CN1031733C - 无负荷发动机动力性能测量的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明为动力机械功率测量的方法和装置，适合于测量发动机性能。测量装置是由外壳、传感器1、信号变换单元3、时基电路2、含有加速计时单元5的控制计算单元4、功率表20及转速表21组成。用主机15代替含有加速计时单元5的控制计算单元4，其主机15是由含有加速计量单元5和减速计时单元及熄火信号单元16的微处理机14、数据处理单元(贮存器)7、锁存器8组成。主机15还有操作键盘11、显示器12、打印机13。本发明能对大修过的发动机和使用较久的动力性磨损状况做出确切的判断。

Description

无负荷发动机动力性能测量的方法及其装置

本发明属于动力机械功率测量的方法和装置，特别适合于需大量、多次、定期、重复测量发动机的动力性能。

为了测量发动机动力性能，经常需要将发动机从机座上卸下来安装到试验台架上，用水力测功器、电涡流测功器、直流电力测功器等装置测定发动机的有效功率。这些测功方法虽然可以精确地测量发动机功率，但费工费时，不适合现场检修的测功要求。为了适应现场检修的需要，近年研制了一种发动机加速测功仪，如济南无线电六厂生产的QFC-3型发动机测试仪，测试时无需将发动卸下，而只需断开离合器，测量发动机在无负荷状态下从某一转速n₁加速到另一转速n₂过程的加速时间ΔTn₁－n₂来确定发动机的最大有效功率。其测量方法是：一个不加负荷(比如断开离合器)的发动机，即启动机并使之加速，当达到某一转速n₁时开始最大加速，当转速达到另一个速度n₂时测量其转速从n₁到n₂的时间差ΔTn₁－n₂，其平均有效功率Ne的测量满足以下公式： $\mathrm{Ne}=C\frac{1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_1-n_2},$ 其中C是发动机的功率比例系数，它的大小取决于给定型号发动机的结构和选定的加速区间，对一特定的机型，C是不变的，只要用以上提及的，水力测功器、电涡流测功器，直流电力测功器等办法，测出一次，以后不再会改变。

采用上述方法的QFC-3型发动机测试仪的工作原理图如图1，它是由外壳、传感器1、信号变换电路3、时基电路2、含有加速时的计时单元5的控制计算单元4、功率表20及转速表21组成。这种仪器只能测得发动机的有效功率，无法排除发动机本身机械磨擦损失的影响，因而在实际测功中会出现使用时间较久的旧机器功率比刚大修过的机器功率还大的现象，也无法测量与动力性能有关的其它参数，因此无法根据仪器所测得的功率对发动机动力性能与磨损情况做出确切的判断，进而失去仪器在现场的使用价值。

本发明的目的是提供一种较简便、能排除发动机自身机械磨损造成的功率损失因素，能精确测量无负荷下发动机动力性能的方法及其设备，还能更全面的测量各种功率参数，以满足大量、多次、定期、重复测量的需要。

本发明是在如下理论基础上建立的：发动机从转速n₁加速到转速n₂的加速过程中，依动能定理应满足以下关系：

其中：A-发动机加速时的有效功，亦为运动件的动能增量；

A_功-发动机加速时，燃料燃烧在气缸内所产生的指示功；

A_阻-发动机加速时消耗内部的机械损失功；

J-发动机的运动件和附件相对曲轴中心线的当量时转动惯量；

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\π}}{30}n-$ 曲轴角速度(n-曲轴转速)，ω₁ω₂分别相当于在发动机转速为n₁n₂时的曲轴角速度；

发动机在加速过程的平均有效功率： $\mathrm{Ne}{n}_1-n_2=\frac{A}{{\mathrm{\ΔTn}}_1-n_2}=\frac{{\mathrm{\π}}^{2}J}{2\×900}(n_2^2-n_1^2)\frac{1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_1-n_2}---\left(2\right)$

当发动机从转速n₁加速到转速n₂时使之立刻熄火，其转动动能用以克服内部运动件摩擦所产生的机械损失功，转速n₂降至转速n₁，依动能定理则有：

发动机在减速过程的平均损失功率：

当曲轴转过Δθ角度时，摩擦阻尼矩所做的功：dA＝Mn₂－n₁dθ    (5)

按功率的定义，可得瞬时的机械损失功率： $\mathrm{Nm}{n}_1-n_2=\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dT}}={\mathrm{Mn}}_2-n_1\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dT}}={\mathrm{Mn}}_2-n_1\mathrm{\ω}---\left(6\right)$

根据积分求平均值公式，n₂－n₁过程的平均机械损失功率为： $\mathrm{Nm}{n}_2-n_1=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2}{\∫}_{\mathrm{\ω}2}^{\mathrm{\ω}1}{\mathrm{Mn}}_2-n_1\mathrm{\ωd\ω}=\frac{{\mathrm{Mn}}_2-n_1}{{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2}{\left[\frac{1}{2}\mathrm{\ω}\right]}_{\mathrm{\ω}2}^{\mathrm{\ω}1}=\frac{{\mathrm{Mn}}_2-n_1}{2}$ (ω₁＋ω₂)    (7)

同理可得n₁－n₂过程的平均机械损失功率为： $\mathrm{Nm}{n}_1-n_2=\frac{{\mathrm{Mn}}_2-n_1}{2}({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)---\left(8\right)$

为了计算方便，可以认为发动机在加速和减速过程的负荷、速度、温度影响的差异不大，故加速时的损耗功率和熄火且减速时的损耗功率相等或近似相当，即：Nmn₂－n₁≈Nmn₁－n₂    (9)时，则有： $\mathrm{Nm}{n}_1-n_2=\mathrm{Nm}{n}_2-n_1=\frac{{\mathrm{\π}}^{2}J}{2\×900}(n_2^2-n_1^2)\frac{1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_2-n_1}---\left(10\right)$

利用合比定理可得： $\frac{\mathrm{Ne}{n}_1-n_2+\mathrm{Nm}{n}_1-n_2}{\mathrm{Ne}{n}_1-n_2}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_1-n_2+\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_2-n_1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_2-n_1}---\left(11\right)$

因为：Ni＝Ne＋Nm

所以： $\mathrm{Ni}{n}_1-n_2=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_1-n_2+\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_2-n_1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_2-n_1}\mathrm{Ne}{n}_1-n_2---\left(12\right)$

记为： $\mathrm{Ni}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_1-n_2+\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_2-n_1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_2-n_1}{\mathrm{Nen}}_1-n_2---\left(13\right)$

发动机无负荷状态下加速时，在全加力条件下(如油门开到最大)，为使仪器结构简单可靠，满足使用要求，取加速区间占有特性历程的一定百分比，因此有常数关系 $C=\frac{{\mathrm{Ne}}_{\max }}{\mathrm{Ne}}$ (C为一常数)和 ${\mathrm{Ne}}_{\max }=K\frac{1}{{\mathrm{Tn}}_1-n_2}---\left(14\right)$

就是说Ne_max是Ne的极限值，当ΔTn₁－n₂→0，则Ne→Ne_max，K对特定的机型的变化具有线性关系，其具有的相关线性可以由以上提及的水力测功器、电涡流测功器，直流电力测功器等对仪器标定，编制出Ne_max－ΔTn₁－n₂的关系曲线，如图3所示解放CA10B(C)型车Ne_max－ΔTn₁－n₂特性曲线，且有： ${\mathrm{Ni}}_{\max }=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_1-n_2+\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_2-n_1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_2-n_1}{\mathrm{Ne}}_{\max }---\left(15\right)$

Nm_max＝Ni_max－Ne_max    (16)

由以上可知，本发明在方法上的特征是：

一个不加负荷的发动机，当加速时的损耗功率和熄火后减速时的损耗功率相等或近似相等时，其功率的测量方法是：

Nm n₂－n₁≈Nm n₁－n₂    ②

(1)测量其全加力下，转速从n₁加速到n₂的时间差，

(2)在转速到n₂的同时切断该机的动力源(如汽油发动机的点火信号等)的同时，测量其转速从n₂降到n₁的时间差ΔTn₁－n₂，

(3)对各种满足上述条件的发动机，满足： ${\mathrm{Ne}}_{\max }=K\frac{1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_1-n_2}$ ③

K对特定的机型是个特定的线性常数，需事先用其他虽复杂，但精确的测功方法作出Ne_max－ΔTn₁－n₂特性曲线，

(4)发动机的各种动力性能满足以下公式：

a)由Ne_max－ΔTn₁－n₂特性曲线求出相应的Ne_max来；

b)由 ${\mathrm{Ni}}_{\max }=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_1-n_2+\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_2-n_1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_2-n_1}{\mathrm{Ne}}_{\max }$ ④求出的Ni_max来；

c)由Nm_max＝Ni_max－Ne_max⑤求出的Nm_max来；

d)由 $\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{Ne}}_{\max }}{{\mathrm{Ni}}_{\max }}$ ⑥求出的η来；

e)由Nex_max＝Ne_max－N(e－x)_max⑦求出的Nex_max来，

以上各式中ΔTn₁－n₂为测量出的转速从n₁加速到n₂所需时间差；

ΔTn₁－n₂为测量出的转速达到n₂时，切断动力源后转速降到n₁的时间差；

Ne_max为该机的最大有效功率；

Ni_max为该机的最大指示功率；

Nm_max为该机的最大指示功率；

η为该机的最大机械损失功率；

Nex_max为多缸发转动机第x缸的最大有效功率；

N(e－x)_max为停止第x缸工作时的测的发动机的最大有效功率。

利用加速过程的时间差来计算发动机的功率，目前典型的设备如济南无线电六厂生产的OFC-3型汽车发动机测试仪，它只能测试升速的时间差，求它有效功率的平均值，该仪器电路结构方框图为图1，是由壳体传感器1、信号变换单元3、时基电路2、含有加速计时单元5的控制计算单元4、功率表20及转速表21组成采用模拟电路，以频率—电压(f-v)的转换方式实现计数的。它的加速计时单元电路见图5，是两组模拟电路反相器24、密勒积分电路25、施密特电路26送来的信号经主门控30选择、由计数器31计数而定完成。

为了实现本发明的方法，本发明在电路上作了如下的改进(见图2)，用主机15代替含有加速计时单元5的控制计算单元4，在主机15的微机处理机14中同时装有加速计时单元5和减速计时单元6，装有熄灭信号单元16。由于要进行运算和贮存，又要便于操作，本发明在主机15中还装有数据处理单元(贮存器)7、锁存器8及主机的辅助设备操作键盘11、显示器12，打印机13。其微机处理机14分别和信号单元3、显示器12、操作键盘11、打印机13、贮存器8、机械动力点火系统及贮存器7电信号联接；其锁存器8又和贮存器7电信号联接。当微机处理机14选用8031时，当贮存器7选用2764时，当锁存器8选74ZS373、当显示器12由4514译码器和4056译码动器组成；打印机13由8039微机器、2764贮存器及打印机头组成时，其电路的电信号联接是：8031的T₀接口与整形电路联接，P_2.7接口与发动机的熄火电路联接，P_1.7-P_1.0接口与显示器12的操作键盘11联接，P_2.3-P_2.0接口与2764贮存器7的A₁₁-A₈接口相联接，D₀-D₇接口与74LS373锁存器8联接，D₀-D₇同时又与打印机13相联接；74LS373又与2764贮存器7的A₀-A₇接口相联接。

其熄火电路17可以用如下电路实现，见图4，即在发动机点火系低压电路的傍路上，串接的可控硅和电阻R，其可控硅的控制极和微处理机P_2.7接口电信号联接。

本发明的优点是它克服了发动机无负荷加速测动仪只能测得发动机有效功率，不能对大修过的发动机和使用较久的动力性磨损状况做出确切判断的缺陷，本发明可测得发动机的增速时间和减速时间，从而计算出发动机的有效功率、指示功率、机械损失功率、机械效率及单缸动力性等参数，可有效诊断发动机故障及科学评判发动机修理质量，也可做为大专院校及科研部门测量发动机动力性能实验的工具，该装置体积小，制造简单、使用方便。

根据以上方法和装置，对三台解放CA10B的发动机经“三保”后，直到下一个“三保”期间进行跟踪测试，其情况对比如表一、二和三。

表中速度区间n₁＝1200转/分，n₂＝2400转/分；ΔTn₂→n₂和ΔTn₂→n₁之值由仪器测定。Ne_max由图3查得，Ni_max、Nm_max分别由(15)、(16)式计算而得。

由表可知发动机的指示功率Ni、有效功率Ne和机械损失功率Nm，随行驶里程分别在发动机磨合期、正常使用期和待修期的变化规律曲线，如图6所示。通过分析可以清楚地表明发动机的动力性与磨损状况的变化，可做为判断发动机修保质量以及使用状态的可靠、有效的依据。

本发明有如下附图：

图1是OFC-3发动机测试仪方框示意图；

图2是本发明原理方框及接线图；

图3是解放CA10B(C)车的Ne_max－ΔTn₁－n₂特性曲线；

图4是本发明的熄火电路图；

图5是OFC-3的加速计时电路方框图；

图6是实例的解放车发动机Ne_max、Nm_max、Mi_max的关系图。

现根据附图简述本发明的电路联接和工作过程。

传感器1从图4A处测取电压即转速信号，经运算放大9、整形10后输进微处理机的T₀接口；时基信号单元2是一个1μs时标发生器，经几次十分频后输进微处理机，当然传感器1也可以采用磁电感应器，以飞轮齿圈上感应脉冲信号8031微处理器，包括测速控制单元4、增速计时单元5、减速计时单元6。T₀接口与整形电路联接，P_2.7接口与发动机熄火电路17相连接，P_1.7-P_1.0接口与显示器12和操作键盘11联接，显示器12由4514译码器和4056译码驱动器组成，P_2.3-P_2.0接口与2764存贮器7的A₁₁-A₈接口相联接，D₀-D₇接口与74LS373锁存器相联接，74LS373又与2764存贮器的A₀-A₇接口相联接，D₀-D₇同时又与打印机11相联接。打印机11由8039微处理器、2764贮存器、打印机头组成。经整形放大的信号通过T₀输入到8031微处理机，启动内部的定时器，进行计时，同时计数器继续工作，当脉冲个数与预置的n₂相等时，8031微处理器关闭定时器，并把所记录的时间送到指定单元。此时所记录到的时间即是从n₁到n₂的增速时间。此时由P_2.7端发出一脉冲信号，使发动机熄火，同时启动定时器开始计时，当发动机转速降到n₁时，关闭定时器，此时记录到的时间即为减速时间，并把所记录到的时间送到指定单元。根据所记录到的增速时间和减速时间以及输入微处理器中的程序和有关公式，可以很方便地计算出该发动机的有效功率、指示功率、机械损失功率、机械效率等所需要的数据，从而可以科学而有效地评判发动机的修保质量及发动机的故障。

Claims (4)

1.一个不加负荷的发动机动力性能的测量方法，按照如下步骤进行：

a.启动该机并使之最大地加速；

b.测量其转速从n₁加速到n₂的时间差：ΔTn₁－n₂；

c.计算其发动机的平均有效功率： $\mathrm{Ne}=C\frac{1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_1-n_2}$ ①，其中C为功率比例级数，取决于给定型号发动机的结构和选定的加速区间；

本发明特征是依加速时的损耗功率和熄火后减速时的损耗功率相等，即：Nm n₂－n₁≈Nm n₁－n₂    ②，

再按如下方法进行：

d.在转速到n₂的同时切断该机的动力源的同时，测量其转速从n₂降到n₁的时间差ΔTn₁－n₂，

e.对于各种满足上述条件的发动机： ${\mathrm{Ne}}_{\max }=K\frac{1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_1-n_2}$ ③，

K对特定的机型是个特定的线性常数，需事先用其它精确的测功方法作出Ne_max－ΔTn₁－n₂特性曲线；

f.发动机的各种动力性能满足以下公式：

a)由Ne_max－ΔTn₁－n₂特性曲线求出相应的Ne_max来；

b)由 ${\mathrm{Ni}}_{\max }=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_1-n_2+\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_2-n_1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tn}}_2-n_1}{\mathrm{Ne}}_{\max }$ ④求出的Ni_max来；

c)由Nm_max＝Ni_max－Ne_max⑤求出的Nm_max来；

d)由 $\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{Ne}}_{\max }}{{\mathrm{Ni}}_{\max }}$ ⑥求出的η来；

e)由Nex_max＝Ne_max－N(e－x)_max⑦求出的Nex_max来，

以上各式中ΔTn₁－n₂为测量出的转速从n₁加速到n₂所需时间差；

ΔTn₁－n₂为测量出的转速达到n₂后又降到n₁的时间差；

Ne_max为该机的最大有效功率；

Ni_max为该机的最大指示功率；

Nm_max为该机的最大指示功率；

η为该机的最大机械损失功率；

Nex_max为多缸发转动机第x缸的最大有效功率；

N(e－x)_max为停止第x缸工作时的测的发动机的最大有效功率。

2.发动机动力测量装置是由传感器(1)、信号变换单元(3)、时基电路(2)、含有加速计时单元(5)的控制计算单元(4)、功率表(20)及转速表(21)组成，其特征是：用主机(15)代替含有加速计时单元(5)的控制计算单元(4)，其主机(15)是由含有加速计量单元(5)和减速计时单元及熄火信号单元(16)的微处理机(14)、数据处理单元(7)、锁存器(8)组成，主机(15)还有的操作键盘(11)、显示器(12)、打印机(13)；其微处理机分别和信号单元(3)、显示器(12)、操作键盘(11)、打印机、锁存器(8)、发动机控制点火电路及贮存器(7)电信号联接；其贮存器(7)又和锁存(8)电信号联接。

3.根据权利要求2所述的发动机动力测量装置，其特征是当微处理机选用8031时，当贮存器选用2764时，当锁存器选用7425373、当显示器由4514译码器和4056译码驱动器组成；打印机由8039微处理、2764贮存器及打印机头组成时，其电路的电信号联接是：8031的T₀接口与整形电路联接，P_2.7接口与发动机控制熄火电路联接，P_1.7-P_1.0接口与显示器的操作键盘联接，P_2.3-P_2.0口联接，D₀-D₇接口与74LS373锁存器相接，D₀-D₇同时又与打印机相联接；74LS373又与2764储存器的A₀-A₇接口相联接。

4.根据权利要求2所述的发动机动力测量装置，其特征在于其熄火电路(17)可以用如下电路实现，即在发动机点火系低压电路的傍路上串接可控硅和电阻R，其可控硅的控制极和微处理机P_2.7接口电信号联接。

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