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1、汽车发动机试验 第三章 发动机主要性能参数的测量 Page 1 同济大学汽车学院 发动机主要性能参数的测量 发动机试验测量 计算后所需的参数项目主要分为以 下几种类型 1 与常规动力 经济性能直接有关的项目 发动机的转速 扭矩 功率 燃油消耗率 点火提前 角 供油提前角 空气消耗量 进气压力和温度 排气压 力与温度 中冷前后温度和压力 对于增压发动机 润 滑油的压力和温度 冷却水温度 燃油温度 密度等 2 与发动机尾气排放有关的项目 一氧化碳 CO 二氧化碳 CO2 碳氢化合物 HC 氮氧化物 NOx 柴油机的微粒 PM 和烟度等 同济大学汽车学院 Page 2 发动机主要性能参数的测量 3
2、与试验环境有关的项目 大气压力 温度和湿度 排气背压等 4 其他项目 根据一些特殊要求进行的测试项目 如柴油发动机高 压喷油泵泵端和嘴端压力 充气效率 过量空气系数 气 缸内的最高爆发压力 平均有效压力 压力升高率 噪声 振动等 同济大学汽车学院 Page 3 3 1 发动机转速 扭矩测量和功率计算 在汽车发动机中 功率是一个十分重要的性能参数 发动机某工况的有效功率是测定有效扭矩和转速值后计算 而得 计算公式如下 式中 Pe 有效功率 kW Me 实测有效扭矩 Nm n 实测转速 r min 同济大学汽车学院 Page 4 3 1 发动机转速 扭矩测量和功率计算 o 转速测量 转速是单位时间
3、内曲轴的平均旋转次数 通常以每 分钟的转数 r min 作为计量单位 同济大学汽车学院 Page 5 1 磁电式转速传感器 磁电式转速传感器是通过磁 电作用把被测参数转换为感应电 动势的一种器件 它是利用带齿 的含铁导磁材料在磁场中切割磁 力线所产生的感应电动势来计算 转速的 n 发动机的转速 r min Z 信号盘齿数 f 感应电动势频率 s 1 0 5 1 2 3 1 发动机转速 扭矩测量和功率计算 o 转速测量 2 霍尔传感器 当叶片进人永 久磁铁与霍尔元件 之间的空隙时 由 于霍尔元件的磁场 被触发叶片所旁路 或称隔磁 霍 尔元件不产生霍尔 电压 当触发叶片 同济大学汽车学院 Page
4、 6 离开空隙后 永久磁铁的磁通便穿过霍尔兀件而产生霍尔电 压 利用霍尔电压方波信号的频率 可算出转速值来 优点 一为输出的电压信号近似于方波信号 另一为输出电压与被测物体的转速无关 3 1 发动机转速 扭矩测量和功率计算 o 扭矩测量 根据扭矩测量原理的不同 测量扭矩的装置分为传 递法和平衡力法两种类型 传递法主要应用扭矩仪 传 感器 在动力的传递过程中测出扭矩值 平衡力法利用 作用在测功机上的作用扭矩与反作用扭矩大小相等 方 向相反的原理来测量扭矩 同济大学汽车学院 Page 7 3 1 发动机转速 扭矩测量和功率计算 o 扭矩测量 1 平衡力法 平衡力法的测量原理及 结构简图如图所示 将
5、测功 机的外壳通过轴承支撑在支 架上 外壳能自由地回转 在外壳上装有力臂 连接载 荷单元 工作时在发动机扭 矩作用下 载荷单元承受的 作用力W乘以力臂长度L就 是扭矩值 扭矩的表达式如 下 同济大学汽车学院 Page 8 式中 Me 实测有效扭矩 Nm W 作用在载荷单元上的力 N L 力臂长度 m 3 1 发动机转速 扭矩测量和功率计算 o 扭矩测量 2 传递法 转轴受到扭矩作用时会产生变形 传递法就是通过 测量轴变形 利用应力与应变的关系来测量扭矩 同济大学汽车学院 Page 9 3 1 发动机转速 扭矩测量和功率计算 o 扭矩测量误差及测功机的校正 平衡力法扭矩测量误差除了非电量电测装置
6、带来的 误差外 主要是测功机的误差 各种侧功机的一个共同 的主要误差来源 就是浮动定子两端轴承摩擦带来的误 差 由于定子只在很小角度内摆动 长期和过载使用会 造成局部的压痕而带来较大摩擦阻力 因此 除关心轴 承的润滑状况外 应定期进行检查和标定 电力测功机多用风扇进行冷却 形成鼓风损失 且 随转速增加而大幅上升 这是一种系统误差 可事先预 估进行修正 同济大学汽车学院 Page 10 3 1 发动机转速 扭矩测量和功率计算 o 扭矩测量误差及测功机的校正 电力和电涡流测功机电线的刚性和水管 润滑油的 粘性会产生摆动阻力 带来误差 因此宜采用柔性管线 并尽可能从中心引人 水力测功机水位的波动 也
7、是 误差的来源之一 由于测功机误差随使用时间和装配情况而变化 所 以长期使用和维修安装后应重新进行校正标定 同济大学汽车学院 Page 11 3 2压缩上止点与点火 喷油提前角测定 o 曲轴位置及气缸识别传感器 同济大学汽车学院 Page 12 曲轴位置传感器又 称为发动机转速与曲轴 转角传感器 其功用是 采集曲轴转动角度和发 动机转速信号 并输人 电子控制单元ECU 以 便确定点火时刻和喷油 时刻 3 2压缩上止点与点火 喷油提前角测定 o 曲轴位置及气缸识别传感器 对于四冲程发动机 由于每循环曲轴旋转两周 各 缸都存在两个上止点 压缩行程和进气行程 因此还 需要识别是哪一缸 哪一个上止点
8、即需要气缸识别传 感器 该传感器通常安装在凸轮轴上 又称凸轮轴位置 传感器 因为凸轮轴转一圈正好是发动机的一个工作循 环 只要它的位置信号与某缸压缩上止点相对应 则该 信号出现的时刻 必然对应于该缸的压缩上止点 凸轮轴位置传感器的功用是采集配气凸轮轴的位置 信号 并输人发动机电子控制单元 以便ECU识别顺序 排列的第1缸 再确定该缸的压缩上止点 从而进行顺 序喷油控制 点火时刻控制和爆燃控制 同济大学汽车学院 Page 13 3 2压缩上止点与点火 喷油提前角测定 o 曲轴位置及气缸识别传感器 4缸机凸轮轴信号转子转一圈 360 凸轮轴转角和 720 曲轴转角 为一个周期 一个周期内 有4个均
9、匀 分布的正常齿 每缸对应一个 并有一个多齿 在第1 缸正常齿与第3缸正常齿之间的1 5处 作为判缸标志 曲轴信号转子为齿盘式 在其圆周上均匀间隔地制作 有58个凸齿 57个小齿缺和1个大齿缺 同济大学汽车学院 Page 14 3 2压缩上止点与点火 喷油提前角测定 o 上止点真实位置确定 1 气缸压缩线法 倒拖法或灭缸法 同济大学汽车学院 Page 15 3 2压缩上止点与点火 喷油提前角测定 o 上止点真实位置确定 2 活塞位置测量法 利用气缸头上的孔 喷油器孔或火花塞孔 不方便 时 可卸下缸盖 安装深度百分尺测量活塞顶的位置 先顺时针转动曲轴 测定行程中段到顶点的几个位置的 尺寸 并记录
10、对应的曲轴相位或飞轮位置 然后逆时针 转动上行 记录与上行时同样位置尺寸所对应的曲轴相 位或飞轮位置 各位置两次测量值中点的平均值就是上 止点的位置 此法简易 还可消除活塞连杆接头间隙所 造成的误差 同济大学汽车学院 Page 16 3 2压缩上止点与点火 喷油提前角测定 o 测定上止点位置的传感器及其误差与校正 同济大学汽车学院 Page 17 由于传感器安装时不可避 免地存在位置误差 可以利用 上止点位置确定的方法进行校 正 当作系统误差处理 要注 意测试时的传感器频响问题 此外 曲轴扭转变形也会造成 成止点位置的误差 特别是对 距离飞轮端较远的气缸 3 2压缩上止点与点火 喷油提前角测定
11、 o 点火提前角与喷油提前角的判定 提前角的测定精度首先取决于上止点信号的位置精 度 其次取决于记录的点火或喷油始点信号是否准确 此外还取决于曲轴齿盘的分度精度 电控发动机的这些 信号和真实的着火与喷油时刻有一定的延迟 而且随不 同工况而变 同济大学汽车学院 Page 18 3 3 压力测量与示功图制取 o 概述 在发动机试验中 经常要进行压力的测量 如各种 介质 气体 燃料 润滑油和冷却水 的压力和大气压 具体来说各种发动机试验过程中所需测量的压力主要 指 进气管真空度及绝对压力 喷油压力 中冷前后压 力 涡轮增压器的压气机进 出口压力 排气背压与排 气管压力 机油压力 气缸压缩压力 工作过
12、程中的缸 内压力和曲轴箱压力等 同济大学汽车学院 Page 19 3 3 压力测量与示功图制取 o 概述 发动机试验中压力的测量仪主要有液柱式压力计和 压力传感器等 1 液柱式压力计 液柱式压力计是基于液体静压力作用原理 由已知 重度的液体高度测得压强 液柱式压力计结构简单 价 格低廉 精度较高 一般用于检定或直接测量较小的静 压力 同济大学汽车学院 Page 20 3 3 压力测量与示功图制取 o 概述 2 压力传感器 为实现压力测量远传 记录和控制 在压力检测中 大量应用各种传感器 将被测压力参数转换成电信号 供远传的电子仪表测量 控制 汽车发动机中的大多数 压力测量均采用压力传感器进行
13、同济大学汽车学院 Page 21 3 3 压力测量与示功图制取 o 发动机缸内动态压力测量与示功图制取 同济大学汽车学院 Page 22 3 3 压力测量与示功图制取 o 发动机缸内动态压力测量与示功图制取 示功图或压力图涉及缸内动态压力和曲轴转角 可换 算为活塞顶容积V 两个参数的测量问题 制取示功图 所用的仪器有简单示功仪 机械示功仪 气电示功仪以 及现代的应变式示功仪和压电式示功仪 特别是压电式 示功仪 由于具有优良的特性而获得广泛的应用 同济大学汽车学院 Page 23 3 3 压力测量与示功图制取 o 发动机缸内动态压力测 量与示功图制取 1 测量的基本方法 压电式示功仪是把气缸 压
14、力 曲轴转角等非电 量通过传感器转换为电 量 经放大器放大和信 号处理后 由信号采集 系统进行采集 再由显 示记录装置进行显示的 一种专用测量仪器 同济大学汽车学院 Page 24 3 3 压力测量与示功图制取 o 发动机缸内动态压力测量与示功图制取 同济大学汽车学院 Page 25 压电晶体传感器的 结构形式 主要有水 套冷却的和无水套冷 却的两种 此外 还 有和火花塞做成一体 的结构 由于无需在 缸盖上加工安装孔 所以能为示功图的制 取带来安装上的方便 3 3 压力测量与示功图制取 o 发动机缸内动态压力测量与示功图制取 2 测量过程中应注意的问题 n 压电传感器的标定 标定方法有静态法和
15、动态法两种 n 传感器的安装 由于发动机结构非常紧凑 安 装位置极其有限 一般要求传感器 承压面能靠近燃烧室 长的压力通 道由于压力波效应 会在示功图上 出现高频的压力波 主要出现在上 止点附近 同济大学汽车学院 Page 26 3 3 压力测量与示功图制取 o 发动机缸内动态压力测量与示功图制取 3 示功图的测量误差 示功图上封闭曲线面积的代数和 封闭面积有的代 表正功 有的为负功 可参阅发动机原理相关图书 反 映发动机一个循环所做指示功的大小 试验时 侧得的 是压力图 由压力图再转为示功图 压力图上压缩上止 点右侧压力做膨胀正功 而左侧压力则是压缩负功 如 果上止点定位略有偏差 则部分正功
16、被算为负功 测功误差还包括压力及转角的测定误差以及压力波 形畸变带来的误差 可通过各种方法加以消除或校正 同济大学汽车学院 Page 27 3 4 其他热力状态参数的测定 发动机进行试验时 除各种压力测定外 还需测定各 种温度 大气湿度和燃油密度 这些热力状态参数的不同 会影响实际进人发动机气缸的空气量和燃料量 必然会对 主要性能指标 功率 油耗 排放 产生较大的影响 使 得测量的数据没有可比性为此 需测定这些参数并根据这 些参数对发动机性能进行修正 o温度测量 发动机试验中的温度测量主要包括冷却液温度 进 出水温度 中冷前后进气温度 机油温度 排气温度 燃油温度和环境温度等 温度的测量通常用热电阻和热电偶传感器 同济大学汽车学院 Page 28 3 4 其他热力状态参数的测定 o 温度测量 1 热电阻温度传感器 金属导体和半导体的电阻值是温度的函数 只要知 道了这种函数 并能测出导体的电阻值 就能知道热电 阻本身的温度 从而知道该电阻所处的环境或介质的温 度 同济大学汽车学院 Page 29 式中 Rt 热电阻在t 时的电阻值 R0 热电阻在t0 时的电阻值 热电阻的电阻温度系数 1
