汽車發(fā)動機熱工性能測試系統(tǒng)設計

1．引言
汽車技術的發(fā)展很大程度上取決于試驗技術的發(fā)展。國外技術處于領先地位的汽車公司都擁有先進的測試技術和完整的試驗設施，尤其擁有由相當數(shù)量試驗臺架組成的發(fā)動機實驗室。發(fā)動機測試指標眾多，發(fā)動機測試技術是汽車測試技術的一個重要組成部分，也是最復雜的一個部分。衡量發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性的指標主要有：功率、扭矩、轉速、燃油消耗等，在發(fā)動機常規(guī)性能試驗中測量的參數(shù)有發(fā)動機的功率、扭矩、轉速、燃油消耗量和燃油消耗率、燃油溫度、潤滑油壓力和溫度、進氣壓力和溫度、排氣溫度和壓力、冷卻水的進出口溫度等。
發(fā)動機的各種參數(shù)通過各種類型的傳感器實時測量，現(xiàn)代高水平的試驗室可同時測量上百個參數(shù)；有些參數(shù)可直接測量得到，有些參數(shù)需根據(jù)測量到的參數(shù)和公式進行計算得出?，F(xiàn)代測試設備一般都提供數(shù)據(jù)的后處理，可按用戶要求提供所需數(shù)據(jù)的最終處理結果，以表格和曲線等形式出現(xiàn)。
本文針對汽車發(fā)動機測試中的熱工性能指標，設計了汽車發(fā)動機熱工性能測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對汽車發(fā)動機的多點溫度、壓力、流量等進行檢測，并能顯示參數(shù)的實時曲線，可自動進行數(shù)據(jù)處理和生成報表，整個測試系統(tǒng)結構簡單，操作方便，可靠性好，精度較高。
2．測試內容
2．1 冷卻水流量測量：冷卻水的最大溫度為150℃；最大流量為10m3/h；管徑：φ30。特點：管路空間比較狹小，無前后直管段、測量時不改變原管路結構，以保證管路阻力特性不變。測量精度：±0.5％～2％；測量點數(shù)：1 點。
2．2 壓力測量及數(shù)據(jù)采集：介質為冷卻水；最大壓力：2.0kgf/cm2；特點：傳感器安裝空間小，要求壓力傳感器的尺寸較??； 精度：±1％；測量點數(shù)：2 點。
2．3 溫度測量：需要測量冷卻水、發(fā)動機表面、內部環(huán)境等多處溫度，測溫范圍：<1000℃；精度：±1℃，測量點數(shù)：<100 點。
2．4 電壓測量：檢測蓄電池、風扇等的電壓，測量范圍：0～15VDC；測量精度：±0.1V；測量點數(shù)： 2 點。
2．5 冷卻風量測量：要求測量冷凝器前的進風量，在冷凝器表面一定的截面積（450×800）范圍內，測量出各點的風速的分布和風量；測點布置：≤20 點。風速測量范圍：15m/s（峰值<50m/s）,測量精度：±2.5％
2．6 濕度測量：測量當時環(huán)境的濕度，測量精度±2%。點數(shù)：1 點。
2．7 車速測量：系統(tǒng)具備在線車速測量功能，測量范圍：10km/h～160km/h，點數(shù)：1 點。
3．測試系統(tǒng)設計
本測試系統(tǒng)由三層結構組成，分別為：測量與變送層、數(shù)據(jù)采集與信號轉換層，以及數(shù)據(jù)處理層。測試系統(tǒng)的結構如圖1 所示。

測量變送層由各類傳感器組成，分別為壓力傳感器、超聲波流量計、熱電偶、電壓傳感器、風速測速傳感器（風速計）等。上述的傳感器中，大多可采用標準的傳感器進行檢測，但發(fā)動機的冷卻風量檢測傳感器設計比較困難。原因有以下幾點：1）電磁干擾強，汽車發(fā)動機附近電磁干擾非常強，筆者曾打開汽車前蓋，啟動發(fā)動機，將電磁式風速儀放在汽車發(fā)動機附近，在無風條件下，因電磁干擾，該風速儀顯示最大風速為3 米/秒。2）高溫環(huán)境，發(fā)動機附近的高溫，使一般電子元件不能正常工作。3）檢測位置狹小，檢測裝置厚度不能超過25mm。
由于上述原因，市場上的風量檢測傳感器顯然不能滿足需求，只有自行設計。根據(jù)需求設計如下：為克服汽車內部的高溫和強電磁干擾，選用耐高溫的反射式光電傳感器，檢測信號通過高溫屏蔽信號線傳輸?shù)椒糯笳坞娐罚缓蠛笏?a href="http://wenjunhu.com/tags/cpld/" target="_blank">CPLD，通過對CPLD 編程，實現(xiàn)對多路頻率信號進行檢測。如圖2 所示。

通過風洞實驗標定，建立風速、局部風量與葉輪轉動頻率之間的關系：

以國外某型號汽車為例，汽車的冷卻風扇是打開的，采用本測試系統(tǒng)連續(xù)測試3 次，測試出某汽車在不同行駛速度下的風量，風量單位是m3/h 是參考值為國外汽車公司在同等條件下的測試值。具體測試數(shù)據(jù)見表2。

以上所測試的數(shù)據(jù)與該公司在北美地區(qū)利用國外測試系統(tǒng)所測試的結果基本一致。
4．軟件設計
軟件系統(tǒng)以美國著名的“LABVIEW”組態(tài)軟件作為計算機軟件的開發(fā)平臺。數(shù)據(jù)處理層是應用計算機將RS485總線上的數(shù)據(jù)（轉換為RS232）傳送到計算機中，通過計算機軟件，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)顯示（包括趨勢圖顯示）、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)保存、生成報表和打印等。打印報表是測控系統(tǒng)普遍要求的一項基本功能，Microsoft Excel 是強大的數(shù)據(jù)處理軟件，應用極為廣泛，通過與LabVIEW 的結合，將采集到的數(shù)據(jù)傳送到Excel 中，充分利用了兩者的功能。試驗者在試驗結束后，可查看Excel 文件中的數(shù)據(jù)，進行其他進一步處理。
5．結論
本系統(tǒng)已成功應用在某汽車研究中心的實驗室中，一年多的實際運行結果顯示，完全能滿足發(fā)動機熱工參數(shù)測量的需要，測試精度高，性能穩(wěn)定，由于采用總線結構，系統(tǒng)擴充也很方便。作者的創(chuàng)新點是：國內對于汽車發(fā)動機熱工參數(shù)的測試大多停留在分別對某些參數(shù)的測試，綜合測試系統(tǒng)的研究處于起步階段，尚沒有同類產(chǎn)品，本系統(tǒng)可同時測試多種參數(shù)，更有利于分析發(fā)動機的性能。另外，解決了高溫，強電磁干擾環(huán)境下，發(fā)動機冷卻風量的檢測。