汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱工性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．引言
汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展很大程度上取決于試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。國(guó)外技術(shù)處于領(lǐng)先地位的汽車(chē)公司都擁有先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)和完整的試驗(yàn)設(shè)施，尤其擁有由相當(dāng)數(shù)量試驗(yàn)臺(tái)架組成的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室。發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試指標(biāo)眾多，發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試技術(shù)是汽車(chē)測(cè)試技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，也是最復(fù)雜的一個(gè)部分。衡量發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)主要有：功率、扭矩、轉(zhuǎn)速、燃油消耗等，在發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)性能試驗(yàn)中測(cè)量的參數(shù)有發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、扭矩、轉(zhuǎn)速、燃油消耗量和燃油消耗率、燃油溫度、潤(rùn)滑油壓力和溫度、進(jìn)氣壓力和溫度、排氣溫度和壓力、冷卻水的進(jìn)出口溫度等。
發(fā)動(dòng)機(jī)的各種參數(shù)通過(guò)各種類(lèi)型的傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量，現(xiàn)代高水平的試驗(yàn)室可同時(shí)測(cè)量上百個(gè)參數(shù)；有些參數(shù)可直接測(cè)量得到，有些參數(shù)需根據(jù)測(cè)量到的參數(shù)和公式進(jìn)行計(jì)算得出?，F(xiàn)代測(cè)試設(shè)備一般都提供數(shù)據(jù)的后處理，可按用戶(hù)要求提供所需數(shù)據(jù)的最終處理結(jié)果，以表格和曲線(xiàn)等形式出現(xiàn)。
本文針對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中的熱工性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱工性能測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的多點(diǎn)溫度、壓力、流量等進(jìn)行檢測(cè)，并能顯示參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)，可自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和生成報(bào)表，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可靠性好，精度較高。
2．測(cè)試內(nèi)容
2．1 冷卻水流量測(cè)量：冷卻水的最大溫度為150℃；最大流量為10m3/h；管徑：φ30。特點(diǎn)：管路空間比較狹小，無(wú)前后直管段、測(cè)量時(shí)不改變?cè)苈方Y(jié)構(gòu)，以保證管路阻力特性不變。測(cè)量精度：±0.5％～2％；測(cè)量點(diǎn)數(shù)：1 點(diǎn)。
2．2 壓力測(cè)量及數(shù)據(jù)采集：介質(zhì)為冷卻水；最大壓力：2.0kgf/cm2；特點(diǎn)：傳感器安裝空間小，要求壓力傳感器的尺寸較??； 精度：±1％；測(cè)量點(diǎn)數(shù)：2 點(diǎn)。
2．3 溫度測(cè)量：需要測(cè)量冷卻水、發(fā)動(dòng)機(jī)表面、內(nèi)部環(huán)境等多處溫度，測(cè)溫范圍：<1000℃；精度：±1℃，測(cè)量點(diǎn)數(shù)：<100 點(diǎn)。
2．4 電壓測(cè)量：檢測(cè)蓄電池、風(fēng)扇等的電壓，測(cè)量范圍：0～15VDC；測(cè)量精度：±0.1V；測(cè)量點(diǎn)數(shù)： 2 點(diǎn)。
2．5 冷卻風(fēng)量測(cè)量：要求測(cè)量冷凝器前的進(jìn)風(fēng)量，在冷凝器表面一定的截面積（450×800）范圍內(nèi)，測(cè)量出各點(diǎn)的風(fēng)速的分布和風(fēng)量；測(cè)點(diǎn)布置：≤20 點(diǎn)。風(fēng)速測(cè)量范圍：15m/s（峰值<50m/s）,測(cè)量精度：±2.5％
2．6 濕度測(cè)量：測(cè)量當(dāng)時(shí)環(huán)境的濕度，測(cè)量精度±2%。點(diǎn)數(shù)：1 點(diǎn)。
2．7 車(chē)速測(cè)量：系統(tǒng)具備在線(xiàn)車(chē)速測(cè)量功能，測(cè)量范圍：10km/h～160km/h，點(diǎn)數(shù)：1 點(diǎn)。
3．測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本測(cè)試系統(tǒng)由三層結(jié)構(gòu)組成，分別為：測(cè)量與變送層、數(shù)據(jù)采集與信號(hào)轉(zhuǎn)換層，以及數(shù)據(jù)處理層。測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

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測(cè)量變送層由各類(lèi)傳感器組成，分別為壓力傳感器、超聲波流量計(jì)、熱電偶、電壓傳感器、風(fēng)速測(cè)速傳感器（風(fēng)速計(jì)）等。上述的傳感器中，大多可采用標(biāo)準(zhǔn)的傳感器進(jìn)行檢測(cè)，但發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻風(fēng)量檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)比較困難。原因有以下幾點(diǎn)：1）電磁干擾強(qiáng)，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)附近電磁干擾非常強(qiáng)，筆者曾打開(kāi)汽車(chē)前蓋，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，將電磁式風(fēng)速儀放在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)附近，在無(wú)風(fēng)條件下，因電磁干擾，該風(fēng)速儀顯示最大風(fēng)速為3 米/秒。2）高溫環(huán)境，發(fā)動(dòng)機(jī)附近的高溫，使一般電子元件不能正常工作。3）檢測(cè)位置狹小，檢測(cè)裝置厚度不能超過(guò)25mm。
由于上述原因，市場(chǎng)上的風(fēng)量檢測(cè)傳感器顯然不能滿(mǎn)足需求，只有自行設(shè)計(jì)。根據(jù)需求設(shè)計(jì)如下：為克服汽車(chē)內(nèi)部的高溫和強(qiáng)電磁干擾，選用耐高溫的反射式光電傳感器，檢測(cè)信號(hào)通過(guò)高溫屏蔽信號(hào)線(xiàn)傳輸?shù)椒糯笳坞娐?，然后后送CPLD，通過(guò)對(duì)CPLD 編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)多路頻率信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。如圖2 所示。

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通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，建立風(fēng)速、局部風(fēng)量與葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率之間的關(guān)系：

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以國(guó)外某型號(hào)汽車(chē)為例，汽車(chē)的冷卻風(fēng)扇是打開(kāi)的，采用本測(cè)試系統(tǒng)連續(xù)測(cè)試3 次，測(cè)試出某汽車(chē)在不同行駛速度下的風(fēng)量，風(fēng)量單位是m3/h 是參考值為國(guó)外汽車(chē)公司在同等條件下的測(cè)試值。具體測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。
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以上所測(cè)試的數(shù)據(jù)與該公司在北美地區(qū)利用國(guó)外測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)試的結(jié)果基本一致。
4．軟件設(shè)計(jì)
軟件系統(tǒng)以美國(guó)著名的“LABVIEW”組態(tài)軟件作為計(jì)算機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。數(shù)據(jù)處理層是應(yīng)用計(jì)算機(jī)將RS485總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)換為RS232）傳送到計(jì)算機(jī)中，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示（包括趨勢(shì)圖顯示）、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)保存、生成報(bào)表和打印等。打印報(bào)表是測(cè)控系統(tǒng)普遍要求的一項(xiàng)基本功能，Microsoft Excel 是強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理軟件，應(yīng)用極為廣泛，通過(guò)與LabVIEW 的結(jié)合，將采集到的數(shù)據(jù)傳送到Excel 中，充分利用了兩者的功能。試驗(yàn)者在試驗(yàn)結(jié)束后，可查看Excel 文件中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行其他進(jìn)一步處理。
5．結(jié)論
本系統(tǒng)已成功應(yīng)用在某汽車(chē)研究中心的實(shí)驗(yàn)室中，一年多的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果顯示，完全能滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)熱工參數(shù)測(cè)量的需要，測(cè)試精度高，性能穩(wěn)定，由于采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)擴(kuò)充也很方便。作者的創(chuàng)新點(diǎn)是：國(guó)內(nèi)對(duì)于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱工參數(shù)的測(cè)試大多停留在分別對(duì)某些參數(shù)的測(cè)試，綜合測(cè)試系統(tǒng)的研究處于起步階段，尚沒(méi)有同類(lèi)產(chǎn)品，本系統(tǒng)可同時(shí)測(cè)試多種參數(shù)，更有利于分析發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。另外，解決了高溫，強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)量的檢測(cè)。