汽车发动机试验学-第三章-发动机主要性能参数的测量

汽车发动机试验第三章发动机主要性能参数的测量Page1同济大学汽车学院发动机主要性能参数的测量发动机试验测量、计算后所需的参数项目主要分为以下几种类型。（1）与常规动力、经济性能直接有关的项目：发动机的转速、扭矩、功率、燃油消耗率、点火提前角、供油提前角、空气消耗量、进气压力和温度、排气压力与温度、中冷前后温度和压力（对于增压发动机），润滑油的压力和温度，冷却水温度，燃油温度、密度等。（2）与发动机尾气排放有关的项目：一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、柴油机的微粒(PM)和烟度等。同济大学汽车学院Page2发动机主要性能参数的测量（3）与试验环境有关的项目：大气压力、温度和湿度、排气背压等。（4）其他项目：根据一些特殊要求进行的测试项目，如柴油发动机高压喷油泵泵端和嘴端压力、充气效率、过量空气系数，气缸内的最高爆发压力、平均有效压力、压力升高率、噪声、振动等。同济大学汽车学院Page33.1发动机转速、扭矩测量和功率计算在汽车发动机中，功率是一个十分重要的性能参数。发动机某工况的有效功率是测定有效扭矩和转速值后计算而得。计算公式如下：式中：Pe____有效功率，kWMe____实测有效扭矩，Nmn____实测转速，r/min同济大学汽车学院Page495501000602nMnMPeee3.1发动机转速、扭矩测量和功率计算转速测量转速是单位时间内曲轴的平均旋转次数，通常以每分钟的转数（r/min）作为计量单位同济大学汽车学院Page51.磁电式转速传感器磁电式转速传感器是通过磁电作用把被测参数转换为感应电动势的一种器件。它是利用带齿的含铁导磁材料在磁场中切割磁力线所产生的感应电动势来计算转速的。n——发动机的转速，r/min;Z——信号盘齿数；f——感应电动势频率，s-1zfn60=0.5~1.23.1发动机转速、扭矩测量和功率计算转速测量2.霍尔传感器当叶片进人永久磁铁与霍尔元件之间的空隙时，由于霍尔元件的磁场被触发叶片所旁路（或称隔磁），霍尔元件不产生霍尔电压；当触发叶片同济大学汽车学院Page6离开空隙后，永久磁铁的磁通便穿过霍尔兀件而产生霍尔电压。利用霍尔电压方波信号的频率，可算出转速值来。优点：一为输出的电压信号近似于方波信号；另一为输出电压与被测物体的转速无关3.1发动机转速、扭矩测量和功率计算扭矩测量根据扭矩测量原理的不同，测量扭矩的装置分为传递法和平衡力法两种类型。传递法主要应用扭矩仪（传感器）在动力的传递过程中测出扭矩值；平衡力法利用作用在测功机上的作用扭矩与反作用扭矩大小相等、方向相反的原理来测量扭矩。同济大学汽车学院Page73.1发动机转速、扭矩测量和功率计算扭矩测量1.平衡力法平衡力法的测量原理及结构简图如图所示，将测功机的外壳通过轴承支撑在支架上，外壳能自由地回转，在外壳上装有力臂，连接载荷单元。工作时在发动机扭矩作用下，载荷单元承受的作用力W乘以力臂长度L就是扭矩值。扭矩的表达式如下：同济大学汽车学院Page8WLMe式中：Me——实测有效扭矩，Nm；W——作用在载荷单元上的力，N；L——力臂长度,m3.1发动机转速、扭矩测量和功率计算扭矩测量2.传递法转轴受到扭矩作用时会产生变形，传递法就是通过测量轴变形，利用应力与应变的关系来测量扭矩。同济大学汽车学院Page93.1发动机转速、扭矩测量和功率计算扭矩测量误差及测功机的校正平衡力法扭矩测量误差除了非电量电测装置带来的误差外，主要是测功机的误差。各种侧功机的一个共同的主要误差来源，就是浮动定子两端轴承摩擦带来的误差。由于定子只在很小角度内摆动，长期和过载使用会造成局部的压痕而带来较大摩擦阻力。因此，除关心轴承的润滑状况外，应定期进行检查和标定。电力测功机多用风扇进行冷却，形成鼓风损失，且随转速增加而大幅上升。这是一种系统误差，可事先预估进行修正。同济大学汽车学院Page103.1发动机转速、扭矩测量和功率计算扭矩测量误差及测功机的校正电力和电涡流测功机电线的刚性和水管、润滑油的粘性会产生摆动阻力，带来误差，因此宜采用柔性管线，并尽可能从中心引人。水力测功机水位的波动，也是误差的来源之一。由于测功机误差随使用时间和装配情况而变化，所以长期使用和维修安装后应重新进行校正标定。同济大学汽车学院Page113.2压缩上止点与点火、喷油提前角测定曲轴位置及气缸识别传感器同济大学汽车学院Page12曲轴位置传感器又称为发动机转速与曲轴转角传感器。其功用是采集曲轴转动角度和发动机转速信号，并输人电子控制单元ECU，以便确定点火时刻和喷油时刻。3.2压缩上止点与点火、喷油提前角测定曲轴位置及气缸识别传感器对于四冲程发动机，由于每循环曲轴旋转两周，各缸都存在两个上止点（压缩行程和进气行程），因此还需要识别是哪一缸．哪一个上止点，即需要气缸识别传感器。该传感器通常安装在凸轮轴上，又称凸轮轴位置传感器。因为凸轮轴转一圈正好是发动机的一个工作循环，只要它的位置信号与某缸压缩上止点相对应，则该信号出现的时刻，必然对应于该缸的压缩上止点凸轮轴位置传感器的功用是采集配气凸轮轴的位置信号，并输人发动机电子控制单元，以便ECU识别顺序排列的第1缸，再确定该缸的压缩上止点，从而进行顺序喷油控制、点火时刻控制和爆燃控制同济大学汽车学院Page133.2压缩上止点与点火、喷油提前角测定曲轴位置及气缸识别传感器4缸机凸轮轴信号转子转一圈(360°凸轮轴转角和720°曲轴转角）为一个周期。一个周期内，有4个均匀分布的正常齿，每缸对应一个，并有一个多齿，在第1缸正常齿与第3缸正常齿之间的1/5处，作为判缸标志。曲轴信号转子为齿盘式，在其圆周上均匀间隔地制作有58个凸齿，57个小齿缺和1个大齿缺。同济大学汽车学院Page143.2压缩上止点与点火、喷油提前角测定上止点真实位置确定1.气缸压缩线法（倒拖法或灭缸法）同济大学汽车学院Page153.2压缩上止点与点火、喷油提前角测定上止点真实位置确定2.活塞位置测量法利用气缸头上的孔（喷油器孔或火花塞孔，不方便时，可卸下缸盖）安装深度百分尺测量活塞顶的位置。先顺时针转动曲轴，测定行程中段到顶点的几个位置的尺寸，并记录对应的曲轴相位或飞轮位置，然后逆时针转动上行，记录与上行时同样位置尺寸所对应的曲轴相位或飞轮位置。各位置两次测量值中点的平均值就是上止点的位置。此法简易，还可消除活塞连杆接头间隙所造成的误差。同济大学汽车学院Page163.2压缩上止点与点火、喷油提前角测定测定上止点位置的传感器及其误差与校正同济大学汽车学院Page17由于传感器安装时不可避免地存在位置误差，可以利用上止点位置确定的方法进行校正，当作系统误差处理。要注意测试时的传感器频响问题。此外，曲轴扭转变形也会造成成止点位置的误差，特别是对距离飞轮端较远的气缸。3.2压缩上止点与点火、喷油提前角测定点火提前角与喷油提前角的判定提前角的测定精度首先取决于上止点信号的位置精度，其次取决于记录的点火或喷油始点信号是否准确，此外还取决于曲轴齿盘的分度精度。电控发动机的这些信号和真实的着火与喷油时刻有一定的延迟，而且随不同工况而变同济大学汽车学院Page183.3压力测量与示功图制取概述在发动机试验中，经常要进行压力的测量，如各种介质（气体、燃料、润滑油和冷却水）的压力和大气压。具体来说各种发动机试验过程中所需测量的压力主要指：进气管真空度及绝对压力、喷油压力、中冷前后压力、涡轮增压器的压气机进、出口压力、排气背压与排气管压力、机油压力、气缸压缩压力、工作过程中的缸内压力和曲轴箱压力等。同济大学汽车学院Page193.3压力测量与示功图制取概述发动机试验中压力的测量仪主要有液柱式压力计和压力传感器等。1.液柱式压力计液柱式压力计是基于液体静压力作用原理，由已知重度的液体高度测得压强。液柱式压力计结构简单，价格低廉，精度较高，一般用于检定或直接测量较小的静压力。同济大学汽车学院Page203.3压力测量与示功图制取概述2.压力传感器为实现压力测量远传、记录和控制，在压力检测中大量应用各种传感器，将被测压力参数转换成电信号，供远传的电子仪表测量、控制。汽车发动机中的大多数压力测量均采用压力传感器进行。同济大学汽车学院Page213.3压力测量与示功图制取发动机缸内动态压力测量与示功图制取同济大学汽车学院Page223.3压力测量与示功图制取发动机缸内动态压力测量与示功图制取示功图或压力图涉及缸内动态压力和曲轴转角φ（可换算为活塞顶容积V）两个参数的测量问题。制取示功图所用的仪器有简单示功仪、机械示功仪、气电示功仪以及现代的应变式示功仪和压电式示功仪。特别是压电式示功仪，由于具有优良的特性而获得广泛的应用。同济大学汽车学院Page233.3压力测量与示功图制取发动机缸内动态压力测量与示功图制取1.测量的基本方法压电式示功仪是把气缸压力、曲轴转角等非电量通过传感器转换为电量，经放大器放大和信号处理后，由信号采集系统进行采集，再由显示记录装置进行显示的一种专用测量仪器。同济大学汽车学院Page243.3压力测量与示功图制取发动机缸内动态压力测量与示功图制取同济大学汽车学院Page25压电晶体传感器的结构形式，主要有水套冷却的和无水套冷却的两种。此外，还有和火花塞做成一体的结构，由于无需在缸盖上加工安装孔，所以能为示功图的制取带来安装上的方便。3.3压力测量与示功图制取发动机缸内动态压力测量与示功图制取2.测量过程中应注意的问题压电传感器的标定标定方法有静态法和动态法两种。传感器的安装由于发动机结构非常紧凑，安装位置极其有限。一般要求传感器承压面能靠近燃烧室。长的压力通道由于压力波效应，会在示功图上出现高频的压力波，主要出现在上止点附近。同济大学汽车学院Page263.3压力测量与示功图制取发动机缸内动态压力测量与示功图制取3.示功图的测量误差示功图上封闭曲线面积的代数和（封闭面积有的代表正功，有的为负功，可参阅发动机原理相关图书）反映发动机一个循环所做指示功的大小。试验时，侧得的是压力图，由压力图再转为示功图。压力图上压缩上止点右侧压力做膨胀正功，而左侧压力则是压缩负功，如果上止点定位略有偏差，则部分正功被算为负功。测功误差还包括压力及转角的测定误差以及压力波形畸变带来的误差，可通过各种方法加以消除或校正。同济大学汽车学院Page273.4其他热力状态参数的测定发动机进行试验时，除各种压力测定外，还需测定各种温度、大气湿度和燃油密度。这些热力状态参数的不同会影响实际进人发动机气缸的空气量和燃料量，必然会对主要性能指标（功率、油耗、排放）产生较大的影响，使得测量的数据没有可比性为此，需测定这些参数并根据这些参数对发动机性能进行修正。温度测量发动机试验中的温度测量主要包括冷却液温度（进、出水温度）、中冷前后进气温度、机油温度、排气温度、燃油温度和环境温度等。温度的测量通常用热电阻和热电偶传感器。同济大学汽车学院Page283.4其他热力状态参数的测定温度测量1.热电阻温度传感器金属导体和半导体的电阻值是温度的函数，只要知道了这种函数，并能测出导体的电阻值，就能知道热电阻本身的温度，从而知道该电阻所处的环境或介质的温度。同济大学汽车学院Page29001ttRRt式中：Rt——热电阻在t（℃）时的电阻值；R0——热电阻在t0（℃）时的电阻值；α——热电阻的电阻温度系数，℃－13.4其他热力状态参数的测定温度测量1.热电阻温度传感器用来做热电阻的材料应满足以下要求：(1)电阻温度系数a要大。电阻温度系数越大，制成的温度传感器的灵敏度越高。(2)材料应具有比较大的电阻率，这样可使热电阻体积较小，热惯性较小。(3)在测温范围内，材料应具有稳定的物理化学性质(4)在测温范围内，电阻温度系数a希望保持常数，便于电阻与温度关系近于线性或为平滑的曲线，而且这种关系应有良好的重复性。(5)易于加工复制。同济大学汽车学院Page30比较适于制作热电阻的材料有铂、铜、铁及镍3.4其他