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1 無載測功系統概述 發動機輸出的有效功率是發動機的重要性能指標之一，通過這項指標，可以定性的評價發動機的技術狀況，并定量的獲得發動機的動力性。目前發動機有效功率的檢測方法有穩態檢測和動態檢測兩種。 穩態測功是指當發動機在節氣門開度一定，轉速一定和其他參數保持不變的穩定狀態下，用機械測功器、電渦流測功器、水利測功器或在底盤測功試驗臺上測定發動機功率的方法。利用這種方法測出的數據比較準確可靠，主要在發動機設計、制造、定型及院校和科研部門做性能試驗時使用。其特點是測功一次費時費力較多，成本較高，且需要大型、固定安裝的測功器（這種測功儀器的費用通常是很高的），因而在一般的運輸、維修和交通監理部門中采用不多。并且，除底盤測功試驗臺外，其他測功器也不適合對汽車進行不解體檢測。 動態測功是在發動機節氣門開度和轉速均變動的狀態下測定發動機功率的方法。由于動態測功時無須對發動機施加外部負荷，因而又稱為無負荷測功或無外載測功。動態測功的優點是不需要外加負荷，不需大型設備，既可以在臺架上進行，也可以就車進行，因而大大提高了檢測的方便性和迅速性，特別適用于檢測在用車輛發動機的功率，適合于維修檢測等部門。 本系統采用光電傳感器對發動機的轉速信號進行采集和處理，通過TI公司的MSP430F1232結合測試算法進行研究。 2 系統設計 為保證儀器對速度的測試精度，儀器擬采用光電傳感器進行信號采集，通過最小二乘法進行曲線擬合以提高測試精度。 2.1 系統硬件設計 硬件處理單元原理如圖1所示。系統主要由微處理器、光電傳感器、信號采集及處理電路、鍵盤、LCD顯示、串行數據傳輸等部分組成。 2.1.1 MCU是該測功系統的核心，由它完成數據采樣處理及優化，包括鍵盤輸入、數據處理、液晶顯示、以及PC機通信等功能。該系統采用的是TI公司的MSP430F1232混合信號控制器，其內部有8K FLASH ROM，3個雙向并行I/O口，其中P1和P2口都具有中斷功能（相當于14個外部中斷）以及16位定時器A（帶3個通道），8通道10位最大轉換速度為200kspsA/D轉換器，串行通信接口等。另外該微處理器具有超低功耗的特點，在系統供電方面具有很大的優勢。 圖1 智能化信號處理單元原理框圖 �。�1）轉速傳感器的類型很多，因光電傳感器[1]具有線性度好、分辨率高、噪音小和精度高等優點，所以我們選擇光電轉速傳感器來進行轉速的檢測。在本系統中選用60齒的齒盤進行轉速測量，齒盤每轉一齒將產生一個脈沖信號，這就意味著齒輪轉一周將產生60個脈沖信號。 （2）信號調理電路：傳感器輸出的信號是一系列不規則的信號，不利于單片機進行信號提取，通過此調理電路，經低通濾波（RIN2、CIN1和RIN3、CIN2）除掉一部分毛刺，再由施密特觸發器74HC14將信號整形為規則的方波信號。電路設計為兩路輸入信號（其中一路為備用接口單元），通過端口引腳將數據送入單片機（如圖2所示）。 圖2信號調理電路 按鍵屬于矩陣式設計，它由4個行線和4個列線組成。如圖3所示，一個4*4的行列結構可以構成一個16按鍵的鍵盤；設置十個數字鍵，用來輸入轉速閾值和轉動慣量等值，復位鍵和清零鍵各占一位，其余為備用鍵。 LCD顯示部分采用的是具有漢字顯示功能的LCD模塊，OCMJ128*64能顯示8*4行漢字，可用來顯示當前所測速度、加速度以及求得的瞬時功率和所需輸入的轉動慣量等信息。 圖3鍵盤及LCD接口電路 2.2.1無載測功系統模型建立[3] 本測功系統是基于動力學的方法分析建立的，原理為：當發動機與傳動系統分開時，將發動機從怠速或某一低轉速急加速至節氣門(油門)最大開度，此時發動機產生的動力克服各種阻力矩和本身運動件的慣性力矩，迅速達到空載最大轉速，形成一定比例的飛升曲線。對于某一結構的發動機，其運動件及附件的轉動慣量可以認為是一定值，因而只要測出發動機在指定轉速范圍內急加速時的平均加速度，即可得知發動機的動力性;或者說通過測量某一定轉速時的瞬時加速度，就可以確定發動機功率的大小，瞬時加速度越大，表明發動機功率越大。發動機功率表示為 式中: Pe-----發動機有效功率(kW): n-------發動機轉速(r/min); Te------發動機轉矩(N*m) 根據有關文獻可得出功率模型為：Pe=C2*n*(dn/dt),其中：C2=k*(π/30)*(J/9549),k為動態測量時功率的修正系數，可通過臺架對比試驗得出；J是一個未知量，一般情況下出廠說明書中會給出該參數，可直接將其代入。因此，測定瞬時功率問題轉化為求轉速[5]和角加速度或曲軸轉速變化率的問題。 轉速的測量有測周法和測頻法[4]：測頻法是在固定的時間內，對傳感器發出的脈沖信號進行記數；測周期法是在k個（k>=1）轉速脈沖信號周期內，對具有恒定頻率f(周期T)的標準時鐘脈沖信號進行計數。進行低速測量時，測周法的精度較高，而相對于較高的轉速測量，測頻法精度優于測周法，本系統采用的是測頻法。假設在一定的時間T內，測速脈沖計數器計取的脈沖數為m，轉速n計算公式：n=60m／pT，p為發動機轉一周脈沖發生器產生的脈沖數，即碼盤的孔數。 2.2.2數據采集過程 動態數據采集過程，實質上是對飛升曲線直線段的捕捉的過程，其準確性在很大程度上決定測試結果的可靠性。該過程定時器A為時基發生器，產生10ms信號。每10ms對轉速進行掃描，同時記錄數據和數據個數C。對于數據序列，每隔[C/8]個數據點取一個數據，構成8個數據組合，為后續dn/dt的求解做準備。這種數據采集方法能夠確切的表達出直線飛升過程，使提取的數據均勻分布，提高計算結果的準確性。 2.2.3用最小二乘法計算dn/dt 之所以采用最小二乘法來求dn/dt是為了避免操作方法(如猛加油門過程)不合理而造成的誤差。加油門時必須一踩到底，使轉速響應過程接近于二階系統的階躍響應曲線(飛升曲線)，否則，飛升曲線直線段不理想，由此計算出的結果誤差很大。采用最小二乘法后，能夠減弱操作給飛升曲線帶來的影響，進而使得操作方法給實驗帶來的誤差變小。此外，應選擇合理的工況進行測試，以保證測量的準確性。 由發動機的飛升特性可知，轉速n和時間t之間存在著良好的線性關系，即n=b+at,式中a=dn/dt。通過測定某一時刻轉速值，經過曲線擬合，即可求出dn/dt。 由上面分析可知，其矩陣表示形式為： 2.2.4主程序結構 系統設計采用模塊化程序結構[6]，由主程序模塊、數據采樣處理模塊、鍵盤掃描及處理模塊、顯示模塊組成。系統的主要流程如圖4所示。 圖4 軟件流程 系統采用怠速加速法實現發動機無載測功。發動機在怠速下穩定運轉，然后突然將節流閥開到最大位置，發動機轉速猛然上升，當轉速達到所確定的測試轉速(測瞬時功率)時，儀表顯示出所測功率值。此后應立即松開加速踏板，以避免發動機長時間高速運轉。記下或打印出讀數后，按“清零”鍵使指示裝置清零。為保證測試結果可靠，一般重復測量3-5次取其平均值。該測試方法既適用于汽油機(化油器式)，又適用于柴油機。 3 試驗數據和結果 根據2.2.5節的方法實現實驗過程，以兩缸機為例進行實驗，測得實驗數據。將數據采集過程采集的數據按2.2.2節的方法進行處理，以減小實驗數據處理過程的誤差。本試驗中取J = 0.025 kg*m2，將其帶入系統模型可求得轉速、加速度和瞬時功率。如此重復3-5次，求平均值。數據如表一所示。 從實驗結果來看，平均誤差在3%以內，證明實驗方法正確、理論可行。通過實際檢驗，該系統有如下優點: a.傳感器接入簡便，系統操作簡單； b.性能穩定，故障率低，測量精度高； c.適用范圍廣，可用于大部分柴、汽油機功率檢測。 表一：實驗數據
隨著我國汽車業的迅猛發展，勢必對車輛性能檢測提出更高更快更準確的要求，而發動機輸出功率作為車輛性能檢測中的一項重要指標，對車輛檢測起著重要的作用。本系統的設計成功可提高以往這種儀器存在的不穩定性，減小誤差，適合于汽車檢測部門和檢驗中心，方便快捷地對發動機進行不解體檢測。 另外，由于該儀器的制造成本較低，其材料成本不到500元，而具有類似功能的儀器市場價格約2-3千元，以市場年需求量2千臺計，每臺售價1500元，則年產量約300多萬元，因此具有較好的經濟效益。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
