全付付,寧輝政,蔡旭平,黃曉蓉,宋 洋,陸 英

（1.廣西壯族自治區(qū)計(jì)量檢測(cè)研究院，廣西 南寧 530007；2.中國測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

新型汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量儀校準(zhǔn)裝置研究

全付付1,寧輝政1,蔡旭平1,黃曉蓉2,宋 洋1,陸 英1

（1.廣西壯族自治區(qū)計(jì)量檢測(cè)研究院，廣西 南寧 530007；2.中國測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

針對(duì)傳統(tǒng)汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量儀校準(zhǔn)裝置的弊端，提出新的測(cè)量解決方案，并研制出溯源鏈明晰、可控性強(qiáng)、無污染且便于攜帶的校準(zhǔn)裝置，通過實(shí)驗(yàn)比對(duì)驗(yàn)證了新校準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確性與可靠性。

汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)速；校準(zhǔn)裝置；振動(dòng)

0 引 言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的“轉(zhuǎn)速”不僅涉及到其功效，更與其排放密切相關(guān)，是評(píng)價(jià)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量好壞的一個(gè)基礎(chǔ)性關(guān)鍵參數(shù)[1-2]。汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量儀（以下簡稱：轉(zhuǎn)速測(cè)量儀）是用于檢測(cè)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的必備計(jì)量儀器，為保證其轉(zhuǎn)速檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確、可靠，轉(zhuǎn)速測(cè)量儀必須用準(zhǔn)確度更高一級(jí)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)儀器——汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量儀校準(zhǔn)裝置（以下簡稱：校準(zhǔn)裝置）進(jìn)行校準(zhǔn)。

1 問題的來源

轉(zhuǎn)速測(cè)量儀實(shí)際上是一種利用振動(dòng)原理來對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量的計(jì)量儀器[3-7]。當(dāng)校準(zhǔn)裝置配置的專用發(fā)動(dòng)機(jī)每次噴油時(shí)，對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油管便會(huì)因其內(nèi)部油壓急劇變化，而產(chǎn)生一次具有特征頻率的振動(dòng)。校準(zhǔn)裝置和轉(zhuǎn)速測(cè)量儀通過各自的振動(dòng)傳感器接收該振動(dòng)，并分別以采集到的特征頻率振動(dòng)為依據(jù)，將每一次振動(dòng)轉(zhuǎn)換為一個(gè)脈沖信號(hào)。由于該脈沖信號(hào)與發(fā)動(dòng)機(jī)被測(cè)缸的噴油頻率F相等，就四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)而言，由式（1）計(jì)算可得專用發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n。將校準(zhǔn)裝置和被校轉(zhuǎn)速測(cè)量儀獲得的專用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，便實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量儀的校準(zhǔn)。

在實(shí)際檢測(cè)工作當(dāng)中不難發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)的校準(zhǔn)裝置存在如下3個(gè)方面的問題[8-10]：（1）傳統(tǒng)的校準(zhǔn)裝置是以配置的專用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速（振動(dòng)）為校準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)，而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（振動(dòng)）量值又

無法溯源至轉(zhuǎn)速計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，因此傳統(tǒng)的校準(zhǔn)裝置在轉(zhuǎn)速量值溯源方面存在著嚴(yán)重缺陷；（2）受專用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)可控性的限制，傳統(tǒng)的校準(zhǔn)裝置轉(zhuǎn)速的復(fù)現(xiàn)性、穩(wěn)定性及其校準(zhǔn)范圍不僅有限，不確定度也很難滿足轉(zhuǎn)速測(cè)量儀校準(zhǔn)的要求；（3）傳統(tǒng)的校準(zhǔn)裝置采用了專用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，導(dǎo)致裝置不僅體積較大，不利于開展現(xiàn)場(chǎng)或在線校準(zhǔn)，同時(shí)還會(huì)給環(huán)境帶來不可避免的噪聲和氣體污染。

由此可見，傳統(tǒng)的校準(zhǔn)裝置存在的上述問題均源于其配置的專用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)的校準(zhǔn)裝置之所以不得不采用專用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，是基于保證校準(zhǔn)有效性的考慮，即為校準(zhǔn)提供與轉(zhuǎn)速測(cè)量儀測(cè)量對(duì)象一致的測(cè)量媒介——由發(fā)動(dòng)機(jī)噴油發(fā)出具有特征頻率的管振動(dòng)。這一振動(dòng)既是保證轉(zhuǎn)速測(cè)量儀校準(zhǔn)結(jié)果有效性的基礎(chǔ)，同時(shí)也是導(dǎo)致校準(zhǔn)裝置在量值溯源性、復(fù)現(xiàn)性、穩(wěn)定性、校準(zhǔn)范圍和精度等方面存在弊端的原因所在。

2 解決方案

兼顧量值溯源關(guān)系與測(cè)量媒介兩方面的要求，在確保校準(zhǔn)結(jié)果有效性的基礎(chǔ)上，摒棄裝置配置的專用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，是解決校準(zhǔn)裝置上述問題的基本出發(fā)點(diǎn)。顯然，為確保校準(zhǔn)的有效性，新型校準(zhǔn)裝置仍應(yīng)保持以振動(dòng)為測(cè)量媒介；為打通校準(zhǔn)裝置量值的溯源通道，應(yīng)建立起該振動(dòng)與轉(zhuǎn)速計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)直接聯(lián)系的簡潔通道；為提高和擴(kuò)大校準(zhǔn)裝置的復(fù)現(xiàn)性、穩(wěn)定性、校準(zhǔn)精度和測(cè)量范圍，該振動(dòng)還應(yīng)能被準(zhǔn)確控制。

2.1 振動(dòng)發(fā)生機(jī)構(gòu)

新型校準(zhǔn)裝置特征頻率振動(dòng)發(fā)生機(jī)構(gòu)由圖1所示。敲擊錘固定在旋轉(zhuǎn)聯(lián)接軸上，旋轉(zhuǎn)聯(lián)接軸由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。變頻電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周，敲擊錘敲擊振動(dòng)管一次，振動(dòng)管對(duì)應(yīng)發(fā)出一個(gè)與專用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油管振動(dòng)的相近振動(dòng)。

圖1 新校準(zhǔn)裝置特征頻率震動(dòng)發(fā)生機(jī)構(gòu)

通過振動(dòng)管模擬的振動(dòng)，新型校準(zhǔn)裝置仍以振動(dòng)為測(cè)量媒介，保持對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量儀校準(zhǔn)的有效性；通過機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，新型校準(zhǔn)裝置十分方便，可直接地實(shí)現(xiàn)向轉(zhuǎn)速計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的量值溯源；通過計(jì)算機(jī)對(duì)變頻電機(jī)的控制，可達(dá)到提高和擴(kuò)大新型校準(zhǔn)裝置復(fù)現(xiàn)性、穩(wěn)定性、校準(zhǔn)精度及校準(zhǔn)范圍的目的。

由于振動(dòng)管與發(fā)動(dòng)機(jī)高壓噴油管振動(dòng)的產(chǎn)生方式不同，振動(dòng)管模擬出的振動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)噴油管振動(dòng)特征（頻率和振幅）的一致性，以及在不同轉(zhuǎn)速條件下抑制敲擊余震對(duì)測(cè)量的干擾，是建立新型校準(zhǔn)裝置成敗的關(guān)鍵。基于各相關(guān)因素對(duì)敲擊振動(dòng)頻率和振幅的影響，新型校準(zhǔn)裝置以汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高壓噴油管特征頻率和振幅為參考，通過對(duì)敲擊錘與振動(dòng)管的材料、形狀、敲擊管與敲擊錘的相對(duì)位置、敲擊錘與旋轉(zhuǎn)軸的聯(lián)接方式等方面進(jìn)行反復(fù)篩選、優(yōu)化和調(diào)校，不僅獲得在不同轉(zhuǎn)速條件下與噴油管振動(dòng)特征十分相近的敲擊振動(dòng)頻率和有效振幅，并抑制了振動(dòng)管余振對(duì)測(cè)量的干擾，最終達(dá)成新型校準(zhǔn)裝置測(cè)量的穩(wěn)定和可靠。

2.2 新型裝置的工作程序

如圖2所示，計(jì)算機(jī)將測(cè)量或校準(zhǔn)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為變頻器所需對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，根據(jù)脈沖信號(hào)變頻器輸出相應(yīng)的相位電壓，依據(jù)不同相位的控制電壓，磁滯同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)聯(lián)接軸輸出各種不同要求的測(cè)量或校準(zhǔn)轉(zhuǎn)速。

圖2 校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)和溯源程序示意圖

將被校轉(zhuǎn)速測(cè)量儀傳感器附置在新型校準(zhǔn)裝置的振動(dòng)管上，通過與新型校準(zhǔn)裝置顯示的轉(zhuǎn)速值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)被校轉(zhuǎn)速測(cè)量儀轉(zhuǎn)速示值的校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速表直接與新校準(zhǔn)裝置旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)耦合，通過與標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速表的示值比較，可直接、簡潔地實(shí)現(xiàn)對(duì)新型校準(zhǔn)裝置轉(zhuǎn)速量值的校準(zhǔn)。

3 驗(yàn) 證

在完成新型校準(zhǔn)裝置初步研制后，對(duì)新型校準(zhǔn)裝置的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制單元、顯示器、處理軟件進(jìn)行了全面系統(tǒng)性地優(yōu)化與集成設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)提升了新校準(zhǔn)裝置的抗干擾能力。

表1 比對(duì)驗(yàn)證結(jié)果

表2 與AVL傳感器比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證新型校準(zhǔn)裝置測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，選取了表1所示的不同制造商、不同型號(hào)的同類設(shè)備，與新型校準(zhǔn)裝置進(jìn)行了比對(duì)性驗(yàn)證（轉(zhuǎn)速比均為1∶2）。

新型校準(zhǔn)裝置還與示值誤差±1%的奧地利AVL傳感器在轉(zhuǎn)速比為1∶1條件下進(jìn)行了比對(duì)實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

由表1和表2可知，若以比對(duì)對(duì)象為參考，新型汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量儀校準(zhǔn)裝置在各種轉(zhuǎn)速條件下，其示值誤差均小于±1%，整體的測(cè)量水平至少應(yīng)與AVL傳感器相當(dāng)。

4 結(jié)束語

新型汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量儀校準(zhǔn)裝置，通過其步進(jìn)電機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速表的直接耦合，其量值溯源途徑清晰、準(zhǔn)確、可靠；通過計(jì)算機(jī)數(shù)字化控制的步進(jìn)電機(jī)所帶動(dòng)敲擊錘敲擊振動(dòng)管發(fā)出的振動(dòng)，不僅保持了測(cè)量的有效性，同時(shí)還擴(kuò)大了新型校準(zhǔn)裝置測(cè)量范圍和測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性；由于摒棄了傳統(tǒng)裝置配置的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，新型校準(zhǔn)裝置體積小、重量輕、噪音小、可操作性強(qiáng)、便于攜帶，此外還可在任意設(shè)定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速工況下，為檢測(cè)柴油車功效與污染物排放（炭煙及PM顆粒物）提供客觀、公正的基礎(chǔ)技術(shù)支持，為汽車及內(nèi)燃機(jī)支柱產(chǎn)業(yè)的質(zhì)量提升和品牌建設(shè)提供計(jì)量技術(shù)支撐。

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Study on a new type of calibration device of speed measuring instrument of automotive diesel engine

QUAN Fu-fu1，NING Hui-zheng1，CAI Xu-ping1，HUANG Xiao-rong2，SONG Yang1，LU-Ying1
（1.Guangxi Zhuang Autonomous Region Institute of Metrology and Test，Nanning 530007，China；2.National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China）

In order to overcome the disadvantages of the traditional calibration device for the speed measuring instrumentofautomotive dieselengines， this paper putforward a new measurement solutions and developed a new calibration device with the features of clear traceabiity chain，strong controllability，pollution-free and portability.Finally，the accuracy and reliability of the new calibration experiment were verified by the experimental comparisons.

automotive diesel engine；speed；calibration device；vibration

U464.172；U467.4+3；TM930.113；TP202+.1

：A

：1674-5124（2014)03-0068-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.019

2013-12-25；

：2014-02-17

全付付（1965-），男，廣西桂林市人，高級(jí)工程師，主要從事力學(xué)檢測(cè)技術(shù)研究。