發(fā)動機冷起動測試系統(tǒng)設計與開發(fā)

張建華

（廣西汽車拖拉機研究所，廣西 柳州 545007）

1 汽車發(fā)動機冷起動參數(shù)自動測試系統(tǒng)的開發(fā)意義

起動性能是汽車的重要性能之一。如果其起動性能不佳就會直接影響汽車的使用，以致造成交通阻塞。對于軍用汽車，起動性能就更為重要。汽車起動主要受溫度控制，環(huán)境溫度越低，起動的要求就越苛刻。因此就汽車產(chǎn)品來說，其冷起動性能就顯得尤為重要。隨著技術的不斷發(fā)展，市場競爭日益加劇，傳統(tǒng)的測試方法已遠遠不能滿足對汽車測試的要求。隨著計算機技術的飛速發(fā)展和普及，基于微機數(shù)據(jù)采集分析的測試儀迅速地得到應用。相對于專用儀器而言，它具有適用面廣、成本低廉及自編數(shù)據(jù)處理軟件易于擴充等優(yōu)點。為了減輕試驗人員的勞動強度，降低對操作人員的專業(yè)要求，對汽車的冷起動狀況作出評價，幫助了解汽車的設計改進效果和解決汽車的冷起動問題，研究開發(fā)基于微機數(shù)據(jù)采集分析的汽車冷起動性能測試儀是非常必要的。本測試系統(tǒng)基于現(xiàn)有的輕型汽車整車環(huán)境試驗艙，開發(fā)出集發(fā)動機安裝、移動、起動性能數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與分析及數(shù)據(jù)與結(jié)果顯示等功能的測試系統(tǒng)，由輕型汽車整車環(huán)境試驗艙提供冷起動試驗所需要的低溫條件，冷起動測試系統(tǒng)完成對冷起動性能參數(shù)的測試。

2 評價發(fā)動機冷起動性能的主要參數(shù)

2.1 起動電流

發(fā)動機冷起動時蓄電池工作電流反映了氣缸密封性狀況，是發(fā)動機冷起動測試與診斷的主要參數(shù)。發(fā)動機冷起動電池工作電流與蓄電池容量、內(nèi)阻、充電狀態(tài)、溫度等有關，蓄電池的內(nèi)阻隨著它的溫度和容量的下降而增加，因此，溫度越低，蓄電池可以供給的能量就越少，而隨溫度的降低，發(fā)動機冷起動則需要較大的扭矩和更高的起動轉(zhuǎn)速，起動機必須提供較大的功率。實際情況是，蓄電池在低溫時輸出功率小，達不到最低起動轉(zhuǎn)速，而不能起動。在汽車發(fā)動機低溫起動故障中三份之二是由于蓄電池故障引起的，因此，測量與分析發(fā)動機的冷起動電流是十分重要的。

2.2 起動轉(zhuǎn)速

如果不考慮發(fā)動機轉(zhuǎn)速，只給出氣缸壓力數(shù)值作為故障判定依據(jù)，那么就會給診斷帶來極大的偏差，隨著汽車檢測診斷技術的發(fā)展和提高，發(fā)動機轉(zhuǎn)速已成為檢測發(fā)動機性能、診斷發(fā)動機故障的重要手段和工具之一。

發(fā)動機的最低起動轉(zhuǎn)速是保證發(fā)動機可靠起動的曲軸最低轉(zhuǎn)速，汽油發(fā)動機可靠起動的條件是：點火裝置能產(chǎn)生足夠的火花能量保證點火成功；氣缸中應吸入可能著火的混合氣；壓縮行程終了時，混合氣所具有的溫度和壓力應使第一次爆發(fā)后，發(fā)動機能連續(xù)工作，顯然溫度和壓力均與曲軸轉(zhuǎn)速有關，汽油機在0-20℃時，根據(jù)汽油的霧化條件，最低起動轉(zhuǎn)速應為 30～40r/min，為了在更低溫度下起動成功，最低起動轉(zhuǎn)速應為 50～70r/min。而柴油機在壓縮行程終了時的空氣溫度取決于周圍介質(zhì)的溫度、氣缸壁的溫度和壓縮時間的長短，決定壓縮時間長短的就是曲軸的轉(zhuǎn)速，由于柴油機靠壓縮點火，所以其最低起動轉(zhuǎn)速比汽油機高，一般為100～200r/min，以保障氣缸內(nèi)有足夠的壓力和溫度，確保達到著火條件。

2.3 氣缸壓力

發(fā)動機冷起動氣缸壓力是綜合衡量發(fā)動機技術狀況變化和氣缸密封程度的主要技術和檢測參數(shù)之一，它直接反應發(fā)動機工作容積的密封性，發(fā)動機活塞的密封性直接影響到發(fā)動機起動性能的好壞，關系到發(fā)動機的輸出功率計排放指標，氣缸壓力數(shù)值的改變，不僅可以提示活塞環(huán)是否折斷、卡環(huán)、彈力不足、氣缸組件或氣門組件有無嚴重磨損、燒蝕或損傷，還可以用來評價多缸發(fā)動機中各個氣缸工作的均勻性，因此，冷起動發(fā)動機氣缸壓力的大小可以反映發(fā)動機冷起動性能好壞重要指標之一。

因此，發(fā)動機起動轉(zhuǎn)速、起動電流及氣缸壓力是影響發(fā)動機起動性能關鍵因素。根據(jù)GB/T18297-2001《汽車發(fā)動機性能試驗方法》及GB/T 1147.2－2007《中小功率內(nèi)燃機 第二部分:試驗方法》，低溫起動試驗前，發(fā)動機機加足防凍液及機油，與充足電的蓄電池、燃油一起置入（柴油機－10℃、汽油機－18℃）的氣溫環(huán)境中（由輕型汽車整車環(huán)境試驗艙提供），待蓄電池電解液、防凍液、潤滑油及燃油的溫度達到規(guī)定溫度（柴油機－10℃±1℃、汽油機－18℃±1℃）時，即可開始低溫起動試驗，測取進氣溫度、冷卻液溫度、機油溫度、蓄電池電壓、電流，起動轉(zhuǎn)速等參數(shù)（氣缸壓力采用專用缸壓測量儀測量，主要用于維修后的測量，國標中起動性能測量不包括該項目）。

3 發(fā)動機冷起動參數(shù)的同步測試系統(tǒng)

按上述國家標準要求，冷起動時間不能超過15秒（采用電子秒表測?。?，發(fā)動機能自行運轉(zhuǎn)10秒以上不熄火即為起動成功，根據(jù)起動試驗的要求開發(fā)一套能同時采集包括起動的電壓、電流、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進氣溫度、冷卻液溫度、機油溫度等參數(shù)的測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用磁電轉(zhuǎn)速傳感器、電流電壓傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器及INDAS-8012采集主機、采通5.0采集軟件及顯示器組成。

圖1 發(fā)動機冷起動同步測試系統(tǒng)

4 INDAS-8012采集主機技術指標

（1）電壓/電流通用通道

①通道數(shù)：4通道

②電壓輸入范圍：±10.0 V

③電流輸入范圍：4mA～20mA

④單通道采樣率：100Hz

⑤分辨率：16bit

⑥精度：＜0.1%

⑦輸入阻抗：＞1G歐姆

⑧傳感器供電：24VDC，5VDC

（2）頻率/計數(shù)器輸入通道

①通道數(shù)：2通道

②測量范圍：0～50kHz

③精度：＜±0.5%

④輸入信號幅值：50mV-24V

⑤激勵電壓：5VDC

（3）T型熱電偶溫度通道

①通道數(shù)：8通道隔離輸入

②內(nèi)置高精度冷端補償

③測量范圍：取決于熱電偶的溫度特性

④測量精度：24位

⑤分辨率：0.01℃

⑥測量精度：±0.4°C @ -150 to 400°C

（4）CAN2.0通道

①通道數(shù)：1通道（讀取ECU總線報文、連接CAN輸出型模塊）

②CAN 2.0A(11位)和擴展CAN 2.0B(29位)任意ID

③Philips SJA1000 CAN控制器和ISO 11898物理層

④Philips TJA1041高速CAN收發(fā)器

⑤硬件時間標注–1 μs分辨率

⑥以1 Mb/s的速率記錄100%總線載荷且不掉幀

⑦采集發(fā)動機ECU節(jié)點的周期性報文中的參數(shù)，與傳感器采集的模擬信號同步顯示、存儲、分析

⑧支持SAE J1939等高層協(xié)議

系統(tǒng)的CAN總線通道可以連接多種類型的ECU，可以對SAE J1939、SAE J1587等常用協(xié)議的參數(shù)進行自動解析。和其它的物理量同步采集、存儲、回放和分析。能自動解析的參數(shù)舉例如下：發(fā)動機轉(zhuǎn)速RPM、車速km/h、瞬時油耗L/h、總油耗L、發(fā)動機運行時間h、百分比負荷%、油門踏板式操縱桿%、發(fā)動機冷卻液溫度℃、進氣管溫度℃、進氣管壓力kpa、燃油油軌壓力kpa、發(fā)動機機油壓力kpa等。通過CAN總線可以連接油耗儀、陀螺儀、方向盤、速度等CAN接口傳感器，在不需要重新升級軟件的基礎上，擴展系統(tǒng)的測量能力。支持DBC和NCD兩種CAN通信協(xié)議數(shù)據(jù)庫文件格式。

5 采通5.0采集軟件

本軟件是專為汽車測試而優(yōu)化設計的，具有很強的通用性，能完成數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析、回放等功能?？梢詫崿F(xiàn)模擬信號、CAN總線、GPS、陀螺儀等多種信號類型的同步測試。滿足大多數(shù)汽車數(shù)據(jù)采集的要求。

本軟件為中文Windows界面，兼容Windows XP和Windows Vista操作系統(tǒng)。采用模塊化設計，簡單易用。

（1）通道設定功能齊全

用戶可以設定采樣時間間隔、測試功能、小數(shù)點位數(shù)、描述信息、線性計算、單位、前置放大器倍數(shù)、報警相關等信息。

每個通道可以輸入描述信息，比如傳感器的位置、測量的物理量名稱等。在主界面上可以選擇顯示物理通道名或描述信息，使測量數(shù)據(jù)的讀數(shù)顯得更加直觀。設置界面和傳感器數(shù)據(jù)庫完美融合，可將存儲在數(shù)據(jù)庫中任意一個傳感器信號作為本通道設置信息。如果計算某個傳感器的系數(shù)，也可以打開“自動計算系數(shù)”工具，快速得到系數(shù)結(jié)果。

（2）動態(tài)通道調(diào)零和校準

軟件中設計了靈活而方便的調(diào)零校準工具，用戶在進行數(shù)據(jù)采集時，不需要中斷采集就可以選擇當前值、平均值、均方根值、最大值、最小值作為通道的調(diào)零值，啟用后實時看到調(diào)零后的效果。用戶還可以選擇將所有通道同時進行調(diào)零，去除傳感器的零漂，提高測試精度。

（3）通道報警

每個通道可以設置報警模式、限值和是否啟用報警。報警模式包括高低報警、只高報警和只低報警，一旦該通道的測量值超出了報警限值，軟件會自動將報警發(fā)生的時間、通道、原因等顯示在界面上，可以將報警信息導出存儲到文本文件中。

（4）計數(shù)通道

多個計數(shù)測試通道可以用來測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、油耗儀等脈沖信號，對于采用安裝在飛輪上的磁電傳感器測量轉(zhuǎn)速的方法，需要將測試結(jié)果除以齒輪數(shù)。軟件的通道設置中，具有前置放大器設置項，只需要在設置項中填入齒輪數(shù)，軟件就會自動換算出最終的轉(zhuǎn)速。

（5）CAN2.0 總線參數(shù)同步采集

讀取、解析CAN總線上周期性報文中的參數(shù)，直接顯示在軟件界面上；以1 Mb/s的速率記錄100%總線載荷且不掉幀；可選高速和低速模式；遵循CAN2.0A和CAN2.0B標準；支持SAEJ1939，SAEJ1587等上層協(xié)議。

6 接入傳感器參數(shù)

（1）電壓調(diào)理模塊 IN-DC/50

①數(shù)量：1只

②數(shù)量輸入范圍：0～50VDC

③線性度：0.1%

④精度等級：0.2

⑤輸出：10V

⑥工作溫度：-10℃～70℃

（2）電流傳感器HCS-EKAA-1000A

①數(shù)量：1只

②測量量程:1000A

③精度：1%

④供電電壓：24VDC

⑤輸出：4～20mA

⑥響應時間：＜5μS

⑦工作溫度：-40～85℃

⑧孔徑：Φ21

（3）T型熱電偶溫度傳感器

①數(shù)量：8只

②測試溫度范圍：-50～200℃

③探頭直徑：Φ1

④精度：I級

該冷起動測試系統(tǒng)可在電腦中點擊測量指令直接測出起動的電壓、電流、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、溫進氣溫度、冷卻液溫度、機油溫度等參數(shù)，具有精度高、響應快、測量穩(wěn)定性好的特點，為發(fā)動機冷起動性能評價提供準確數(shù)據(jù)。

[1] GB/T18297-2001.汽車發(fā)動機性能試驗方法[S].北京:國家質(zhì)量技術監(jiān)督局,2003.

[2] GB/T 1147.2－2007.中小功率內(nèi)燃機 第二部分:試驗方法[S].北京:國家質(zhì)量檢驗檢疫總局,2007.