发动机台架测试技术

汽车发动机测试技术清华大学汽车工程系金振华2005.12主要内容•概述–发动机测试的特点–测试技术的发展•测量参数及测试设备–动力性–经济性–排放•数据采集及虚拟仪器技术•汽车发动机测试系统–发动机台架测试系统–排放法规及排放测试系统概述试验技术发动机台架试验整车转鼓试验整车道路试验性能指标动力性经济性排放振动与噪声动力系统汽油机柴油机LPG&NG纯电动内燃机混合动力燃料电池混合动力动力系统稳态台架动态台架v22ρACwvC1C0LoadRoad100RGarctansingmdtdvmLoadVehTorque[%]Speed[%]发动机测试特点•测量参数多，如扭矩、转速、压力、温度、流量、排放、噪声、位移等，涉及的测试技术、测试设备和测试方法也多种多样。•试验项目多，包括动力性、经济性、排放试验、可靠性、耐久性、热冲击试验、热平衡试验等。测试技术的发展测试技术的发展•趋向于采用计算机控制和数据处理的智能化测试。•试验台架的自动化和网络化。•从稳态测试向动态测试发展。主要内容概述发动机测试的特点测试技术的发展测量参数及测试设备动力性经济性排放数据采集及虚拟仪器技术测试系统发动机台架测试系统排放法规及排放测试系统基础知识被测量获取的基本概念传感器测量电路显示记录装置被测量观察者基础知识•各部分功能(1)传感器：把非电物理量按一定的物理规律转换成电量的装置。它包括敏感元件、传感元件及转换元件。敏感元件：感受被测物理量的变化；传感元件：传递被测物理量的变化；转换元件：把被测物理量转换成电量。基础知识(2)测量电路：对传感器输出信号进行放大、滤波、转换等处理，使之能够被显示记录装置记录。(3)显示记录装置：以人能感知的方式，输出被测量。如模拟表、数字表、显示器、示波器、磁带机、计算机存储装置等。基础知识电阻式传感器是将被测的量转变为电阻变化的一种传感器。工作原理一个电导体的电阻值按如下的公式进行变化：式中：R为电阻，Ω；ρ为材料的电阻率，mm2/m；l为导体的长度，m；A为导体的截面积，mm2。AlR基础知识电阻式传感器：直线位移型图中触点C沿变阻器表面移动的距离x与A、C两点间的电阻值R之间有如下关系：式中：kt为单位长度中的电阻，当导线分布均匀时为一常数，此时传感器的输出（电阻）与输入（位移）间为线性关系，传感器的灵敏度相应地为：xkR1tkdxdRs基础知识电阻应变式传感器当金属电阻丝受拉或受压时，电阻丝的长度和横截面积将发生变化，且电阻丝的电阻率也发生变化（这一现象称为压阻效应），因此导线的电阻值发生变化。2)(AldAlddlAdR基础知识电阻应变式传感器粘贴式金属丝应变片可用于应力分析，也可用作为传感器。由于可测的电阻值变化要求导线长度很长，因而要将导线按一定的形状（通常为栅状）曲折地贴在由浸渍过绝缘材料的纸衬或合成树脂组成的载体上。图中给出这种应变片的一种典型结构型式。基础知识半导体应变片的工作原理：基于半导体材料的压阻效应。所谓的压阻效应是指单晶半导体材料沿某一轴向受外力作用时，其电阻随之发生变化。从半导体物理可知，单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规律会发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度产生变化，从而引起电阻率的变化。基础知识电阻式温度计纯金属及大多数合金的电阻率随温度的增加而增加，即它们具有正的温度系数。这些金属及合金的电阻值随温度的变化关系符合以下公式:式中：R1为温度t1时的电阻值；α为金属材料温度系数；。)1()](1[1121tRttRR12ttt功率测量•Pe=Tt×n/9550Pe–有效功率kWTt–输出扭矩N.mn–输出轴转速r/min功率测量测功器在发动机台架试验中作为负载，实现测定工况的调节。由制动器，测力机构，测速装置和控制系统组成。–制动器调节发动机的负载，把吸收功率转换为热能或电能–测力机构和测速装置测量发动机输出扭矩及输出轴转速–测功器带有自动调节和控制系统，实现转速和扭矩的闭环控制功率测量测功器按通常按照制动器的工作原理不同分类水力测功器电力测功器电涡流测功器（EC）直流电力测功器（DC）交流电力测功器（AC）功率测量测功器的基本要求–在发动机工作转速和扭矩范围内形成稳定的运转工况–能平顺而足够精细的调节负载–能足够准确的测定负载–操作简单安全可靠水力测功器-工作原理–制动器由转子和外壳组成，外壳由滚动轴承支撑，可以自由摆动–在制动器的转子和外壳之间充满水，工作时水由转子带动获得动量矩并传递给外壳，并从测力机构指示出力的大小–发动机输出功率以水分子摩擦生热的形式带走–制动力矩的大小通过改变水层厚度来调节功率测量功率测量水力测功器–特点及应用–结构简单，价格相对比较便宜–主要应用于产品出厂检测和耐久性试验功率测量电涡流测功器–工作原理–制动器由定子和转子组成，可以自由摆动的定子外壳伸出力臂以测量扭矩–直流电通过励磁绕阻产生磁通，感应子旋转时涡流环相应部位磁通不断变化，在涡流环表面产生感应电势而形成涡电流，阻止磁通的变化，从而引起感应子的制动作用–制动器吸收的功率全部转化成热量，通过冷却水带走功率测量电涡流测功器–特点及应用–低惯量，精度高，稳定性好–结构简单，维护方便，便于自动控制–多用于内燃机的开发与研究试验功率测量•1.直流电力测功机结构：由转子，定子外壳（浮动于支座），测力机构（拉压力传感器）构成。结构简图如下：功率测量直流电力测功机•测功机作发电机发动机带动转子旋转，制动力矩与发动机的驱动力矩平衡。制动力矩的反力矩作用于定子，欲使定子转动，但被测力机构约束住。发动机的驱动力矩即可通过测力机构测出。•测功机作电动机电枢绕组内通入电流，在定子，励磁绕组的磁场作用下，转子受到一个电磁驱动力矩的作用而旋转（反拖），该驱动力矩的反力矩作用于定子，通过测力机构测出。功率测量交流电力测功机•常用的三相交流发电机组可以看作最简单的交流电力测功机。由发电机的电压u、电流I、功率因数cosφ和效率η可知发动机的有效功率为：•如果将电机的定子外壳用轴承浮动起来，使之可以绕轴摆动，并在外壳与底座之间安装测力机构，则可直接测量发动机转矩。•交流电力测功器可工作在电动机状态或发电机状态，目前控制器多采用IGBT技术和电流矢量控制技术。功率测量电力测功器-特点及应用–响应速度块，测量精度高–可工作在电动机状态，能进行倒拖试验–所吸收的能量可以转换成电能并入电网–可用于发动机的稳态和高动态试验电力测功机电力测功机BME/EMCONAPAmachinePowerCabinetAutomationsystem测功器选型选用测功机时应考虑下述要求。1.工作范围所选用的测功机必须能够覆盖被测机械的工作范围。2.测量精度测功机测量精度应符合测量的要求，在满足上述工作范围的情况下，应优先选用满量程标定值较小的测功机，通常应使被测最大功率与测功机的最大功率之比不低于3：4。3.响应速度通常外形尺寸小的测功机响应速度快，另外测功机的测力机构及其选用的力传感器的动态特性要好，动态误差要小，这样才能迅速，准确地反映被测动力机械的性能。测功器工作稳定性要使发动机和测功机形成的系统正常工作，必须同时满足下列两个条件：发动机输出特性曲线与测功机制动特性曲线相交当运行工况偏离交点时，系统应产生回复力矩测功器扩大量程的方法•采用组合式测功器•采用变速器测功器扭矩测量•拉压力传感器•扭矩法兰测功机控制方式ControlModesDynoEngineN/AlphaSpeedThrottleT/AlphaTorqueThrottleN/TSpeedTorqueT/NTorqueSpeed扭矩测量•转矩仪分为:相位差式,应变式,磁致伸缩式•应用：–测量实际运行中发动机输出轴的扭矩–发动机与齿轮箱,发电机,水泵等机械一起工作需要测定各自的工作效率–测量顺态扭矩扭矩测量•扭矩仪工作原理：•通过测量某些传递转矩的零件（如轴、特制的联轴器或实际的传动轴等）在转矩的作用下产生的扭转变形来测量转矩。圆轴在转矩Tt(Nm)的作用下，相距L（m)的两个截面的相对扭转角φ(rad)为：光电式转矩仪•测量原理:a.无转矩作用时，A、B光栅相互遮挡，光电管输出为零；b.转矩T作用时，轴的A、B端扭转一个角度φ，A、B光栅也错开φ角度，透过部分光线。T越大，φ也越大，光电管的输出越大。c.转速对转矩的测量无影响磁电式转矩仪•测量原理：•弹性轴转动受扭后，相距L的2只外齿轮扭转一个角度，发出的两列磁电脉冲信号产生相位差。•实际所得两列脉冲波形间的相位差，是由两列脉冲的初始相位差与轴扭转角产生的相位差之和。所以扭矩仪应设有补偿初始相位差的调零装置或者标定相应于初始相位差的计时脉冲数予以消除。应变式转矩仪•测量原理:转轴承受转矩时要产生切应力（变），最大切应力（变）发生于圆周，方向为45度和135度。它与转矩成正比。应变式转矩仪在转轴这两个方向粘贴应变片，用电桥测出其最大应变，从而测得转矩。•为了提高测量灵敏度，可用4个应变片，按承受的拉、压应力平均分配按照上述原理的位置粘贴。这样可组成全桥回路，以保证测量值为纯扭矩。•电桥信号的输出方式基本上有滑环接触式和旋转变压器无接触感应式两种，由应变仪测出平均应变值，也可采用遥测应变仪来测量扭矩。后者的测量精度高，而采用滑环接触式的精度较低。磁致伸缩式转矩仪•测量原理:当轴受转矩作用时，轴上有应力分布，使轴表面的磁导率发生变化。拉应力+σ使磁阻R1,R4减小，磁导率增加；压应力-σ使R2,R3增加，磁导率减小，结果产生一个不平衡磁通，在感应线圈C,D中产生与轴上所受转矩T1有关的电动势，根据标定得出的此电动势信号与转矩T1的关系可测出转矩T1。原理图如下:扭矩测量扭矩仪选用和使用时的注意事项所有扭矩仪在选用时，其弹性轴的机械强度应能承受内燃机的最大瞬时扭矩的作用；使用时，应安装在内燃机与负荷吸收装置之间，其相互联接最好采用弹性联轴节，并注意保持同轴度；所有负荷吸收装置应能无级调节负荷吸收量；扭矩仪在安装后，各感应元件之间的相对位置应保持恒定，以消除安装不良带来的误差。转速测量•光电式转速传感器分类:照射式、反射式结构:光源，遮光盘（反光盘），光电管，测频电路。特点:高速时，光信号减弱转速测量•磁电式转速传感器结构：齿轮（导磁材料，齿数z），磁头—磁铁，线圈，距齿顶约2mm原理：齿轮随转轴旋转，每转过一齿，就切割一次磁力线，在线圈中产生一个感应电动势的脉冲信号。每转将产生z个电脉冲信号:特点：结构简单，工作可靠，转速越高，输出信号越强。转速测量•电磁脉冲转速表原理:通过电磁感应和脉冲计数电路计数汽油机的高压点火脉冲的频率，再根据汽油机的冲程数和气缸数得到发动机每传一圈所发出的点火脉冲数，由此可以计算出汽油机的转速。特点：非接触测量准确度高体积小，使用方便。转速测量采用基于振动和噪声的测量原理的转速传感器•采用了先进的数字滤波以及DSP算法技术•同时适合汽油机和柴油机•不需要校准和标定•使用十分方便，车内都可以测量•可提供数字输出以及LCD显示•配备RS-232C数字串行通信接口转速测量红外测速传感器原理：依靠红外发射的红外线射向转轴，并接收从转轴反射过来的红外线脉冲来进行测速，右图为测量近距离用的一种反射式传感器。优点：不受可见光的干扰，如用大功率的红外发光二极管，可以实现远距离测速。转速测量霍尔传感器原理：霍尔效应在半导体薄片的垂直方向加磁感强度B的磁场，当薄片两端有控制电流I流过时薄片两端产生与控制电流I和磁感强度B成正比的电动势UH。霍尔元件通以恒定的电流，齿轮的转动使元件上的磁通量发生变化，输出反映转速高低的脉冲信号。优点：结构简单，体积小，频率响应宽，动态特性好，寿命长，应用广泛。转速测量编码器脉冲式角度数字变换器是一种常用的增量编码器，主要用来测量转速。开有等角度缝隙的圆盘与被测轴一起旋转，圆盘两侧分别装有一对光电元