中 華 大 學 碩 士 論 文
題目：汽油引擎非干擾性動力平衡之探討
系所別：機械與航太工程研究所碩士班 學號姓名：M08908025 柯 宏 宗
指導教授：陳 精 一 博 士
中華民國 九十一 年 七 月
中文摘要
本文就 LabVIEW 開發軟體，撰寫程式擷取數據，以便觀察描 述 Misfire 在曲軸轉角時間中的變化，並用 Excel 的方式將資料整 理和統計分析，探討噴射引擎在非干擾下動力失衡的特性。
在硬體週邊的設計上，採業界常用的譯碼器來作角度位置的擷 取，以利本文實驗流程的順利進行，並為提高擷取數據的精度，使 用取樣率高達 5 MS / s 之訊號擷取卡，以求得更臻完整。
以擷取各缸動力行程時間的長短，比較動力失衡狀態，再以平 均值做誤差百分比，精確分析産生 Misfire 於曲軸上的轉角位置。
提供一組完整的數據資料，將損失的動能，轉化為可用的制動 能量，只要能精確將非干擾性動力失衡資料加以擷取分析，且有效 的管理控制，達到減少動力損耗。
ABSTRACT
This dissertation consists of the changing of the time to the crank angle by using the software of LabVIEW. Moreover, the datum are analyzed by Excel in order to find out the characters of the power balance system of the injection engine.
As far as the design of the hardware system is concerned, the Encoder is used to know the angle position. The Encoder helps not only experiment process but also the accuracy of the data.
In order to have the accurate misfire turning point on the crank, the length of working time in each cylinder is compared. Finally, the average is used as the error ratio.
According to this completed data, the car engineers can design the active engine brake system. The braking distance can be shortening. People can avoid and keep away from the danger.
誌謝
竊計司執教鞭已十載有餘，二年前毅然來到中華重做馮婦，當時 的猶豫，如今全煙消雲散，因為中華有這麼多愛護我的師友。期間內 助安琪在精神的支持及家庭的操持，使我無後顧之憂，也讓我整個研 究計劃能如期完成，在此諸多銘謝。
二年來，殷勤教誨，不吝提攜，影響我最大的，首推指導教授陳 精一博士，無論對於論文內容的研究、修改及最後的訂正，不遺餘力，
詳加指導，使本文能於最後關鍵出爐，在此謹獻上我最誠摯的謝意，
並祝福陳博士闔家平安。
感謝許隆結博士、陳俊宏博士及劉英標博士，對論文內容提供寶 貴意見，且對本文的缺失不吝指正，讓本文臻至善美，特此誌謝。並 感謝以勤有限公司總經理 洪景煌先生於 LabVIEW 程式的建構與技 巧上的指導。於求學期間感謝學長申莒華先生及諸多同學孫榮德、鄭 富禎、蔣建輝、彭修鐿..等陪我一同度過這美好的研究生涯，另於完 稿付梓前託同事王美智和謝淑媚兩位小姐的繕打校稿，同時感謝嘉陽 高中校長李世文先生及學校的同仁們，給予各方面的協助，尤其感謝 中華大學機航所師長及同窗好友，提供寶貴意見及指導，僅以此寥表 誌謝，願用此刻的喜悅和大家一同分享。
目錄
中文摘要……….……….Ⅰ 英文摘要……….………….Ⅱ 誌 謝……….………….Ⅲ 目 錄……….………….Ⅳ 表 目 錄……….……….Ⅵ 圖 目 錄 ……….………..….Ⅶ 第一章 緒論
1.1 動機與目的……….………..….……1
1.2 文獻回顧………....……3
1.3 研究方法……….………..….…5
第二章 實驗設備與研究偵測理論 2.1 實驗設備介紹………6
2.1.1 實驗汽油噴射引擎………..…...……….6
2.1.2 自動量測系………....……10
2.1.3 最佳化資料擷取卡之選用.………..……….13
2.1.4 譯碼器和引擎之橋接設計.…………..……..…..….15
2.1.5 實驗輔助系統配線………..……..………17
2.2 偵測原理……….….22
2.2.1 電腦控制噴射系統…….………...22
2.2.2 引擎監理電腦輸出系統………29
2.2.3 訊號溝通模式.………...34
第三章 實驗過程 3.1 實驗流程 ……….…….36
3.2 圖控程式 LabVIEW 說明 ………....…..…………47
3.2.1 前置面板 ………..…...47
3.2.2 程式方塊圖………...49
第四章 實驗結果與分析 4.1 引擎產生 misfire 百分比誤差比較 ………….………….54
第五章 結論與建議 5.1 結論 ………….………64
5.2 建議 ……….………66
參考文獻 ……….………..67
表目錄
表 2.1 引擎基本規格 ………...….……7
表 2.2 引擎怠速調整規範 ………..………...……...8
表 2.3 引擎感知器偵測規格表 ………...…….9
表 2.4 譯碼器電壓電流型接線表 ……..………....16
表 3.1 68-50 PIN 對照表 .…………..………..40
表 3.1 68-50 PIN 對照表(續) ……….………..41
表 3.2 訊號模組控制箱與引擎監理電腦接腳號碼對照表 ……..……42
表 3.2 訊號模組控制箱與引擎監理電腦接腳號碼對照表(續)………43
表 3.2 訊號模組控制箱與引擎監理電腦接腳號碼對照表(續)………44
表 3.3 I/O Connect Pin Assignment for the 6110 Device...……..………46
表 4.1 怠速非干擾所產生 misfire 各缸誤差百分比………61
圖目錄
圖 2.1 譯碼器中心軸準位模組引擎基本規格……….……16
圖 2.2 引擎訊號模組取控制箱……….………....18
圖 2.3 信號跨接板模擬系統配線圖……….………....20
圖 2.4 引擎實體配線圖……….………....21
圖 2.5 引擎監理電腦系統控制圖………..…….…..23
圖 2.6 電腦控制燃油泵作動圖……….……….….…..30
圖 2.7 電子點火控制系統結構…….……….….…..32
圖 2.8 點火提前特性圖……….…….……...33
圖 3.1 DAQ Card 安裝位置……….……….37
圖 3.2 譯碼器準位校正……….………38
圖 3.3 實驗研究流程圖……….……45
圖 3.4 人機介面前置面板……….……47
圖 3.5 凸輪軸感知器和曲軸感知器擷取波形圖.………..…….…50
圖 3.6 第一缸上死點前 75°程式方塊圖……….50
圖 3.7 第一缸 上死點 0°程式方塊圖………..…...51
圖 3.8 RPM 計算程式方塊圖……….….52
圖 3.9 擷取資料輸出程式方塊圖……….53
圖 4.1 非干性動力平衡系統監視器……….…54
圖 4.2 各起始點擷取曲軸轉角時間所產生 misfire 百分比……….55
圖 4.3 取樣轉角 5°擷取時間 misfire 誤差百比……….……..56
圖 4.4 取樣轉角 10°擷取時間 misfire 誤差百比.………57
圖 4.5 取樣轉角 20°擷取時間 misfire 誤差百比……….……57
圖 4.6 取樣轉角 30°擷取時間 misfire 誤差百比……….…58
圖 4.7 取樣轉角 40°擷取時間 misfire 誤差百比.………58
圖 4.8 取樣轉角 50°擷取時間 misfire 誤差百比……….…………59
圖 4.9 取樣轉角 60°擷取時間 misfire 誤差百比………….………59
圖 4.10 取樣轉角 70°擷取時間 misfire 誤差百比….………….….60
圖 4.11 第一缸斷油取樣轉角 50°擷取時間 misfire 誤差百比…...62
圖 4.12 第四缸斷油取樣轉角 50°擷取時間 misfire 誤差百比…...63
第一章 緒論
1.1 動機與目的
在噴射引擎動力平衡系統中，引擎動力失衡是不可避免，若 能將失衡所損失的動力，轉化為可用的能量，只要能精確將非干 擾性動力失衡資料加以擷取分析，且有效控制管理，以達到減少 動力損失且加以應用並獲得較佳之油耗率，提昇廢氣的清淨品質
，進而提供完整資料和數據，以提供作為設計主動式的引擎制動 系統，讓汽車引擎的監控電腦能積極主控引擎剎車，縮短剎車距 離，避開危險及肇事。
本文探討非干擾性動力平衡，主要是針對非連續性動力損耗
，利用相關實驗設備作分析及數據擷取，來描述非干擾性動力損 失的特性，以利於車輛工程發展。
噴射引擎運轉中造成動力失衡原因，大致可分為兩大類，主 因為斷電所造成，如噴射器電磁線圈短路或斷路、磁波干擾、火 星塞污損及高壓線圈充磁不足等;另一主因為引擎供油的斷油使 然，如油泵損壞或殘壓不足、噴油嘴阻塞、噴射不良及造成混合 器過稀或過濃等，此等造成的現象統稱為引擎失火 (Misfire)。
為維護地球並保護良好空氣品質環境，在各大車廠中極力發展電 腦集中控制系統，無非是希望能將廢氣品質淨化，且達到各國的 排放標準，其中以加州空氣污染檢測機構 CARB (California Air Resources Board)為全球最嚴格廢氣排放標準，該單位所訂之法規 於 1994 年(含)後在加州上市之車輛，須將車輛的線上偵測系統 (On Board Diagnosis OBD-II) 開放，以利維修人員監測及維修，且 要具備引擎不發火偵測功能 [1]。
量測引擎不發火最重要條件，就是轉速及曲軸轉角位置，為取 得高可靠度資料，選用業界常用之譯碼器 (Encoder)，以增加實驗 之可信度，期望能精確了解引擎不發火發生時，引擎曲軸轉角的正 確位置，方便車輛工程發展之開發。
1.2 文獻回顧
謹就本文參考文獻內容摘要如下，火星塞點火引擎中的殘餘 燃料混合物被過量空氣被稀釋而造成貧燃料時，或者使用過多的 排氣再循環氣體，去稀釋己燃殘留的混合氣，使得引擎運轉粗爆 (Roughness) 而不穩定，迅速將大量碳氫化合物排放，將此現象定 義為引擎的不穩定操作極限 (Unstable Operating Limit)，然而在實 務上限制引擎操作運轉較合適的名稱，稱為穩定操作極限，本文 將採用 Heywood [2]作為本實驗之基礎理論。 Quader [3]曾經註解 引擎在穩定操作極限時的燃燒三個極限組合而成之空氣當量比，
用定性方式於定量火花定時下，而得到引擎不穩定操作之主要原 因是部份燃燒 (Partial Burning)。就大部分引擎而言，很難偵測出 misfire 的發生，然而車輛負載時，嚴重的 misfire 可偵測出。引擎 指示扭力 (Indicated Torque)是引擎重要的參數之一，扭力的測量 可用於偵測 misfire [4-7]。有許多方法可測量引擎指示扭力：平均 扭力表裝於引擎測試台；扭轉扭力表 (Twist Torquemeter) 裝置於 曲軸上[8]；利用飛輪轉數之變異訊號 [9-13]。Rizzoni [5,11]利用 該訊號偵測 misfire。若改使用壓力感知器亦是另一可行之方法，
但能快速反應汽缸壓力的感知器是一種較為昂貴精密的感知器，
倘用於車輛上較不符合成本，此方法並不能和業界接軌，本文實 採用譯碼器擷取數據研究，不用更動其他感知器，實為期望能為 汽車業界所重視。本文實驗前的引擎校正工作及實驗設計動力行 程的擷取，參考廠家之資料 [14]。在建構虛擬儀表的擷取環境及 LabVIEW 應用程式的撰寫查閱量測的資料採用著作 [15,16]。在 實驗前的準備工作中，選用最佳化的 DAQ 卡是一個工欲善其事 的重要歷程，其參考資料為 [17-19]。以行車監理電腦控制引擎的 實務經驗為基礎 [20]，考量於程式的撰寫和連結週邊硬體設備搭 配有相當大之助益。在介紹引擎監理電腦的偵測理論中 [21]，提 供相當多的研究資料。於本文實驗結果和 misfire 特性的探討 [22]
亦驗證了斷電所帶給引擎 misfire 最大的影響。
1.3 研究方法
本文研究實驗是使用一部三菱汽車 Mitsubishi 型號為 4G93 1834 cc 排氣量的架上引擎，將引擎監理電腦 (ECU) 內之所有端 子，並聯接至控制模組上，再配線由控制模擬箱上轉接至信號擷 取卡 (DAQ Card)，經由信號擷取卡，擷取所需訊號，再透過圖控 程式 LabVIEW 所提供的虛擬儀表，快速且準確的利用電腦分析
，建立引擎運轉之各種狀況及感知器之訊號，並用 Excel 轉為數據 並進行引擎不發火動力失衡之研究。
第二章 實驗設備與研究偵測理論
2.1 實驗設備介紹
首先就實驗的軟硬體設備及如何偵測引擎不發火的理論與 方法作說明介紹，本實驗採個人電腦加裝資料擷取卡，藉由多功 能介面卡連結實驗引擎，即成引擎的各感知器及譯碼器訊號的擷 取分析，對各項實驗設備分別述敘如後。
2.1.1 實驗汽油噴射引擎
實驗引擎是使用三菱汽車引擎，該引擎的排氣量為 1834 cc，
其代號為 4G93，國內自 1991 年起和日本三菱汽車公司技術合作 正式開始生產，此為單一暢銷性能車種，該引擎為雙頂上凸輪軸 式 (DOHC)，有別於菱帥 (Lancer) 的單頂上凸輪軸式 (SOHC) 1600 cc 排氣量，實驗引擎的基本規格及引擎怠速調整規範如表 2.1 及表 2.2 [14]。
實驗前依引擎怠速調整規範逐項校正引擎，使該架上引擎能 符合規範，以利研究分析減少誤差，然而為方便訊號的擷取，設
計一個訊號模組控制箱並聯引擎的監理電腦，為方便檢驗並聯引 擎監理電腦後的訊號是否失真，就需利用如表 2.3 的感知器偵測範 圍做細部的微調，來排除影響研究結果的條件。
表 2.1 引擎基本規格
項 目 基本規格
引擎型號 4G93
汽缸數與排列方式 4 缸直列式 總排氣量 cc 1834 缸徑×行程 mm×mm 81×89
壓縮比 10.5
點火順序 1-3-4-2
凸輪軸排列 DOHC 、16 汽門
搖臂型式 滾動式
燃燒室型式 屋頂式
潤滑系統 壓力式、全流式濾清
機油泵型式 內外轉子式
燃料系統 電子控制多點燃油噴射
引擎監理電腦 並聯式跨接箱
表 2.2 引擎怠速調整規範
項 目 標準值 極限值 基本點火正時 5。BTDC± 3。 － 怠速 rpm 750± 100 － CO 濃度(怠速時) % 0.5 以下 －
壓縮/壓力 (250~400 rpm) kPa 1422 Min. 1084 所有汽缸之壓縮壓力差 kPa － Max. 100
進汽歧管真空(怠速時) kPa Min. 60 － 熱車時進氣門間隙 mm 0.20 － 熱車時排氣門間隙 mm 0.30 － 冷車時進氣門間隙 mm 0.09 － 冷車時排氣門間隙 mm 0.20 －
表 2.3 引擎感知器偵測規格表
項 目 規 格 基本怠速改 rpm 750± 50 冷氣作用時的怠速 rpm 850 於空檔位置 節汽門開度感知器調整電壓 mV 400 ~ 1000 節汽門開度感知器電阻值 k Ω 3.5 ~ 6.5 怠速控制伺服線圈電阻值 Ω 28 ~ 33 (20℃)
20℃ 2.3 ~ 3.0 溫度感知器電阻值 k Ω
80℃ 0.30 ~ 0.42 20℃ 2.1 ~2.7 引擎水溫感知器電阻值
80℃ 0.26 ~ 0.36 含氧感知器輸出電壓 V 0.6 ~ 1.0
真空軟管折下時 324 ~ 343 在怠速時 燃油壓力 kPa
真空軟管接上時 265±10 在怠速時 噴油嘴線圈電阻值 Ω 13 ~16 (20℃時)
2.1.2 自動量測系統
LabVIEW 開發軟體在程式設計的應用上，給予程式設計者有 相當大的彈性空間，可快速建立科學工程系統的程式架構，提供 簡易的解決方法，尤其以用在類比訊號轉換成數位訊號上有較佳 的表現，方便提升系統監測時的精準度與可靠性，目前有一些程 式語言無法提供圖形介面，若需要圖形介面時又要額外的應用程 式，往往費時耗力，故近年來出現了撰寫上能簡化的程式語言，
通常稱為圖形化語言程式 (Graphical-Programming)，如 DasyLab
、LabVIEW、Test、Point ..等，皆可直接以圖形提供，如規劃流程 圖的堆積木連線方式來完成撰寫程式，且又使用了資料流概念，
實為開發自動量測系統的利器。
為了提高量測系統中的量測彈性度，選取 LabVIEW 應用程式 作業系統，主要是看上了撰寫程式廣域的彈性和其跨平台的相容 作業系統，如相容於 Linux、Mac、Sun、HP-UX、Concurrent、Power MAX 和 Windows 2000/NT 等，又提供支援 ActiveX 網路，或 TCP/IP 網路通訊協定，DLLSOLE、DSP、DDE 等功能，可輕易整 合自動化量測系統，以本文所需，用於資料的蒐集、分析、顯示
、皆可在 32 bit 之環境中快速地獲取，且能有效得到測試訊號，量
測結果。在眾多選擇中，獨鍾 LabVIEW，除它能提供撰寫程式較 廣域的彈性度及人性化的操作介面外，還有另一項最重要的設計 就是，虛擬儀表的設計和真實儀表十分相似，可輕易上手操作。
圖 控 程 式 軟 體 LabVIEW 為 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 的 縮 寫 [15] 。 它 是 由 美 國 NATIOAL INSTRUMENTS 公司（簡稱 NI）於 1986 年所發展出來的一套軟 體，是一種應用發展程式，和一般的程式語言最大的差別在於 LabVIEW 是以圖形介面來代替傳統的文字介面，而在其所謂的圖 示區環境內設計程式，另一方面其前置面板亦提供設計者一個虛 擬儀表的設計環境。
在 LabVIEW 內的附屬虛擬儀表讓程式發展更形容易，系統本 身額外提供許多已建立好的程式，包含訊號產生，以及儀器的驅 動程式，當需要這些程式時，可以直接讀取出來。LabVIEW 數位 與類比的轉換功能，研究實驗中佔非常重要之地位，因為引擎監 理電腦的輸出及各類感知器有數位型式亦有類比型式輸出，此功 能能讓使用者隨心所欲的轉換訊號，可任意的將輸入或輸出訊號 變換，不過這需要一片數位/類比轉換卡 [16]，NI 公司提供了許多 數位類比轉換卡，依其功能的不同，價格也有所不同。LabVIEW 還 有一項特點就是其具有除錯功能，以方程式撰寫者修正程式，利
用所提供的功能，清楚的了解程式執行的流向與資料傳遞的過程
。而 LabVIEW 的程式中對虛擬儀 (Virtual Instrument) 表簡稱 VI 可分為三大部分
一、 前置面板（Front Panel）
是一個 VI 的操作介面，因為它與一般的儀器面板相當 類似，所以稱之為前置面板，在面板可控制按鈕、球狀旋鈕
、調節器、開關以及其它的輸出、輸入裝置。當使用者利用 滑鼠或鍵盤輸入資料及數據時，可以在螢幕上看到程式顯示 的結果。
二、 程式方塊圖（Block diagram）
這是一個圖繪型程式設計環境，由許多小結點所架構而 成，每一個小圖像實際上也是個 VI，就像是副程式。將每 個圖示聯結起來，整個程式才能夠執行。
三、 圖像（Icon）與聯結器（Connector）
圖像代表其它程式中的副程式部份，其本身亦是個程式
；而聯結器則是定義每個圖像的輸出端以及輸入端，它可以 清楚地看出每個聯結端點。
2.1.3 最佳化資料擷取卡之選用
本文將實驗用引擎中的感知器訊號，轉換成電壓或電流訊號
，以電腦來做量測系統，而資料擷取卡的任務就是測量產生於真 實世界中的訊號。每一張資料擷取卡皆提供不同的資料擷取速度 和不一的類比數位 (A/D) 轉換、數位類比 (D/A) 轉換，數位輸入 輸出 (I/O) 及計數計時等功能，不同型號資料擷取卡皆有特定的 平台應用和設計，故選擇最佳化的資料擷取卡是一重要課題，而 需考慮的有下列三項。
一、 解析度 (Resolution)
本文所使用的譯碼器是一高解析度之處理方式，而此一 方式是在一中斷範圍中，解析相對應之二進位碼之片段，採 密集式的將測量訊號位準連結起來 [17]，換言之若使用較低 之轉換器，其數位訊號於人機介面上則無法表示出原始訊號
，因較低的 bit 會使訊號損失而失真。
二、 範圍（Range）
在量化後顥示之最大和最小之電壓，即是範圍為獲得最 佳解析之變化，且測量到精確的訊號，須選擇能提供較寬廣 的範圍貼近並呈現真實訊號。
三、 取樣率 (Sampling Rate)
此為決定 A/D 轉換發生之速率，較快的取樣率比慢的取 樣率於相同時間內，獲得較佳的訊號（失真較少）。
混疊頻率＝|最大取樣頻率－實際輸入頻率| (2.1)
若取樣頻率不足會產生混疊(Alias)效應 [18]，而此現 象會將真實訊號中不存在之高頻分量，呈現於人機介面中
，如此一來，測量之訊號必定失真。就奈氐定理 (Nyquist's theorem)為避免混疊效應其取樣頻率至少需高於擷取訊號 最大之 2 倍以上，但能否預先知道擷取之最大頻率為何，
常是一頭痛問題，倘無法預估，只好先作濾波動作，將高 頻雜訊分量移除，在真實世界訊號中常夾雜壞波 (Glitches) 或突破，此些雜訊會大量增加理論上的最大頻率，故有人 在資料擷取前做前級處理 [19]，使用低通濾波器（載抗混 疊濾波器）將較高之頻率波形截除，方便資料擷取卡，能 有多餘的時間來調節取樣速率。
2.1.4 譯碼器和引擎之橋接設計
本實驗為取得精確之數值，設計一個譯碼器來擷取實驗引擎 的曲軸轉角信號，其精度可達一轉 360 個脈衝，即 1 度產生一個 信號，以提升實驗之可靠度。
在安裝譯碼器期間，第一個遭遇之困難點，就是引擎曲軸中 心點的振動問題，使用中心校正量具，好不容易才將譯碼器中心 對準，卻在引擎發動後，因振動而使譯碼器中心連接軸，因偏心 而斷裂，為擺脫引擎振動之惡夢，將譯碼器固定架移至引擎本體 上而非引擎架上，如此譯碼器上之自然振動即可和引擎同步振動
。雖解決第一個難題，第二個就中心點校正，在本實驗過程中為 求節省校正時間，另設計一個自動準位模組如圖 2.1 所示，若不 小心譯碼器中心軸斷裂時，可立刻更換新品，並同步完成準位校 正，此一模組設計，實為簡化實驗校正之創舉，在實驗過程中不 斷的產生問題，為順利實驗進行，而發展各種不同的解決方案，
這於實驗規畫之前所始料未及的，人無窮的潛能開發體會於方寸 之中。
圖 2.1 譯碼器中心軸準位模組
完成譯碼器的設置，即可將信號輸出，此增量型譯碼器之特 性接法，採用電壓電流型接法 ( Normal Circuit ) 為一般之接法，
如 表 2.4 所 示 ， 該 譯 碼 器 之 型 號 為 HENGSTLER 0529 147 R138-0/720 EQ11KB。
表 2.4 譯碼器電壓電流型接線表
線色 功能
紅 1A ＋5V 黑 2B 0V 接地線 白 3C A 相 CHA 綠 4D B 相 CHB 黃 5E Z 相 CHZ
2.1.5 實驗輔助系統配線
本文所使用之人機介面及電腦輔助系統，可分為下列三大部 分如下
一、訊號擷取卡
實驗所採用之訊號擷取卡為 NI 公司所生產 PCI－6110 Simultaneous-Multifunction 型訊號擷取卡一片，裝設於電腦的 擴充槽內，其中包括：
1. Bus : PCI。
2. Analog Inputs: 4 Channels。
3. Input Resolution: 12 bits。
4. Sampling Rate Per Channel: 5 MS / s。
5. Input Range : ±0.2 to ±42V。
6. Analog Outputs: 2 Channels。
7. Output Resolution: 16 bits。
8. Max Output Rate: 4 MS / s。
9. Output Range: ±10V。
10.Digital I/O: 8 lines。
11.Counter/Timers: 2/24-bit。
12.Triggers: Analog and Digital。
二、訊號模組控制箱
因要將引擎監理電腦 之所有端子並聯接出，將引擎運轉 的狀況由所偵測的感知器訊號忠實呈現，故本訊號模組控制 箱內共設計了三片控制電路板如圖 2.2，此電路板設定具有模 擬 Input / Output 的功能，為保護該電路其上裝置有繼電器，
並可依實驗需要使該配線控制的感知器作動或關閉，且可輸 入類比或數位信號來控制引擎而改變運轉狀況，以達實驗所 需之條件。
圖 2.2 訊號模組控制箱 此訊號模組控制箱其功能為：
1.具 16 個線組可供使用，可做信號擷取、切斷、模擬。
2.將輸入信號降壓電路或濾波電路。
3.具綜合電路測試孔，分已處理未處理及信號模擬測試孔。
4.可將車輛線路與電腦插頭線路作斷路、短路或撘鐵功能，
以執行模擬故障。
5.可選配 16 個故障模擬開關組，做為設定故障排除用，不必 切斷電路模擬，故障回復時只要開關撥回即可。
6.可利用軟體與信號擷取卡的 AO 輸出線頭，模擬引擎運轉 狀況。有關多功能信號處理介面卡，由於車輛的信號有許 多不同的電壓，一般信號擷取卡所接受的電壓為±10V 或±
5V，所以要將信號送入信號擷取卡處理，必須經過降壓電 路或濾波電路，欲測量電流須加負載電阻，此多功能信號 處理介面卡提供專業 IC 插座的連接器，可自由拆卸組成 壓降電阻、濾波電容或積納二極體，同時在進入引擎監理 電腦電腦處，提供一個電阻式保險絲，防止因線路故障損 害。
三、系統配線
訊號擷取卡及引擎控制模組其配線為 68 Pin 端連接訊號 擷取卡，50 Pin 端連接訊號跨接板。如圖 2.3 為訊號跨接板模 擬四個類比輸入的系統配線圖，由於引擎的訊號有許多不同
的電壓訊號，因此針對本文所探討引擎 misfire 的部分訊號擷 取。其他相關的實驗基本設備如後:
1.汽油引擎：三菱噴射汽油引擎，型號 4G93 如圖 2.4 所示。
2.電腦：Pentium III，256 MB 記憶體，20 GB 的硬碟。
3.信號擷取卡：NI 公司編號 PCI-6110 (5MS/sec)。
圖 2.3 信號跨接板模擬系統配線圖
圖 2.4 引擎實體配線圖
2.2 偵測原理
2.2.1 電腦控制式噴射系統
電子控制式汽油噴射引擎依其構造作用可分為，電子控制系 統、燃料系統、空氣系統等三大系統，本節將探討一些實驗所遭 遇之原理、原則及共通性問題如下:
一、電子控制系統
在主電腦構造中，當引擎運轉時，各感知器以數值性訊 號將引擎狀況，傳給引擎監理電腦此時引擎監理電腦以感知 器輸入的數值訊號及己設定的基本程式資料 [20]，加以計算
，用來控制噴油嘴及點火正時等動作，其引擎監理電腦內部 資料運作如圖 2.5 所示，於多層印刷電路板上，焊裝約 200 個電子零件，但主要之數位電路都設計放在頂層電板中，而 底層主要是控制點火和燃油噴射等功率級需出電路唯燃油噴 射器和點火輸出級的功率元件，要加裝散熱片，避免溫度過 熱而造成燒毀。經由一個 50 腳位之接頭插座連接電瓶及各 感知器和各個驅動器，最後在引擎監理電腦附加一組安全保 護接頭，防止逆向電壓或短路造成傷害。
圖 2.5 引擎監理電腦系統控制圖 1.監理電腦資料處理
(1).輸入級電路
電腦輸入級電路，係將各個感知器輸入的訊號轉換
成微處理器能接收計算的訊號。
①脈衝波
為了讓微處理器能夠處理輸入訊號，所以必須將 一般脈衝波轉換成電腦內部的脈衝訊號。
②類比/數位轉換器介面電路
大多數的感知器，依送所測得的訊號，背屬於線 性電壓值，然而微處理器只能處理數位訊號，故將類 比的線性訊號，轉換成二進位碼方形波數位訊號，此 為必要之介面電路。
(2).微處理器系統
①輸入/輸出資料
輸入及輸出資料是電腦掌握外界情形的基本訊號
。經由設定的頻率，讀取輸入訊號並迅速地處理輸出 的訊號，如此周而復始不斷循環式儲存起來，以備取 之需。
②時序脈波產生器
時序脈波產生器，是用來同步計算處理時間訊號 波，俾正確執行控制工作時機。
③資料傳送通路
所有的資料訊號，都須連接通路傳送，而資料傳 送的組件有設定記憶資料及控制訊號的資料，均可在 此通路上作傳送工作。
2.微處理器 (1).邏輯電路
邏輯計算器是以及閘 (AND)、或閘 (OR)、反相閘 (NO)等邏輯組或邏輯電路，由程式所設定的訊值供隨機 處理記憶體 (RAM) 或唯讀記憶體 (ROM)，用來辨別 使用。
①貯存器
貯存器是用來貯存邏輯計算器瞬間傳入的資料。
②邏輯
邏輯控制的處理順序，是針對執行電壓訊號，讀 取必須的資炓以及控制輸入/輸出訊號而言。
③唯讀記憶體
這部份是裝載所有需要操作微處理機的程式，它 只能讀取而不能寫入，其包括全車特性值，特性曲線 理論數值等資料，唯燒錄於 ROM-IC 裡的資料即使電 腦瓶電源拆掉亦不能被消除，一樣存留於記憶體中。
④隨機處理記憶體
隨機處理記憶體的第一部份，是接收感知器送來 的訊號並計算，且將拷貝下來暫時儲存於隨機處理記 憶體內。資料和計算可讀且可寫入記憶體內儲存，第 一部份所儲存的感知器資料在每一次發火開關 關掉 時即被消除記憶，但第二部份是從自我診測系統查出 故障並儲存起來，若要消除此資料，必需使微處理器 輸出清除或將電源關掉至廠家設定的時間，則可完全 消除隨機處理記憶體內儲存的故障資料。
⑤自我學習系統
自我學習系統於驅動或負荷狀況改變時，感知器 的輸入值也會跟著改變，此時便啟動系統，讓電腦接 受引擎新狀態視為正常，同時重新發出點火正時和其 他命令，以獲得引擎最佳驅動性能[21]。
⑥後援系統
在電腦內部有一後援系統，主要目的在於電腦無 法正常正作時，提供引擎驅動訊號給噴射器和點火裝 置，使引擎能繼續運轉。 一但啟動系統後，其最高控 制權即被接收，直接控制噴油及點火之權力，並依輸
入之訊號或唯讀之訊號，經簡單計算便送出噴射量及 點火時間驅動信號。
二、燃料系統
燃料系統由電磁式噴射器、輸送管、燃料壓力調節器及燃料 泵。裝有兩個燃料過濾器，一個在燃料箱內，另一個在引擎中。
蒸汽污染控制系統在某幾型有裝置，由燃料蒸氣管，活性炭罐 及其他部份組成。其燃料路徑為燃油泵開始從油箱中抽出後，
經過燃料主管，在經過分配管分至各噴射器之前，由外部燃料 過濾器過濾。送至噴射器的燃料由燃料壓力調節器保持壓力為 335 kPa，比進氣歧管內壓力高。穩定壓力後，多餘的燃料由回 流管回到燃料箱，流經噴射器時，噴射器閥全開，噴出燃料。
由於噴射燃料壓力保持為預定壓力，噴射進入進氣歧管的燃料 量正比於噴射器驅動時間。噴射器收到電子控制單元的訊號 時，依預定點火順序將燃料噴射入每個歧管孔。燃料噴射量控 制，基本驅動時間以氣流感知器的進氣量訊號及曲軸角感知器 訊號（引擎轉速訊號）決定。
三、空氣系統
空氣系統中最為重要的就是空氣流量感知器，其功能為測 量進氣量，裝置在空氣濾清器中。此具實驗用引擎較特殊的
是使用高感度的感知器，稱為 Karman 渦流式的感知器，偵測 通過空氣濾清器的進氣量，對引擎監理電腦提供進氣量。引 擎監理電腦使用此訊號及引擎轉速訊號（曲軸角感知器訊號
）計算及決定基本噴射驅動時間。
2.2.2 引擎監理電腦輸出系統
電腦輸出系統，可分為兩個部份，一是控制引擎性能之外部 機件，如燃料供油泵、噴射器和點火正時等，另一是電腦輸出級 的功率放電電路。電腦輸入、輸出系統的工作，有特定設計的模 式，是依據引擎運轉的需求，以及不同狀況的負荷，所產生的特 性，使用電子電路作適當的控制設計。
一、控制引擎性能之外部機件 1.燃料供油泵
當電腦控制燃油泵，繼電器的作動方式如圖 2.6 所示
。若發火開關第一次轉 ON 位置時，電腦使燃油泵繼電器 作動，使燃油泵供油動作 1 至 2 秒鐘，此時管路內已建立 內壓，倘使在兩秒間未接收到起動信號，那麼電腦會將電 器電路斷電，使繼電器關閉，供油泵即停止運轉，等待下 一次起動訊號。
另外有一個燃油供油泵的後援系統，可藉助機油壓力 開關來控制，若機油壓力到達 4 psi 時，將會使機油壓力 開關內部兩條線路接通一是機油壓力指示燈，另一個是燃 油供油泵，當上述的繼電器失效時，亦可藉助機油壓力開
關線路，保持供油泵運作。
圖 2.6 電腦控制燃油泵作動圖 2.點火時間控制
引擎監理電腦依據由軸轉角感知器的上死點訊號、空 氣流量、節氣門位置、冷卻水溫度、進氣溫度及引擎迴轉 速等來計算其正確的點火時間，若偵測引擎有爆震感知器 會將訊號輸入引擎監理電腦使點火時間提前的度數減少
，防止爆震產生。
3.噴射器電磁閥門控制 機油壓力 機油壓力指示
+Vcc
M 繼電器驅動訊號
ECU
GND
GND
Fuel Pump
供油泵測試端
噴射器的電源，大都是由引擎系統電源繼電器提供，
即是點火開關關閉後，引擎系統電源繼電器動作，此時將 電瓶電源轉給噴射器等元件使用。當電瓶中源經過繼電器
，再到達噴射器內部的電磁線圈，即等待引擎監理電腦控 制導通訊號，以配合引擎需求的電磁線圈開閉動作。引擎 監理電腦依據負載、轉速、補償和修正等訊號運算，電邏 輯積體電路輸出噴油脈衝信號，並由功率電晶體執行脈衝 頻率的開關和動作，即完成噴射器電磁線圈的通路，功率 晶體 ON 時，噴射器電磁線圈完成迴路，即刻產生磁力
，使噴射器控制閥門打開，讓燃油噴入汽缸內，以供燃燒 之用。
二、電腦輸出級的功率放電電路
點火系統採用兩個內置式功率電晶體的點火線圈 (A 及 B) 如圖 2.7，分別提供第一、第四缸以及第二、第三缸的點火 電壓。當電流到達點火線圈 A 一次側的一次電流中斷，使點火 線圈 A 的二次側產生高電壓，此高壓電提供第一及第四缸的火 星塞以產生火花，此時，兩個火星塞同時產生火花，若一缸於 壓縮行程，則另一缸必定在排氣行程，因此壓縮過後的混合汽 點火僅發生在壓縮行程的汽缸內。同樣地，電流至點火線圈 B
的一次電流中斷時，其感應的高壓電同時提供第二及第三缸的 火星塞以產生火花。
引擎監理電腦交替地控制，點火線圈內的兩個功率電晶體 的導通及不導通 ，使點火線圈的一次電流，依點火順序 1-3-4-2 中斷並產生高電壓。
圖 2.7 電子點火控制系統結構
引擎監理電腦，藉由凸輪軸位置感知器及曲軸角度感知器 的訊號來控制點火線圈，並根據引擎受負載之運轉狀況來偵
測曲軸位置，以期在最適當的時間提供點火電壓。
當引擎於冷車或在高海拔處運轉時，點火正時會稍微地提 前，以提供最佳的性能；假若，產生爆震時，點火正時會逐 漸地延遲直到爆震停止。如圖 2.8 點火提前特性圖 [21]，將此 資料燒錄於隨機處理記憶體內，以提供燃油經濟性，排氣低 污染之標準。
x 軸:負荷 y 軸:點火提前 z:引擎轉速 圖 2.8 點火提前特性圖
X 軸 Z 軸
Y 軸
2.2.3 訊號溝通模式
為讓資料進出電腦，其溝通橋樑為資料擷取卡，該卡必須設 定三個參數，第一為基底輸出/入位址 (Base I/O address) 此資料擷 取卡主要都是經由卡上的暫存器來與電腦溝通，而資料擷取卡的 驅動程式將電腦和暫存器之對應作一特殊設定，以方便獲得所需 之資料。
第二為直接記憶體存取 (DMA)，此為另一種和電腦的直接記 憶體溝通方式，此方法不需經過處理器，可達最快的資料傳輸速 度，對於高速資料擷取裝置更形重要，以本文所需之高解析度，
必定要指定一持別的記憶體存取通道，否則可能會衝突到其他裝 置設備，亦可增加達到最高的資料傳送速率。
第三個溝通方式是經由處理器的插斷位階 (Interrupt Level)，
該方式是將累積之資料量，藉由插斷來提醒處理器，要處理的資 料以準備完成，等待讀取，為使各週邊裝置能有效率運作，各週 邊裝置所使用的插斷位階亦有所不同，如直接記憶體存取通道般 也須有不同的個別設定。
本文所做之實驗設備所使用的資料擷取卡為隨插即用 [16]，
故不必使用跳接頭 (Jumper)來調整上述的參數，只需在軟體中執
行參數調整即可， National Instruments 公司為 Windows 家族設計 一個資料擷取卡所能使用的驅動程式是一個 32 bit 的動能連結資 料庫 (DLL)，該程式安裝於 WINDOWS\SYSTEM 目錄下，而 NI-DAQ 設定的公用程式 (Configuration Utility) 可以使軟體做資 料擷取卡的參數，以便再使用 Windows 的裝置管理程式 (Device Manage)設定此卡後，即可於微軟公司的軟體 Windows 下之註冊 表 (Registry) 內看到此張資料擷取卡的編號，並將此資料貯存，
方更執行及管理，如要使 DAQ 啟動，須要呼叫 NI-DAQ 公用程 式，也就是 LabVIEW Software 此時便給硬體一個訊號來啟動輸出 及輸入，而該資料擷取卡所使用的輸出及輸入緩衝區和電腦中隨 機存取記憶體的緩衝區皆可為資料擷取後的暫存區或空間在上圖 中亦可瞭解，觸發 (Triggering) 啟動或終止或同步並不一定要軟 體才能動作，也可以使用硬體觸發，若需要非常精確的資料事件 擷取時序，就一定要仰賴硬體觸發。
本文實驗須要以較高的分析速率擷取來產生許多資料點，且 連續地擷取產生交流資料點達每秒 100000 個點，以上的顯示和分 析又將整個取樣週期的資料點精確均勻顯示，以上條件都確切表 示要使用到緩衝輸入和輸出先將資料快速地存放，待稍後處理器 的呼叫存取，以便下一次訊號處理之用。
第三章 實驗過程
3.1 實驗流程
一、規劃擷取時間
規劃擷取 1°到 120°的動力行程噴油時間，且用可以改變 取樣時間及起始曲軸轉角，來分析統計 misfire 最容易產生的 時機，並以此轉角範圍做斷油和斷電的資料擷取，撰寫一個 可廣域調整範圍的程式較方便實驗進行的工具，減少實驗時 間，減低引擎負荷。
二、遴選資料擷取卡
將選用的資料擷取卡，型號 PCI-6110 裝置於電腦中如圖 3.1 所示，並使用 NI 公司所提供之驅動程式，驅動安裝防止 衝突，使之運作順暢。
三、譯碼器準位校正
用引擎和擷取資料用電腦做連結，並將譯碼器儀器作準位 校正如圖 3.2 所示，打開 LabVIEW 所提供之四軌示波器，將 引擎曲軸搖至上死點記號，監視譯碼器所輸出每轉一個 Z 相 的反脈衝訊號和上死點位置是否相符，若不符合則使用內六
角板手作微調，進而拆開搖臂蓋，檢視進排汽門，確定第一 缸達上死點時，並再一次監視譯碼器所輸出 Z 相訊號，是否 達其準位點，否則重覆上述之步驟再做調整。
圖 3.1 DAQ Card 安裝位置
PCI-6110 DAQ Card
圖 3.2 譯碼器準位校正 四、計算動力行程曲軸轉角
查閱廠家引擎規範得知進排汽門早開晚關角度，計算動力 行程真正的曲軸轉角，方使得實驗順利進行，並達精確之要 求。
五、信號模組控制箱
實驗引擎中的監理電腦端子並聯至信號模組控制箱上，為 便利訊號量測，將引擎監理電腦訊號降壓再利用 LabVIEW 軟體所撰寫的程式來監控所設計的實驗模組，本文所需偵測 的感知器為譯碼器的 A、Z 訊號、凸輪軸感知器 (CAM) 和曲 軸角感知器 (CKP)，故設計可一次顯示四種波形比較的四軌
譯碼器
示波器，實驗研究流程如圖 3.3。表 3.1 為資料擷取卡 68 PIN 轉 50 PIN 轉換接腳對照表。表 3.2 為信號模組控制箱與引擎監 理電腦接腳號碼對照表。實驗架構為 LabVIEW 資料擷取卡，
可讀取類比輸入訊號 (A/D) 轉換產生類比輸出訊號 (D / A) 轉換讀取與送出數位訊號、安排內建計時器、量測頻率、產 生脈衝訊號等與引擎相關連的應用。
六、跨接線路板
如表 3.3 NI 公司編號 PCI-6110 資料擷取卡 I/O 配接腳位
，利用跨接線路板將譯碼器的訊號和引擎控制箱作連結，送 至電腦工作站以利系統分析。
表 3.1 68-50 PIN 對照表 50-Pin Connector
Pin Numbers
Signal Names
68-Pin Connector Pin Numbers
1,2 AIGND 24,27,29,32,56,59,64,67
3 ACH0 68
4 ACH8 34
5 ACH1 33
6 ACH9 66
7 ACH2 65
8 ACH10 31
9 ACH3 30
10 ACH11 63
11 ACH4 28
12 ACH12 61
13 ACH5 60
14 ACH13 26
15 ACH6 25
16 ACH14 58
17 ACH7 57
18 ACH15 23
19 AISENSE 62
20 DAC0 22
21 DAC1 21
22 RESERVED 20
23 AOGND 54,55
24,33 DGND 4,7,9,12,13,15,18,35, 36,39,44,50,53
25 DIO5 52
26 DIO4 19
27 DIO1 17
28 DIO5 51
29 DIO2 49
30 DIO6 16
31 DIO3 47
32 DIO7 48
表 3.1 68-50 PIN 對照表(續) 50-Pin Connector
Pin Numbers
Signal Names 68-Pin Connector Pin Numbers
34,35 +5v 8,14 36 SCANCLK 46 37 EXTSTROBE 45 38 PF10/TRIG1 11 39 PFI1/TRIG2 10 40 PFI12/CONVERT 43 41 PEI3/GPCTR1
SOURCE
42 42 PEI4/GPCTR1
GATE
41
43 GPCTR1 OUT 40
44 PEI5/UPDATE 6 45 PEI6/WFTRIG 5 46 PFI7/STARTSCAN 38 47 PEI8/GPCTR0
SOURCE
37 48 PEI9/GPCTR1
GATE
3
49 GPCTR0 OUT 2
50 FREO OUT 1
表 3.2 信號模組控制箱與引擎監理電腦接腳號碼對照表
電腦腳 類比輸入 功能 模組控制箱 1 號電路
8 燃油泵繼電器信號 2 1
37 動力轉向開關 2
38 引擎控制繼電器 2 3
12 引擎控制繼電器 1 4
1 11
第一缸噴油嘴 5
14 第二缸噴油嘴 6
2 第三缸噴油嘴 7
15 第四缸噴油嘴 8
9 13
活性碳罐 9
6 14
排氣再循環控制系統 10
71 起動信號 11
90 6
空氣流量計 12
72 9
空氣溫度 感知器 13 85 10
大氣壓力 感知器 14
91 動力方向盤關開 15
4 12
怠速作用閥 16
表 3.2 為信號模組控制箱與引擎監理電腦接腳號碼對照表(續) 電腦腳 類比輸入 功能 模組控制箱 2 號電路
17 怠速作用閥 1
5 怠速作用閥 2
18 怠速作用閥 3
84 7
節氣門 感知器 4
83 8
水溫 感知器 5
*76 5
含氧感知器 6
*60
含氧感知器加熱線 7
86 車速感知器 8
33 發電機 D 端子電壓 9
41 15
發電機轉子線圈電 10
21 水箱風扇繼電器 11
78 4
爆震感知器 12
23 2
1~4 缸點火線圈 13 10 3
2~3 缸點火線圈 14 89 0
豐軸角度感知器 15
88 1
凸軸位置感知器 16
表 3.2 為信號模組控制箱與引擎監理電腦接腳號碼對照表(續) 電腦腳 類比輸入 功能 模組控制箱 3 號電路
4 步進馬達 (A1) 1
17 步進馬達 (A2) 2
5 步進馬達 (B1) 3
18 步進馬達 (B2) 4
12 點火開關 (ON) 5
38 起動訊號 (ON) 6
預留孔 7
預留孔 8
預留孔 9
預留孔 10
預留孔 11
預留孔 12
預留孔 13
預留孔 14
預留孔 15
預留孔 16
預留孔 NO
預留孔 GND
圖 3.3 實驗研究流程圖 硬體安裝建置
儀器校正 規畫實驗預期目標
撰寫擷取資料程式
比對驗證廠家規範
完成預期實驗目標
表 3.3 I/O Connect Pin Assignment for the 6110 Device
3.2 圖控程式 LabVIEW 說明 3.2.1 前置面板
就操作介面前置面板如圖 3.4 所示，逐項說明之
圖 3.4 人機介面前置面板 一、轉速錶
如上圖為譯碼器訊號、凸輪軸感知器和曲軸角感知器擷 取所得而呈現的引擎轉速，每小格為 200 rpm，此錶可作為 偵測時的參考依據。
二、各缸曲軸轉角計算起始點
此設計是為了在實驗中利於調整偵測範圍，所做的控制
，其目的是讓實驗的可調範圍較為自由。
三、擷取曲軸總角度
在第二項決定曲軸轉角起始點度數時，即可調整擷取該 起始點至終了的總曲軸轉角。
四、各缸曲軸轉角擷取時間
於程式撰寫的後段輸出，將擷取的取樣數直接換算成時 間，因本文所研究之轉角以度來計算，故擷取換算後之時間 非常小，所以用數字和柱狀時間圖作每千分之一秒顯示，此 前置面板可如此精美亦是 LabVIEW 圖控程式引以為傲。
五、各缸動力行程擷取時間圖
此波形為四缸的動力行程時間圖，於圖上秀出位置較高 表示動力程行時間越長，也就是說產生了 misfire，並為分辨 各缸時間狀況設定，第一缸為紅色線，第二缸為白色線，第 三缸為綠色線，第四缸為藍色線。發動後有一紅色縱線為程 式圖表掃瞄線，可即時觀察各缸的變化。
3.2.2 程式方塊圖
LabVIEW 的核心就是程式方塊圖，這就是圖控程式的精神，
於前置面板設定顯示的圖像後，即可進入後面板中的程式方塊圖
，如傳統的撰寫程式般的將流程圖畫出，即完成程式的撰寫，是 一非常人性化的開發軟體，本所撰寫的程式說明如下:
一、找尋第一缸上死點前 75°起始點
如圖 3.5 所示紅色為凸輪軸脈衝波形而淺藍色的是曲軸 脈衝波形，在程式撰寫中只要比較兩種波形的前後順序即可 找出第一缸的位置，找出第一缸的起始點，實驗才能精確的 去擷取所需的資料，如圖 3.6 程式方塊圖中的 Channel 0 為紅 色波的凸輪軸若小於 Channel 1 藍色的曲軸時即是圖 3.5 的第 一個波形，也就是觸發抓取計算之開始，直至比較 Channel 訊 號紅色波大於藍色的波時，即是圖 3.5 的第三個波形，此時 為第一缸上死點前 75°的開始，倘若於三次的時間內沒有比 較到紅色波大於藍色的波時，就重覆上述的動作，這就是 While Loop 的應用。
圖 3.5 凸輪軸感知器和曲軸感知器擷取波形圖
圖 3.6 第一缸上死點前 75°程式方塊圖
二、找尋第一缸上死點 0°起始位置
在找到第一缸 上死點前 75°起始點後，進行第二步驟，
就是把上死點前 75°訊號和譯碼器中的 Z 反相訊號作比較，
當 Z 訊號在低位時可確定第一缸上死點 0°起始點，如圖 3.7
所示。
三、尋找全行程 720°準位點
就圖 3.7 所示找到第一缸上死點 0°後，將資料和 11 伏特 電位比較，若大於 11 伏特時即為觸發開啟計算從 0°起，而 720°中擁有四個凸輪軸感知器的脈衝，故用五個一維陣列來 作行程結束的準位判別。
圖 3.7 第一缸上死點 0°程式方塊圖
四、在 0 度時譯碼器反相 Z 訊號
為使圖形掃描線不和 Z 訊號觸發線切齊，故於 Z 訊號的 資料流上減 1 如圖 3.7，即可於圖像上看到 Z 訊號觸發線，
同理 720°行程終了之準位線亦如圖 3.8 資料流加 1，以顯示 準位線。
圖 3.8 RPM 計算程式方塊圖
五、轉速計算程式方塊圖
用找到的 720°之取樣點來除以 2 而得到每秒一轉 360°
取樣點，乘上 60 成將 RPS 換算為 RPM，再乘上 1000 將 m/s 換算為千分之一還原成引擎轉速，顯示於前置面板，如圖 3.8
所示。
六、擷取曲軸總角度之計算
此曲軸總角度並不能以譯碼器中 A 訊號的取樣數和上死 點作比較如圖 3.8，必須用脈衝數和上死點作比較計算曲軸轉 角之時間。
七、輸出柱狀時間圖及資料流
採用叢集方式將擷取時間資料流輸出成 Excel 的形式，
如圖 3.9 所示，便利於做分析研究，利用叢集陣列將擷取時 間資料流，轉化秀出柱狀時間圖及動力行程平均時間。
圖 3.9 擷取資料輸出程式方塊圖
第四章 實驗結果與分析
4.1 引擎產生 misfires 百分比誤差比較
一、引擎怠速擷取時間資料流輸出
如圖 4.1 所示可於人機介面之前置面板中做設定改變，
將擷取時間資料流輸出成 Excel 的形式統計如圖 4.2 為每秒 5M 的資料，在怠速下做 1°到 120°每間隔 5°擷取至少 53 組 數值分析統計，從 10°至 70°每間隔 10°做產生 misfire 誤差百 分比。
圖 4.1 非干性動力平衡系統監視器 擷取曲軸轉角之總角
各缸擷取起始曲軸轉
誤差百分比的計算
φ = ( | (α-β) | / β) × 100% (4.1) φ: 誤差百分比
α: 單缸動力行程曲軸轉角取樣 50 次時間平均值 β: 各缸動力行程曲軸轉角取樣 50 次時間平均值
5
30
60
平均值 0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
動力行程時間 百分誤差累計
曲軸轉角時間(m/s) No.1 No.2 No.3 No.4
圖 4.2 各起始點擷取曲軸轉角時間所產生 misfire 百分比
二、再由各種不同擷取轉角時間的誤差百分比總表
圖 4.3 至圖 4.10 所示，分析引擎怠速下那一缸位於那一 起始曲軸轉角範圍內最容易產引擎不發火，如圖 4.3 至圖 4.10 所示。
0 0.5 1 1.5 2 2.5
1° 10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90° 100° 110° 平均
No.1 No.2 No.3 No.4
圖 4.3 取樣轉角 5°擷取時間 misfire 誤差百比
0 0.5 1 1.5 2 2.5
1° 10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90° 100
°
平均
No.1 No.2 No.3 No.4
圖 4.4 取樣轉角 10°擷取時間 misfire 誤差百比
0 0.5 1 1.5 2 2.5
1° 10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90° 100° 平均
No.1 No.2 No.3 No.4
圖 4.5 取樣轉角 20°擷取時間 misfire 誤差百比
0 0.5 1 1.5 2 2.5
1° 10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90°
平均
No.1 No.2 No.3 No.4
圖 4.6 取樣轉角 30°擷取時間 misfire 誤差百比
0 0.5 1 1.5 2 2.5
1° 10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80°
平均
No.1 No.2 No.3 No.4
圖 4.7 取樣轉角 40°擷取時間 misfire 誤差百比
0 0.5 1 1.5 2 2.5
1° 10°
20° 30°
40° 50°
60° 70°
平均
No.1 No.2 No.3 No.4
圖 4.8 取樣轉角 50°擷取時間 misfire 誤差百比
0 0.5 1 1.5 2 2.5
1° 10° 20° 30° 40° 50° 60°
平均
No.1 No.2 No.3 No.4
圖 4.9 取樣轉角 60°擷取時間 misfire 誤差百比
0 0.5 1 1.5 2 2.5
1° 5° 10° 15° 20° 25° 30° 35° 40° 45° 50° 平均
No.1 No.2 No.3 No.4
圖 4.10 取樣轉角 70°擷取時間 misfire 誤差百比
三、引擎正常運轉非干擾之動力平衡統計
表 4.1 統計得知在無干擾下，該實驗用引擎產生引擎不 發火最嚴重的汽缸為第四缸，且由各取樣轉角得知此實驗引 擎有一特點，就是在起始轉角 30°以下取樣 50°轉角之時間內 準確度較高較為線性，本文發現若起始轉角 30°以上取樣 50
°轉角之時間，將會有不規則之變化，這亦表示曲軸轉角超過 80°以上時，該引擎引擎監理電腦將作點火回饋控制，控制他 汽缸來彌補動力之不足，此亦驗證斷電影響較大之引擎不發 火 [22]。
表 4.1 怠速非干擾所產生 misfire 各缸誤差百分比 缸別
曲軸轉角
No.1 No.2 No.3 No.4
5 1.178151276 0.983449356 0.911962662 1.181789261 10 1.107846211 0.906127654 0.943929726 1.127445951 20 1.114713549 0.9602487 1.058545497 1.1781754 30 1.264372289 0.899048466 1.070229966 1.230744609 40 1.185490591 0.937641395 1.055547909 1.135112203 50 0.992403613 1.070173498 0.892429165 1.216949873 60 1.102380178 0.925528218 0.976798448 1.143810682 70 1.041681702 0.893236651 0.83836896 1.102143772 總計 8.987039409 7.575453938 7.747812332 9.316171752 平均值 1.123379926 0.946931742 0.968476541 1.164521469
四、斷油方式觀察引擎不發火
採用變化較細微之斷油方式觀察引擎不發火，本文實驗使 用較精確譯碼器，此乃譯碼器之功效如圖 4.11。由表得知於 10°前譯碼器未偵測出所設之斷油於第一缸，第 20°起方可知 斷油在第一缸，其第一缸之動力行所耗費誤差時間百分比較
大，然而擷取到 70°的理由，為在於引擎的動力行程受到排氣 門早開 60°之故，動力行程為 180°，扣除排氣門早開 60°只剩 下 120°。
如圖 4.11 所做之實驗以取樣曲軸總轉角 50°，加上最大 起始點 70°，正好為動力行程結束時之 120°止，由折線圖可 看出第一缸不發火時，其相對之點火電晶體亦補助回饋增強 點火，此與廠家設計之規範不謀而合。
0 1 2 3 4 5
No.1 No.2 No.3 No.4
10° 20°
30° 40°
50° 60°
70°
圖 4.11 第一缸斷油取樣轉角 50°擷取時間 misfire 誤差百比
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
no.1 no.2 no.3 no.4
10° 20°
30° 40°
50° 60°
70°
圖 4.12 第四缸斷油取樣轉角 50°擷取時間 misfire 誤差百比
如圖 4.12 所做之實驗以取樣曲軸總轉角 50°，由折線圖 可看出第四缸不發火時，其相對之點火電晶體亦補助回饋增 強點火。
第五章 結論及建議
5.1 結論
本文探討非干擾性動力平衡，其主要原因在於引擎動力平衡 系統中，引擎動力損失是不可避免，吾將損失的動能，轉化為可 用的制動能量，只要能精確將非干擾性動力失衡資料加以擷取分 析，且有效的管理控制，達到減少動力損耗，本文將提供一個完 整而嚴僅的數據。
一、在出現引擎不發火 P0300 之故障碼，是以各缸誤差平均值在 1.25 % 以上，就本文實驗研究說，在每個擷取時間的範圍中 再取 10 個至 18 個起始轉角(曲軸角度)，且都擷取 50 次以上 的資料流，並以 Excel 檔的方式輸出，作較為嚴僅的資料分析
。
二、引擎 misfire 產生顯像於 LabVIEW 的人機介面圖形中，可以 很清楚的發現該引擎點火設計的對稱現象，亦驗證了實驗的 可靠度，若是正常的將引擎運作即如圖 4.1 中各缸動力行程 時間曲線圖均相互重疊互有高低，相當的平均此亦表示，在 非干擾的情況下動力確實不定性的失衡，但在圖 4.2 中取樣
較小的曲軸轉角時，則呈現出微細變化，引擎不發火的產生
，從圖 4.3 到圖 4.10 中卻發現各種不同取樣時間所產生不同 的引擎不發火，此拜譯碼器和快取的資料擷取卡所賜，才能 觀察到如此微細的變化。而所撰寫計算動力行程 misfire 的 LabVIEW 應用軟體，在汽車工程開發引擎上應有相當大的助 益。
5.2 建議
一、本實驗研究尚未將負載列入計算，若依實際路況或真實行車 環境條件下來作偵測，相信在實務上將使實驗更準確，應將 會有更多精彩的發現。
二、此研究可偵測出 misfire 產生的正確時間，而 misfire 對引擎所 產生的影響甚鉅，期望提供汽車工程相關的控制，如引擎的 損耗轉換成引擎剎車控制系統 ( Tracing Control )，也就是將 損耗變換成制動功率，然而只要將引擎產生 misfire 所需的各 種資訊制成表單 (Table Lock) 燒錄於引擎監理電腦內的唯讀 記憶體，且不需增加額外的感知器或零件，即可完成電子控 制的 misfire 產生器，可讓駕駛人在發生危險前即可由引擎監 理電腦產生 misfire，造成引擎剎車進而產生制動功率，創造 出一個主動性剎車控制系統。
參 考 文 獻
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