发动机台架系统课程设计

1、设计意义近年来，在市场和政策的支持下，我国汽车工业从规模到水平均飞速发展。但 是，我们的汽车核心技术研发水平仍未能跟上产业的发展速度，其中发动机技术， 作为汽车技术的一大核心，更是亟待我们突破的一个领域。而发动机测试技术，又 对于发动机整体技术研发有着重要意义。发动机测试技术是汽车测试技术的一个重要组成部分。进行发动机测试时，一 般都在专用的试验台上进行，称为发动机试验台架。将台架硬件设备与相关的数据 采集处理系统、测试控制系统、人机交互平台等联合开发，形成发动机台架试验系 统。发动机台架性能试验是衡量发动机动力性（转速、转矩和功率）和经济性（燃油消 耗）的必要手段。因而发动机台架试验系统是各

2、种发动机研制与生产过程中一套必不 可少的设备。发动机生产安装完成以后用它进行质量检查，在发动机的研制工作中 用它对发动机的性能进行定量分析。发动机台架试验系统水平的高低将直接影响到 台架试验能否如实地反映发动机的性能，能否提供发动机设计和改进的依据，因此， 它对提高发动机的性能和质量具有较重要的影响。发动机台架试验系统方案设计在实际应用中，发动机台架试验一般主要完成以下几类试验：发动机性能试验、 耐久性、可靠性试验、出厂试验、定期抽查试验、研究性试验。具体试验中，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，然后利用传感器将各个 反应发动机运行状况的非电量转化为电量，用数据采集卡采

3、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。反应发动机运行情况的被测量主要包括，发动机转速，扭矩，水温， 机油温度，排气温度，进气温度，进气压力等。设计要求与方案选择本设计要求为设计发动机台架实验的基本物理量（发动机转速，扭矩，水温， 机油温度，排气温度，进气温度，进气压力）等的测试和控制，实现最小配置的发 动机台架试验系统。根据这一要求，比较单片机测试系统与单片机一PC二级计算机测试系统：单片机具有体积小，重量轻，价格低廉，应用方便等特点，采用单片机来构造 系统能够满足系统的基本要求，实现系统的基本功能。但是单片机系统在功能的

4、扩 展和性能改进的方面存在有一定的局限，尤其是在数据处理能力，显示能力以及绘 图功能等方面与PC机系统相比存在相对不足。利用PC机和单片机构成二级测试系 统，单片机完成数据采集，PC机来实现数据的处理，分析及显示工作，可提高系统 的数据处理及显示能力。因此，发动机台架测试系统根据测控具体功能需求和实际条件，选择单片机一 PCX计算机系统，即由测控单片机和调度管理计算机构成两级计算机系统。测试系统布置框图发动机台架是基于PC机、数据采集板、油耗仪和测功机等外围硬件设备，完成 各种发动机性能试验的测试设备，由传感器和测试仪组成。基本结构如图所示：吟叫水由打来水心肿L发必机台架实验筒图发动机台架建立

5、在基础之上，减少发动机振动对实验的影响，为被测试发动机 匹配的冷却水箱、燃油箱、进排气管内装有各种传感器，可将发动机转速，水温， 机油温度，排气温度，进气温度，进气压力等信息转化为电信号输出。发动机与水 力测功器主轴相连，测功机可根据控制要求给发动机提供一定阻力矩。水力测功器是利用物体在水中运动产生 摩擦阻力吸收发动机功率的一种测功装置。水 通过进水管两侧同时进入两侧的进水环室，然 后由定子上的进水孔进入涡流中心。转子使水 在涡流室做旋转运动，通过与外壳的摩擦，使 外壳摆动。控制阀控制出水量以调节水层厚 度，水层越厚，水与外壳的摩擦力矩越大，吸 收功越多，此时外壳摆动角度也大，测力计上 的读数

6、也增加。这样，发动机输出的机械能被 水吸收变为热能并将扭矩传递到外壳上，由测 功器测出。硬件实验台架之外，还需测控系统来对传感器信号进行转换、处理、显示，并 且根据试验意图通过油门及测功器控制发动机运行工况。对于一个具体的测控系统，通常是由传感器、变换及测量装置、记录及显示装置、驱动控制装置和实验结果的 分析处理装置等组成。传感器将被测对象的某种信息采样出来，并将其转换成电信号。由于它处于检 测系统的输入端，所以它的性能直接影响着整个检测系统的工作可靠性。变换及测量装置，其作用是把传感器送出的电信号变换成具有一定功率的电压 或电流信号，以便推动下一级的记录及显示装置。如电桥电路、调制电路、解调

7、电 路、阻抗匹配电路、放大电路、运算电路等。在这一装置里，可以对一些简单信号 进行测量、比较，即把要测的量与某一标准量进行比较，获得被测量与标准量若干 倍的数量概念，对于传感器送出的变化频率很低、近似直流的信号，为了传输方便， 可在这一装置里把它调制成高频放大信号等。所有的模拟量测量都要经过上述过程 的转化后，信号才能进入单片机系统。数据处理装置，是用来对测试所得的结果（曲线或数据）进行分析、运算、处理。 如对大量数据的数理统计分析，曲线的拟合，动态测试结果的频谱分析、幅值谱分 析或能量谱分析等。测控系统的结构框图如下：发动机水力测功器发动机转速冷却水温机油温度排气温度进气温度I-U扭矩阻力功

8、（出水量）测控单片机（下位机）PC上位机系统功能分析发动机台架试验系统主要有如下功能：1）发动机相关试验数据的自动检测功能：系统能够在线测控发动机试验参数（发 动机转速，扭矩，水温，机油温度，排气温度，进气温度，进气压力等）测量控制 结果要满足精度要求。2）抗干扰能力：由于发动机室的点火线圈产生的高频电压可达1.53万伏，系 统要具备良好的抗干扰能力；发动机室常常环境恶劣，需要下位单片机有较强的环 境适应性。3）显示功能：能够实现所有发动机测量数据的集中显示；全部参数的实时显示; 转速、扭矩、功率、温度和压力等信号的实时曲线显示。4）自动报警：能够进行故障提示，紧急情况停车报警。5）要求进行各

9、种发动机性能试验：能够进行发动机负荷特性试验、外特性试验、 速度特性试验、瞬时特性试验等；6）操作功能：人性化的界面，通过键盘和鼠标点击按钮完成参数输入和控制。7）记录功能：能够实时记录发动机试验过程的数据并在以后重现历史数据报表 和曲线。传感器选择及接口电路设计发动机台架测试的条件控制及结果获得都极大地依赖传感器。试验系统需要温 度传感器、压力传感器、扭矩传感器、转速传感器等多个类别的传感器，其选用对 系统成本和试验效果均有巨大影响。传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响着整个测试系统的工作质 量。工程中应用的传感器种类繁多，往往一种被测量可应用多种类型的传感器来检 测。因此，合理地选

10、用传感器也是系统设计中的一个重要部分。在进行传感器的选 型方面，本设计在保证传感器的精度和灵敏度的前提下，从以下几个方面进行了考 虑：1）尽量选用市场上供货较多、比较成熟、性能稳定的传感器，以保证所选择的 传感器具有通用性和稳定的性能。2）避免采用安装复杂或对发动机曲轴转动和测功装置有影响的传感器安装方 式。尽量采用非接触测量方式的传感器。3）尽量采用性能价格比高的传感器。4）尽量避免采用模拟式传感器，以保证所选择的传感器具有较高的抗干扰能力 和较高的信噪比，在发动机测试现场较恶劣的环境中能够可靠地应用。温度传感器温度测量是发动机测试的主要项目之一，在发动机动力性测试领域，主要涉及 到的需要测

11、量温度有排气温度、机油温度、冷却水温度和进气温度。温度可以用温 度计来的测量，温度计可分为接触式和非接触式两大类。检测发动机温度主要用接触式温度传感器，温度传感器常用的有线绕电阻式、 热敏电阻式和热偶电阻式三种主要类型。三种类型传感器各有特点，其应用场合也 略有区别。线绕电阻式温度传感器的精度高，但响应特性差；热电阻式温度传感器 灵敏度高，响应特性较好，但线性度差，适应温度较低；热偶电阻式温度传感器的 精度高，测量温度范围宽，但需要配合放大器和冷端处理一起使用。因此，低温传感器一般选择铂热电阻或铜电阻，测温范围为0200C左右；高 温传感器一般使用热电偶，测温范围为O1000C左右。发动机试验

12、台架系统所用主 要温度传感器选用如下：1）排气温度测量：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）冷却水温度测量：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，影响发动机

13、工作性能。发动机过热，同时也使进入气缸的空气受热 膨胀，空气密度降低，导致充气系数下降，使燃烧过程不正常，从而油耗增加，功 率下降，排气管冒黑烟。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，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。水温传感器一般安装在缸体水道或节温器上。系统测量时，冷却水温度相对较 低，使用PT100伯电阻，为负温度系数的热敏电阻ECU中的固定电阻R与传感器的热 敏电阻串联组成一分压器。接通点火开关，ECU首先通过固定电阻R给传感器输出一 个5V

14、（或12 V）的参考电压，热敏电阻的阻值变化时，固定电阻R所分得的电压值（即 传感器的信号电压）随之变化，见下图所示。当温度变低时，热敏电阻的电阻值增大，电路中的电流减小，ECU检测到的信号 电压增高，热敏电阻的阻值逐渐减小，电路中的电流增大，固定电阻上的电压逐渐 增大，因此ECU检测到的信号电压逐渐降低，根据信号ECU将逐渐修正喷油量。以冷却水温传感器为例，电阻式温度传感器的电路简图如下3）机油温度测量：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；二是机油散热器堵塞，机油的冷却与流通能力下降；三是机油

15、泵磨损，泵 油量下降，机油的循环散热能力下降等。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100C左右，同样使用了热敏电阻，PT100伯电阻。3.2.进气压力传感器进气压力传感器的全称是进气歧管绝对压力传感器MAP (Manifold Absolutely Pressure Sensor)，通过检测进气歧管内空气压力来反映发动机的负荷情况，并将 发动机的负荷状况转变为电信号输入发动机的控制单元ECU。进气压力传感器检测的是节气门后方的进气歧管的绝对压力，它根据发动机转 速和负荷的大小检测出歧管内绝对压力的变化，然后转换成信号电压送至电子控制 器(ECU)

16、，ECU依据此信号电压的大小，控制基本喷油量的大小。进气压力传感器种 类较多，有压敏电阻式、电容式等。由于压敏电阻式具有响应时间快、检测精度高、 尺寸小且安装灵活等优点，因而被广泛采用。MAP是一种间接测量发动机进气量的传感器。该传感器由硅膜片和压敏电阻组 成。硅膜片的一侧是真空室，另一侧接进气歧管。在进气歧管压力发生变化时，硅 膜片产生变形，由此引起硅膜片上压敏电阻的阻值变化，进而导致惠斯顿电桥输出 电压的变化，再利用一放大电路将其电压信号进行放大，作为进气歧管绝对压力信 号送到ECU。MAP传感器的结构如图所示：MAP传感器接口电路如图所示:集成也路PL+5VT:ClC2MAPI3.3转速

17、传感器车用转速传感器，按其检测技术可分为可变磁阻式、韦根德效应式、霍尔效应式、磁控电阻式、各向异性磁阻式、巨磁阻式转速传感器。本方案选用常见的霍尔 效应式转速传感器。发动机转速和曲轴角位置可以利用霍尔传感器来的测量，当飞轮的每个轮齿从 霍尔传感器的顶端扫过的时候霍尔传感器的输出电压都将产生跳变。产生的波形经 整形滤波电路生成脉冲信号，输入80C71的计数器和定时器的外部输入端口，对产生 的脉冲信号进行计数，而且利用单片机的定时器可以得出每个脉冲中高低电平持续 的时间。由于飞轮的齿数是已知的，所以飞轮转一周的时是可以得到的，即飞轮旋 转的周期可以得到，周期的倒数即为飞轮转数，也就是发动机转数。霍

18、尔效应式转速传感器由于转速传感器输出的脉冲信号不是标准的方波信号，不能直接送定时计数器 进行脉冲计数，因此，需要对转速信号进行处理。首先选用运放电路对转速信号进 行放大，使所有的正脉冲都超过某一域值，然后经过电压比较器对放大了的脉冲信 号进行削波，得到近方波的梯形脉冲信号。再经过D触发器，得到标准的TTL方波。发动机转速与测得信号频率的关系是：n = 60 x fz公式中n为发动机转速(rpm)，f为信号频率，Z为齿轮数。如果所用的齿数是60， 则信号频率在数量上即等于发动机转速。3.4.扭矩传感器扭矩由水力测功机测得，有T=FS可知，在固定力臂S的前提下，测量拉力F 即可得到转矩的大小。拉力

19、F的测量主要通过拉力传感器来实现。拉力传感器利用电阻应变原理构成，是在圆管形弹性体的外臂，对称贴上电阻 应变片，即连接成惠斯登电桥。当被测力F通过连接螺纹直接作用在粘有电阻应变 片的应变筒上，应变筒受到拉力时，轴向拉伸，电阻应变片阻值增加。横向收缩阻 值减小；当应变筒受到压力时则相反，筒轴向压缩其阻值减小，横向膨胀其阻值增 大。这样电桥失去平衡，对角输出端有不平衡电压输出，该电压正比于作用在传感 器上的拉力或压力。测控系统数字电路设计测控系统完成的主要功能是对传感器信号进行转换、处理、显示，并且根据试 验意图通过油门及测功器控制发动机运行工况。核心部分为数据采集模块和控制模块。数据采集模块结构

20、如图：选用高性能芯片MC68376,该芯片嵌了 CAN控制器模块，CAN控制器与物理总线 间的接口使用芯片82C250O控制模块结构如图：该网络通讯系统的主要功能有:1）上位机向控制模块节点发送进行参数设定的命令，如油耗的测量时间可通过 CAN网络总线送给智能油耗仪进行保存；2）控制模块节点可通过CAN网络协议接收控制指令，从而控制测功机的运行；3）系统在检测到报警时，CAN总线网络送出相关状态信号，将报警信息自动发 送给上位机。通讯软件流程设计发动机台架信号分析及动态测试软件系统需要处理的信息量大，而且对软件的 准确性要求很高。这就要求软件具有高速、高效、高集成度、高可靠性、易维护等 特点。

21、因此，在软件设计上，是在信号处理和分析理论方法的指导下，应用集成 化、模块化软件系统开发技术，以最快速度、最短时间实现系统各功能。整个软件系统由数据采集模块、信号预处理模块、信号分析模块、信号发生器 模块和辅助功能模块等五个模块组成，这些模块又有许多小的模块组成，软件结构 清晰易懂，维护方便。系统的父互界面使用流行的图形化用户界面(GUI-Graphic User Interface)，具有直观、简单、表现能力强等特点，受到广大用户的欢迎，并已经 成为用户发展的方向。发动机台架控制方式6.1. PID 控制PID控制是现代控制技术中最经典的控制方法，它是按偏差的比例 (P-Proportion

22、al)、积分(ITntegral)和微分(D-Derivative)的线性组合进行控制 的方式，三种控制作用各有优缺点。比例控制的优点是：误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝 着减小误差方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数Kp，其缺点是：对于具有自 平衡性的被控对象存在静差。加大Kp可减小静差，但Kp过大，会导致动态性能变坏， 甚至会使闭环系统不稳定。积分控制的优点是：它能对误差进行记忆并积分，有利于消除静差。但它的不 足之处在于积分作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使控制的动态性能变差， 以致于使系统不稳定。微分控制的优点是：它能对误差进行微分，对误差的变化趋势敏感，增大微

23、分 控制作用可加快系统响应，使超调量减少，增加系统的稳定性。它的缺点是对于十 扰同样敏感，使系统抑制干扰能力降低。将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对 象进行控制，就构成了 PID控制器。应用于发动机控制中，已有多种结合现代控制理论的PID控制器。模糊PID控制必须通过多次修改模糊排理规则进行优化没计，并进行在线、离 线的反复调试才能最后确定。经过长期人工操作经验的总结.得出模糊推理规则。计算机控制系统中，由于运算速度和灵活性非常强，经常使用的是数字PID控制 器，将原积分微分运算实现离散化处理。发动机台架控制方式根据发动机的台架试验的要求，外特性试验、负荷特性试验要求发动机在一定 的转速和油门下进行，而许多变工况试验要求发动机在一定的转速和扭矩下运行， 因此试验台架监控系统的控制方式有以下四种：1）恒转速（测功机）一油门开度（发动机）控制这种控制方式是将转速反馈信号输入调控系统构成闭环控制，该信号与给定值 进行比较后经过PID调节器控制输出来的调节水门开度大小，从而改变测功机的制动 扭矩，以达到维持系