1無(wú)載測(cè)功系統(tǒng)概述

發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的有效功率是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要性能指標(biāo)之一，通過(guò)這項(xiàng)指標(biāo)，可以定性的評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)狀況，并定量的獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。目前發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率的檢測(cè)方法有穩(wěn)態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)兩種。

穩(wěn)態(tài)測(cè)功是指當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在節(jié)氣門開(kāi)度一定，轉(zhuǎn)速一定和其他參數(shù)保持不變的穩(wěn)定狀態(tài)下，用機(jī)械測(cè)功器、電渦流測(cè)功器、水利測(cè)功器或在底盤測(cè)功試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)功率的方法。利用這種方法測(cè)出的數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確可靠，主要在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造、定型及院校和科研部門做性能試驗(yàn)時(shí)使用。其特點(diǎn)是測(cè)功一次費(fèi)時(shí)費(fèi)力較多，成本較高，且需要大型、固定安裝的測(cè)功器（這種測(cè)功儀器的費(fèi)用通常是很高的），因而在一般的運(yùn)輸、維修和交通監(jiān)理部門中采用不多。并且，除底盤測(cè)功試驗(yàn)臺(tái)外，其他測(cè)功器也不適合對(duì)汽車進(jìn)行不解體檢測(cè)。

動(dòng)態(tài)測(cè)功是在發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開(kāi)度和轉(zhuǎn)速均變動(dòng)的狀態(tài)下測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)功率的方法。由于動(dòng)態(tài)測(cè)功時(shí)無(wú)須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)施加外部負(fù)荷，因而又稱為無(wú)負(fù)荷測(cè)功或無(wú)外載測(cè)功。動(dòng)態(tài)測(cè)功的優(yōu)點(diǎn)是不需要外加負(fù)荷，不需大型設(shè)備，既可以在臺(tái)架上進(jìn)行，也可以就車進(jìn)行，因而大大提高了檢測(cè)的方便性和迅速性，特別適用于檢測(cè)在用車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，適合于維修檢測(cè)等部門。

本系統(tǒng)采用光電傳感器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行采集和處理，通過(guò)TI公司的MSP430F1232結(jié)合測(cè)試算法進(jìn)行研究。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證儀器對(duì)速度的測(cè)試精度，儀器擬采用光電傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，通過(guò)最小二乘法進(jìn)行曲線擬合以提高測(cè)試精度。

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件處理單元原理如圖1所示。系統(tǒng)主要由微處理器、光電傳感器、信號(hào)采集及處理電路、鍵盤、LCD顯示、串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠纸M成。

2.1.1 MCU是該測(cè)功系統(tǒng)的核心，由它完成數(shù)據(jù)采樣處理及優(yōu)化，包括鍵盤輸入、數(shù)據(jù)處理、液晶顯示、以及PC機(jī)通信等功能。該系統(tǒng)采用的是TI公司的MSP430F1232混合信號(hào)控制器，其內(nèi)部有8K FLASH ROM，3個(gè)雙向并行I/O 口，其中P1和P2口都具有中斷功能（相當(dāng)于14個(gè)外部中斷）以及16位定時(shí)器A（帶3個(gè)通道），8通道10位最大轉(zhuǎn)換速度為200kspsA/D轉(zhuǎn)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(diǎn)，在系統(tǒng)供電方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

圖1  智能化信號(hào)處理單元原理框圖

2.1.2 數(shù)據(jù)采集及處理電路：利用光電傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)，輔以電路進(jìn)行整形處理。

（1）轉(zhuǎn)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(yōu)點(diǎn)，所以我們選擇光電轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的檢測(cè)。在本系統(tǒng)中選用60齒的齒盤進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量，齒盤每轉(zhuǎn)一齒將產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，這就意味著齒輪轉(zhuǎn)一周將產(chǎn)生60個(gè)脈沖信號(hào)。

（2）信號(hào)調(diào)理電路：傳感器輸出的信號(hào)是一系列不規(guī)則的信號(hào)，不利于單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)提取，通過(guò)此調(diào)理電路，經(jīng)低通濾波（RIN2、CIN1和RIN3、CIN2）除掉一部分毛刺，再由施密特觸發(fā)器74HC14將信號(hào)整形為規(guī)則的方波信號(hào)。電路設(shè)計(jì)為兩路輸入信號(hào)（其中一路為備用接口單元），通過(guò)端口引腳將數(shù)據(jù)送入單片機(jī)（如圖2所示）。

圖2信號(hào)調(diào)理電路

2.1.3鍵盤輸入及LCD接口電路^[2]

     按鍵屬于矩陣式設(shè)計(jì)，它由4個(gè)行線和4個(gè)列線組成。如圖3所示，一個(gè)4*4的行列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個(gè)16按鍵的鍵盤；設(shè)置十個(gè)數(shù)字鍵，用來(lái)輸入轉(zhuǎn)速閾值和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等值，復(fù)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(lái)顯示當(dāng)前所測(cè)速度、加速度以及求得的瞬時(shí)功率和所需輸入的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等信息。

圖3鍵盤及LCD接口電路

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1無(wú)載測(cè)功系統(tǒng)模型建立^[3]

本測(cè)功系統(tǒng)是基于動(dòng)力學(xué)的方法分析建立的，原理為：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)分開(kāi)時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)從怠速或某一低轉(zhuǎn)速急加速至節(jié)氣門(油門)最大開(kāi)度，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力克服各種阻力矩和本身運(yùn)動(dòng)件的慣性力矩，迅速達(dá)到空載最大轉(zhuǎn)速，形成一定比例的飛升曲線。對(duì)于某一結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)，其運(yùn)動(dòng)件及附件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以認(rèn)為是一定值，因而只要測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)在指定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)急加速時(shí)的平均加速度，即可得知發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性;或者說(shuō)通過(guò)測(cè)量某一定轉(zhuǎn)速時(shí)的瞬時(shí)加速度，就可以確定發(fā)動(dòng)機(jī)功率的大小，瞬時(shí)加速度越大，表明發(fā)動(dòng)機(jī)功率越大。發(fā)動(dòng)機(jī)功率表示為:Pe=Te*n/9549

式中:

Pe-----發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率(kW):

n-------發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min);

Te------發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩(N*m)

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)可得出功率模型為：Pe=C₂*n*(dn/dt),其中：C2=k*(π/30)*(J/9549),k為動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)功率的修正系數(shù)，可通過(guò)臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)得出；J是一個(gè)未知量，一般情況下出廠說(shuō)明書(shū)中會(huì)給出該參數(shù)，可直接將其代入。因此，測(cè)定瞬時(shí)功率問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求轉(zhuǎn)速^[5]和角加速度或曲軸轉(zhuǎn)速變化率的問(wèn)題。

轉(zhuǎn)速的測(cè)量有測(cè)周法和測(cè)頻法^[4]：測(cè)頻法是在固定的時(shí)間內(nèi)，對(duì)傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)進(jìn)行記數(shù)；測(cè)周期法是在k個(gè)（k>=1）轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)周期內(nèi)，對(duì)具有恒定頻率f(周期T)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。進(jìn)行低速測(cè)量時(shí)，測(cè)周法的精度較高，而相對(duì)于較高的轉(zhuǎn)速測(cè)量，測(cè)頻法精度優(yōu)于測(cè)周法，本系統(tǒng)采用的是測(cè)頻法。假設(shè)在一定的時(shí)間T內(nèi)，測(cè)速脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)取的脈沖數(shù)為m，轉(zhuǎn)速n計(jì)算公式：n=60m／pT，p為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)，即碼盤的孔數(shù)。

2.2.2數(shù)據(jù)采集過(guò)程

     動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集過(guò)程，實(shí)質(zhì)上是對(duì)飛升曲線直線段的捕捉的過(guò)程，其準(zhǔn)確性在很大程度上決定測(cè)試結(jié)果的可靠性。該過(guò)程定時(shí)器A為時(shí)基發(fā)生器，產(chǎn)生10ms信號(hào)。每10ms對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行掃描，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)C。對(duì)于數(shù)據(jù)序列，每隔[C/8]個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)取一個(gè)數(shù)據(jù)，構(gòu)成8個(gè)數(shù)據(jù)組合，為后續(xù)dn/dt的求解做準(zhǔn)備。這種數(shù)據(jù)采集方法能夠確切的表達(dá)出直線飛升過(guò)程，使提取的數(shù)據(jù)均勻分布，提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2.3用最小二乘法計(jì)算dn/dt

 之所以采用最小二乘法來(lái)求dn/dt是為了避免操作方法(如猛加油門過(guò)程)不合理而造成的誤差。加油門時(shí)必須一踩到底，使轉(zhuǎn)速響應(yīng)過(guò)程接近于二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線(飛升曲線)，否則，飛升曲線直線段不理想，由此計(jì)算出的結(jié)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(lái)的影響，進(jìn)而使得操作方法給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的誤差變小。此外，應(yīng)選擇合理的工況進(jìn)行測(cè)試，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

    由發(fā)動(dòng)機(jī)的飛升特性可知，轉(zhuǎn)速n和時(shí)間t之間存在著良好的線性關(guān)系，即n=b+at,式中a=dn/dt。通過(guò)測(cè)定某一時(shí)刻轉(zhuǎn)速值，經(jīng)過(guò)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(jié)構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化程序結(jié)構(gòu)^[6]，由主程序模塊、數(shù)據(jù)采樣處理模塊、鍵盤掃描及處理模塊、顯示模塊組成。系統(tǒng)的主要流程如圖4所示。

圖4 軟件流程

2.2.5測(cè)試方法

    系統(tǒng)采用怠速加速法實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)載測(cè)功。發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，然后突然將節(jié)流閥開(kāi)到最大位置，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速猛然上升，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到所確定的測(cè)試轉(zhuǎn)速(測(cè)瞬時(shí)功率)時(shí)，儀表顯示出所測(cè)功率值。此后應(yīng)立即松開(kāi)加速踏板，以避免發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)。記下或打印出讀數(shù)后，按“清零”鍵使指示裝置清零。為保證測(cè)試結(jié)果可靠，一般重復(fù)測(cè)量3-5次取其平均值。該測(cè)試方法既適用于汽油機(jī)(化油器式)，又適用于柴油機(jī)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果

     根據(jù)2.2.5節(jié)的方法實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，以兩缸機(jī)為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)采集過(guò)程采集的數(shù)據(jù)按2.2.2節(jié)的方法進(jìn)行處理，以減小實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程的誤差。本試驗(yàn)中取J = 0.025 kg*m² ，將其帶入系統(tǒng)模型可求得轉(zhuǎn)速、加速度和瞬時(shí)功率。如此重復(fù)3-5次，求平均值。數(shù)據(jù)如表一所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，平均誤差在3%以內(nèi)，證明實(shí)驗(yàn)方法正確、理論可行。通過(guò)實(shí)際檢驗(yàn)，該系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn):

            a.傳感器接入簡(jiǎn)便，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單；

            b.性能穩(wěn)定，故障率低，測(cè)量精度高；

            c.適用范圍廣，可用于大部分柴、汽油機(jī)功率檢測(cè)。

表一：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4  結(jié)束語(yǔ)

   隨著我國(guó)汽車業(yè)的迅猛發(fā)展，勢(shì)必對(duì)車輛性能檢測(cè)提出更高更快更準(zhǔn)確的要求，而發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率作為車輛性能檢測(cè)中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)車輛檢測(cè)起著重要的作用。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成功可提高以往這種儀器存在的不穩(wěn)定性，減小誤差，適合于汽車檢測(cè)部門和檢驗(yàn)中心，方便快捷地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行不解體檢測(cè)。

   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(chǎng)價(jià)格約2-3千元，以市場(chǎng)年需求量2千臺(tái)計(jì)，每臺(tái)售價(jià)1500元，則年產(chǎn)量約300多萬(wàn)元，因此具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。