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汽车发动机性能参数的动态测量
马丁·佩夏、米罗斯拉夫·穆勒、谢尔盖·哈洛赫
摘要
本文介绍了利用附加在静止床滚筒上的增量式传感器对选定车辆发动机的性能参数进行动态测量的方法，该方法使用八通道收集器进行数据收集。惯性矩既是测量的结果，也可用于性能参数的测量。由动态测量产生的发动机主要的外部速度特性是测量的绝对结果。通过对发动机外转速特性的评价，得出汽车的技术条件，即我们可以通过适当的维护来保持发动机的持续良好的技术状态，这样对车辆运行的生态和经济性有大幅提高。
关键词：发动机转动惯量；性能参数；滚动试验台
- 引言
近年来，汽车和内燃机运行参数的动态测量的广泛发展，为汽车发动机的诊断提供了新的可能性。内燃机性能参数(扭矩、功率)的测量是动态加速度测量的众多的可能应用之一[1]。测量只能在发动机本身或滚动试验台上或在试验道路上进行[2]。在任何情况下，在计算发动机惯性力矩或整个车辆时都必须包括正确的值。在测量发动机本身时，惯性力矩的影响是必不可少的。
获得发动机转动惯量的方法有几种：
–从制造商获得信息-这通常不是现代发动机的问题，工厂诊断设备提供了通过加速方法测量性能参数的可能性。有关发动机转动惯量的信息应在诊断工具中提供。问题是如果没有工厂诊断，没有关于车辆的详细信息，或者是废弃车辆的情况下。
–计算----转动惯量可以根据不同部件的尺寸和其他信息来确定和计算。这个选项非常耗时，需要对所有部件的机械设计和尺寸有精确的了解[3]。
–利用已知转动惯量的加权值，可以进行两种测量。一次测量有重量，第二次没有。然后，通过对比两种测量结果，计算出发动机的转动惯量[4]。
–新发动机----如果有一个新的发动机制造商保证性能参数，加速度测量可以执行。然后通过返回来确定发动机转动惯量的值，从而使性能参数与表格数据相匹配。
–测功机---类似地，作为一种新的发动机测功机也可以使用[4]。惯性矩被分配给加速度测量的结果值，以便与测功机上测量的值相对应。
–该方法的平均精度假设是对同一台发动机的大量车辆进行测量，并逐步细化转动惯量。
但有时，用任何一种描述的方法都不可能得到实际的转动惯量[5]。例如，由于没有测功机、新车辆或制造商的信息，因此不可能安装已知转动惯量的重量。在这种情况下，还有其他几种合适的方法，例如在道路上、在带有松辊的滚动试验台上或在滚动试验台本身上测量车辆加速度。
许多作者的研究描述了内燃机性能参数的动态测量[6–10]具有确定转动惯量的可能性的道路车辆。结果表明，该动态测量方法具有足够的准确性，尤其适用于服务测量。性能参数的动态测量方法并不是为了用测功机来代替现有的测量方法[11–15]，它在指令(CSN ISO 9249、CSN ISO 789-1、CSN ISO 789-5、CS ISO 789-9)中作了规定，但它为这些同族测量提供了一种服务选择[16,17]。
本研究的目的是采用动态性能参数测量方法，并将所得数据与经典方法进行比较。研究结果是对车辆和各种机械运行参数进行验证的测量方法，使其能够进行及时有效的维修干预。动态的操作参数测量方法首先对服务中心的发展具有积极的意义。
命名法：
aabm 在电机加速过程中，试验台滚子的加速度，所有惯性质量都减小到滚子圆周，但没有电机的转动惯量(m/s2)。
aasm 在电机加速过程中，所有惯性质量都减小到滚子周长(m/s2)。
aav(1,2) 试验台左(1)侧和右(2)侧电机加速过程中试验台辊的加速度(m/s2)。
adbm 在电机减速过程中，试验台滚子加速，所有惯性质量都减小到滚子圆周，但没有电机转动惯量(m/s2)。
adsm 在电机减速过程中，试验台滚子加速，所有惯性质量都减小到滚子周径(m/s2)。
adsme 电机减速试验(电机连接)时，所有惯性质量都减小到滚子圆周(m/s2)。
adv(1,2) 试验台左(1)侧和右(2)侧电机减速过程中试验台滚子的加速(m/s2)。
av(n) 发动机加速过程中试验台辊的加速(燃料供应充足)(m/s2)。
dv(n) 离合器踩下时试验台滚子的加速度(m/s2)。
Fe 电动机的整体强度(N)
I 发动机转动惯量(kg·m2)
ic 总齿轮比(-)
M(n) 发动机扭矩与发动机转速(Nm)的关系
mbm 转动质量的质量惯性减小到滚子的圆周，不包括电机的惯性(kg)。
msm 旋转质量的质量惯性减小到滚子的圆周，包括电机的惯性(kg)。
mv 试验台滚子在周长上减小的惯性质量(等于试验台的左右两侧)(kg)
mv(1,2) 左辊(1)或右(2)侧试验台的惯性质量在圆周(kg)上减小。
n 测量和计算内燃机转速(rpm)
nm 发动机转速(rpm)
nv 滚动转速(rpm)
P(n) 发动机功率与发动机转速(kW)的关系
rv 试验台辊周径(m)
- 方法论
轧辊试验台的一项结构调整，最初只为检查刹车，包括拆除变速箱和将电动机连接到变频器(这并不是绝对必要的)。
测试床调整的详细信息显示在图一，频率转换器显示在图二。根据增量式转速传感器的时间记录数据，计算车辆发动机的角速度和角加速度。
图一、滚动试验台
图二、变频器
图三、渐进式滚轮转速传感器
传感器(图三)每转1024个脉冲(时间精度在20ns以内) 在此描述了具体的应用。传感器连接到试验台的滚子上。车辆发动机的要求值是通过将车辆的发动机与试验台的滚子之间的总速比的测量值的减少来定义的。
滚动试验台的应用前景十分广泛，包括汽车发动机性能参数的动态测量、传动比的测量、动态制动力的测量等。数据采集由一个8通道的收集器完成，它保证了数据的在线预处理，并将数据传递给通过USB端口连接的操作计算机类型的PC。
汽车发动机性能参数的确定过程分四个步骤实现，这些步骤逻辑连接，必要时可以打印协议。
第一步是测量每辆车发动机与试验台的滚柱之间的齿轮比。比较了增量传感器测量的滚子试验台转速和由另一外部传感器测量的发动机转速。为了测量汽车发动机的转速，诊断塞OBD是最适合使用的。例如，如果一辆汽车有820 rpm，和滚子的试验台有 265 rpm，那么总的齿轮比是3.094。(Eq.(1))
第二步是测量所有惯性质量，即发动机的质量，车辆的传动和车轮，以及试验台的轧辊和其他旋转质量，减小到滚子的圆周。用电机控制的变频器进行测量，可以改变大约15-30 kW(根据变流器过载设置)的性能。针对电机滚转试验台的性能特点，给出了低惯性质量(低冲程体积，约为1.4 L)的汽车发动机的不同程序和具有高惯性质量(高冲程体积大于1.4 L的发动机和柴油发动机)的车辆。测量的一个先决条件和其他部分是电动机以恒定的力(或可预测的功率过程)推动，而滚子试验的惯性质量被降低到它自己的圆周。恒功率由附加变频器提供。电力系统的功率由电动机的起动参数根据方程(2)计算。
在电机滚子加速过程中，不仅要克服惯性，还要克服机械损耗、空气阻力损失等。为了消除这些损失，使用了加速，这是测量期间的减速辊试验(电动机)。减速适用于其他步骤，其目的与此步骤相同。
- 小型发动机惯性质量的测量比较简单。车辆的发动机在怠速转速旋转，选择的齿轮速度是提高(推荐是第二)。试验台上的滚子是由车辆的车轮驱动的，这些车轮是根据发动机的怠速旋转而旋转的。之后，滚子试验台上的电机被连接起来，变频器设定的转速比对应于车辆怠速转速的转速高。所有的旋转质量都是利用电机的已知功率来加速的。msm的旋转质量和质量惯量，减小了滚筒的尺寸，用方程(6)计算。
(b)对于惯性质量较大的车用发动机，加速测试空转转速的所有旋转质量是不够的。首先，滚轮上的车辆是用自己的发动机启动的，速度约为50公里/小时，然后电机连接。一个油门踏板完全释放，所有旋转的质量开始减速。驱动试验台滚子的电动机的性能减缓了减速速度。再一次，它被加速到50公里/小时，然后减速。然而，在这种情况下，电机被关闭(消除损失)。msm 的旋转质量和质量惯量，减小了滚筒的尺寸，在这种情况下是由等式(7)计算的，这就像等式(8)一样。
在第三步中，必须设置可选的齿轮。然后齿轮在燃料的充分供应加速到预定速度(超过发动机的速度，最大允许的速度限制)。当达到预定速度时，油门踏板在离合器上的踏板释放。根据试验台的加减速效果，计算了试验台辊停止后的性能参数。得到的性能数字是这些值在特定速度下的总和(Eqs.(8)和(9))。
在第四步中，除了发动机和变速箱的相关部件外，还需要确定所有旋转部件的惯性质量。程序与第二步相同，但没有任何换档。计算是根据方程(12)进行的。
3、结果和讨论
该测量程序可应用于任何客车。限制只与以下事实有关：车辆不能用自动变速器的四轮驱动装置测量，而在选定的齿轮下车速超过140千米/小时的车辆则不能测量。由于测量的动态原理，压路机试验台没有任何限制(能量是由发动机本身的惯性消耗的)。
3.1. 火花点火发动机车辆
汽油车辆的测量通常比较容易，结果也更能反映实际情况。涡轮增压发动机，它主要是柴油机，因此是个例外。柴油机的测量描述了涡轮增压发动机的测量方法。
在测量过程中，必须记住，发动机运行的控制单元达到比柴油发动机更高的速度。因此，有必要在较高的发动机转速下减去测量的惯性，这已经进行了这种干预。
发动机控制单元，在较低的齿轮，只允许一个有限的扭矩在少数情况下。在这种情况下，必须对较高的齿轮进行测量。这类测量的示例如下图四所示。
图四、以第二和第三的速度来衡量的Peugeot (标致)107汽车的1.0dm3发动机的性能参数
图五、发动机性能参数：(1)1.6 MPi Skoda Octavia(斯柯达明锐) II (2)1.4 MPi Peugeot(标致) 206 (3)1.4 MPi Seat Cordoba
图五显示发动机输出参数的一个比较: (1)1.6 MPi Skoda Octavia(斯柯达明锐)II(75千瓦)(2)1.4 MPi Peugeot(标致) 206(55千瓦)(3) 1.4 MPi Seat Cordoba (44千瓦)。每台电动机的观测转动惯量(Eq.(13))是 Skoda(斯柯达) 0.17 kg·m2，Peugeot 0.1kg·m2 和Seat 0.14 kg·m2 。Skoda (斯柯达)和Seat机动车辆性能参数的测量值与表格数据相吻合。Peugeot(标致)机动车辆没有达到表值(功率下降了约10%)。
3.2. 柴油车
柴油车辆的测量通常很复杂，测量结果与测功机上的测量结果不一致。一方面，受迫感应的影响，涡轮增压器在低转速下的增压效率很低；另一方面，高转速可能会超过预期值。因此，与短期名义性能相比，有可能达到更高的性能.
测量过程中没有达到最大扭矩，因为这个最大值是在低发动机转速时达到的。当一个较高的齿轮被移动时，几乎可以达到最大值。如图六所示。
图七显示了发动机性能参数的一个比较：(1) 2.0 HDi Citroen(雪铁龙) Xantia (芯片调音后88千瓦) ,(2)2.0 TDi Skoda Octavia(斯柯达明锐) II(103千瓦)， (3)1.9 TDi PD Volkswagen Golf V(大众高尔夫).(77千瓦)。观察到的发动机惯性矩（公式（13））为雪铁龙0.30 kg·m2，斯柯达0.32kg·m2和大众0.25kg·m2。
图六、动态性能参数测量中换挡齿轮的选择对涡轮增压气压力的影响
图七、发动机性能参数：: (1) 2.0 HDi Citroen(雪铁龙) Xantia, (2) 2.0 TDi Scaron;koda Octavia (斯柯达明锐)II, (3) 1.9 TDi PD Volkswagen Golf V(大众高尔夫).
根据这些特征，发动机雪铁龙性能参数的不一致性是相当明显的。达到的功率应该是88 千瓦。然而，它只达到了57 千瓦。因此该车辆在进气或涡轮增压器方面有缺陷。进气口的故障被诊断，证实了摄入不足，空气重量
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