3.如权利要求1所述的一种内燃机活塞顶面瞬态温度测试系统，其特征在于：包括：温度传感器、冷端补偿电路、信号放大电路、AD转换电路、MCU、有源晶振、F-RAM存储器、CC2630、正电源模块和负电源模块；正电源模块给整个电路供电；负电源模块给信号放大电路供电；K型热电偶的信号经过信号调理电路包括冷端补偿电路与信号放大电路后输送至控制器中；控制器用A/D转换器将经过调理后的模拟温度信号转换成数字温度信号，然后通过SP...

【专利技术属性】
技术研发人员：原彦鹏，郦绍光，张卫正，郭冰彬，任姣，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11