基于LabVIEW的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)油耗與動(dòng)力性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廖燕輝

摘 要：運(yùn)用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡把發(fā)動(dòng)機(jī)和PC機(jī)中的LabVIEW程序連接起來，搭建汽車發(fā)動(dòng)機(jī)油耗與動(dòng)力性能的虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)，研究發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和油耗。用LabVIEW（虛擬儀器）軟件編寫程序、收集發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和噴油脈沖寬度，檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩（動(dòng)力性）和油耗（噴油量）。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;發(fā)動(dòng)機(jī)油耗;動(dòng)力性能

1 引言

各大廠商不斷地投入巨資開展新能源汽車的研究，希望在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中保持競(jìng)爭(zhēng)力。盡管新能源汽車成為了汽車工業(yè)的發(fā)展方向，可是新上市新能源汽車中的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)配電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的車型仍然使用了燃油發(fā)動(dòng)機(jī)、而且中國(guó)2億多輛的汽車保有量中大部分還在用燃油發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，開發(fā)低成本的、能夠快速、便捷地檢測(cè)油耗和動(dòng)力性能的裝置，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的油耗和動(dòng)力性能進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，是有意義的。

國(guó)內(nèi)外的研究者為了使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性達(dá)到更高的標(biāo)準(zhǔn)，不斷地致力于發(fā)動(dòng)機(jī)的各類測(cè)試與研究工作。使用傳統(tǒng)的設(shè)備（測(cè)功機(jī)、扭矩測(cè)試儀）測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、扭矩，購(gòu)置測(cè)功機(jī)或扭矩測(cè)試儀的費(fèi)用動(dòng)輒幾萬到幾十萬不等;用傳統(tǒng)的第五輪儀測(cè)試汽車的加速性能（動(dòng)力性能）、燃油經(jīng)濟(jì)性能（油耗），一套第五輪儀的價(jià)格也要幾萬元。高昂的設(shè)備費(fèi)用，使很多研究人員一籌莫展，阻礙了他們的研究進(jìn)展。用傳統(tǒng)的方法測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，不但成本很高，便捷性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

測(cè)功機(jī)和第五輪儀的購(gòu)置費(fèi)用高昂，便捷性也較低，為了克服這些問題，本設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是在低成本、快速、便捷和準(zhǔn)確的前提下，使用 LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)程序，這個(gè)程序能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況，準(zhǔn)確地計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和油耗。通過實(shí)驗(yàn)的方式找到計(jì)算油耗的數(shù)學(xué)公式，并在LabVIEW程序中使用這條數(shù)學(xué)公式來準(zhǔn)確地計(jì)算油耗;通過查找文獻(xiàn)的方法，確定能夠準(zhǔn)確地計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的數(shù)學(xué)公式，并在LabVIEW程序使用這條數(shù)學(xué)公式來準(zhǔn)確地計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩大小。

3 確定數(shù)學(xué)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，主要是按照新鮮空氣進(jìn)入量的多少、不同的轉(zhuǎn)速值來決定噴油脈寬，由噴油脈寬來控制噴油器打開的時(shí)間，在噴油壓力一定的情況下，噴油脈寬決定了噴油量。因此，可以通過噴油脈寬的數(shù)值來計(jì)算噴油量，但是噴油脈寬和噴油量之間還沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)公式，而在LabVIEW程序設(shè)計(jì)過程中，又要建立噴油脈寬和噴油量的數(shù)學(xué)模型來換算油耗。因此，第一步的工作時(shí)做實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)并采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（噴油脈寬、噴油量）。常規(guī)的噴油器清洗機(jī)能夠像發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制系統(tǒng)一樣，控制噴油脈寬的大小。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油脈寬和噴油量，使用常規(guī)的噴油器清洗機(jī)設(shè)置噴射時(shí)間、模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程來收集[1]。對(duì)于沒有成熟的關(guān)系曲線的、離散的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，收集到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之后，通?？梢赃\(yùn)用excel、MATLAB等軟件分析它們之間的關(guān)系曲線（對(duì)應(yīng)關(guān)系），得到設(shè)計(jì)者所期望的、準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)關(guān)系。得到準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)關(guān)系之后， 就可以根據(jù)某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的噴油脈寬的總值來計(jì)算出總的噴油量（油耗）值。

發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩與轉(zhuǎn)速之間蘊(yùn)含著一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，已經(jīng)有同行通過實(shí)驗(yàn)的方式得出了經(jīng)驗(yàn)公式。發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式已經(jīng)成熟[2]，在LabVIEW程序中可以借鑒已有的成熟經(jīng)驗(yàn)公式，使用它來準(zhǔn)確地計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的扭矩。本系統(tǒng)采取以下經(jīng)驗(yàn)公式：

T——發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩;TT——最大扭矩;Tp——扭矩（功率最大時(shí)）;NT——轉(zhuǎn)速（扭矩最大時(shí)）;Np——（功率最大時(shí)）;N——轉(zhuǎn)速

4 確定總體方案

在PC機(jī)中使用LabVIEW軟件，設(shè)計(jì)能夠同時(shí)測(cè)試汽車發(fā)動(dòng)機(jī)油耗與動(dòng)力性能的系統(tǒng);使用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡采集發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和噴油脈寬信號(hào)、并輸入LabVIEW軟件測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行檢測(cè)。直接從轉(zhuǎn)速傳感器接入信號(hào)，別的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾，影響準(zhǔn)確性。為了提高系統(tǒng)的檢測(cè)精度，通過LabVIEW軟件計(jì)算點(diǎn)火次數(shù)來獲得轉(zhuǎn)速信號(hào)（以四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)為例：每完成一個(gè)工作循環(huán)（曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)720度），每一缸的火花塞工作一次，即轉(zhuǎn)速n=某一缸火花塞的工作次數(shù)×2）。通過LabVIEW軟件計(jì)算噴油器每一次打開的時(shí)間長(zhǎng)短（噴油脈寬），并把噴油器在一定時(shí)間內(nèi)、每一次的開啟時(shí)間相加起來，從而得到噴油器在一定時(shí)間內(nèi)總的開啟時(shí)間，即總的噴油脈寬。

NI公司的數(shù)據(jù)采集卡具有數(shù)據(jù)調(diào)理的功能，因此不用再接入數(shù)據(jù)調(diào)理的設(shè)備。由于車上有很多傳感器和用電設(shè)備，轉(zhuǎn)速信號(hào)和噴油脈寬信號(hào)輸入數(shù)據(jù)采集卡的這一段線路，比較容易受到其它信號(hào)的干擾，因此要選用抗干擾性強(qiáng)的導(dǎo)線來傳輸轉(zhuǎn)速和噴油脈寬信號(hào)，保證信號(hào)不失真、提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。LabVIEW平臺(tái)主要完成以下工作：設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡的物理通道、建立油耗和扭矩的計(jì)算公式、建立數(shù)學(xué)公式的信號(hào)輸入路徑、設(shè)置顯示界面（像傳統(tǒng)儀表一樣的仿真儀表，適應(yīng)用戶的傳統(tǒng)習(xí)慣）、設(shè)置數(shù)據(jù)的自動(dòng)保存功能和路徑（方便試驗(yàn)結(jié)束之后查找、分析數(shù)據(jù)）?？傮w方案如圖1所示。與傳統(tǒng)的方法相比，本方案的特點(diǎn)是成本低、靈活方便、便捷性較高。

5 實(shí)車測(cè)試方案

第一步，用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡把虛擬儀器的軟件和發(fā)動(dòng)機(jī)硬件連接起來;第二步是控制發(fā)動(dòng)機(jī)在各類工況下運(yùn)行，檢測(cè)各類工況下的油耗和扭矩。把實(shí)測(cè)油耗與電子秤（每次試驗(yàn)開始前對(duì)油箱稱重、結(jié)束后再次稱重，油耗等于開始試驗(yàn)前的油箱重量減去試驗(yàn)結(jié)束后的油箱重量）或者油耗儀測(cè)得的結(jié)果作綜合比較;每一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的資料，參數(shù)介紹部分都會(huì)標(biāo)明最大扭矩，因此，只要把實(shí)測(cè)扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)（最大扭矩）作比較，以此來驗(yàn)證本測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

6 實(shí)車測(cè)試結(jié)果分析

本系統(tǒng)利用最大扭矩185N.m、綜合油耗5.6L/100千米的某款車開展測(cè)試。經(jīng)過實(shí)車運(yùn)行的檢測(cè)結(jié)果表明，虛擬儀器的油耗和扭矩測(cè)試平臺(tái)的輸出結(jié)果精確，可以滿足實(shí)車測(cè)試的需求。對(duì)于其他車型，只需要使用噴油器清洗器做實(shí)驗(yàn)就可以找出不同車型的噴油脈寬和噴油量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并在程序中修改相應(yīng)的參數(shù)就能夠開展測(cè)試，推廣性較強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜燦誼，基于虛擬儀器的汽車油耗測(cè)試儀的研制[J].汽車科技，2008，4：50-53.

[2]徐寶云，陳民鑒，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式試驗(yàn)研究[J].兵工學(xué)報(bào)坦克裝甲車與發(fā)動(dòng)機(jī)分冊(cè)，1996，2：7-11.