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1 無(wú)載測功系統概述 發(fā)動(dòng)機輸出的有效功率是發(fā)動(dòng)機的重要性能指標之一，通過(guò)這項指標，可以定性的評價(jià)發(fā)動(dòng)機的技術(shù)狀況，并定量的獲得發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性。目前發(fā)動(dòng)機有效功率的檢測方法有穩態(tài)檢測和動(dòng)態(tài)檢測兩種。 穩態(tài)測功是指當發(fā)動(dòng)機在節氣門(mén)開(kāi)度一定，轉速一定和其他參數保持不變的穩定狀態(tài)下，用機械測功器、電渦流測功器、水利測功器或在底盤(pán)測功試驗臺上測定發(fā)動(dòng)機功率的方法。利用這種方法測出的數據比較準確可靠，主要在發(fā)動(dòng)機設計、制造、定型及院校和科研部門(mén)做性能試驗時(shí)使用。其特點(diǎn)是測功一次費時(shí)費力較多，成本較高，且需要大型、固定安裝的測功器（這種測功儀器的費用通常是很高的），因而在一般的運輸、維修和交通監理部門(mén)中采用不多。并且，除底盤(pán)測功試驗臺外，其他測功器也不適合對汽車(chē)進(jìn)行不解體檢測。 動(dòng)態(tài)測功是在發(fā)動(dòng)機節氣門(mén)開(kāi)度和轉速均變動(dòng)的狀態(tài)下測定發(fā)動(dòng)機功率的方法。由于動(dòng)態(tài)測功時(shí)無(wú)須對發(fā)動(dòng)機施加外部負荷，因而又稱(chēng)為無(wú)負荷測功或無(wú)外載測功。動(dòng)態(tài)測功的優(yōu)點(diǎn)是不需要外加負荷，不需大型設備，既可以在臺架上進(jìn)行，也可以就車(chē)進(jìn)行，因而大大提高了檢測的方便性和迅速性，特別適用于檢測在用車(chē)輛發(fā)動(dòng)機的功率，適合于維修檢測等部門(mén)。 本系統采用光電傳感器對發(fā)動(dòng)機的轉速信號進(jìn)行采集和處理，通過(guò)TI公司的MSP430F1232結合測試算法進(jìn)行研究。 2 系統設計 為保證儀器對速度的測試精度，儀器擬采用光電傳感器進(jìn)行信號采集，通過(guò)最小二乘法進(jìn)行曲線(xiàn)擬合以提高測試精度。 2.1 系統硬件設計 硬件處理單元原理如圖1所示。系統主要由微處理器、光電傳感器、信號采集及處理電路、鍵盤(pán)、LCD顯示、串行數據傳輸等部分組成。 2.1.1 MCU是該測功系統的核心，由它完成數據采樣處理及優(yōu)化，包括鍵盤(pán)輸入、數據處理、液晶顯示、以及PC機通信等功能。該系統采用的是TI公司的MSP430F1232混合信號控制器，其內部有8K FLASH ROM，3個(gè)雙向并行I/O口，其中P1和P2口都具有中斷功能（相當于14個(gè)外部中斷）以及16位定時(shí)器A（帶3個(gè)通道），8通道10位最大轉換速度為200kspsA/D轉換器，串行通信接口等。另外該微處理器具有超低功耗的特點(diǎn)，在系統供電方面具有很大的優(yōu)勢。 圖1 智能化信號處理單元原理框圖 �。�1）轉速傳感器的類(lèi)型很多，因光電傳感器[1]具有線(xiàn)性度好、分辨率高、噪音小和精度高等優(yōu)點(diǎn)，所以我們選擇光電轉速傳感器來(lái)進(jìn)行轉速的檢測。在本系統中選用60齒的齒盤(pán)進(jìn)行轉速測量，齒盤(pán)每轉一齒將產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號，這就意味著(zhù)齒輪轉一周將產(chǎn)生60個(gè)脈沖信號。 �。�2）信號調理電路：傳感器輸出的信號是一系列不規則的信號，不利于單片機進(jìn)行信號提取，通過(guò)此調理電路，經(jīng)低通濾波（RIN2、CIN1和RIN3、CIN2）除掉一部分毛刺，再由施密特觸發(fā)器74HC14將信號整形為規則的方波信號。電路設計為兩路輸入信號（其中一路為備用接口單元），通過(guò)端口引腳將數據送入單片機（如圖2所示）。 圖2信號調理電路 按鍵屬于矩陣式設計，它由4個(gè)行線(xiàn)和4個(gè)列線(xiàn)組成。如圖3所示，一個(gè)4*4的行列結構可以構成一個(gè)16按鍵的鍵盤(pán)；設置十個(gè)數字鍵，用來(lái)輸入轉速閾值和轉動(dòng)慣量等值，復位鍵和清零鍵各占一位，其余為備用鍵。 LCD顯示部分采用的是具有漢字顯示功能的LCD模塊，OCMJ128*64能顯示8*4行漢字，可用來(lái)顯示當前所測速度、加速度以及求得的瞬時(shí)功率和所需輸入的轉動(dòng)慣量等信息。 圖3鍵盤(pán)及LCD接口電路 2.2.1無(wú)載測功系統模型建立[3] 本測功系統是基于動(dòng)力學(xué)的方法分析建立的，原理為：當發(fā)動(dòng)機與傳動(dòng)系統分開(kāi)時(shí)，將發(fā)動(dòng)機從怠速或某一低轉速急加速至節氣門(mén)(油門(mén))最大開(kāi)度，此時(shí)發(fā)動(dòng)機產(chǎn)生的動(dòng)力克服各種阻力矩和本身運動(dòng)件的慣性力矩，迅速達到空載最大轉速，形成一定比例的飛升曲線(xiàn)。對于某一結構的發(fā)動(dòng)機，其運動(dòng)件及附件的轉動(dòng)慣量可以認為是一定值，因而只要測出發(fā)動(dòng)機在指定轉速范圍內急加速時(shí)的平均加速度，即可得知發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性;或者說(shuō)通過(guò)測量某一定轉速時(shí)的瞬時(shí)加速度，就可以確定發(fā)動(dòng)機功率的大小，瞬時(shí)加速度越大，表明發(fā)動(dòng)機功率越大。發(fā)動(dòng)機功率表示為 式中: Pe-----發(fā)動(dòng)機有效功率(kW): n-------發(fā)動(dòng)機轉速(r/min); Te------發(fā)動(dòng)機轉矩(N*m) 根據有關(guān)文獻可得出功率模型為：Pe=C2*n*(dn/dt),其中：C2=k*(π/30)*(J/9549),k為動(dòng)態(tài)測量時(shí)功率的修正系數，可通過(guò)臺架對比試驗得出；J是一個(gè)未知量，一般情況下出廠(chǎng)說(shuō)明書(shū)中會(huì )給出該參數，可直接將其代入。因此，測定瞬時(shí)功率問(wèn)題轉化為求轉速[5]和角加速度或曲軸轉速變化率的問(wèn)題。 轉速的測量有測周法和測頻法[4]：測頻法是在固定的時(shí)間內，對傳感器發(fā)出的脈沖信號進(jìn)行記數；測周期法是在k個(gè)（k>=1）轉速脈沖信號周期內，對具有恒定頻率f(周期T)的標準時(shí)鐘脈沖信號進(jìn)行計數。進(jìn)行低速測量時(shí)，測周法的精度較高，而相對于較高的轉速測量，測頻法精度優(yōu)于測周法，本系統采用的是測頻法。假設在一定的時(shí)間T內，測速脈沖計數器計取的脈沖數為m，轉速n計算公式：n=60m／pT，p為發(fā)動(dòng)機轉一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數，即碼盤(pán)的孔數。 2.2.2數據采集過(guò)程 動(dòng)態(tài)數據采集過(guò)程，實(shí)質(zhì)上是對飛升曲線(xiàn)直線(xiàn)段的捕捉的過(guò)程，其準確性在很大程度上決定測試結果的可靠性。該過(guò)程定時(shí)器A為時(shí)基發(fā)生器，產(chǎn)生10ms信號。每10ms對轉速進(jìn)行掃描，同時(shí)記錄數據和數據個(gè)數C。對于數據序列，每隔[C/8]個(gè)數據點(diǎn)取一個(gè)數據，構成8個(gè)數據組合，為后續dn/dt的求解做準備。這種數據采集方法能夠確切的表達出直線(xiàn)飛升過(guò)程，使提取的數據均勻分布，提高計算結果的準確性。 2.2.3用最小二乘法計算dn/dt 之所以采用最小二乘法來(lái)求dn/dt是為了避免操作方法(如猛加油門(mén)過(guò)程)不合理而造成的誤差。加油門(mén)時(shí)必須一踩到底，使轉速響應過(guò)程接近于二階系統的階躍響應曲線(xiàn)(飛升曲線(xiàn))，否則，飛升曲線(xiàn)直線(xiàn)段不理想，由此計算出的結果誤差很大。采用最小二乘法后，能夠減弱操作給飛升曲線(xiàn)帶來(lái)的影響，進(jìn)而使得操作方法給實(shí)驗帶來(lái)的誤差變小。此外，應選擇合理的工況進(jìn)行測試，以保證測量的準確性。 由發(fā)動(dòng)機的飛升特性可知，轉速n和時(shí)間t之間存在著(zhù)良好的線(xiàn)性關(guān)系，即n=b+at,式中a=dn/dt。通過(guò)測定某一時(shí)刻轉速值，經(jīng)過(guò)曲線(xiàn)擬合，即可求出dn/dt。 由上面分析可知，其矩陣表示形式為： 2.2.4主程序結構 系統設計采用模塊化程序結構[6]，由主程序模塊、數據采樣處理模塊、鍵盤(pán)掃描及處理模塊、顯示模塊組成。系統的主要流程如圖4所示。 圖4 軟件流程 系統采用怠速加速法實(shí)現發(fā)動(dòng)機無(wú)載測功。發(fā)動(dòng)機在怠速下穩定運轉，然后突然將節流閥開(kāi)到最大位置，發(fā)動(dòng)機轉速猛然上升，當轉速達到所確定的測試轉速(測瞬時(shí)功率)時(shí)，儀表顯示出所測功率值。此后應立即松開(kāi)加速踏板，以避免發(fā)動(dòng)機長(cháng)時(shí)間高速運轉。記下或打印出讀數后，按“清零”鍵使指示裝置清零。為保證測試結果可靠，一般重復測量3-5次取其平均值。該測試方法既適用于汽油機(化油器式)，又適用于柴油機。 3 試驗數據和結果 根據2.2.5節的方法實(shí)現實(shí)驗過(guò)程，以?xún)筛讬C為例進(jìn)行實(shí)驗，測得實(shí)驗數據。將數據采集過(guò)程采集的數據按2.2.2節的方法進(jìn)行處理，以減小實(shí)驗數據處理過(guò)程的誤差。本試驗中取J = 0.025 kg*m2，將其帶入系統模型可求得轉速、加速度和瞬時(shí)功率。如此重復3-5次，求平均值。數據如表一所示。 從實(shí)驗結果來(lái)看，平均誤差在3%以?xún)�，證明實(shí)驗方法正確、理論可行。通過(guò)實(shí)際檢驗，該系統有如下優(yōu)點(diǎn): a.傳感器接入簡(jiǎn)便，系統操作簡(jiǎn)單； b.性能穩定，故障率低，測量精度高； c.適用范圍廣，可用于大部分柴、汽油機功率檢測。 表一：實(shí)驗數據
隨著(zhù)我國汽車(chē)業(yè)的迅猛發(fā)展，勢必對車(chē)輛性能檢測提出更高更快更準確的要求，而發(fā)動(dòng)機輸出功率作為車(chē)輛性能檢測中的一項重要指標，對車(chē)輛檢測起著(zhù)重要的作用。本系統的設計成功可提高以往這種儀器存在的不穩定性，減小誤差，適合于汽車(chē)檢測部門(mén)和檢驗中心，方便快捷地對發(fā)動(dòng)機進(jìn)行不解體檢測。 另外，由于該儀器的制造成本較低，其材料成本不到500元，而具有類(lèi)似功能的儀器市場(chǎng)價(jià)格約2-3千元，以市場(chǎng)年需求量2千臺計，每臺售價(jià)1500元，則年產(chǎn)量約300多萬(wàn)元，因此具有較好的經(jīng)濟效益。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
