汽车发动机热工性能测试系统设计

摘要 本文针对汽车发动机测试中热工性能指标的测试需求，设计了一套测试系统，该系统可在线检测汽车发动机的温度、压力、流量等参数，实际应用表明，该系统测试精度高，性能稳定，由于采用了分层设计和总线技术，系统扩充方便，可满足多参数的在线测试。
关键词 汽车发动机 热工参数 测试

1．引言
汽车技术的发展很大程度上取决于试验技术的发展。国外技术处于领先地位的汽车公司都拥有先进的测试技术和完整的试验设施，尤其拥有由相当数量试验台架组成的发动机实验室。发动机测试指标众多，发动机测试技术是汽车测试技术的一个重要组成部分，也是最复杂的一个部分。衡量发动机动力性和经济性的指标主要有：功率、扭矩、转速、燃油消耗等，在发动机常规性能试验中测量的参数有发动机的功率、扭矩、转速、燃油消耗量和燃油消耗率、燃油温度、润滑油压力和温度、进气压力和温度、排气温度和压力、冷却水的进出口温度等。
发动机的各种参数通过各种类型的传感器实时测量，现代高水平的试验室可同时测量上百个参数；有些参数可直接测量得到，有些参数需根据测量到的参数和公式进行计算得出。现代测试设备一般都提供数据的后处理，可按用户要求提供所需数据的最终处理结果，以表格和曲线等形式出现。
本文针对汽车发动机测试中的热工性能指标，设计了汽车发动机热工性能测试系统，该系统可对汽车发动机的多点温度、压力、流量等进行检测，并能显示参数的实时曲线，可自动进行数据处理和生成报表，整个测试系统结构简单，操作方便，可靠性好，精度较高。
2．测试内容
2．1 冷却水流量测量：冷却水的最大温度为150℃；最大流量为10m3/h；管径：φ30。特点：管路空间比较狭小，无前后直管段、测量时不改变原管路结构，以保证管路阻力特性不变。测量精度：±0.5％～2％；测量点数：1 点。
2．2 压力测量及数据采集：介质为冷却水；最大压力：2.0kgf/cm2；特点：传感器安装空间小，要求压力传感器的尺寸较小； 精度：±1％；测量点数：2 点。
2．3 温度测量：需要测量冷却水、发动机表面、内部环境等多处温度，测温范围：<1000℃；精度：±1℃，测量点数：<100 点。
2．4 电压测量：检测蓄电池、风扇等的电压，测量范围：0～15VDC；测量精度：±0.1V；测量点数： 2 点。
2．5 冷却风量测量：要求测量冷凝器前的进风量，在冷凝器表面一定的截面积（450×800）范围内，测量出各点的风速的分布和风量；测点布置：≤20 点。风速测量范围：15m/s（峰值<50m/s）,测量精度：±2.5％
2．6 湿度测量：测量当时环境的湿度，测量精度±2%。点数：1 点。
2．7 车速测量：系统具备在线车速测量功能，测量范围：10km/h～160km/h，点数：1 点。
3．测试系统设计
本测试系统由三层结构组成，分别为：测量与变送层、数据采集与信号转换层，以及数据处理层。测试系统的结构如图1 所示。


测量变送层由各类传感器组成，分别为压力传感器、超声波流量计、热电偶、电压传感器、风速测速传感器（风速计）等。上述的传感器中，大多可采用标准的传感器进行检测，但发动机的冷却风量检测传感器设计比较困难。原因有以下几点：1）电磁干扰强，汽车发动机附近电磁干扰非常强，笔者曾打开汽车前盖，启动发动机，将电磁式风速仪放在汽车发动机附近，在无风条件下，因电磁干扰，该风速仪显示最大风速为3 米/秒。2）高温环境，发动机附近的高温，使一般电子元件不能正常工作。3）检测位置狭小，检测装置厚度不能超过25mm。
由于上述原因，市场上的风量检测传感器显然不能满足需求，只有自行设计。根据需求设计如下：为克服汽车内部的高温和强电磁干扰，选用耐高温的反射式光电传感器，检测信号通过高温屏蔽信号线传输到放大整形电路，然后后送CPLD，通过对CPLD 编程，实现对多路频率信号进行检测。如图2 所示。


通过风洞实验标定，建立风速、局部风量与叶轮转动频率之间的关系：

以国外某型号汽车为例，汽车的冷却风扇是打开的，采用本测试系统连续测试3 次，测试出某汽车在不同行驶速度下的风量，风量单位是m3/h 是参考值为国外汽车公司在同等条件下的测试值。具体测试数据见表2。


以上所测试的数据与该公司在北美地区利用国外测试系统所测试的结果基本一致。
4．软件设计
软件系统以美国著名的"LABVIEW"组态软件作为计算机软件的开发平台。数据处理层是应用计算机将RS485总线上的数据（转换为RS232）传送到计算机中，通过计算机软件，实现实时数据显示（包括趋势图显示）、数据分析、数据保存、生成报表和打印等。打印报表是测控系统普遍要求的一项基本功能，Microsoft Excel 是强大的数据处理软件，应用极为广泛，通过与LabVIEW 的结合，将采集到的数据传送到Excel 中，充分利用了两者的功能。试验者在试验结束后，可查看Excel 文件中的数据，进行其他进一步处理。
5．结论
本系统已成功应用在某汽车研究中心的实验室中，一年多的实际运行结果显示，完全能满足发动机热工参数测量的需要，测试精度高，性能稳定，由于采用总线结构，系统扩充也很方便。作者的创新点是：国内对于汽车发动机热工参数的测试大多停留在分别对某些参数的测试，综合测试系统的研究处于起步阶段，尚没有同类产品，本系统可同时测试多种参数，更有利于分析发动机的性能。另外，解决了高温，强电磁干扰环境下，发动机冷却风量的检测。