發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)的開發(fā)

張銳，樓狄明（.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海20804；2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心/上海市汽車動(dòng)力總成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海20804）

發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)的開發(fā)

張銳1,2，樓狄明1
（1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804；2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心/上海市汽車動(dòng)力總成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

開發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定和性能開發(fā)試驗(yàn)自動(dòng)化運(yùn)行系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)保護(hù)策略和系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)不確定度評(píng)定、試驗(yàn)臺(tái)架傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)校核等。將自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用于試驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定和性能開發(fā)試驗(yàn)的完全自動(dòng)化，提升了試驗(yàn)效率和質(zhì)量，加快項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)度。

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架性能試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)效率

1 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定和性能開發(fā)試驗(yàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中最為重要的試驗(yàn)項(xiàng)目，關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放水平。發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)涉及到多種復(fù)雜的試驗(yàn)設(shè)備，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，數(shù)據(jù)量大，需要大量的人員和物資，要求試驗(yàn)人員具有非常高的知識(shí)水平和操作技能。試驗(yàn)人員人工操作臺(tái)架試驗(yàn)，效率較低且難以保證試驗(yàn)質(zhì)量。

為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定和性能開發(fā)試驗(yàn)的運(yùn)行效率和試驗(yàn)質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者和工程師進(jìn)行了大量的研究。采用傳感器與控制器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架進(jìn)行改進(jìn)，降低操作人員的工作難度；采用計(jì)算機(jī)控制的臺(tái)架控制系統(tǒng)，例如常測(cè)的臺(tái)架控制系統(tǒng)[1]，AVL公司PUMA自動(dòng)化發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架控制系統(tǒng)[2]，以及日本Horiba公司自動(dòng)化發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架控制系統(tǒng)[3]等等，極大地提高了臺(tái)架試驗(yàn)的運(yùn)行效率。發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)的自動(dòng)化運(yùn)行在提高臺(tái)架運(yùn)行效率領(lǐng)域已經(jīng)成為了一種必然的趨勢(shì)。

本文結(jié)合現(xiàn)有試驗(yàn)臺(tái)架，開發(fā)了一種發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)使得發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定和性能開發(fā)試驗(yàn)具備了高度自動(dòng)化運(yùn)行的能力，極大地提升了試驗(yàn)效率和試驗(yàn)質(zhì)量，節(jié)約了試驗(yàn)成本，加快了發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)項(xiàng)目的進(jìn)度。

2 系統(tǒng)功能介紹

發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)可以自動(dòng)運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定和性能開發(fā)試驗(yàn)、自動(dòng)控制多個(gè)試驗(yàn)設(shè)備、自動(dòng)判斷多個(gè)試驗(yàn)邊界并根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)策略執(zhí)行預(yù)定動(dòng)作、在線自動(dòng)監(jiān)控和實(shí)時(shí)修改發(fā)動(dòng)機(jī)ECU電控參數(shù)和燃燒參數(shù)并自動(dòng)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)和試驗(yàn)保護(hù)、自動(dòng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)[4]。

除了上述功能外，該自動(dòng)化系統(tǒng)還具有試驗(yàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)保護(hù)策略和系統(tǒng)、試驗(yàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠?qū)φ麄€(gè)試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的不確定度進(jìn)行了詳細(xì)分析，攻克了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的難題，編制了能夠根據(jù)參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行校核匹配的表格，從試驗(yàn)流程的各方面實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)自動(dòng)化處理的目標(biāo)。

2.1 試驗(yàn)臺(tái)架的硬件設(shè)備

發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)涉及許多的硬件設(shè)備，其主要硬件系統(tǒng)包括測(cè)功機(jī)和測(cè)量系統(tǒng)、燃油溫控和油耗儀、冷卻水溫控、機(jī)油溫控、進(jìn)氣空調(diào)、燃燒分析儀、ETAS測(cè)量標(biāo)定系統(tǒng)、排放分析儀、煙度計(jì)、排氣背壓閥、中冷溫控和中冷器前后壓差控制閥，臺(tái)架硬件系統(tǒng)的主要作用和特征如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架硬件系統(tǒng)

2.2 試驗(yàn)臺(tái)架的軟件系統(tǒng)

與硬件系統(tǒng)相匹配的是控制過程中使用的軟件系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架軟件系統(tǒng)主要包括臺(tái)架主控系統(tǒng)、燃燒分析儀采集軟件、INCA發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量標(biāo)定軟件等，其功能和特點(diǎn)如表2所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架軟件系統(tǒng)

2.3 自動(dòng)化系統(tǒng)的工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定和性能開發(fā)試驗(yàn)主要涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)電控和燃燒性能、試驗(yàn)臺(tái)架和儀器設(shè)備集成通信、試驗(yàn)安全、試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)、試驗(yàn)總體系統(tǒng)集成、自動(dòng)化控制和程序編程等諸多方面。發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)自動(dòng)化程序基于scripts語言編程與workflows程序控制臺(tái)架主控軟件AuSy（STARS），主控系統(tǒng)通過MEXA排放分析儀、Indicom燃燒分析儀以及Meas.Sys測(cè)量系統(tǒng)作用于發(fā)動(dòng)機(jī)。同時(shí)主控系統(tǒng)與INCA之間通過ASAP3進(jìn)行雙向通信，進(jìn)而控制ECU。主控系統(tǒng)還可以通過控制單元，控制測(cè)功機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)控。與此同時(shí)，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架還處于試驗(yàn)條件控制系統(tǒng)的監(jiān)控之下，以保障試驗(yàn)正常進(jìn)行。

在發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架系統(tǒng)中，試驗(yàn)自動(dòng)程序單元的作用是通過scripts腳本語言和workflow程序控制完成各個(gè)試驗(yàn)程序的編寫和控制。試驗(yàn)條件控制系統(tǒng)單元的作用是控制燃油溫控與壓力調(diào)節(jié)、水溫控、機(jī)油溫控、進(jìn)氣溫、濕度、排氣背壓閥、冷卻中冷器。Indicom燃燒分析儀單元用于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒情況。MEXA排放分析儀用于監(jiān)控和測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)排放。AuSy主控系統(tǒng)，執(zhí)行scripts和workflow完成的自動(dòng)試驗(yàn)程序，集成和控制各類試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)量系統(tǒng)，控制測(cè)功機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)。INCA則通過ETK/CCP協(xié)議與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU通信，通過ASAP3協(xié)議與主控系統(tǒng)完成雙向通信，能夠測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)ECU參數(shù)，同時(shí)又能修改發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定量ECU電控參數(shù)。Meas.Sys單元的作用是測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行參數(shù)?？刂茊卧獙⒅骺叵到y(tǒng)發(fā)出的命令轉(zhuǎn)換成電控信號(hào)，控制測(cè)功機(jī)。測(cè)功機(jī)為電力測(cè)功機(jī)，執(zhí)行主控系統(tǒng)和控制單元發(fā)出的控制命令，具有多種控制模式；測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩，具有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)控制能力。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)的控制

3.1 自動(dòng)化系統(tǒng)的總體架構(gòu)

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)流程中涉及到的諸多實(shí)際問題，分別研究和開發(fā)了相應(yīng)的控制系統(tǒng)，其中包括發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定和性能開發(fā)試驗(yàn)自動(dòng)化運(yùn)行系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)保護(hù)策略和系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)不確定度評(píng)定、發(fā)動(dòng)機(jī)-傳動(dòng)軸-測(cè)功機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)校核計(jì)算。這幾個(gè)部分相互聯(lián)系又分別起到了不同的作用，共同構(gòu)成了發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)的完整體系，如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖3 自動(dòng)試驗(yàn)流程

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定試驗(yàn)和性能開發(fā)試驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行，需要解決試驗(yàn)過程中會(huì)遇到的諸多問題。例如發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的復(fù)雜工況、需要調(diào)節(jié)的ECU電控參數(shù)、監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒參數(shù)、控制多個(gè)試驗(yàn)設(shè)備，同時(shí)判斷和調(diào)節(jié)多個(gè)試驗(yàn)邊界。只有解決了上述問題，才能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的自動(dòng)化運(yùn)行。通過模擬人工進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的流程，制定了自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)流程，如圖3所示。

3.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)DOE

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)需要在MAP上掃點(diǎn)，然而試驗(yàn)工況點(diǎn)并無規(guī)律可尋，并且試驗(yàn)過程中需要通過INCA調(diào)節(jié)ECU電控MAP參數(shù)。針對(duì)這一問題，要實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中無人值守和試驗(yàn)自動(dòng)化這一目標(biāo)，對(duì)自動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過離線完成試驗(yàn)設(shè)計(jì)這一階段，從而節(jié)約占用臺(tái)架運(yùn)行的時(shí)間。

在進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)DOE階段時(shí)[5]，可以使用Excel先期進(jìn)行試驗(yàn)工況點(diǎn)的離線設(shè)計(jì)。通過Excel將試驗(yàn)工況點(diǎn)轉(zhuǎn)化為excel格式的離線試驗(yàn)DOE list文件，在試驗(yàn)過程中自動(dòng)讀取list文件，就能夠進(jìn)行高度靈活化的試驗(yàn)掃點(diǎn)。ECU電控MAP參數(shù)的設(shè)計(jì)也可以通過這一方法進(jìn)行離線設(shè)計(jì)，在試驗(yàn)過程中再通過PUMA和INCA自動(dòng)讀取list文件，并修改ECUMAP。

DOE試驗(yàn)工況點(diǎn)如圖4所示。根據(jù)轉(zhuǎn)速和平均有效壓力，依照?qǐng)D中箭頭依次指向定義的工況點(diǎn)，存在為1，不存在為0，形成Excel格式的離線試驗(yàn)文件DOE list。在進(jìn)行DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，還需要對(duì)各種試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行配置。通過這種方法就可以根據(jù)具體試驗(yàn)需要，將毫無規(guī)律的試驗(yàn)工況點(diǎn)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可以自動(dòng)識(shí)別的文件，從而完成試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)。

圖4 DOE試驗(yàn)運(yùn)行點(diǎn)

圖5 workflow試驗(yàn)程序流程控制

通過Excel離線文件完成DOE設(shè)計(jì)，有效節(jié)約了以前在這一階段所占用的臺(tái)架時(shí)間，縮短了在這一階段臺(tái)架的閑置時(shí)間，極大地提高了試驗(yàn)臺(tái)架的利用率。

3.2.2 試驗(yàn)程序設(shè)計(jì)

要想實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的自動(dòng)化運(yùn)行，就需要對(duì)試驗(yàn)流程進(jìn)行編程，本程序的編程主要是基于scripts腳本語言，并采用workflow的程序控制。采用scripts腳本語言編寫各試驗(yàn)過程中所涉及到的邏輯和算法，組成了自動(dòng)試驗(yàn)程序的核心部分。workflow試驗(yàn)程序流程控制如圖5所示。可以編輯整個(gè)試驗(yàn)程序框架和控制試驗(yàn)執(zhí)行順序和流程，調(diào)用和加載其他控件和子程序。

3.2.3 試驗(yàn)運(yùn)行

在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)人員可通過實(shí)時(shí)人機(jī)界面對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。使用這套自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，可極大地簡(jiǎn)化了試驗(yàn)操作人員的具體調(diào)試時(shí)間，方便了試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

使用發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)可進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后系統(tǒng)可根據(jù)試驗(yàn)類型輸出所需要的結(jié)果，供工程師進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。下面以標(biāo)定試驗(yàn)-扭矩模型點(diǎn)火角掃描試驗(yàn)和性能試驗(yàn)-一致性檢查-萬有特性試驗(yàn)為例，展示自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)在試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析階段的表現(xiàn)。

首先在標(biāo)定試驗(yàn)上的應(yīng)用。試驗(yàn)內(nèi)容是典型的三層掃點(diǎn)試驗(yàn)，采用過量空氣系數(shù)λ開環(huán)PID控制鎖定目標(biāo)值、不同轉(zhuǎn)速和相對(duì)充氣量、不同點(diǎn)火角下的掃點(diǎn)，得到相對(duì)充氣量控制以及λ控制情況圖，如圖6所示。

圖中紅色圓點(diǎn)為相對(duì)充氣量控制點(diǎn)，綠色方點(diǎn)為λ參數(shù)。負(fù)荷分別控制在50%、100%以及120%左右，與預(yù)設(shè)值的偏差極小。λ數(shù)值在1上下浮動(dòng)，只有極少數(shù)工況點(diǎn)偏離較大。分別針對(duì)轉(zhuǎn)速2 000 r/min、相對(duì)充氣量分別為50%和120%，以及轉(zhuǎn)速3 000 r/min、相對(duì)充氣量分別為50%和100%的工況進(jìn)行試驗(yàn)，其符合控制范圍誤差均小于1%，λ范圍誤差小于0.02，且點(diǎn)火角在掃描過程中，對(duì)排溫邊界和爆震邊界程序均能夠及時(shí)判斷和響應(yīng)。采用自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，其相對(duì)充氣量控制以及λ控制的總體水平較好，能夠順利地自動(dòng)運(yùn)行標(biāo)定試驗(yàn)，各項(xiàng)邏輯和邊界處理正確，試驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，可以滿足試驗(yàn)要求。

萬有特性曲線是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要性能參數(shù)的等值曲線族，能全面反映出發(fā)動(dòng)機(jī)的各種性能，可以是等負(fù)荷、等油耗或是等排溫等一系列曲線圖。在性能試驗(yàn)方面的應(yīng)用中，以一致性檢查中的萬有特性試驗(yàn)的結(jié)果分析為例，在自動(dòng)化系統(tǒng)的幫助下，使用樣機(jī)定期對(duì)動(dòng)力總成發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)量結(jié)果的一致性進(jìn)行比較和分析，對(duì)選定的每個(gè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行負(fù)荷特性試驗(yàn)，負(fù)荷逐漸增加，直至達(dá)到該轉(zhuǎn)速下節(jié)氣門的全開扭矩。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)以一致性檢查得到的萬有特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、繪制各種特性曲線圖。對(duì)于一致性試驗(yàn)，只要結(jié)果偏差在5%以內(nèi)，則視為符合要求。

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行的可靠性，進(jìn)行了三次重復(fù)的發(fā)動(dòng)機(jī)一致性試驗(yàn)。等負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)負(fù)荷小于90%時(shí)，三次一致性試驗(yàn)得到的結(jié)果偏差非常小，幾乎完全相同。只有當(dāng)負(fù)荷大于110%后，不同負(fù)荷曲線才出現(xiàn)一定的差異。隨著負(fù)荷的逐漸增大，負(fù)荷曲線在某些速度區(qū)域出現(xiàn)了波動(dòng)，即為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的高負(fù)荷工況，不可避免地出現(xiàn)了運(yùn)行條件的波動(dòng)，但結(jié)果偏差依然在可接受的范圍內(nèi)。

等油耗萬有特性試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然三次試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一些差異，但都與數(shù)據(jù)測(cè)量、試驗(yàn)特殊性有關(guān)，且偏差均在可接受的范圍之內(nèi)。從試驗(yàn)結(jié)果整體來看，自動(dòng)化系統(tǒng)下一致性試驗(yàn)的結(jié)果是可靠的，一致性檢查試驗(yàn)合格，符合試驗(yàn)的要求。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)，除了控制試驗(yàn)自動(dòng)運(yùn)行的系統(tǒng)外，還有對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的系統(tǒng)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件控制。

3.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況實(shí)時(shí)控制

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)控制是由臺(tái)架主控系統(tǒng)通過電力測(cè)功機(jī)完成。

（1）電子油門E-GAS：發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架自動(dòng)化試驗(yàn)系統(tǒng)必須采用電子油門E-GAS的控制方式，E-GAS的有效控制精度達(dá)到0.1%的油門開度，E-GAS通過控制油門電壓來控制節(jié)氣門開度，電子油門電壓的標(biāo)定需要根據(jù)實(shí)際電控系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定過程中需要知道油門開度α為100%和0%時(shí)分別對(duì)應(yīng)的電壓值。出于安全方面的考慮，另外一路電壓為該路的一半，對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

圖6 標(biāo)定試驗(yàn)相對(duì)充氣量控制及λ控制情況

表3 E-GAS電壓關(guān)系

（2）測(cè)功機(jī)控制模式：測(cè)功機(jī)的控制模式對(duì)應(yīng)的含義如表4所示。

表4 測(cè)功機(jī)控制模式

3.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件控制

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)運(yùn)行需要確保多個(gè)運(yùn)行條件。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件控制，主要是控制試驗(yàn)室公用動(dòng)力控制、機(jī)油溫度控制，冷卻水溫度和壓力控制、中冷器溫度和壓差控制、背壓控制、進(jìn)氣溫度和濕度控制以及燃油溫度和壓力控制[6]。

3.3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)和燃燒實(shí)時(shí)控制

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制：發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架與ECU的實(shí)時(shí)通信和控制原理如圖7所示。ASAP3服務(wù)器建立在主控系統(tǒng)上，通過ASAP3協(xié)議與INCA通信，INCA通過ETK/CCP協(xié)議與ECU通信，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)臺(tái)架測(cè)量ECU參數(shù)，還能實(shí)現(xiàn)臺(tái)架實(shí)時(shí)修改ECU參數(shù)，諸如標(biāo)定量和ECU電控MAP，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制發(fā)動(dòng)機(jī)ECU電控系統(tǒng)的功能[7]。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制原理

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒實(shí)時(shí)控制：發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的實(shí)時(shí)控制是通過發(fā)動(dòng)機(jī)ECU電控系統(tǒng)改變發(fā)動(dòng)機(jī)電控參數(shù)和通過AuSy改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷達(dá)到控制發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的目的，通過Indicom燃燒分析儀和MEXA排放分析儀監(jiān)控和判斷發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒情況，其控制原理如圖8所示。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒實(shí)時(shí)控制原理

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)可以在后臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行，在試驗(yàn)過程中無需手動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，就可以控制發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒目標(biāo)值；實(shí)時(shí)系統(tǒng)可以自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在目標(biāo)燃燒工況內(nèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒控制參數(shù)如表5所示，其中“最佳50℃A角度自動(dòng)控制”表示50%燃燒放熱率所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。

表5 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒控制參數(shù)

3.4 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)保護(hù)策略和系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)保護(hù)策略和系統(tǒng)分為發(fā)動(dòng)機(jī)邊界條件和常規(guī)失效保護(hù)以及發(fā)動(dòng)機(jī)異常燃燒保護(hù)。

3.4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)邊界條件和常規(guī)失效保護(hù)

發(fā)動(dòng)機(jī)的邊界條件[1]以及常規(guī)失效保護(hù)包括全局參數(shù)保護(hù)、針對(duì)不同試件的保護(hù)、運(yùn)行條件諸如機(jī)油壓力中冷溫度等、檢查MEXA以及早期故障/失效診斷等。

（1）全局參數(shù)保護(hù)：全局性參數(shù)保護(hù)不針對(duì)具體試件，是通用的保護(hù)參數(shù)，包含臺(tái)架試驗(yàn)通用的邊界限值和試驗(yàn)運(yùn)行條件保護(hù)。

（2）針對(duì)試件的參數(shù)保護(hù)：針對(duì)試件的參數(shù)保護(hù)，需要針對(duì)不同試件設(shè)置特定的保護(hù)參數(shù)，包括試件特殊保護(hù)，以及試件常規(guī)保護(hù)和邊界條件保護(hù)的設(shè)置。

（3）機(jī)油壓力的分段保護(hù)和中冷溫度的MAP邊界：機(jī)油壓力是隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的，如果僅設(shè)置2檔報(bào)警的話，則會(huì)發(fā)生高轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力已經(jīng)下降到異常值的現(xiàn)象，會(huì)出現(xiàn)沒有觸發(fā)低值報(bào)警的情況。為了避免這種現(xiàn)象，可以采取隨轉(zhuǎn)速變化的分式動(dòng)態(tài)報(bào)警模式。

（4）碳原子平衡法計(jì)算空燃比：根據(jù)MEXA測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣成分，利用碳原子平衡法可以計(jì)算出λ值，通過與ES630測(cè)量出的λ值進(jìn)行比較，可以檢查MEXA測(cè)量的排氣成分的正確性。

（5）早期故障/失效診斷：試驗(yàn)過程中可以利用早期故障診斷儀進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)失效早期診斷。

3.4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)異常燃燒保護(hù)

發(fā)動(dòng)機(jī)在開發(fā)過程中，尤其是標(biāo)定和性能開發(fā)早期，整體的標(biāo)定數(shù)據(jù)不完善，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒情況不穩(wěn)定，這個(gè)階段尤其需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的各種異常燃燒進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)，尤其是對(duì)于增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)至關(guān)重要，表6為針對(duì)各種異常燃燒情況的監(jiān)控和保護(hù)策略。

表6 發(fā)動(dòng)機(jī)異常燃燒保護(hù)策略

對(duì)于異常燃燒中的爆震現(xiàn)象，其分為輕度爆震、中度爆震和超級(jí)爆震三級(jí)。而輕度爆震對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)危害很小，超級(jí)爆震危害很大，有可能損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，必須避免。在爆震發(fā)生時(shí)，需要判斷爆震的程度繼而采取不同動(dòng)作，可利用EMS爆震系統(tǒng)點(diǎn)火角推遲情況判斷，以及利用Indicating系統(tǒng)進(jìn)行判斷。

3.5 臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)不確定度評(píng)定

根據(jù)JJF 1059.1-2012“測(cè)量不確定度評(píng)定”，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)時(shí)比油耗測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定，計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗測(cè)量不確定度的水平，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果找到降低測(cè)量不確定度的方法，為提高試驗(yàn)測(cè)量水平提供幫助。

降低發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗測(cè)量不確定度有許多方法，例如通過提高測(cè)量次數(shù)進(jìn)而提高有效自由度的方法來減小不確定度，更換精度更高、測(cè)量不確定度更小的油耗儀減少其不確定度。

3.6 傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)校核計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)建立和分析了測(cè)功機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)雙質(zhì)量系統(tǒng)模型，計(jì)算了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和臨界轉(zhuǎn)速，分析彈性傳動(dòng)軸的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求。從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面考慮，設(shè)計(jì)出彈性聯(lián)軸器傳動(dòng)軸，為避免整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)發(fā)生不良的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，編制了Excel校核計(jì)算表格。

4 自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用與效率分析

4.1 自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用

發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，第一步是對(duì)試驗(yàn)內(nèi)容和試件基本信息進(jìn)行記錄和輸出，從而使系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)的初始化設(shè)定，以減少人工失誤。第二步是按照機(jī)型項(xiàng)目編排選擇，按照項(xiàng)目試件分類配置對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，打開對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)項(xiàng)目，使得系統(tǒng)能自動(dòng)完成各項(xiàng)配置。下一步根據(jù)具體試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行測(cè)量參數(shù)的模塊化，并添加對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式。最后，運(yùn)行自動(dòng)化系統(tǒng)，自動(dòng)加載各項(xiàng)設(shè)置參數(shù)，此時(shí)操作人員不需要進(jìn)行任何操作，可直接進(jìn)行試驗(yàn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)性能加試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用，使得試驗(yàn)可自動(dòng)運(yùn)行，且無人值守，自動(dòng)試驗(yàn)過程中可對(duì)試驗(yàn)工況進(jìn)行總覽，監(jiān)控具體參數(shù)，對(duì)關(guān)鍵監(jiān)控參數(shù)示波器進(jìn)行顯示，對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行控制，同時(shí)可對(duì)報(bào)警及時(shí)進(jìn)行提示，并進(jìn)行相關(guān)操作。

發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)可應(yīng)用于多個(gè)實(shí)際的標(biāo)定試驗(yàn)和臺(tái)架性能試驗(yàn)中，將其應(yīng)用到NLE/SGE/NSE（上汽乘用車榮威、名爵旗下車型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型代號(hào)）系列發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)項(xiàng)目臺(tái)架標(biāo)定和性能開發(fā)試驗(yàn)中，提高了試驗(yàn)質(zhì)量和試驗(yàn)效率，減少了人員配置和工作量，縮短了試驗(yàn)開發(fā)周期和節(jié)約了試驗(yàn)費(fèi)用，加快了項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)度，得到了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定和性能開發(fā)、NLE/SGE/NSE發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目等相關(guān)部門的充分認(rèn)可。

4.2 試驗(yàn)效率分析

發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)就是臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)軌蜃詣?dòng)運(yùn)行，與以前消耗大量時(shí)間的手動(dòng)試驗(yàn)相比，節(jié)約了試驗(yàn)時(shí)間和成本，達(dá)到了提高試驗(yàn)效率的目的。所以對(duì)手動(dòng)試驗(yàn)耗時(shí)和自動(dòng)試驗(yàn)耗時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以萬有特性試驗(yàn)和充氣模型VVT（取定發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不同相對(duì)進(jìn)氣量下進(jìn)行點(diǎn)火提前角掃描）掃描試驗(yàn)為例，采用自動(dòng)化系統(tǒng)的試驗(yàn)時(shí)間與普通技師和熟練技師手動(dòng)試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間，比較結(jié)果如圖9所示。

將自動(dòng)化系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于臺(tái)架試驗(yàn)，表7和表8分別為標(biāo)定試驗(yàn)和性能試驗(yàn)的效率提升情況?？紤]到性能試驗(yàn)的時(shí)間統(tǒng)計(jì)為單次試驗(yàn)，而實(shí)際試驗(yàn)過程中需要反復(fù)進(jìn)行，由于統(tǒng)計(jì)標(biāo)定試驗(yàn)和性能試驗(yàn)所占比重相當(dāng)，則采用發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)后，其綜合試驗(yàn)效率提升了31.4%，標(biāo)定性能臺(tái)架試驗(yàn)一般每小時(shí)1 500～2 000元，以試驗(yàn)時(shí)間180 h計(jì)算，則可節(jié)約27～36萬元。

圖9 萬有特性和充氣模型掃描試驗(yàn)比較

表7 標(biāo)定試驗(yàn)效率提升統(tǒng)計(jì)

表8 性能試驗(yàn)效率提升統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

本文為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的運(yùn)行效率，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的具體情況，開發(fā)了“發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)”。

主要介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)的基本原理和主要系統(tǒng)組成，包括發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定和性能開發(fā)試驗(yàn)自動(dòng)化運(yùn)行系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)保護(hù)策略和系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)不確定度評(píng)定、試驗(yàn)臺(tái)架傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)校核等幾部分，介紹了組成系統(tǒng)的控制原理。

發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用于多個(gè)自動(dòng)試驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了試驗(yàn)效率提升分析。發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定和性能開發(fā)試驗(yàn)的全自動(dòng)化，貫穿于整個(gè)試驗(yàn)流程，提升了試驗(yàn)效率和質(zhì)量，節(jié)約試驗(yàn)成本，加快項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)度。

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DevelopmentofEngine Performance Bench TestAutomation System

Zhang Rui1,2,Lou Dim ing1
（1.TongjiUniversity,SchoolofAutomotive Studies,Shanghai201804,China;2.SAICGroup Co.,Ltd, Technical center/ShanghaiAutomotive Powertrain Key Laboratory,Shanghai201804,China)

Developing the engine bench testautomation system,including engine automatic calibration and performance testsystem,engine bench test real-time controlsystem,engine testand protection system, engine bench test evaluation of uncertainty in measurement system,torsional vibration check system.The automatic system is applied to the test project,which realizes the complete automation of the engine bench calibration and the performance development test,improving the testefficiency and quality,and speeding up the projectdevelopmentschedule.

engine bench,performance test,automation system,efficiency

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.03.008

來稿日期：2017-06-20

張銳（1977），男，工程師，主要研究方向?yàn)閯?dòng)力總成試驗(yàn)。