淺析臺(tái)架測(cè)試精度校準(zhǔn)方法與影響

曹士龍，秦奮，張永輝，易世雄，汪記偉，王瑞平

淺析臺(tái)架測(cè)試精度校準(zhǔn)方法與影響

曹士龍1,2，秦奮1,2，張永輝1,2，易世雄1,2，汪記偉1,2，王瑞平1,2

（1.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，浙江 寧波 315800）

臺(tái)架測(cè)試是發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，測(cè)試數(shù)據(jù)能夠充分地反饋發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性，以及發(fā)動(dòng)機(jī)NVH測(cè)試反饋的舒適性都能夠在臺(tái)架測(cè)試中得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)反饋。設(shè)備的精度高低是得到有效數(shù)據(jù)的重點(diǎn)要求，文章對(duì)量檢具的核查的方法以及要求進(jìn)行充分介紹。

燃油經(jīng)濟(jì)性；動(dòng)力性；設(shè)備精度；壓力測(cè)試及校準(zhǔn)

引言

中國(guó)的汽車工業(yè)飛速發(fā)展，汽車的生產(chǎn)能力以及研發(fā)能力已走向世界前沿，汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)型、舒適性也在不斷地提升。汽車行業(yè)不斷創(chuàng)新，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)也日漸完善，而發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)能力經(jīng)過(guò)一次次嚴(yán)苛的試驗(yàn)達(dá)到性能最優(yōu)、排放最優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)，隨著國(guó)際排放標(biāo)準(zhǔn)的建立與執(zhí)行所有汽車企業(yè)也在爭(zhēng)先恐后地投入大量的人力物力財(cái)力來(lái)加大研發(fā)力度。電控技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定也必須在臺(tái)架上進(jìn)行測(cè)試。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架對(duì)設(shè)備的要求也必須特別嚴(yán)格，各大發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)公司紛紛引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備提高測(cè)量精度，最具有代表性的設(shè)備供應(yīng)商為奧地利的（AVL）公司。AVL設(shè)備能夠更加精準(zhǔn)地完成臺(tái)架參數(shù)的測(cè)試，提供更加準(zhǔn)確、權(quán)威的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，有效推動(dòng)研發(fā)進(jìn)度。

圖1 AVL設(shè)備試驗(yàn)間

1 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)架的組成

發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)架主要包括AVL測(cè)功機(jī)、PUMA軟件、735油耗儀、753C燃油溫控裝置、554機(jī)油恒溫裝置、553水恒溫裝置、442活塞漏氣量?jī)x、空氣流量計(jì)、溫度壓力采集模塊、中冷器模擬裝置、THA100油門(mén)執(zhí)行器、進(jìn)氣空調(diào)、全室空調(diào)控制系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、穩(wěn)壓電源、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝小車等設(shè)備組成。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試儀器的安裝

2.1 臺(tái)架測(cè)試儀器安裝位置

在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試時(shí)，必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全，主要體現(xiàn)在下面的內(nèi)容：

（1）溫度測(cè)點(diǎn)

空濾后節(jié)氣門(mén)前，監(jiān)測(cè)節(jié)氣門(mén)前進(jìn)氣溫度。

各缸進(jìn)氣門(mén)前，測(cè)量燃燒室進(jìn)氣溫度。熱電偶安裝時(shí)應(yīng)盡量靠近進(jìn)氣門(mén)，處于進(jìn)氣歧管橫截面的中央，且不能處在噴油器噴射路徑上，以免被噴濕及影響噴油效果。

各缸排氣閥出口附近的歧管處，監(jiān)控各缸排氣溫度。

排氣歧管結(jié)合處鄰近下游，監(jiān)控總排氣溫度。

催化器上游、本體及下游，監(jiān)控催化器溫度。

（2）壓力測(cè)點(diǎn)

空濾前測(cè)環(huán)境壓力。

空濾后節(jié)氣門(mén)前，測(cè)量節(jié)氣門(mén)前壓力。由于壓力有波動(dòng)，可能的話應(yīng)加裝穩(wěn)壓腔。

EMS的進(jìn)氣壓力傳感器鄰近處，監(jiān)測(cè)進(jìn)氣歧管的壓力。該測(cè)點(diǎn)最好在進(jìn)氣歧管中央，保證測(cè)量值能代表各缸。有些情況下，進(jìn)氣歧管上的真空助力接頭可用作測(cè)點(diǎn)。由于壓力波動(dòng)較大，臺(tái)架安裝有穩(wěn)壓腔。

催化器上游的排氣總管處，監(jiān)測(cè)排氣背壓。

（3）排放測(cè)點(diǎn)

催化器上游的排氣總管處，接廢氣分析儀，監(jiān)測(cè)總的lambda與排放。

催化器上游的排氣總管處安裝LA4，快速監(jiān)測(cè)總的lambda。

如果有必要，還要使用燃燒分析儀（包括缸壓傳感器、角標(biāo)儀等）進(jìn)行爆震監(jiān)控。

2.2 燃油供給系統(tǒng)漏油檢查

在系統(tǒng)的供油通路的噴油器與調(diào)壓閥之間安裝油壓表，隨時(shí)檢查系統(tǒng)油壓是否正確。如果系統(tǒng)油壓出現(xiàn)問(wèn)題，應(yīng)停止標(biāo)定工作，保證系統(tǒng)油壓正常后方可繼續(xù)進(jìn)行。系統(tǒng)油壓不足會(huì)導(dǎo)致標(biāo)定的扭矩模型偏差。

3 扭矩精度核查

3.1 臺(tái)架測(cè)試結(jié)果有效性

為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確符合國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)架會(huì)定期對(duì)試驗(yàn)間進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)間的檢測(cè)活動(dòng)及結(jié)果進(jìn)行監(jiān)控、驗(yàn)證和評(píng)價(jià)，以持續(xù)保持檢測(cè)活動(dòng)的有效性和檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度，在實(shí)施改進(jìn)，通過(guò)有計(jì)劃地對(duì)檢測(cè)能力進(jìn)行驗(yàn)證，監(jiān)測(cè)同一測(cè)試人員的操作熟練程度；采用不同的測(cè)試方法或者設(shè)備測(cè)試同一產(chǎn)品，監(jiān)測(cè)方法之間的一致性；組織試驗(yàn)間比對(duì)，出具《試驗(yàn)間比對(duì)大綱》《試驗(yàn)間比對(duì)報(bào)告》分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性；保證測(cè)試設(shè)備的可溯源性以確保試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2 測(cè)試設(shè)備精準(zhǔn)核查

設(shè)備設(shè)施核查目的是為使設(shè)備檢測(cè)功能在核查期間內(nèi)處于正常的工作狀態(tài)，確保檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，在設(shè)備核查期間對(duì)設(shè)備進(jìn)行期間核查，已驗(yàn)證是否保持校準(zhǔn)時(shí)的狀態(tài)[1]。

期間核查對(duì)象：壓力測(cè)量通道，熱電阻測(cè)量通道，熱電偶測(cè)量通道，測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩，油耗儀測(cè)量指示值，溫濕度測(cè)量指示值。

3.2.1測(cè)功機(jī)扭矩精準(zhǔn)核查

測(cè)功機(jī)扭矩是發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中十分重要的測(cè)量參數(shù)，扭矩測(cè)量指示值的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能指標(biāo)的判定和分析，如標(biāo)定過(guò)程中出現(xiàn)扭矩測(cè)試不夠精準(zhǔn)，需要調(diào)節(jié)進(jìn)氣量來(lái)調(diào)整扭矩，促使扭矩達(dá)到預(yù)定效果，調(diào)節(jié)進(jìn)氣量則會(huì)影響充氣模型，所以扭矩的精準(zhǔn)核查必須嚴(yán)苛。

扭矩標(biāo)定使用工具：AVL測(cè)功機(jī)為例，測(cè)功機(jī)扭矩標(biāo)定使用專用砝碼，標(biāo)定臂和托盤(pán)。

圖2 專用砝碼

測(cè)功機(jī)扭矩誤差計(jì)算，實(shí)際扭矩值按照這個(gè)公式計(jì)算：

M=m*g*L （1）

式中：

M ----實(shí)際扭矩值，N.m；

m ----砝碼的質(zhì)量，kg；

g ----當(dāng)?shù)刂亓铀俣热?.8 m/s2

L ----懸臂的長(zhǎng)度，1.01972米

圖3 標(biāo)定臂

圖4 托盤(pán)

表1 測(cè)功機(jī)扭矩核查點(diǎn)

扭矩示值誤差WF，示值重復(fù)性RF和示值回程差HF按照以下公式計(jì)算：

式中：

Tu-轉(zhuǎn)矩測(cè)量范圍，上限值減去下限值

、-進(jìn)程中3次扭矩示值的最大值和最小值N.m

圖5 轉(zhuǎn)速表

3.2.2轉(zhuǎn)速精度核查

測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速精度影響發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試過(guò)程中的轉(zhuǎn)速的設(shè)定，如出現(xiàn)波動(dòng)情況，扭矩模型無(wú)法穩(wěn)定，充氣模型也無(wú)法給定相應(yīng)準(zhǔn)確的標(biāo)定參數(shù)，導(dǎo)致模型偏移，匹配失效，保證轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)，是必不可少的條件。

測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速標(biāo)定使用工具：轉(zhuǎn)速表（必須擁有省級(jí)以上計(jì)量單位出具的計(jì)量證書(shū)）。

測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速誤差計(jì)算：

式中：

n被檢測(cè)功裝置中轉(zhuǎn)速裝置轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍上限值，r/min；

n、n被檢測(cè)功裝置中轉(zhuǎn)速裝置3次轉(zhuǎn)速的最大值和最小值，r/min。

表2 測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速核查點(diǎn)

表3 測(cè)功機(jī)扭矩轉(zhuǎn)速判定標(biāo)準(zhǔn)

3.2.3壓力精度核查

壓力變送器的精準(zhǔn)決定壓力測(cè)點(diǎn)是否準(zhǔn)確，進(jìn)排氣壓力是充氣模型主觀反饋參數(shù)，所以精準(zhǔn)核查壓力傳感器能夠保證充氣模型的準(zhǔn)確性[2]。

壓力測(cè)量通道期間核查工具：壓力標(biāo)定儀（必須擁有省級(jí)以上計(jì)量單位出具的計(jì)量證書(shū)）。

圖6 壓力標(biāo)定儀

圖7 壓力測(cè)試示值

壓力標(biāo)定測(cè)量點(diǎn)：根據(jù)壓力通道量程由低壓力成線性逐次增加至最大壓力量程，測(cè)量采集時(shí)，正壓力量程的壓力變送器按滿量程的0%，20%，40%，60%，80%，100%進(jìn)行采點(diǎn)測(cè)量；含負(fù)壓的壓力變送器采點(diǎn)時(shí)，-100KPa的負(fù)量程。按-100KPa的0%，20%，40%，60%，75%進(jìn)行采點(diǎn)，其它負(fù)量程的壓力變送器與正值相同，采點(diǎn)測(cè)量時(shí)記錄標(biāo)定儀加載壓力值及臺(tái)架傳感器實(shí)際指示壓力值。

壓力測(cè)點(diǎn)誤差計(jì)算：

壓力變送器的測(cè)量誤差按如下公式進(jìn)行計(jì)算：

ΔA=Ad-Aa（7）

公式中：

ΔA----壓力變送器各核查點(diǎn)的測(cè)量誤差，mA，V或kPa；

Ad----壓力變送器各核查點(diǎn)的實(shí)際輸出值，mA，V或kPa；

Aa----壓力變送器各核查點(diǎn)的理論輸出值，mA，V或kPa。

基本誤差平均值按如下公式進(jìn)行計(jì)算：

ΔA=（ΔA1+ΔA2+ΔA3）/3 （8）

公式中：

ΔA----壓力變送器各核查點(diǎn)基本誤差平均值，mA，V或kPa；

ΔA1----壓力變送器各核查點(diǎn)第一次的測(cè)量誤差，mA，V或kPa；

ΔA2----壓力變送器各核查點(diǎn)第二次的測(cè)量誤差，mA，V或kPa；

ΔA3----壓力變送器各核查點(diǎn)第三次的測(cè)量誤差，mA，V或kPa。

最大允許誤差按如下公式進(jìn)行計(jì)算：

δ=（ΔAmax / R）*100% （9）

公式中：

δ----最大允許誤差，%；

ΔAmax——壓力變送器各核查點(diǎn)的測(cè)量誤差的最大值；mA，V或kPa；

R----壓力變送器的輸出量程，指壓力變送器輸出上、下限值之差，mA，V或kPa。

誤差計(jì)算過(guò)程中數(shù)據(jù)處理原則：小數(shù)點(diǎn)后保留的位數(shù)應(yīng)以舍入誤差小于壓力變送器最大允許誤差的1/10~1/20為限。判斷壓力變送器是否合格應(yīng)以舍入以后的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

表4 壓力測(cè)點(diǎn)判定基準(zhǔn)

3.2.4熱電阻精度核查

熱電阻屬于低溫傳感器，測(cè)試范圍0-200℃，例如：一個(gè)未經(jīng)過(guò)核查校準(zhǔn)的傳感器用在進(jìn)氣溫度測(cè)量上，充氣模型標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)與進(jìn)氣溫度相關(guān)，臺(tái)架進(jìn)氣溫度規(guī)定25±2℃，高于25±2℃發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降，低于油耗增高，需調(diào)整進(jìn)氣模型降低油耗，影響充氣模型，所以熱電阻溫度傳感器必須經(jīng)過(guò)精準(zhǔn)核查后才能繼續(xù)使用。

熱電阻測(cè)量通道期間和核查工具：低溫計(jì)量爐（必須擁有省級(jí)以上計(jì)量單位出具的計(jì)量證書(shū)）[3]：

圖8 低溫計(jì)量爐

熱電阻測(cè)量通道期間核查測(cè)量點(diǎn)：一般情況下，根據(jù)溫度傳感器所測(cè)溫度的范圍來(lái)設(shè)定溫度的遞增值。如，PT100溫度傳感器采點(diǎn)測(cè)量溫度為50℃、75℃、100℃、150℃（不測(cè)0℃）。

熱電阻測(cè)點(diǎn)誤差計(jì)算：示值偏差=示值溫度-采點(diǎn)溫度。

表5 熱電阻測(cè)點(diǎn)判定基準(zhǔn)

3.2.5鎧裝熱電偶精度核查

鎧裝熱電偶傳感器通常用于測(cè)試排氣測(cè)相關(guān)溫度，排氣溫度、渦前溫度、渦后溫度、催前溫度、催后溫度，精確反饋排氣測(cè)溫度，汽油機(jī)燃燒異常，排氣測(cè)溫度增高需要熱點(diǎn)偶傳感器準(zhǔn)確反饋溫度，通過(guò)進(jìn)排氣模型標(biāo)定調(diào)整噴油強(qiáng)度控制燃燒，如不能夠準(zhǔn)確測(cè)量模型變化無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

熱電偶測(cè)量通道期間核查工具：高溫計(jì)量爐（必須擁有省級(jí)以上計(jì)量單位出具的計(jì)量證書(shū)）[4]。

圖9 高溫計(jì)量爐

熱電偶測(cè)量通道期間核查測(cè)量點(diǎn)：選取測(cè)點(diǎn)是時(shí)已200℃往上遞增至各傳感器所測(cè)溫度上限（一般以停機(jī)值或報(bào)警值為準(zhǔn)，950℃為最高測(cè)量點(diǎn)），計(jì)量爐最高操作溫度為1200℃，在K型熱電偶溫度傳感器的測(cè)量溫度范圍內(nèi)，至少選擇3個(gè)測(cè)量點(diǎn)，通常選取測(cè)量范圍的上下限和中間點(diǎn)，也可根據(jù)實(shí)際使用的溫度范圍選取測(cè)量溫度點(diǎn)（一般已報(bào)警值和停機(jī)值為準(zhǔn)）亦可參考表中選取校準(zhǔn)溫度點(diǎn)。

熱電偶測(cè)點(diǎn)誤差計(jì)算：示值偏差=示值溫度-采點(diǎn)溫度。

表6 熱電偶測(cè)點(diǎn)判定基準(zhǔn)

3.2.6濕度測(cè)試精度對(duì)比方法

溫濕度傳感器是反饋試驗(yàn)環(huán)境的大氣溫度，大氣濕度的測(cè)量工具，汽油機(jī)進(jìn)氣模型中的進(jìn)氣來(lái)自于大氣，大氣的溫度濕度直接影響進(jìn)氣模型的選定，所以測(cè)試工具溫濕度傳感器必須經(jīng)過(guò)精準(zhǔn)核查后才能使用[5]。

核查工具：標(biāo)準(zhǔn)溫濕度傳感器（必須擁有省級(jí)以上計(jì)量單位出具的計(jì)量證書(shū)）。

溫濕度期間核查測(cè)量點(diǎn)：

溫度值的取點(diǎn)，控制進(jìn)氣空調(diào)溫度在30℃-50℃之間任取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

濕度值的取點(diǎn)，控制進(jìn)氣空調(diào)溫度在30%RH-50%RH之間任取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

圖10 標(biāo)準(zhǔn)溫濕度傳感器

溫濕度測(cè)點(diǎn)誤差計(jì)算：

溫濕度傳感器、大氣壓力的測(cè)量偏差按如下公式（10）（11）（12）進(jìn)行計(jì)算：

溫度測(cè)量偏差：

T=TH-TB（10）

公式中：

T——溫度示值偏差，單位℃；

TB——標(biāo)準(zhǔn)溫濕度傳感器溫度示值，單位℃；

TH——被核溫濕度傳感器溫度示值，單位℃。濕度測(cè)量偏差：

PH=PHH-PHB（11）

公式中：

PH——濕度示值偏差，單位%RH；

PHB——標(biāo)準(zhǔn)溫濕度傳感器濕度示值，單位%RH；

PHH——被核溫濕度傳感器濕度示值，單位%RH。

大氣壓力測(cè)量偏差：

P= PH-PB（12）

公式中：

P——大氣壓力示值偏差，單位hPa；

PB——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力計(jì)示值，單位hPa；

PH——被核大氣壓力計(jì)示值，單位hPa。

表7 溫濕度測(cè)點(diǎn)判定基準(zhǔn)

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了測(cè)功機(jī)（扭矩、轉(zhuǎn)速）、油耗儀、高低溫溫度傳感器、壓力變送器、溫濕度傳感的校驗(yàn)方法。如這些設(shè)備中測(cè)試不夠精準(zhǔn)將無(wú)法滿足汽油機(jī)各模型標(biāo)定需求，導(dǎo)致汽油機(jī)模型出此時(shí)需要調(diào)整標(biāo)定模型進(jìn)行及時(shí)修正，才能確保發(fā)動(dòng)機(jī)模型準(zhǔn)確。所以在日常臺(tái)架測(cè)試中精準(zhǔn)核查，確保測(cè)量設(shè)備精準(zhǔn)可靠至關(guān)重要，為保證數(shù)據(jù)真實(shí)有效，將最精準(zhǔn)數(shù)據(jù)反饋給測(cè)試人員。

[1] JJG 653-2003,測(cè)功裝置檢定規(guī)程[S].

[2] JJG 882-2004,壓力變送器[S].

[3] JJG 229-2010,工業(yè)鉑、銅熱電阻[S].

[4] JLF 1262-2010,鎧裝熱電偶技術(shù)規(guī)范[S].

[5] 于洪兵,程斌.力帆520轎車481發(fā)動(dòng)機(jī)下進(jìn)氣臺(tái)架試驗(yàn)分析[J].山東工業(yè)技術(shù),2016(20):27.

Analysis on the calibration method and influence of bench test accuracy

Cao Shilong1,2, Qin Fen1,2, Zhang Yonghui1,2, Yi Shixiong1,2, Wang Jiwei1,2,Wang Ruiping1,2

( 1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co. Ltd., Zhejiang Ningbo 315336; 2.Zhejiang Geely Royal Engine Co. Ltd., Zhejiang Ningbo 315800 )

Bench testing is the most important part of engine development, and the test data can fully feed back the overall performance of the engine. The fuel economy, power performance, and comfort of the engine NVH test feedback can all be accurately fed back in the bench test. The accuracy of the equipment is the key requirement for obtaining effective data. The article fully introduces the verification methods and requirements of measuring tools.

Fuel economy;Dynamic property;Equipment accuracy; Pressure measurement and calibration

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.037

U464

A

1671-7988(2021)07-116-05

U464

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1671-7988(2021)07-116-05

曹士龍，就職于寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司。