关于发动机输出扭矩的测量
吴有生:关于发动机输出扭矩的测量
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关于发动机输出扭矩的测量
About Engine Output Torque Survey
吴有生
(凯迈洛阳机电有限公司, 河南洛阳471003)
摘 要:介绍发动机的工作原理导致了输出扭矩的波动, 并分析了扭矩测量方法, 以及扭矩信号的采集和数据处理方法。关键词:发动机; 扭矩
1 引言
在发动机的测试中, 扭矩是个很重要的参数, 是评价发动机性能指标的重要依据。由于发动机的工作原理决定了它的输出扭矩是周期波动的, 而且波动周期又直接与转速息息相关, 所以对于测功机控制系统来说, 控制系统的稳定性以及扭矩信号的采集处理方法都直接影响着扭矩测量值的准确性。2 发动机的工作过程
下面仅以四冲程发动机为例进行讨论。
四冲程发动机实际工作循环由进气、压缩、做功、排气四个行程组成, 对于四冲程发动机来说, 曲轴每转两转, 活塞往复运动四个行程,
发动机完成一个工作循环。
所以对于单缸发动机来说, 只有做功行程产生动力, 其它三个行程都要消耗动力。为了维持运动, 发动机必须有一个储备能量的较大飞轮。即使如此, 发动机运转仍然是不平稳的, 作功行程快, 其它行程慢。
多缸发动机是在曲轴转角720 内, 各缸都要象单缸发动机一样完成一个工作循环。为了使发动机运转平稳, 各缸作功间隔角大都均等。如四冲程六缸发动机各缸作功间隔角为 =720 /6=120 , 即曲轴每转120 就有一个缸作功, 各缸作功行程略有搭接, 这样发动机运转较单缸发动机平稳得多。另外, 由于各缸的作功行程为其它缸的准备行程提供动力, 所以贮存能量的飞轮也较单缸发动机小得多。四缸发动机从理论上讲作功冲程就已连续, 而六、八缸发动机都有作功重叠, 且缸数越多、重叠得就越大, 发动机运转得就越平稳。3 发动机输出扭矩的测量处理
当测功机控制系统工作在恒转速控制方式下时, 是通过不断调整测功机的励磁(或水门等) 使发动机转速维持恒定的, 测功机拉压力传感器是在维持力矩平衡的情况下测出的扭矩, 显然拉压力传感器是间接测量, 它测出的扭矩并不能真实反映发动机输出扭矩的瞬时值, 只能通过测出的扭矩计算出在一段时间内发动机输出扭矩的平均值, 即发动机输出扭矩的等效平均扭矩值。而对于直接安装于发动机与测功机之间传动轴上的扭矩传感器, 由于扭矩是直接测量, 它真实反映了发动机输出扭矩的瞬时值。所以对于快速扭矩测试, 可用扭矩仪或HB M 扭矩法兰直接测量。
图1
图1所示为单缸发动机的示功图, 其中ra 线为进气行程, ac 线为压缩行程, czb 线为做功行程, br 为排气行程。可见, 气缸压力是剧烈变化的, 其中做功行程具有较高的压力, 最高压力点z 就出现在该行程中, 进气行程和排气行程具有较低的压力, 最低压力接近大气压力p 0。也就是说, 发动机在z 点具有最大的输出扭矩, 而最小输0由于绝大多数发动机的转速低于6000r/min(或100r/s) , 也就是一个工作循环大于20ms, 根据采样定理, 采样控制时间最长为10ms 。即测功机控制系统的采样控制周期最低要求是10ms 。采样控制时间应根据处理器速度及处理任务决定, 最长不应超过10ms 。
测功机拉压力传感器输出的微弱扭矩信号经过信号调理电路调理放大后, 再通过RC 低通滤波器, 滤除其中A/D
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转换, 将扭矩模拟信号变换为数字信号读入计算机内, 以进一步进行实时控制和显示处理。由于扭矩信号是周期信号, 周期一般大于20ms, 即频率小于50Hz, 所以RC 低通滤波器必须选择合适的R 、C
参数。
计量与测试技术! 2010年第37卷第8期
中T 为滤波时间。设x 扭矩且为滤波器输入, y 为滤波器输出, 则
y (s) =TS +1x (s) TSy (s) +y (s) =x (s )
(1) (2)
设Ts 为采集控制时间, y i 为i 时刻滤波器输出值, y i -1为i -1时刻滤波器输出值, x i 为i 时刻扭矩采集值, 对(2) 进行离散化处理, 则
图2
对于图2中所示的RC 低通滤波器f 3db=2 RC , 如果取f 3db=50Hz, R =10K , 则C =0 3183! F, 取C =0 33! F 。
为了扭矩采集值的准确性, 所以连续采集3次, 然后根据采集值进行处理。
int Calc Aveger(int value[], int Limit) //value 为采集值数组, Limit 为采集值的允差
{int i, x[3], Erre[2], Result;
for(i=0; i
ResultSort(x, 3) ; //对有3个数据的数组x 进行从小到大排序
Erre[0]=x[1]-x[0];
Erre[1]=x[2]-x[1];
if((Erre[0]
else if(Erre[0]
else if(Erre[1]
else Result =x[1]; return Result; }
由于需要测试出发动机输出扭矩的平均值, 所以用一阶滤波器
对扭矩采集值滤波以得到平均值, 其TS +1
i i +y i =x i (3) Ts (1+Ts ) y i =Ts i -1+x i (4) 设∀=, 则
Ts y i =y i -1+x (5)
i
x i -y i -1
(6) y i =y i -1+
可见, 每次输出值都是对上次的输出值附加一个修正T
量, 修正量的大小取决于采集值与上次输出值的差值及∀。
对于采集控制时间Ts =10ms, 滤波时间T =2s , 则∀=
=200, 所以Ts
x i -y i -1
y i =y i -1+(7)
201
进行采集控制的计算机大多是运算速度不是很高的
计算机, 为了提高运算速度, 节约宝贵的时间, 往往只进行整数的运算, 而对于(7) 来说, 由于修正量太小, 在计算时也会产生舍入误差, 因此(7) 乘以201, 同时令A i =201y i , A i -1=201y i -1, 可得
A i =A i -1+
x i -A i -1201
(8) A i
。201
计算机按照(8) 进行滤波计算, 其中输出y i =4 结论
对发动机输出扭矩的测量处理方法直接影响扭矩测试值的准确性和稳定性, 同时又要考虑快速性的要求。
参考文献
[1]孙军. 汽车发动机原理[M]. 合肥:安徽科学技术出版社, 2001:1-22. 作者简介:吴有生, 男, 工程师。工作单位:凯迈(洛阳) 机电有限公司。通讯地址:471003河南省洛阳市涧西区丽春西路凯迈机电公司。收稿时间:2010-03-09
(上接第40页)
由以上分析可知, 在出租车计价器的实际检定工作中, 不论其车型、轮胎型号等如何变化, 只要知道检定时出租车当前K 值和所检的实际距离于标准距离的差之后, 即可准确计算出所需调整的转数的大小, 做到调整的
一次到位, 避免重复劳动, 有效的提高了检定工作效率,
并使检定调整后的计价器科学、公正。
作者简介:毛世英, 女, 工程师。工作单位:天津市静海县质量技术监督局。通讯地址:301600天津市静海县静文路26号。收稿时间:2010-03-23