馬東元 黃旭 陳楠 張偉 許偉利

中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所 天津市 300400

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的“熱試”需要在專門的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。由該試驗(yàn)臺(tái)提供發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行所需的水、油、電、氣等基本條件，并通過(guò)預(yù)設(shè)程序指令或手動(dòng)控制，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)使其處于不同的運(yùn)行狀態(tài)，使?jié)撛诘娜毕荼┞冻鰜?lái)，為發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量改進(jìn)提供參考。基于LabVIEW 平臺(tái)的編程控制具有模塊化、直觀化的特點(diǎn)，同時(shí)還提供了若干種調(diào)試工具，能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)熱磨合試驗(yàn)中的多種調(diào)試需求，是發(fā)動(dòng)機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)中較為常用的工具之一。

1 基于LabVIEW 的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)熱磨合試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)將滿足試驗(yàn)臺(tái)的電力需要，總電源為380V 三相交流電，之后通過(guò)變壓器、整流器的作用，實(shí)現(xiàn)電力分配，以滿足其他系統(tǒng)的正常用電需求。除了水箱加熱器和起動(dòng)機(jī)可直接供電外，像伺服控制系統(tǒng)、供油供氣系統(tǒng)等，都需要在電路中使用電氣隔離措施，降低電壓以保護(hù)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。例如ECU 通信系統(tǒng)需要使用12V 電源供電，必須加裝隔離變壓器將高壓變?yōu)榈蛪海拍軡M足ECU 通信裝置正常用電需求。

1.2 供油系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的用油需求，同時(shí)還具備了：（1）燃油自動(dòng)回收功能，在發(fā)動(dòng)機(jī)熱磨合試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)壓力差使油路中剩余的燃油重新流回油箱內(nèi)；（2）液位控制功能。利用油箱內(nèi)的傳感器，感知液位變化情況。若實(shí)際液位低于設(shè)計(jì)值，則根據(jù)預(yù)設(shè)程序啟動(dòng)供油電磁閥打開，向油箱內(nèi)加油。當(dāng)液位達(dá)到上限后，自動(dòng)停止加油。該系統(tǒng)的各個(gè)管路中都使用了獨(dú)立的氣動(dòng)閥，具體又可分為放氣閥、進(jìn)油閥、減壓閥等若干類型。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及運(yùn)行原理如圖1所示。

圖1 供油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)提供冷卻液，帶走發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱量，使水溫維持在75-95℃之間，防止發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)高溫?zé)龤У那闆r。供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮兩種情況：其一是水箱為發(fā)動(dòng)機(jī)供水，此時(shí)要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的實(shí)際溫度，確定選擇水路大循環(huán)還是小循環(huán)。若實(shí)際溫度超過(guò)設(shè)定值，則切換至大循環(huán)，通入冷卻液進(jìn)行降溫；反之則切換至小循環(huán)，節(jié)能降耗。其二是發(fā)動(dòng)機(jī)吹水。試驗(yàn)結(jié)束并且發(fā)動(dòng)機(jī)完全停止后，控制器執(zhí)行吹水指令，此時(shí)吹水閥門打開，高壓空氣從進(jìn)水端吹入，將冷卻液吹會(huì)水箱，排空水管中的殘余冷卻液。

1.4 高壓空氣供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的功能是提供高壓空氣，在試驗(yàn)結(jié)束后通過(guò)氣動(dòng)閥控制高壓空氣吹水、吹油。硬件部分主要有電磁閥、氣動(dòng)三聯(lián)件、壓力調(diào)節(jié)閥等。外部空氣進(jìn)入空氣壓縮機(jī)后，成為壓力在3-5MPa 的高壓空氣。然后進(jìn)入氣動(dòng)三聯(lián)件中暫時(shí)存儲(chǔ)。根據(jù)試驗(yàn)需要，高壓空氣分別輸送至燃油系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)。在水路系統(tǒng)中，通過(guò)進(jìn)水閥、出水閥、吹水排空閥的控制，完成供水、排水以及清理殘余冷卻液等功能。同樣的，在油路系統(tǒng)中，通過(guò)進(jìn)油閥、泄壓閥，實(shí)現(xiàn)供油和清理殘余油液的功能。

1.5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵部分，根據(jù)預(yù)設(shè)程序或人工指令可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)、控制各類電氣元件動(dòng)作、提供發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行外部環(huán)境等功能。其硬件設(shè)備有主控制器、繼電器、電磁閥、狀態(tài)指示燈等?？刂破鞯妮斎胼敵鲂盘?hào)共有4 種，分別是：（1）串行接口輸入信號(hào)，如冷卻液溫度、進(jìn)氣壓力、尾氣中CH 含量等；（2）模擬輸入信號(hào)，如發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)/出水溫度、燃油壓力等；（3）數(shù)字輸入信號(hào)，如臺(tái)架上電信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)啟/停信號(hào)、油箱液位信號(hào)等；（4）數(shù)字輸出信號(hào)，如電磁閥控制信號(hào)、狀態(tài)知識(shí)信號(hào)等。

控制面板方面，設(shè)計(jì)8個(gè)功能不同的按鈕。如“畫面切換”按鈕、“輸入切換”按鈕、“緊急停止”按鈕。除了“停止”、“緊急停止”兩個(gè)按鈕為紅色為，其余6 個(gè)按鈕均為綠色，通過(guò)燈的亮與滅來(lái)顯示當(dāng)前的控制狀態(tài)。

2 基于LabVIEW 的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)熱磨合試驗(yàn)

2.1 組裝試驗(yàn)臺(tái)

該試驗(yàn)臺(tái)共分為6 大模塊，各模塊功能如下：（1）試驗(yàn)小車，用于固定汽車發(fā)動(dòng)機(jī)；（2）起動(dòng)模塊，給發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，讓發(fā)動(dòng)機(jī)正常點(diǎn)火起動(dòng)；（3）ECU 通信模塊，通過(guò)信號(hào)收發(fā)實(shí)現(xiàn)ECU 與控制器的指令傳遞；（4）控制器模塊，包括PXI 機(jī)箱、采集卡等設(shè)備，根據(jù)預(yù)設(shè)指令完成試驗(yàn)項(xiàng)目；（5）供水供油供氣模塊，提供發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行需要的環(huán)境；（6）人機(jī)交互模塊，有顯示器、按鈕等，方便人工操作試驗(yàn)。將上述模塊依次連接后得到用于進(jìn)行熱磨合試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)。

2.2 試驗(yàn)方法

檢查設(shè)備連接完好后，接通電源，在LabVIEW 上運(yùn)行已經(jīng)編寫好的主程序。在主界面的“發(fā)動(dòng)機(jī)”選項(xiàng)中，選擇需要測(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)，點(diǎn)擊確定后即可進(jìn)入到該機(jī)型的測(cè)試程序。在二級(jí)頁(yè)面上，點(diǎn)擊“準(zhǔn)備”后，顯示器上出現(xiàn)臺(tái)架傳感器示數(shù)；長(zhǎng)按“準(zhǔn)備”后，執(zhí)行氣密性檢查程序，若氣密性不合格，則顯示界面上出現(xiàn)相應(yīng)提示，若檢測(cè)合格，則自動(dòng)執(zhí)行初始化程序，完成ECU 初始化，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前的等待程序。當(dāng)按下“起動(dòng)”按鈕后，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中注意觀察有無(wú)異響、漏油等異常情況；也可以手動(dòng)輸入需要查詢的選項(xiàng)，通過(guò)顯示的查詢結(jié)果判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的工況。試驗(yàn)結(jié)束后，試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)切斷給油，待發(fā)動(dòng)機(jī)完全停止后，自動(dòng)吹水吹油。完成后將供水管、排氣管等拆掉，退出試驗(yàn)臺(tái)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)中，供電模塊、ECU 通信模塊、控制其模塊等均正常運(yùn)行。

記錄的4 組數(shù)據(jù)中，30和9′30均為發(fā)動(dòng)機(jī)低速狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，3′30和6′30為高速狀態(tài)下的數(shù)據(jù)。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒原理，在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)，尾氣中CH 排放較高；NO排放較低；高速時(shí)則相反，CH 排放較低，NO 排放較高。對(duì)比上圖記錄的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)CH 和NO 兩項(xiàng)指標(biāo)符合上述規(guī)律，故本次試驗(yàn)中采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

為了進(jìn)一步檢查試驗(yàn)臺(tái)控制效果的可靠性，調(diào)取了試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)水溫變化數(shù)據(jù)，其變化曲線如圖2 所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)水溫變化曲線

結(jié)合圖4 可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)中水路系統(tǒng)的水溫基本上維持在75-95℃的區(qū)間中。同時(shí)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫高于95℃后，控制器會(huì)啟動(dòng)水路大循環(huán)，使水溫逐漸降低；當(dāng)水溫低于75℃后，控制器發(fā)布指令將大循環(huán)關(guān)閉，水溫不在降低。由此可見，熱磨合試驗(yàn)中水溫控制達(dá)到了預(yù)期效果。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于LabVIEW 平臺(tái)設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)熱磨合試驗(yàn)臺(tái)，經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)記錄準(zhǔn)確，水溫調(diào)控達(dá)到預(yù)期，為發(fā)動(dòng)機(jī)熱磨合試驗(yàn)的開展提供了支持。