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浙江大学硕士学位论文 发动机测控系统及其智能控制研究 摘要 现代汽车发动机技术的高速发展，要求我们对发动机运行时刻各种工况的参 数有非常准确的了解，而了解的手段是普遍采用的测功机。相应的，对测功机参 数采集系统的准确性，实时性，以及多功能性，都提出了更加严格的要求，同时， 技术的发展，高速计算机的普及，以及微处理器性能的提高，使这些要求得以实 现。 本文的工作就是对电涡流测功机的数字化改造，对采集电路和上位机软件进 行更新，研究新的控制方法，主要完成了以下几个方面的工作： 1 在了解测功机原理及结构的基础上，对需要采集的信号进行分析，设计 了测量电路；根据系统的功能需求，选用了m s p 4 3 0 f 4 4 9 作为e c u ，实现了u s b 通讯协议和扭矩、转速等信号的采集；同时，从硬件和软件入手，研究了系统的 抗干扰措施。 2 设计了具备良好人机交互界面的上位机软件，使其不仅具备数据实时采 集、处理、报警及虚拟仪表显示等功能，而且具备数据库功能，方便了数据的管 理及后处理，同时程序本身也具备分析功能，可以对数据进行报表输出、曲线拟 合等工作。 3 对发动机一测功器系统的控制，查阅相关文献，分析得到其模型；选用 模糊方法设计控制器，开发了隶属函数、控制规则等；同时深入研究，建立了自 调整模块，针对输入变量的范围，动态改变量化因子。最后对控制系统进行仿真 试验，对转速的上升，下降及干扰抑制进行了仿真，得到了比较理想的结果。 关键词：电涡流测功机；m s p 4 3 0 f 4 4 9 ；发动机一测功器模型；模糊控制； m a t l a b 仿真 浙江大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nm e a s u r i n g s y s t e mo fe n g i n ea n d i t s i n t e l l i g e n tc o n t r o l w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ne n g i n et e c h n o l o g y , t h ea c q u i s i t i o no ft h ed a t a w h i c hr e p r e s e n t st h ep e r f o r m a n c eo fe n g i n ei nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i n o n sb e c o m e s m o r ea n dm o r e i m p o r t a n t u s u a l l y , d y n a m o m e t e r i sa $ s u m e dt ot a k et h i s r e s p o n s i b i l i t y a c c o r d i n g l y , t h ed e m a n d i n gf o ra c c u r a c ya n ds t a b i l i t yo ft h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mi se m e r g e n t a tt h es a m et i m e , t h ei m p r o v e m e n to fm i c r o p r o c e s s o r sa n di n t r o d u c t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g ym a k et h ea b o v ed e m a n d i n g b e c o m ea p p r o a c h a b l e t h em a i nt o p i co ft h i sp a p e ri st h er e s e a r c ha b o u te d d yc u r r e n td y n a m o m e t e r d a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i ta n dp cs o f t w a r ei sr e d e s i g n e d ，a n ds o m en e wd e v i c e sa r e u s e dt om o d i f yt h ee n g i n e - d y n a m o m e t e rs y s t e m i na d d i t i o n , t h ec o n t r o l l i n go ft h e s y s t e mi sc a r e f u l l ys t u d i e d t h em a i np r o d u c t i o n so f t h ep a p e ri n c l u d et h ef o l l o w i n g ： 1 w i t ht h eu n d e r s t a n d i n go fd y n a m o m e t e r sw o r k i n gp r i n c i p l e s ，t h es i g n a l s w h i c hs h o u l db em e a s u r e da r e a n a l y z e d a n dc i r c u i t sa r e r e d e s i g n e d t h e m s p 4 3 0 f 4 4 9i sc h o s e nf o rt h ee c u 。a n di ni tu s bc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o li sc o d e d t h e n , s o m em e a s u r e sb o t hi nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r et a k e nt or e d u c et h e d i s t u r b a n c e 2 d e v e l o pt h ep cs o f t w a r e 研t l lg o o dm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e i ta c h i e v e st h e f u n c t i o no fr e a lt i m ed a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g i na d d i t i o n , t h es o f t w a r ei s e q u i p p e dw i t ht h ed a t a b a s ef u n c t i o nw h i c hm a k e st h ep o s tp r o c e s s i n go f c o l l e t o dd a t a e a s i e r 3 t h ee n g i n e - d y n a m o m e t e rm o d e li sa c q u i r e da f t e ral i t e r a t u r es e a r c ho fb o t h e n g i n ea n dd y n a m o m e t e rm o d e l s f u z z yc o n t r o l l e ri sd e s i g n e di ns i m u l i n k t h e s e l f - t t m i n gm o d u l ei sd e v e l o p e dt oc h a n g et h es c a l ef a c t o rd y n a m i c a l l y f i n a l l y ，t h e s i m u l a t i o n si nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n si n d i c m et h a tt h ef u z z yc o n t r o l l e rc 锄 a c h i e v et h er e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：e d d yc u r r e n td y n a m o m e t e r ；m s p 4 3 0 f 4 4 9 ；e n g i n e d y n a m o m e t e rm o d e l ； f u z z yc o n t r o l ；m a t l a bs i m u l a t i o n n 学号垒! 竺! 翌! ， 独创性声明 y9 9 9 6 8 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。掘我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：刭沮峰 签字嗍 。口6 年占月莎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝垄盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 考0 江噻 导师签名 签字日期：知口占年占月 g 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 衍撵 签字嗍沙缶r 月国日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 汽车工业是融合机械、电子、冶金、材料等各行各业的先进技术于一身的典 范，它在国民经济中占有重要地位，是一个国家工业水平的代表。近几年来，随 着我国经济的发展，人民生活水平得到了很大的提高，购买力有所增长，同时在 国家政策导引下，汽车工业迎来了发展契机。面对机遇的同时，我们也应该看到， 国内的汽车及发动机研究水平落后于汽车工业发达的国家，挑战和困难同样摆在 我们面前，这一切，是国内汽车及发动机工作者和高校等研究机构需要面对的。 汽车的使用环境从高原到盆地，从山地到城市公路，有时候顺风顺雨，有时 候却又十分恶劣，这一切，对汽车的动力性提出了十分严格的要求，必须满足各 种工况，又具备耐久性。而这些又要求作为汽车的心脏发动机，必须达到一 定的标准，相应的，对发动机性能的测试就成了各大汽车及发动机公司，高校等 十分重视的课题，国内外的大公司纷纷投入巨资打造发动机实验室，以期对发动 机性能有正确的把握，便于后期的改良等工作。 现代汽车发动机技术的高速发展，要求我们对发动机运行时刻各种工况的参 数有非常准确的了解，而了解的手段是普遍采用的测功机。相应的，对测功机参 数采集系统的准确性、实时性以及多功能性，都提出了更加严格的要求；同时电 子技术的发展，高速计算机的普及，以及微处理器性能的提高，使这些要求得以 实现。 发动机运行工况下各种参数的测量，包括转速、机油温度、进排气温度、冷 却水温度、进排气压力、发动机输出功率等，对于监控发动机工作，了解其是否 正常，以及进一步发现问题，提高性能都是极其重要的。目前实验室里对这些参 数的测量主要使用测功机，利用各种方法给发动机提供阻力矩，控制其转速，然 后将上述非电量转化为电量，用数据采集卡采集，通过微控制器，将数据发送到 上位机，进行显示，同时各种数据也用于测功机的控制系统，对发动机工况进行 调节。 作为微型计算机应用技术的一个重要分支数据采集与处理技术，集传感 器、信号采集与转换、计算机等技术于一体，是获取信息的重要工具和手段【”。 计算机技术的飞速发展和普及，使得数据采集系统也迅速地得到发展和应用。在 生产过程中，应用数据采集系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录， 为提高产品质量，降低成本提供信息和手段；在科学研究中，应用数据采集系统 可获得的大量动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具。不论在哪个应用领域， 数据采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 数据采集系统的任务，就是把采集传感器输出的模拟信号转换成计算机能够 识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和 处理，得出所需的数据；同时，将计算机得到的数据进行显示或打印以便实现 对某些物理量的监视。其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用于 控制某些物理量。 1 2 发动机测试技术的发展 测试技术对自然科学，工程技术发展的重要性，越来越为人们所认识和重视， 并已成为科学研究不可缺少的重要手段1 2 1 。8 0 年代至今，许多新型传感技术相继 出现，诸如激光全息摄影技术，光纤传感技术，红外c t 技术，超声波测试技术 等高新技术，均己逐步深入到动力机械研究的各个领域，从而带动发动机测试技 术进入新的领域，呈现出如下特点： 测试技术涉及到光学、声学、遥测、自动化和模态分析等学科领域，并引 进了近代物理、数理统计、控制理论和信息论等新的理论。 发动机测试技术由常规测试向专项测试发展，由稳态测试向瞬态测试发展， 由接触测量向非接触测量发展。如现在正方兴未艾的发动机缸内现象激光技术， 振动与噪声，排放测试等等。 随着电子和计算机技术的高速发展及应用，测试设备实现智能化。以计算 机为基础的集高速数据采集、处理、分析和自动控制于一体的各种试验设备相继 问世，功能也越来越强，应用也越来越广泛，并不断向高精度小型化方向发展1 3 1 。 在采用微型计算机系统之前，内燃机试验数据是使用大量的一次和二次仪表 进行测量，而且需要人工记录各个仪表的数据，手动控制参数变化，然后再手工 绘制成曲线或填写表格。采用微型计算机数据采集、处理及控制系统后，试验的 完成比上述方法要快5 0 - 一1 5 0 倍，大大减小了测量时间、测量周期和测量返工次 数，减轻了人工处理数据的繁琐和劳动强度，降低了人为误差的引入，节约了试 验人员的宝贵时间和精力；同时，采用微型计算机测控系统可以大大缩短开机时 间，因而节省大量的人力、物力和燃料，从而使试验成本大大降低。 1 2 1 测功机的国外研究进展 按照德国汽车工业分类标准，瞬态或准动态的试验台架扭矩调节时间要求为 5 0 一l o o m s 。目前国内能够生产、技术性能比较先进的电涡流测功机的扭矩调节时 间为2 0 0 m s 左右，不能直接用于瞬态试验台。 2 0 世纪7 0 年代，国外一些研究机构及公司开始研究开发动态仿真试验系统。 借助于电脑及微处理器技术的高速发展，经过几十年的发展，在数据采集的实时 性，数据的精确性，减小控制电路的延时等方面都取得了很大的进步，能够实现 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 发动机稳态和瞬态的工况的测量，并且开发出产品，如德国申克公司( s c h e n c k ) d y n a s d c 系统、奥地利a v l 公司d y n o 系列、德国西门子公司( s i e m e n s ) 的c a t s 系列 等。这些计算机控制的动态试验台架，在测功机方面，普遍采用交流电力测功机， 各个系统组成部分都具有足够高的响应速度和很小的非线性失真，可模拟汽车行 驶时发动机所处的瞬态工况，可利用计算机程序控制对发动机进行预置设计方案 的运转控制及把与汽车道路试验相同的负荷加载到发动机上，可对各种参数进行 测量并直接在试验台架上进行数据处理或通过网络向上位计算机传送试验数据， 有较好的综合性能，但价格昂贵。 以a v l 公司的产品为例，进行简要介绍： 图1 1 d y n o e x a c ta p ：a 测功机结构图 a v l 公司的d y n o e x a c ta p a 系列是专为发动机及传动系测试目的而开发的交 流测功机 4 1 。它具有高度精确的转速扭矩测量系统，同时可以进行瞬态测试。它 可用于客车及轻重型卡车，发动机，传动系等的测量。采用完全的四象限运算， 对测功机的操作提供了最大的便利性；同时对发动机功率的损耗也很小，不需要 任何额外的补偿系统。可以实现转速及扭矩极高的动态性；配备可选的零扭矩模 拟；扭矩响应时间达至l j 3 m s 。由于温漂和零漂的减小，其扭矩测量误差极小；可 以在线标定，不需要与发动机断开连接。其功率及控制单元采用一块智能化高频 率控制板，以满足高速控制场合下模式的计算。 1 2 2 测功机的国内研究现状 与国外相比，国内测功机研制与开发起步较晚，天水电气传动研究所与天水 柴油机厂合作，研制了d c 系列交流测功机【5 1 。上海农业药械厂( 现名上海内燃机 总厂) 和一机部洛阳设计院合作，研制了一批交流测功机并装机进行实验【6 】。7 0 年代以来，湖南大学开始研究交流电力测功机，先后研制成功1 5 k w ，2 8 k w ，4 0 k w 等机型，最近几年湖南大学电力测功机研究所与湘潭电机厂合作，研制交流变频 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 电力测功机和双馈电力测功机，已研制成功了c y l l 0 ，c y l 6 0 系列的矢量控制交 流变频异步电力测功机【刀。 数据采集系统方面，国内院校及研究单位从我国国情出发先后开发了不少微 机数据采集分析系统：如上海交通大学的d l 9 0 2 内燃机高速数据采集系统、上海 内燃机研究所的e a s 一9 0 0 、e a s - 9 5 0 发动机分析系统、江苏理工大学j x x 型内燃机 数据分析系统、天津大学天津内燃机研究所的发动机台架试验的微机数据采集系 统。相比之下，国外的微机化的测试分析系统较为系统化和商品化，如a v l 6 1 7 ， 美国国际动力能源公司的p e i 系列等。国内测量与分析技术的研究起步比国外晚， 与国外水平相比，主要差距在于数据采集的准确性、快速性，分析处理功能的全 面性，使用的方便和可靠性等方面，而这些也正是目前国内内燃机测量与分析技 术的难点。 1 3 课题的提出 发动机测试台架的核心是测功机，目前应用最普遍的是吸收式测功机。根据 功率传递工质不同，常用的有：水力型、电力型和电涡流型。这三种形式的测功 机互有优缺点，但无论哪一种测功机都只针对发动机的转速和扭矩进行测试。而 为了分析研究发动机工作过程和特性，需要测量多个参数，以获取其工作过程中 的全面信息。待测参数包括发动机机油温度、水温、排气温度、油耗量等，通过 这些直接测量参数还可计算出某些参数，比如有效功率、比油耗，热效率等。这 些参数还需要分析处理、标定计算，记录绘制各种特性曲线。然而大量的操作、 测试、绘制工作过去历来依赖人工的情况居多，微型计算机在内燃机测量领域内 国内应用不多，因为： 1 ) 内燃机测量对象多，各种传感器的性能及接口都不相同，硬件系统的建立 比较麻烦。而且内燃机试验现场处于恶劣的强振动，高噪声、高温环境中，采集 系统的可靠性，干扰问题相当突出。 2 ) 研制专用的台架测试软件并非易事。 3 ) 大量在用的老型号测功机功能单一，控制方式落后，在设计时并没有考虑 与计算机的接口问题。但是电子技术和计算机技术迅猛发展，己经推动了内燃机 测量技术领域的进步，微机化测试系统在不断涌现，现代内燃机测试已经进入了 一个以计算机为核，b 的高精度、高效率的自动测控时代。 浙江某测试设备有限公司生产的c w 系列电涡流测功机，具有几十年的生产 历史，产品行销国内2 0 多个省市，具有很好的口碑。但是随着科技的进步和内 燃机检测领域客户要求目标的提高以及应用层次上的多样性，其原有产品控制电 路采用分立元件，响应时间长，稳定度不够，数据采集电路采集数据精确性低， 同时通信技术也相应落后于主流，所以委托本实验室对其数据采集电路及控制电 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 路进行设计更新。本论文针对客户要求，重新设计了数据采集电路及上位机软件， 同时在发动机一测功器系统的控制方面，仔细研究了其模型，提出模糊控制的方 案，并以恒转速控制为例，设计了模糊控制器，仿真验证了其性能。项目完成后， 将具备如下特点： 1 测控系统具备u s b 接口，可以方便的与台式机或笔记本电脑相连接； 2 系统具备较高的稳定性和精确性，软件拥有友好的界面和丰富的处理功 能，同时，具备很好的可扩展性。 3 采用模糊控制的方式进行测功机控制，系统响应时间快，抗干扰性强，能 够很好的满足实时控制的要求。 1 4 方案简介及论文主要工作 整套测控系统，由硬件及软件两部分构成。硬件主要是采集转速，扭矩，压 力，温度等信号，进行处理，传递给上位机；然后接受上位机指令，进行相应的 控制。软件方面主要是上位机对采集到的参数进行处理，建立数据库，显示以及 发送控制指令等。 硬件方面，传统的测功机数据采集电路，大多采用5 1 内核的8 位c p u 。当 测量的参数众多时，系统的资源就会严重不足，需要增加元件，造成误差源增多， 影响结果的精确性；同时分时处理众多不同的信号也对实时性有影响。因此，系 统用m s p 4 3 0 芯片作为e c u ，利用其丰富的外设资源及控制功能，作为内核，达 到很好的功能要求。在与上位机通信方面，采用目前比较流行的u s b 协议，以达 到可靠性与高速要求的统一。方案简图如下： 圈仁习圈 j 图1 - 2 系统原理框图 采用m s p 4 3 0 芯片作为e c u ，是利用其强大的处理能力，特殊的指令，可 以用来快速实现各种信号处理算法，可以在不经过上位机的干预即可对采集的各 种信号进行处理，为下一步的测功机控制或发动机节气门控制提供参数。 传统的数据采集外设与p c 机通信一般采用p c i ，i s a 以及r s 一2 3 2 串行总线。 然而p c i 和i s a 总线插拔麻烦博j ，r s 一2 3 2 串行总线传输速率低，所以选择了 趸一 舀舀驰一岛函岛舀昌 介口舀 放信理渡等处融烯戢 舀舀 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 作为通讯方式。u s b 是由c o m p a q ，i n t e l ，m i c r o s o f t 和n e c 等公司共同开发的一种新的，快速的，双向的，同步传输的并可以热插拔 的数据传输总线1 9 j 它具有高速性，可靠性，易用性以及内置电源等优点。u s b 通讯芯片选用了p h i l i p s 公司的p d i u s b d l 2 ，该芯片片内集成了高性能的u s b 接 口器件，可与任何外部微控制器微处理器实现高速并行接口【l o l ，理想的用于许 多外设。 软件方面，同件程序的编写，主要是数据采集部分a d 的使用，l e d 显示程 序的编写，u s b 通讯协议在m s p 4 3 0 中的实现，以及对上位机命令的响应和执行。 上位机软件的设计主要是采用c + + b u i l d e r 进行人机界面控制，显示测量结果， 对结果进行处理，以数据库的形式存储、增删等，便于日后研究。同时完成对下 位机发送控制指令等任务。框图如下所示： 图1 3 上位机软件模块示意图 系统的控制方面，国内目前的发动机测试台架绝大多数是基于p i d 控制策 略的。但是我们也必须注意到p i d 控制有一定的局限性，当系统无法用精确的 数学模型表述，或者系统结构，参数等随时间发生变化时，传统的p i d 控制往 往无法保持优良的控制效果，对于非线性较强的系统，也同样如此。因此，我们 采用了模糊控制的方法。首先是对发动机一测功器系统有尽量准确的模型描述， 再针对该模型，研究模糊控制器，在控制器针对该模型取得良好效果之后，改变 模型参数，验证模糊控制的鲁棒性。 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 针对上述方案，主要完成了如下工作： ( 1 ) 设计数据采集电路的硬件，完成了m s p 4 3 0 与p d i u s b d l 2 接口电路，l e d 显示电路，数据前向通道的放大滤波等电路。在整套系统的抗干扰性方 面，采取了一些措施，收到了一定效果。 ( 2 ) 在m s p 4 3 0 f 4 4 9 中实现了u s b 通讯协议，设计并实现了以上位机为主， 下位机主要功能为响应上位机命令的通讯模式。在m s p 4 3 0 中编写定时 开启的a d 转换功能，模拟s p i 接口的l e d 显示程序等。 ( 3 ) 以a t 8 9 s 8 2 5 2 为e c u ，设计了单独的油耗采集电路，编写了对应的r s 2 3 2 串口通讯格式，编写了初步的错误自诊断程序。 ( 4 ) 在p c 机中编写了管理软件，进行数据通讯，命令发送，界面绘制等功 能；利用c + + b u i l d e r 优良的数据库接口，实现了与a c c e s s 的交互；实 现了与e x c e l 的交互，将采集到的数据以e x c e l 形式保存，便于分析； 编写了软件滤波程序，作为抗干扰的一种措施；对实验数据研究了曲线 拟合的方法。 ( 5 ) 查阅国内外大量文献，对发动机一测功器模型的获得及相关的模式识别 进行了深入研究，选择了模糊控制方法，针对该模型对模糊控制的隶属 函数和控制规则等进行了细致分析，得到了模糊控制器。最后以转速控 制为例，对转速上升、下降及系统抗干扰做了仿真分析，改变模型参数， 验证模糊控制器的鲁棒性，最终的分析结果证明了设计的模糊控制器能 够很好的满足系统控制要求。 1 5 项目研究的意义 系统的开发，将提高现有发动机测试系统的精度与工作效率。采用p c 为控制 核心，结合高精度数据采集卡，可以提高台架控制精度、完善测试功能、减少人 工作业引起的误差。 该系统可以提高试验装置的可信度。系统可对发动机的温度，油压参数进行 监测和控制，保证测试发动机处于正常的工作条件，使测试符合规范要求。 系统采用廉价的p c 机，具有较高的可靠性和抗干扰能力。比较适合试验台 架在测试精度等方面的要求。用以代替价格昂贵的工控机，具有很高的性价比。 系统控制方面，开发模糊控制器来代替传统的p i d 控制，在性能上有很大的 提高。当系统无法用精确的数学模型表述，或者系统结构，参数等随时间发生变 化时，传统的p i d 控制往往无法保持优良的控制效果，对于非线性较强的系统， 也同样如此。而采用模糊控制，不仅在响应时间和超调量上不会有损失，而且具 有很强的鲁棒性，当系统模型无法精确得到，或者系统参数发生变化时，仍能保 持较好的效果，是智能控制领域研究的热点，其应用前景也是非常光明的。 7 浙江大学硕士学位论文 第二章发动机性能测试系统 第二章发动机性能测试系统 2 1 发动机测试系统基本组成 发动机是一个复杂系统，其测试也相应的涉及诸多物理量及化学量。对这些 表征发动机工作状况的参数的测量及控制，不仅可以使我们对其性能有正确的了 解，而且可以发现存在的问题，对发动机设计及改良做出指导，甚至有些时候可 以发现零部件故障，提高产品的可靠性。鉴于其重要性，对发动机测试领域主要 涉及到的测试项目，进行一些简要介绍。 2 1 1 温度测量 温度是表示物体冷热程度的物理量。在发动机动力性测试领域，主要涉及到 的温度测量有排气温度、机油温度、冷却水温，对于汽油机还要多测量一个缸盖 温度。主要用到的温度计有电阻式温度计以及热电偶温度计。 2 1 1 1 发动机测量用温度计原理 导体和半导体材料的电阻率与温度有关，金属的电阻随温度升高而变大，而 半导体的电阻具有负的温度系数。这种电阻随温度而变的导体或半导体器件称为 热电阻，可被用来测量温度。 导体的电阻在一定温度范围内可近似认为与温度成线性关系，其表达式为： 置= r o ( 1 + 口，)( 2 - 1 ) 式中，冠为温度为r 时的电阻值；r o 为温度为o 的电阻值：口为导体的电 阻温度系数。 常用的热电阻材料有铂热电阻和铜热电阻，铂热电阻长期使用的温度范围是 - - 2 0 0 - - - 5 0 0 c ，铜热电阻的长期使用温度范围是- - 3 0 - - 1 0 0 1 2 。使用时，将随温度 变化的电阻大小转化成电压值，并且电路的设计上尽量使其在应用温度范围内呈 现线形，通过放大滤波以及模数转换，由微处理器转化成对应的温度值，然后显 示以及作为控制参数使用。 热电偶是利用不同导体间的“热电效应”制成的一种测温元件。这种效应之 所以能用于测温，是基于以下四条基本定律： 1 等值定律 用两种不同的金属组成闭合电路( 如图2 1 ) ，如果两端温度不同，则会产生热 电动势。其大小取决于两种金属的性质和两端的温度，与金属导线尺寸、导线途 中的温度及测量热电动势在电路中所取位置无关。即e = j r o ) 一厂“) ，其中e 为 8 浙江大学硕士学位论文 第二章发动机性能测试系统 热电动势，与t 。为两个接触点的温度，函数厂的形式与两种金属的性质有关。 4 ) ( f o ) 图2 - l 两种不同金属a 和b 接成闭合电路 2 均匀导线定律 如用同一种金属组成闭合电路，则不管截面是否变化，也不管在电路内存在 什么样的温度梯度，电路中都不会产生热电动势。 3 中间导线定律 如在热电偶中插入第三种，第四种金属( 这在实际应用中是常有的，因 为热电偶要焊接，同时要接入测量仪表) ，只要插入金属的两端温度相同( 不管此 金属本身的某一段是否存在温度梯度，也不管第三种金属是接在金属a 和b 之间 ( 如图2 2 ) ，还是接在某一种金属中间( 如图2 - 3 ) ) ，均不会有附加的热电动势发生。 这就是说，插入第三种金属不会使热电偶的热电动势发动变化。如果插入金属的 两端温度不同( 如图2 - 4 ) ，则会发生附加的热电动势，此附加热电动势的大小组成 与两端接触点诸金属的性质有关。发生附加热电动势后的总热电动势，等于各接 点之间所产生热电动势的代数和。 t a f o 图2 - 2 在热电偶中插入第三种图2 3 金属c ，金属c 两端温度相同 4 叠加定律 ，0 c 第三种金属插在一种金属 的中间 在图2 3 中，如果金属a 和b 之间的热电动势和金属b 和c 之间的热电动势都是 已知的，则金属a 和c 之间的热电动势也是已知的。即a 和c 之间的热电动势，等 于a 和b 之间的热电动势与b 和c 之间的热电动势之和。 由第三条基本定律知，由导体a 、b 组成的热电偶，当引入第三导体c 时，只 要导体c 的两端温度一致，接入c 后对热电动势无影响。因此，可以把电压计作 9 f o 宦r 颤 浙江大学硕士学位论文 第二章发动机性能测试系统 为第三导体引入测量电路用来测量热电动势( 如图2 5 ) 。电压计的线圈和连接导线 为铜线，当，。不变时，电压计指针的偏转就表示了热端温度t 的变化。热端可以 焊接也可以熔接，而焊接就相当于在两种电极间加入了第三种导体焊接物， 但是只要该端上各点温度相同，对热电动势便无影响。 l 图2 - 4 插入第三种金属c 的两端 温度不同 c 彳 图2 5 在热电偶的冷接点处 引入测量仪表 在热电极材料的选用上应满足以下要求：在测温范围内热电极性质稳定而不 随时间变化，不易氧化或腐蚀并有足够的强度，电阻温度系数小，电导率高，热 电动势大以及容易制造等。在其选用时要考虑温度范围以及时滞效应等，一般而 言，电偶丝细，绝缘层薄，时滞小，电压随温度变化快。将带有绝缘物的热电偶 丝装入金属套管内，三者经特殊工艺拉制而成坚实整体的铠装热电偶应用广泛。 用于发动机测试的热电偶，其测温范围高到1 2 0 0 。热电偶使用时要注意包括冷 端温度补偿以及输入输出的非线性等问题，但高度发展的i c 技术使这些问题变得 简单，可以在一个芯片中全部解决。 2 1 1 2 排气温度 发动机排气温度是表征缸内燃烧状况的重要参数。如果燃烧期滞后并延长， 以致排气门开启后继续燃烧，就会造成排气温度过高，其后果是影响充气系数， 减少发动机寿命，影响排放等。通过监测排气温度，并设置报警上限，可以很好 的掌握发动机运转状况。排气温度一般在几百至一千度之间，所以采用k 型热 电偶作为测温元件。 2 1 1 3 冷却水温度 冷却水温度很好的反映了发动机汽缸温度。温度过高会使润滑油因油温升高 而变得过稀，各润滑部位的油膜不易形成或被破坏，各配合副表面将出现半干摩 擦甚至是干摩擦，容易造成润滑油烧焦、积炭而失去润滑功能，造成发动机过热。 金属零件在长时间的高温作用下，其强度、弹性、耐磨性都会下降，并产生热应 力，最终出现变形、裂纹和膨胀，并改变零件之问的配合间隙，影响发动机工作 性能。发动机过热，使进入气缸的空气受热膨胀，空气密度降低，导致充气系数 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章发动机性能测试系统 下降。由于空气进气量相对减少，燃油和空气的混合比例失调，使燃烧过程不正 常，从而油耗增加，功率下降，排气管冒黑剧1 1 1 。同样，冷却水温度过低也指 示了发动机存在问题。温度过低表明活塞、气门、气缸壁等零件温度过低，会造 成压缩终了的温度下降，点火延迟，燃烧条件恶化，燃料燃烧不完全，发动机工 作粗暴、振动、响声大，且排气管大量冒出烟雾，造成环境污染。系统测量时， 冷却水温度相对较低，使用p t l 0 0 铂电阻，电路的设计上考虑使其在所测温度范 围内线性较好，以便于数据的处理及分析。 2 1 1 4 机油温度 机油温度也是反映发动机性能及运转工况的重要标志。造成机油温度过高的 常见原因：一是缸套活塞组件磨损，燃烧室内的高温高压气体窜入油底壳；= 是 机油散热器堵塞，机油的冷却与流通能力下降；三是机油泵磨损，泵油量下降， 机油的循环散热能力下降等【1 2 1 。所以同样设置了机油温度上限，用于监控是否 出现异常状况。系统针对的发动机机油温度在1 0 0 c 左右，同样使用了p t l 0 0 铂电 阻。 2 1 2 机油压力测量 测量液体压力的传感器，从原理上讲，主要有压阻式压力传感器，压电式压 力传感器等。 物质受外力作用，其电阻率发生变化的现象称为压阻效应，利用压阻效应测 量压力的传感器叫压阻式传感器。压阻式压力传感器的灵敏度比金属丝式应变片 的灵敏度高5 0 1 0 0 倍，其精度可达0 1 o 0 2 ，而且频率响应好，可测量3 0 0 5 0 0 k h z 以下的脉动压力。这种传感器工作可靠，缺点是受温度影响较大，因此使 用时应进行温度补偿。 压电式压力传感器的工作原理是基于某些物质的压电效应。这些结晶物质沿 它的某个结晶轴受到力的作用时，其内部有极化现象出现，在其表面形成电荷集 结，其大小和作用力的大小成正比，这种效应成为正压电效应。压电传感器产生 的信号很弱而输出阻抗很高，因此必须根据压电传感器的输出要求，将微弱的信 号经过电压放大或电荷放大( 一般是电荷放大) ，同时要把高输出阻抗转换成低输 出阻抗，此信号才能被示波器或其它二次仪表所接受。 机油主要用于发动机零部件的润滑，监测其大小，可以有效掌握发动机运行 状况。机油压力过低其结果可能导致活塞、曲轴等发动机零部件的损伤，究其原 因可能是发动机机油存储量过少，造成润滑系统无油或少油；机油脏或黏稠导致 机油泵不能将机油有效吸入、泵出；机油稀或因发动机温度高造成机油变稀，会 从发动机的各摩擦副间隙中泄漏，造成机油压力低等。结合冷却水温度等其它监 控量，加上设置机油压力下陷报警，可有效进行判断，诊断故障原因。 浙江大学硕士学位论文 第二章发动机性能测试系统 2 1 3 转速和扭矩的测量 转速和扭矩都是表征发动机动力性能的重要参数。转速的测量一般采用光电 或磁电式转速传感器，通过记录其发出的脉冲数，计算发动机的转速。也有一些 转速用传感器，以交流电压输出，通过波形变换，测量方波的脉冲数，计算转速： 而扭矩的测量，多和测功机结合在一起，具体可参见下一节。 2 2 测功机原理 用测功机测量动力机械的输出转矩时，测功机作为负荷，通过测功机实现对 被测机械的工况调节。 测功机由制动器、测力机构和测速装置等几部分组成。制动器调节被测动力 机械的负荷，并同时把所吸收的功转化为热能或电能。测力机构和测速装置则分 别测量被测动力机械的输出转矩及其相应的转速。 常用的测功机有电力测功机、水力测功机和磁粉测功机。这些测功机都是根 据测功机作用力矩与测功机反作用力矩大小相等，方向相反的原理来测量转矩 的。因此，所测转矩可以通过作用在测功机上的旋转力矩( 即制动器外壳上的反 力矩) 来指示，也可以通过作用在被测动力机械上的反力矩来指示。目前，广为 应用的所谓平衡式测功机就是应用上述原理。 因为项目针对的测功机是电涡流测功机，所以主要介绍其原理及特性如下； 电涡流测功机具有结构简单，控制方便，转速范围和功率范围宽等特点，因 此不仅可供活塞式内燃机作为测功设备，也能满足燃气轮机测功的要求。这种电 涡流测功机将被测动力机械所产生的涡电流转换成热能消耗掉。 2 2 1 电涡流测功机的结构 图2 - 6 电涡流测功机结构简图 i 一定子2 一励磁线圈3 一感应予4 一转轴 5 一涡流环6 一轴承7 一摆动轴承 浙江大学硕士学位论文 第二章发动机性能测试系统 图2 - 6 为电涡流测功机的结构简图，它主要由定子和转子两部分组成。定子 1 上装有励磁线圈2 和涡流环5 ；转子由带齿轮凹凸形的感应子3 和转轴4 构成。 感应子的齿顶与涡流环的间隙很小，约o 0 5 m m 。转子由轴承6 支撑于定子中， 而定子由摆动轴承7 支撑在轴承支架上，因此定子能绕转轴轴线自由摆动，其摆 动量由固定在定子外壳上的力臂输出。该力臂与测力机构相连，以测量转矩的大 d 、 由于电涡流测功机所吸收的功全部转为热能，所以必须对涡流环和励磁绕组 的周围进行冷却。在图2 7 所示的水冷方案中，这种冷却水从磁轭定子l 的上端 进入，从下端排出并带走热量。为防止冷却水进入空气隙5 ，对这种水冷电涡流 测功机的涡流环的密封性能要求是很高的。 图2 - 7电涡流测功机的组成与磁路 i 一磁轭定子2 一磁力线3 一励磁绕组4 一涡流环5 一空气隙6 - - 感应子 2 2 2 电涡流测功机的原理 电涡流测功机产生制动力的原理是：当励磁绕组3 通以直流电时，由感应子 6 ，空气隙5 ，涡流环4 ，磁轭定子l 等形成的闭合磁路中产生静止磁通( 如图2 7 ) 。 因感应子的外圆制成齿形凹凸，在齿顶处的空气隙很小，其磁通密度大；齿槽的 空气隙大，其磁通密度很小。当感应子旋转时，涡流环相应部位的磁通密度不断 增减变化。由电磁感应定律可知，此时在涡流环的表面将产生感应电动势而形成 涡电流，力图阻止磁通的变化，从而产生对感应子的制动作用。 涡流环和感应子都用具有高磁导率和高电导率的纯铁制造，其转予的尺寸和 重量与相同功率容量的直流电机相比要小得多，且结构简单，因而允许在较高的 转速下运转。 电涡流测功机除上述用水冷却的方案外，还可以用风来冷却，即通过风扇强 制冷却涡流环和励磁绕组，以带走测功机所吸收的功转换成的热量。 1 3 浙江大学硕七学位论文第二章发动机性能测试系统 测功机还有交流电力，水力等类型，由于不是本系统针对对象，所以不进行 讨论。 2 3 油耗测量 油耗是发动机的主要性能指标之一，一般用燃油消耗率来评价。测定燃料消 耗率( 简称耗油率) 的方法通常有容积法、重量法、流量计法和流速计法掣1 3 1 。容 积法测试是在分档的燃油容积下，测量对应的发动机在额定负载下的工作时间； 重量法是测量发动机运行过程中的燃油消耗( 累积重量) 【1 4 1 。前者是分档测量，后 者是连续测量。 2 3 i 容积法油耗测量 容积法油耗仪的测试原理如图2 8 所示，它由油路、稳压泡、计量泡、电磁 阀z 、液位传感器及排气阀组成。 a 图2 8 容积法油耗仪原理 图2 9液面检测图 当进油管接入有一定压力的油后，排气阀放气，使油位达到如图虚线位置后 关闭排气阀；启动发动机开始工作，进入正常运行状态，测试i ；i 准备工作即告完 成。油耗仪进入工作状态后，常开阀z 关闭，发动机供油量由计量泡提供，当油 位降至液位l 时，传感器检出液位信号，仪器开始计时，当液位降至满足测试时 间要求的液位时停止计时，测得时间即为对应油位状态所给出的容积下的发动 机运行时间( 如：液位3 对应1 5 m 1 ) ，两者相除即得平均油耗，一般要求测试时间 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章发动机性能测试系统 2 0 s 。这可以通过如下方式实现，测试开始后，仪器不断监视测试时间当测 试时间等于2 0 s 后，监视工作转向液位传感器，至下一个液位时，测试停止( 计时 停止，并根据测得的液位显示油耗容积与对应测试时间) ，开启常开阀充油。液 位传感器的位置经过严格的标定后得到，即保证液位间的容积为计量泡的标称 值。油耗仪的动标输出，使标定工作能得以实现。稳压泡起到稳定发动机供油压 力的作用，当计量泡内的油位不断降低时，等量的油被注入稳压泡。当电磁阀开 启时，两者的油位又回到测试前位置。 液位传感器检测液面原理是利用光在不同介质内折射率的变化实现的【”】， 如图2 9 所示。利用光在空气和油介质中的折射率变化，可以检测油面信号。当 光电耦合器所在位置没有油只有空气时，光电耦合器的发光管发出的红外光被接 收管直接接收，此时接收管呈低阻导通，在电阻r 上获得高电平。当光电耦合器 所在位置有油时，发光管发出的红外光被折射，接收管得不到红外光，呈高阻值， 使r 处输出低电平，从而区分液面的有无。仔细调整光耦器件与油管的相对位置 可获得较好的折射效果。 2 3 2 重量法油耗测量 图2 1 0 为重量法测量油耗的结构简图，它由密封贮油箱、高精度压力传感 器、油路、电磁阀以及油耗测量仪等组成。 2 3 4 囡 占兰兰皇 图2 1 0 重量法油耗测量结构简图 1 一电磁阀2 一进油管3 一出油管 4 一旁通管5 一密封油箱 6 一压力传感器7 一油耗仪测量控制e c u 8 一p c 贮油箱垂直固定在压力传感器之上，压力传感器的输出信号通过屏蔽线连接 到油耗仪，油耗仪对压力信号进行采样、处理并显示测量数据，同时油耗仪通过 电磁阀控制贮油箱的充油过程。 在测量时，压力传感器的输出电压与加在上面的压力成正比，为了提高测量 精度，油箱的自重不能太大，并且贮油量要合适。 只要测得传感器在各个时刻的输出电压，计算电压对应的重量，或者计算电 浙江大学硕士学位论文 第二章发动机性能测试系统 压差，换算成燃油重量的变化