发动机台架系统研究开发

发动机台架系统研究开发

贾晓明

长城汽车股份有限公司  河北省保定市  071000

摘要：伴随着国家经济的快速增长，普通群众购买汽车的热情日益高涨，汽车保有量也迅速增加，以内燃机为主要动力的汽车的研发、试验验证等各个阶段的技术能力及手段也越来越丰富和完善，发动机作为汽车的心脏也越来越受到各汽车及发动机厂家的重视，投入也越来越大，发动机试验验证作为发动机研发极其重要的一环，同样受到各汽车及发动机厂家的高度重视，近年来各汽车及发动机厂家都不惜巨大投入新建或升级改造发动机台架系统，以满足发动机研发和试验验证的需要，同时先进、可靠及满足需要的发动机实验室及台架系统一直是发动机工程技术人员追求的目标，是发动机研发的一个重要方面。

关键词：发动机；台架系统；研究

引言

汽车发动机台架试验是发动机研发的一个重要环节，包括性能试验和可靠性试验。本文中研究发动机台架可靠性试验过程中的在线图像可视铁谱磨损监测。根据汽车发动机可靠性试验方法，在发动机台架试验中对发动机进行负荷试验及冷热冲击试验等高强度试验，能够在短时间内实现发动机全生命期的可靠性测试。台架监测参数包括燃油消耗量、关键部位的温度和压力等，无法直接反映发动机的磨损。台架试验只能通过试验结束后拆检发动机获得各个摩擦副的磨损程度作为发动机台架试验可靠性评定的依据

1系统的结构和功能

1.1总体结构

发动机台架测控网络主要由上位机、控制模块、数据采集模块、油门执行器模块、测功机模块和智能油耗仪模块等测控节点组成，其总体结构见图1。由于该系统采用了CAN总线的通讯协议和模块化设计技术，可将不同的传感器（温度、压力等）输出信号集中到智能模块并调理成标准的数字信号，通过CAN总线网络进行传输。由于采用CAN总线的发动机台架测控系统大幅减少了现场连线，实现了对测试台架的集中控制，因此在测控过程中，用数字信号完全取代4mA～20mA模拟信号，使得过程控制的准确性和可靠性更高，其控制、报警、信号处理等功能完全由分散在现场的自动化设备的微处理器实现。系统的功能扩展不需要重新布线，可就近接在总线模块上；I／O通道可随意扩展和调整，能适应各种复杂多变的现场；其模块化设计使结构更简化，可靠性、可维护性更高。

1.2系统功能

在试验现场，上位机采用工控机，主要通过CAN总线接口与各测控节点进行通讯，接收下端传来的数据并进行处理后向CAN网络中的各节点发送控制指令，各测控节点负责数据采集、控制、执行与报警等工作。上位机和测控节点间通过CAN总线网络实现数据交换，它还可通过以太网与原有的局域网相连，将数据自动传递到计算机中心。试验台架测功机振动大的原因很多。经过系统分析，可能的原因有发动机扭振过大、发动机与测功机不对中、测功机存在机械松动、测功机轴承故障、测功机定子故障、测功机转子故障、发动机部件运动导致振动大、发动机标定导致振动大、台架基础减振差、减振装置选用不合理、连接轴选用不合理以及旋转件动不平衡等。该发动机在其他试验室也做过很多试验，未出现异常振动问题，因此可以排除由曲轴扭振或旋转件动不平衡造成的异常振动。该发动机主要做稳态试验，稳态工况出现异常振动，同样可以排除是标定map不平滑和各缸均匀性差造成的异常振动。但是，该发动机最大爆发压强为25MPa，升功率达到了33.5kW·L-1。较大的爆发压强在轴系中容易产生扭振，因此需要减振效果很好的连接轴和减振块。

2发动机台架系统现状及研究目标

2.1发动机台架系统现状

目前发动机台架测试系统主要由国外供应商和国内供应商提供，国外供应商诸如奥地利AVL公司，日本horiba公司（收购德国申克公司的测试部门），德国FEV公司，法国D2T公司等等，他们一般提供各国内整车或发动机厂家交流电力测功机及测量控制系统，一般作为性能研发台架使用。国内供应商诸如启东联通、湖南湘仪、洛阳凯迈、杭州奕科等，以前这些国内厂家主要提供水力及电涡流测功机及测量控制系统，硬件精度及软件的功能都相对较差，主要用于发动机可靠性及一般性能开发试验，近年来，在湖南湘仪、启东联通等国内主要测试设备厂家的带动下，国内主要测试设备厂家都在大力开发交流电力测试设备及系统,在主要部件进口的情况下,价格仅为进口厂家设备的一半左右,在满足精度和功能的情况下,目前推广较快!

2.2本项目的研究流程

国内发动机实验室对于发动机台架系统满足发动机试验验证，更多的是依靠台架测试设备供应商，发动机实验室本身对于发动机台架方案研究较少，特别是在发动机实验室台架系统建设预算投入一定的情况下，如何通过优化发动机台架系统的软硬件配置及功能，以满足发动机试验验证的需要。针对这一状况，本项目以北汽福田某款发动机研发及试验验证需求为依托，开展发动机台架系统的研究开发。

3软件系统设计

发动机台架试验在线图像可视铁谱磨损监测软件系统是在ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ系统下，采用ＶｉｓｕａｌＣ＃语言开发。为了实现发动机台架试验在线磨损监测的简单便捷，发动机台架试验在线图像可视铁谱磨损监测软件只设置了一个监测主界面，并为使用者提供简洁的操作按键和可视化的监测。通过设置功能实现对取样参数和沉积参数的配置，使系统能够按照设定的参数获取数据。主界面上同时设置多个试验过程记录按键，实现台架试验过程中润滑油相关信息的记录，为后期数据分析提供依据。

3.1参数设置

设置功能是为了保障ＯＬＶＦ本体能够按照设定参数来获取数据。一个完整的取样流程包括采集前冲刷、沉积磨粒、排油、拍照计算磨粒百分遮光面积指数（ｉｎｄｅｘｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｃｏｖｅｒｅｄａｒｅａ，ＩＰＣＡ）、采集后冲刷共五步。需要设置的参数分为取样参数和沉积参数两类。其中，取样参数指取样周期；沉积参数包括前后冲刷时间、冲刷流量、沉积时间、沉积流量、沉积磁势、排油流量和排油时间。在监测系统中，仅需要设置三个参数。在发动机台架试验中，由于前后冲刷时间和冲刷流量针对不同发动机和台架试验基本不发生变化，因此在系统中直接将其设置为固定值；同时，由于监测结果对沉积流量、沉积磁势、排油流量的变化较敏感，根据经验在系统中将它们设定成固定值。这样减小了使用者的操作难度，使参数设置更加简单有效。

3.2实时监测

本系统所提取的磨损指标为磨粒百分遮光面积指数ＩＰＣＡ，它反映所监测润滑油的磨粒浓度。系统从发动机油底壳取油，监测得到的ＩＰＣＡ反映了油底壳磨粒浓度的变化。而油底壳中的磨粒是发动机各个摩擦副在运行时间内产生的所有磨粒的累积，若不考虑滤清器的因素，则认为油底壳中的磨粒浓度变化可以反映发动机整体的磨损量随着时间的变化，可以作为发动机各个摩擦副的磨损状况的综合体现。通过监测油底壳中的磨粒浓度，就能反映发动机整体的磨损状态的变化，从而实现发动机磨损故障的实时预警，因此通过在监测软件主界面上实时显示ＩＰＣＡ趋势曲线和流道实时图像可以实现对发动机磨损状态的实时监测。

结语

采用发动机台架试验在线图像可视铁谱磨损监测系统，合理设置取样和沉积参数，实现了在线磨损监测取样的代表性和有效性。通过设置排油环节，使无效数据比例仅为０．３％，排除了发动机润滑油积炭导致润滑油变黑对磨粒谱片的影响。通过在监测界面上实时显示磨损指标趋势曲线和实时流道磨粒图像，可以实现对发动机磨损状态的在线监测，及时发现异常磨损信号。

参考文献

［1］邬宽明．CAN总线原理和应用系统设计［M］．北京：北京航空航天大学出版社，1996．

［2］姜飞荣，章伟．基于DSP的变频调速电机参数综合测试仪［J］．微电机，2006，39（1）：99-102．

［3］孙玉德，解世文，杨礼河，等．计算机程序控制舷外机性能试验台架［J］．拖拉机与农用运输车，2004（3）：33-34．