可移動式汽車發(fā)動機(jī)功率測量儀設(shè)計

歐陽愛國，羅茶根，劉 軍，劉燕德

（華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌 330013）

可移動式汽車發(fā)動機(jī)功率測量儀設(shè)計

歐陽愛國，羅茶根，劉 軍，劉燕德

（華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌 330013）

汽車發(fā)動機(jī)功率檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作繁瑣，在一般的維修廠很難推廣使用。針對這一問題，研制了一種操作簡單，成本低的可移動式汽車發(fā)動機(jī)功率測量儀。采用點火脈沖電流來測量發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過測量驅(qū)動輪制動力獲得轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而計算發(fā)動機(jī)輸出功率。實驗結(jié)果表明，該測量儀結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能方便地測量發(fā)動機(jī)功率，誤差滿足測量精度要求。

汽車發(fā)動機(jī)；輸出功率；測量儀

汽車是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，由于行駛里程的增加和使用時間的延續(xù)，其技術(shù)狀況將不斷變差。汽車動力性是判別汽車技術(shù)狀況的主要項目，而汽車發(fā)動機(jī)輸出功率是汽車動力性的基礎(chǔ)，所以如果不能準(zhǔn)確測量出發(fā)動機(jī)的輸出功率，就難以對車輛的動力性做出正確的評價。發(fā)動機(jī)有效功率是曲軸對外輸出的凈功率，是評價汽車發(fā)動機(jī)技術(shù)狀況最重要的性能參數(shù)之一，也是汽車動力性最主要的診斷參數(shù)之一[1]。

據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究報道，汽車發(fā)動機(jī)輸出功率的測量主要采用拆卸的方式，即將發(fā)動機(jī)從汽車上拆卸下來直接進(jìn)行發(fā)動機(jī)臺架實驗，或者把發(fā)動機(jī)連接到底盤測功機(jī)上進(jìn)行測試[2]。但是，由于底盤測功裝置功能不全（無論是進(jìn)口還是國產(chǎn)的）以及測量理論和方法不完善，難以準(zhǔn)確、有效、快速地測量汽車發(fā)動機(jī)輸出功率。例如，Vickio J R等[3]發(fā)明的利用加速慣性飛輪吸收發(fā)動機(jī)輸出功率的底盤測功裝置，在發(fā)動機(jī)功率測量過程中必須把發(fā)動機(jī)從汽車上拆卸下來。吉林大學(xué)王建強(qiáng)等[4]通過在現(xiàn)有的底盤測功裝置上建立反拖系統(tǒng)并對飛輪組進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，實現(xiàn)了對發(fā)動機(jī)功率較準(zhǔn)確的測量，達(dá)到了辨識發(fā)動機(jī)和傳動系技術(shù)狀況的目的，這套測量裝置已獲得國家實用新型專利[5]，但整個裝置變得更加復(fù)雜。吳明[6]在分析國內(nèi)外輕、重型車輛底盤測功裝置安置角和滾筒直徑等參數(shù)要求的優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，對車輛在底盤測功裝置上測量進(jìn)行了受力分析，找到了影響測量安全性的驅(qū)動軸重、測量驅(qū)動力、安置角等參數(shù)之間的關(guān)系，建立了輕、重型底盤測功裝置統(tǒng)一臺架結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。熊國慶等[7]利用模糊PID控制技術(shù)對底盤測功機(jī)各控制器進(jìn)行了設(shè)計，并通過MATLAB仿真給出了系統(tǒng)控制模式的控制效果。以上研究為發(fā)動機(jī)功率測量奠定了一定的理論和實踐基礎(chǔ)。

由此可見，研制操作簡單、成本低的發(fā)動機(jī)功率測量儀具有一定的實際意義，并有望在廣大汽車維修服務(wù)廠家進(jìn)行推廣。本研究設(shè)計了一種可移動式的汽車發(fā)動機(jī)功率測量儀，該功率測量儀操作簡單，能方便的測量發(fā)動機(jī)功率，有效提高汽車發(fā)動機(jī)功率測量的工作效率。

1 總體設(shè)計思想與目標(biāo)

設(shè)計的是可移動式汽車發(fā)動機(jī)功率測量儀，要求裝置工作時安裝簡單，體積小，還可以很方便地拖動，比需要通過拆卸的方式在試驗臺架上測量發(fā)動機(jī)扭矩的方法簡便、高效。其預(yù)期目標(biāo)如下：

1）能夠適用于四輪小轎車；

2）能夠測量的發(fā)動機(jī)功率大約為60 kW；

3）測量的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速大約為3 500 n·min-1；

4）速度測量誤差為±1%，扭矩測量誤差為±2%[8]。

2 功率測量儀的結(jié)構(gòu)

可移動式汽車發(fā)動機(jī)功率測量儀的結(jié)構(gòu)如圖1，將專用夾具綁定于汽車驅(qū)動輪A上，拉力傳感器A的一端與專用夾具連接，一端與地腳連接，利用螺栓固定傳動法蘭盤于汽車驅(qū)動輪B上，傳動法蘭盤中心焊接一小段法蘭盤傳動軸；該小段法蘭盤傳動軸通過萬向節(jié)總成與過渡傳動軸一端連接；萬向節(jié)總成包括依次連接的前級萬向節(jié)節(jié)叉、萬向節(jié)、萬向節(jié)傳動軸、萬向節(jié)、后級萬向節(jié)節(jié)叉，其中前級萬向節(jié)節(jié)叉與法蘭盤傳動軸連接，后級萬向節(jié)節(jié)叉與過渡傳動軸一端連接，另一端通過花鍵與制動傳動軸連接；制動傳動軸通過軸承A和軸承C固定于支架上；制動器裝在制動傳動軸上，制動盤也通過平鍵連接裝在制動傳動軸上；制動蹄通過支撐螺栓裝在制動器上，另一端由壓叉壓住，在彈簧作用下與制動器保持一定間隙；壓叉裝在制動器上，拉力傳感器B的一端固定在制動器的外端，另一端固定在支架上。

3 測量原理

功率測量的基本思路是，采用點火脈沖電流來測量發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過測量驅(qū)動輪制動力獲得轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而計算出發(fā)動機(jī)輸出功率。

使用汽車驅(qū)動輪專用舉升機(jī)將汽車驅(qū)動輪A、B舉起離地，專用夾具將其中汽車驅(qū)動輪A拴住并與鋼絲繩連接，中間串聯(lián)一個拉力傳感器A，鋼絲繩另一端固定。驅(qū)動輪B通過傳動法蘭盤及各連接件與制動盤連接，制動盤外緣有制動器，制動器由鋼絲繩拉住不可轉(zhuǎn)動，該鋼絲繩中間也串聯(lián)一個拉力傳感器B。測量時，先將汽車掛上直接檔，發(fā)動機(jī)處于一定工況，制動器逐漸制動，與制動盤外緣摩擦產(chǎn)生制動，但不抱死，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定時，制動器的輸入扭矩就等于汽車驅(qū)動輪B輸出扭矩M2[9]。而制動器輸入扭矩即為拉力傳感器B所測拉力F2與制動器半徑R2的乘積，同理，汽車驅(qū)動輪A輸出扭矩M1等于拉力傳感器A所測得的拉力F1與汽車驅(qū)動輪A半徑R1的乘積。兩者相加得出汽車底盤輸出的扭矩M3，這樣便測出了底盤輸出的功率。接著急踩汽車離合器切斷動力，制動器將摩擦輪抱死，但在慣性下拉力傳感器A和拉力傳感器B仍有輸出，通過計算可得到底盤在切斷動力后的慣性轉(zhuǎn)矩M4，通過換算又可得出底盤切斷動力后功率輸出，由兩次實驗過程所得的輸出功率可計算發(fā)動機(jī)的輸出功率。

3.1 轉(zhuǎn)速的測量

目前，對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量主要有3種方式：光電式、磁電式與感應(yīng)式[10]。考慮到前兩種方法的繁瑣性，該功率測量儀采用相對簡便的感應(yīng)式測量方法。該方法通過檢測點火裝置中的點火脈沖電流來測量發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，能夠準(zhǔn)確地測量發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖2為波形轉(zhuǎn)換器與發(fā)動機(jī)的點火裝置連接電路圖，圖中J1，J2，J3為開關(guān)。

發(fā)動機(jī)工作過程中，點火裝置持續(xù)工作，此時利用波形轉(zhuǎn)換器將發(fā)動機(jī)點火裝置斷電器觸點（俗稱白金）處的電壓信號U1轉(zhuǎn)換成具有矩形波特征的電壓信號U0。具體原理如圖3。

波形轉(zhuǎn)換器的工作原理如下：在發(fā)動機(jī)點火信號持續(xù)時間內(nèi)，斷電器電壓信號U1通過10 kΩ電阻對電容器進(jìn)行充電，電容器充電使晶體管飽和導(dǎo)通，此時波形轉(zhuǎn)換器輸出的電壓信號U0為低電平；在點火信號間歇時間內(nèi)，電容器通過1 kΩ電阻及飽和的晶體管搭鐵放電，在電容器上的電壓降低到一定數(shù)值時晶體管截止，此時轉(zhuǎn)換器輸出電壓U0為高電平。這樣，點火裝置每點火1次，便形成一個脈沖，從而得到了點火裝置的點火脈沖頻率[11]。發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速與點火裝置的脈沖頻率有確定性的函數(shù)關(guān)系式

式中：n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；G為發(fā)動機(jī)汽缸數(shù)；C為發(fā)動機(jī)沖程數(shù)；f為發(fā)動機(jī)的點火脈沖頻率。

當(dāng)前汽車發(fā)動機(jī)普遍采用4沖程，所以上述公式可寫為

測量裝置中點火裝置的脈沖頻率及發(fā)動機(jī)汽缸數(shù)經(jīng)單片機(jī)系統(tǒng)處理，輸出轉(zhuǎn)速信號。

3.2 發(fā)動機(jī)有效功率的測量

從前面可知，驅(qū)動輪的輸出轉(zhuǎn)矩等于拉力傳感器所測得的為F與制動器半徑R的乘積，即M=F×R。因此，汽車驅(qū)動輪B輸出扭矩為M2=F2×R2；汽車驅(qū)動輪A輸出扭矩為M1=F1×R1；汽車底盤輸出扭矩為M3=M2+M1；有效扭矩為Me=M3+M4=F1×R1+F2×R2+M4，然后即可通過下式計算得到

通過轉(zhuǎn)換可得到發(fā)動機(jī)的有效功率。上式中：Pk為驅(qū)動輪的輸出功率，kW；Pe為發(fā)動機(jī)有效功率，kW；Me為發(fā)動機(jī)有效轉(zhuǎn)矩，N·m；n表示發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min-1；η是傳動效率，是一個經(jīng)驗值。因此，將前面測量到的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n信號及底盤輸出轉(zhuǎn)矩Me信號輸入編好程序的單片機(jī)系統(tǒng)中，得出發(fā)動機(jī)的有效功率Pe。

3.3 單片機(jī)測量系統(tǒng)

單片機(jī)測量系統(tǒng)對整個系統(tǒng)來說是至關(guān)重要的。硬件電路的好壞直接影響到這個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)采集的精確性。單片機(jī)微控制器選用了英飛凌XC164CS芯片，英飛凌的XC164CS芯片為16位嵌入式微控制器，系統(tǒng)主頻40 MHz，能夠滿足數(shù)據(jù)采集和處理的要求。針對控制器的特點，將ECU分為4個模塊：電源電路模塊，數(shù)據(jù)采集模塊、信號調(diào)理模塊與通訊模塊。電源電路模塊為整個系統(tǒng)提供電源，數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理，信號調(diào)理模塊負(fù)責(zé)將原始信號以及傳感器的輸出接口到數(shù)據(jù)采集板或模塊上。通過信號調(diào)理的各種功能，如信號的放大、隔離、濾波、多路轉(zhuǎn)換以及直接變送器調(diào)理等，使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性及性能得到極大地改善。通訊模塊主要負(fù)責(zé)將上位機(jī)和下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和傳輸。整個系統(tǒng)分工明確，移植性和擴(kuò)展性好，為后期的維護(hù)和保養(yǎng)提供了方便。系統(tǒng)的原理框圖如圖4所示。

4 試驗結(jié)果及分析

利用該功率測量儀對東風(fēng)雪鐵龍C2轎車TU3AF型發(fā)動機(jī)進(jìn)行功率測量，并將測量結(jié)果與傳統(tǒng)汽車底盤測功機(jī)測量的結(jié)果進(jìn)行比較，見表1。

表1 可移動式測功儀與底盤測功機(jī)測量結(jié)果比較Tab.1 Comparison of measuring results between portable dynamometer and traditional dynamometer

該移動式功率測量儀的測量結(jié)果與汽車底盤機(jī)的測量結(jié)果誤差控制在5%之內(nèi)，基本能滿足測量精度要求。

出現(xiàn)誤差的主要原因有：測量轉(zhuǎn)速時的測量電路的不穩(wěn)定；對汽車制動時的人為因素；對汽車的傳動功率消耗估算不準(zhǔn)確等。為了提高測量精度，可在測量時采取平均值法，測量3～5次，取其平均值。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計的汽車功率測量儀成本低廉，操作簡單方便，且易于移動，獲得國家發(fā)明專利一項[12]。雖然其測量精度有待提高，但足以滿足廣大汽車維修服務(wù)廠家的測量要求，因此該測量儀有較好的應(yīng)用前景。

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ADesign of a Portable Dynamometer forAutomobile Engine

OuyangAiguo，Luo Chagen，Liu Jun，Liu Yande
（School of Mechanical and Electrical Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Power detection equipment of the automobile engine is complex in structure and difficult in operation.Then it is difficult to promote average maintenance shop.Therefore，a portable type of automobile engine power measuring instrument with simple operation，low cost is developed.The engine speed is measured by using the current impulse in the ignition coil，the torque is obtained through measuring braking force of driving wheels，and the power output of automobile engine is calculated.The experiment results indicate that this apparatus can easily inspect the power output of automobile engine benefit by its rational structural design.The errors can satisfy the requirements of measuring accuracy.

automotive engine；power output；dynamometer

U472.9；U464

A

1005-0523（2011）03-0078-05

2011-03-28

歐陽愛國（1968－），男，教授，研究方向為車輛性能測試與交通工具及設(shè)計。