发动机台架测试技术

1、清华大学汽车工程系金振华2005.12 概述概述 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试验技术q 发动机台架试验q 整车转鼓试验q 整车道路试验性能指标q 动力性q 经济性q 排放q 振动与噪声动力系统q 汽油机q 柴油机q LPG&NGq 纯电动q 内燃机混合动力q 燃料电池混合动力v22ACwvC1C0LoadRoad100RGarctansingmdtdvmLoadVehTorque%Speed % 测量参数多，如扭矩、转速、压力、温度、流量、排放、噪声、

2、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。 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。n概述n发动机测试的特点n测试技术的发展n测量参数及测试设备n动力性n经济性n排放n数据采集及虚拟仪器技术n测试系统n发动机台架测试系统n排放法规及排放测试系统被测量获取的基本概念 传感器 测量电路显示记录 装置被测量被测量观察者观察者 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

3、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。 (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。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，；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

4、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： xkR1tkdxdRs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。 半导体应

5、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。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；为金属材料温度系数； 。 )1 ()(1 1121tRttRR12ttt Pe=Ttn/9550 Pe 有效功率kW Tt 输出扭矩N.m n 输出轴转速r/min测功器在发动机台架试

6、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测功器按通常按照制动器的工作原理 不同分类n水力测功器n电力测功器n电涡流测功器（EC）n直流电力测功器（DC）n交流电力测功器（AC）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

7、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，

8、便于自动控制 多用于内燃机的开发与研究试验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：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。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co

9、s和效率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。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BME/EMCONAPA machinePower CabinetAutomation system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

10、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。 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 采用组合式测功器 采用变速器 拉压力传感器 扭矩法兰Control Modes DynoEngineN/ AlphaSpeedThrottle

11、T / AlphaTorque ThrottleN / T SpeedTorqueT / N Torque Speed 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(rad)为： 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

12、个角度，A、B光栅也错开角度，透过部分光线。T 越大，也越大，光电管的输出越大。 c. 转速对转矩的测量无影响测量原理： 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。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

13、，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。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+使磁阻R1,R4减小，磁导率增加；压应力-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:扭矩仪选用和使用时的注意事项所有扭矩仪在

14、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。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 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：

15、 结构简单，工作可靠，转速越高，输出信号越强。 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。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 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

16、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。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 I流过时薄片两端产生与控制电流I 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。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件。当圆盘开有等角度60条槽时，圆盘每转360度就有60个脉冲

17、产生。 测频法原理: 标准时间发生器产生准确的时间间隔T，计测在T时间间隔内有N个脉冲信号 测周法原理: 在一个轮齿信号的周期TX内，计测有N个周期为T0的标准时间脉冲。 测量瞬时转速的运用：故障诊断。根据瞬时转速的变化，确定哪一缸工作异常。1.用测频法测量瞬时转速测频法可测门控开启时间T内的平均转速。减小T，该平均转速趋近于瞬时转速。为了保证准确度，此时要求齿数z也要相应增加。2. 用数字编码器测量瞬时转速数字编码器每转一圈可以给出10050000个准确的转角位置信号，接入计算机后，可以得出任一时刻、任一转角范围内的转速，特别适合于瞬时转速的测量。容积法测定装置结构原理：使用葫芦形玻璃量瓶，

18、它用连通管与燃料箱相通，中间装一个三通阀进行转换。如果已知量瓶上刻线A与下刻线B之间的容积，则测定燃料液面由A下降到B所需的时间，即可按下式求出单位时间的燃料消耗：G3.6Vt式中G为燃料消耗量（kg/h）；V为量瓶量刻线间的容积（mL）；t为液面通过两刻线之间所需时间（s）； 为燃料的密度（g/mL）；容积法自动测定燃料消耗装置是利用在刻线A、B两处各装上一组光电系统，利用燃料对光线的光折作用产生光电信号，并用电磁三通阀实现控制油路的转换，以达到自动测量的目的。重量法测定装置这种方法的实质是测定消耗一定重量燃料的时间，原理如右图所示。进行测量前先将三通转到状态II，在给发动机供油的同时给天平

19、油杯充油直到略重于砝码重量W0W。然后将三通阀转到状态III，是发动机完全由油杯供油。在天平达到平衡的时刻，开始测定时间并取掉砝码W。当油杯端重量再次与砝码W0平衡时，测定结束并将三通转到状态I。这样就测出了消耗重量为W的燃油时间。通过下式即可算出发动机的单位燃料消耗量：G=3.6W/t实现自动测定可将油杯放在灵敏度极高的压力传感器上，直接得到重量变化的信号以及相应的时间信号，配上计算机后还可以实现动态过程的连续测量燃油消耗量。科氏力质量流量计如右图所示，截取一根支管，流体在其内以速度V从A流向B，将此管置于以角速度旋转的系统中。设旋转轴为X，与管的交点为O，由于管内流体质点在轴向以速度V、在

20、径向以角速度运动，此时流体质点受到一个切向科氏力Fc。这个力作用在测量管上，在O点两边方向相反，大小相同，为：Fc 2Vm 。因此，直接或间接测量在旋转管道中流动的流体所产生的科氏力就可以测得质量流量。在商品化产品设计中，通过测量系统旋转产生科氏力是不切合实际的，因而均采用使测量管振动的方式替代旋转运动。以此同样实现科氏力对测量管的作用，并使得测量管在科氏力的作用下产生位移。由于测量管的两端是固定的，而作用在测量管上各点的力是不同的，所引起的位移也各不相同，因此在测量管上形成一个附加的扭曲。测量这个扭曲的过程在不同点上的相位差，就可得到流过测量管的流体的质量流量。 电喷发动机的油耗测量 发动机

21、运行时，输油泵不断向供油系统供油，使油压保持不变。随着发动机负荷的变化，有多余的燃油回流到油箱中。因此真正的燃油消耗量是供油减去回油的质量。这两个邮路的压力和温度不同，必须采用专用的油耗仪。直接取样法：取样探头插入发动机排气管内直接采集部分废气然后进行分析的方法。气体通过气泵引入分析仪，进入分析仪之前须经过冷凝过滤等处理出去水分和污秽物。适于观察连续工况变化引起的排气组分变化。用于怠速试验规范和重型车试验规范。直接取样 在常温或低温时，蒸气压第的高沸点物质易溶于水，给测量带来误差。一般采用加热管路系统，测定汽油机排气成份 时温度保持在150度左右，测定柴油机排气成份 时温度保持在200度以上。

22、 全量取样法： 将试验时间内的全部排气收集在一个袋子里然后进行分析的方法 易测定排气有害成分的平均浓度易于进行重量计算 气袋太大不能用于实际道路运行工况的测定 比例取样法：根据内燃机进、排气量之间存在一定的关系，用进气量测量代替较为困难的排气量测量。用容量约50L的小袋子连续收集排气量1/10001/1500，按此取样比例，自动控制进气量和排气采取量的比例。定容取样法（CVS）：一种稀释取样方法，它有控制的用周围空气对汽车排气进行连续稀释，是一种接近于汽车排气向大气扩散这一实际过程的取样方法。CVS采样系统有以下三种形式：带容积泵的变稀释度系统（PDP-CVS）临界流量文杜里管变稀释度系统（C

23、FV-CVS）用量孔控制恒定流量的变稀释度系统（CFO-CVS） 要求：较高的灵敏度，能进行高低浓度的精确分析，线性好反应快读数稳定可靠。 CONDIR HCFID,HFID NOxCLD NDIR（Nondispersive Infrared Analyzer）分析法工作原理：基于某些待测气体对特定波长的红外辐射能的吸收程度来测定它的浓度的，其基本组成如右图所示。NDIR是目前测定CO的最好方法。其测量上限为100，下限可进行微量（ppm级）以至痕量（ppb级）分析；在一定量程范围内，即使气体浓度有极小变化也能检测出来；当CO排放浓度较高时，排气中干扰成分对测定值影响可略去不计；采用连续取样

24、系统，能观察随发动机运转条件变化而引起的排气组成的变化。NDIR还可用来测定CO2和HC的浓度，也能分析NO的浓度，但测量精度远不及测定CO时的精度。FID及HFID分析法(Flame Ionization Detector)FID是目前测定内燃机排气中碳氢化合物的最有效的方法。其检测极限最小可达ppb数量级，有很高的灵敏度，对环境温度及大气压力不敏感，除单独作为碳氢化合物总量测定之用外，还常常作为气相色谱仪的监测器附件，利用色谱分析的条件，对各种碳氢化合物含量分别进行检测。FID的工作原理是基于大多数有机碳氢化合物在氢火焰中产生大量电离的现象来测定HC的。电离度与引入火焰中的碳氢化合物分子碳

25、原子数成正比。此法对不同类型的烃没有选择性，只能测定HC总量。其结构组成如右图所示：在采用CVS取样法对柴油机的HC排放进行取样分析时，还应对包括监测器在内的整个附加设备进行保温处理，此时所用的氢火焰离子检测器即为加热式（HFID）CLD（Chemiluminescent Detector）分析法CLD是目前测定NOx的最好方法，它具有感度高（约0.1ppm），反应速度快（24s），在01104ppm范围内输出特性呈线性关系，适合低浓度连续分析等优点。化学发光通常出现在放热化学反应中。在这些反应中，某些过量的能量将引起反应物集聚到激发的电子态和振动态。随着这些产物衰减到基态的同时，将发射出一定

26、的辐射能hv。CLD虽然只能直接测定NO，如将NO2现在转换器中转化呈NO，再用O3检测，可以测定NOx；然后利用NOx与NO的差值，可以测定NO2的浓度。将NO2转换成NO，是利用转换器的表面热反应（加热至600oC）使NO2分解成NO的。转换器的效率应经常检查，当效率低于90时，需更换新的转换器。气相色谱分析法气相色谱分析法简称GC法（Gas Chromatography），它具有高灵敏度、高选择形和高分析效能，时目前广泛用以测量内燃机排气中每一种碳氢化合物含量的一种方法。GC法的特点时将混合物中沸点在400以下的各组分在色谱柱中进行分离，并加以鉴别和定量测定。气相色谱分析装置是分离混合气

27、各种成分并能独立分析每一成分的仪器，其基本组成与流程如下图所示：色谱分析过程： 流动相流经固定相时，不同成分被固定分离，然后依次进入检测室。 在检测室内，按进入检测室先后顺序对各单一成分进行测量，测量结果按时间顺序输出，形成一组以时间为横轴的信号组，即为色谱图。 内燃机排烟的产生与成分： 黑烟：主要是不完全燃烧生成的碳烟颗粒，还含有硫酸雾、多环芳香烃等液体成分和各种金属及盐类微粒； 白烟：是高沸点的未燃烃和水蒸汽混合而成的液态颗粒，它的直径一般在1.0微米左右，主要是在冷起动时产生，温度低于250度 兰烟：主要是未燃烧的烃，有燃油和润滑油，以及燃烧中间产物，蓝烟主要是在暖机时产生，温度在250

28、650度，当发动机温度提高后，蓝烟就会消失。 烟度测量分类： 透光度法： 利用烟气对光的吸收作用，即通过测量光从烟气中的透过度来确定烟度的，仪器主要有哈特里奇烟度计。 滤纸法： 先用滤纸收集一定量的烟气，再通过比较滤纸表面对光的反射率的变化来测量烟度，也称反射法，仪器主要有波许烟度计，冯布兰式烟度计。 滤纸式烟度计：通过滤纸吸收一定量的排烟，再利用此滤纸的光反射作用进行测定。 透光式烟度计：让排烟的部分或全部连续不断的与光接触，用透光度来测定排气烟度。 重量式烟度计：测定排气中烟粒的重量，用单位体积排气中所含烟粒重量来表示烟度。波许（Bosch）式烟度计波许式烟度计是典型的滤纸式烟度计，其结构原理示意图如右图所示。这种