CN104634579A - 小型活塞发动机性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种小型活塞发动机性能测试装置，属于小型活塞发动机性能测试技术领域。该装置包括工业控制计算机、电子称、K型热电偶输入模块、排气温度传感器、热电阻输入模块、进气温度传感器、第一缸头传感器、第二缸头传感器、节气门传感器、进气压力传感器、扭矩速度传感器、交流电机、步进电机、驱动器、变频器、模拟量输入模块和PLC控制器。本发明中无论是硬件还是软件系统中都采用模块化的设计方法。这使得系统扩展起来比较方便，系统可移植性高，增加了系统的灵活性和可靠性，具有广泛的适应性。

Description

小型活塞发动机性能测试装置

技术领域

本发明涉及一种小型活塞发动机性能测试装置，属于小型活塞发动机性能测试技术领域。

背景技术

小型活塞发动机性能测试试验可以研究发动机工作时各项性能参数，包括速度、扭矩、耗油量及油耗率问题。

小型活塞发动机性能测试试验中有大量的参数需要测量：如进出口处的温度值和节气门位置值，也有一些状态需要控制：如节气门开度和发动机倒拖速度。为了便于小型活塞发动机研究人员进行性能测试相关试验，需要开发一种发动机性能测试自动测控装置。传统的发动机性能测试试验中的温度信号的采集需要先将信号放大在控制器识别的电压范围内，然后将放大后的信号输入到控制器里，而且压力和节气门位置信号需要经过一定的滤波、调理后才能输入到控制器里。这样的采集方式会带来信号干扰，采集的信号会产生零飘，造成采集到得信号不准确和波动，硬件复杂，使用不便。传统的测速度和扭矩需要在交流电机里设置测速传感器和测扭矩装置，这样会造成转速信号和变频器信号及交流电机之间相互干扰，甚至会造成工业控制计算机和变频器及控制器通信不正常。

发明内容

本发明提出了一种小型活塞发动机性能测试装置,能够对小型活塞发动机进气温度、排气温度、两个缸头温度、进气压力、节气门位置、速度、扭矩和剩余油量精确测量以及节气门开度和发动机倒拖速度精确控制的装置。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种小型活塞发动机性能测试装置，包括工业控制计算机、电子称、K型热电偶输入模块、排气温度传感器、热电阻输入模块、进气温度传感器、第一缸头传感器、第二缸头传感器、节气门传感器、进气压力传感器、扭矩速度传感器、交流电机、步进电机、驱动器、变频器、模拟量输入模块和PLC控制器（可编程逻辑控制器），其中排气温度传感器与K型热电偶输入模块连接，进气温度传感器、第一缸头传感器和第二缸头传感器分别与热电阻输入模块连接，扭矩速度传感器与PLC控制器连接，节气门传感器和进气压力传感器分别与模拟量输入模块连接,PLC控制器、驱动器和步进电机顺序连接，PLC控制器、变频器和交流电机顺序连接，K型热电偶输入模块、热电阻输入模块、模拟量输入模块和PLC控制器顺序连接，PLC控制器与工业控制计算机的串口1通过RS-485总线双向连接，电子称通过RS-232总线与工业控制计算机的串口2连接。

    所述的PLC控制器采用西门子224 XPCN型号。

所述的K型热电偶输入模块采用EM231TC型号，热电阻输入模块采用EM231RTD型号。

所述排气温度传感器采用K型热电偶。

所述的扭矩速度传感器输出的扭矩信号和速度信号都是频率信号。

所述的电子称采用APTW418型号，具有串口通信功能，且其精度应达到0.1g。

本发明具有以下有益效果：

（1）本申请中无论是硬件还是软件系统中都采用模块化的设计方法。这使得系统扩展起来比较方便，系统可移植性高，增加了系统的灵活性和可靠性，具有广泛的适应性；

（2）步进电机的一端通过钢丝和节气门相连接，通过限制步进电机的圆周运动来使步进电机做直线运动，从而拉动节气门，方便地控制节气门开度大小。

（3）本申请中K型热电偶温度信号与热电阻温度信号分别通过热电偶输入模块和热电阻输入模块来采集，提高了数据采集速率、精度和抗干扰性；

（4）可编程逻辑控制器集成了两路模拟量输入和一路模拟量输出端口，减少了采集和控制模块，使用简单。模拟量输入端口可以直接接入进气压力和节气门位置信号，且信号无干扰、波动，经过处理后得到的数值准确；

（5）所有的操作均可以在工业控制计算机上的界面上实现，操作简便。

（6）本申请中的速度和扭矩的采集是选用扭矩速度传感器，与交流电机相互独立，互不干扰，而且扭矩和速度输出的信号都是频率信号，方便可编程逻辑控制器的采集，便于使用和维护。经校验，所测值准确。

附图说明

 图1 小型活塞发动机性能测试系统台架示意图。

  图2小型活塞发动机性能测试系统原理图。

  图3 系统控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。

如图1所示，本发明利用热电偶输入模块采集K型热电偶在排气口的温度信号，利用热电阻传感器采集两个缸头和进气口的温度信号、利用可编程逻辑控制器上的两个模拟量采集端口采集进气口压力和节气门位置信号。通过工业控制计算机上界面里的串口1可以方便地与可编程逻辑控制器进行RS485串口通信，从而实现小型活塞发动机性能测试试验中对进气温度、两个缸头温度、排气温度、进气压力、节气门开度的显示，通过工业控制计算机界面发出节气门开度控制指令和交流电机速度指令，控制步进电机拉动节气门到达某一开度，以及使交流电机达到某一指定的速度；同时通过工业控制计算机上界面里的串口2可以方便地与电子称进行RS232串口通信，实现对电子称上的剩余油量进行测量，将测量值输出到人机交互界面上，实现对油耗量、油耗率的精确测量，小型发动机微燃烧室试验台测控系统原理图如图2所示。主要包括以下功能：打开串口2，即可自动完成剩余油量的信号采集；打开串口2即可完成进气温度、排气温度、两个缸头温度、进气压力、节气门位置信号的采集，通过在工业控制计算机上界面进行设置，可以实现对节气门开度、发动机倒拖速度的精确控制。

    通过热电偶输入模块采集发动机排气口的温度信号，排气温度传感器采用K型热电偶，热电偶采用热电效应进行温度测量。K型热电偶装配简单，更换方便，温度测量范围大（－50℃～1000℃，特殊情况下－100℃～1800℃），适合发动机排气口温度的测量，热电偶选用北京精诚航科技开发有限责任公司生产的K型热电偶，K型热电偶的主要特点是：800℃以下耐氧化性很好，其热电势与温度的线性关系的线性度很好，在非氧化性气氛中化学稳定性好，电动势大，灵敏度高，且价格便宜。热电偶输入模块采用西门子公司生产的EM231TC，EM231TC提供了4路隔离的差分通道；用于7种热电偶类型，允许接入微小的模拟量信号，所有接到热电偶模块上的热电阻必须是同类型的；热电偶模块需要通过拨码开关进行选择的有：热电偶类型、断线检查、测量单位、冷端补偿和开路故障方向。通过热电阻输入模块采集发动机排进气口的温度和两个缸头的温度信号，这三种温度传感器均采用热电阻传感器，热电阻传感器是利用导体的阻值随温度变化而变化的原理来进行温度测量。热电阻采用三线接入方式来消除线路中导线的影响，热电阻测量精高，测量范围（－20℃～600℃），使用方便，适合发动机进气温度和两个缸头温度的测量。热电阻选用北京精诚航科技开发有限责任公司生产的PT100，热电阻主要特点是：具有抗震性、稳定性好、准确度高、耐高压；PT100线性度也较好，在0～500摄氏度之间变化时，最大非线性偏差小于0.6摄氏度。热电阻输入模块采用西门子公司生产的EM231RTD，该模块提供了隔离的两路温度采集接口，可以根据不同的需求采用两线输入、三线输入和四线输入。热电阻模块也是要通过设置拨码开关来进行相应的测量选择，这点与热电偶相似。进气压力传感器采用由博世公司生产的型号为DS-S2-TF的进气压力进行采集。节气门开度的大小由步进电机的直线运动来控制步进电机将电脉冲信号转变为角位移或线位移，在非超载的情况下，电机的转速和停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，可以通过控制脉冲数个数来控制直线位移量，从而达到准确控制节气门,步进电机选用常州海顿公司生产的型号为57F4A-05-A03的步进电机。

工业控制计算机与可编程逻辑控制器之间进行串行通讯，利用可编程逻辑控制器的外设资源来实现对温度、进气压力采集，以及对节气门和发动机倒拖速度的精确控制。可编程逻辑控制器选用西门子公司生产的224XPCN，该型号含有14路数字量输入、10路数字量输出、2路高速脉冲输出（输出频率高达100kHz）、3路高速计数器输入（输入频率高达100kHz）和两个通信端口。通过高速脉冲输出口控制步进电机从而实现对节气门开度的精确控制，通过模拟量输出口来控制变频器，变频器根据输入电压的大小来输出相应的频率，从而控制交流电机的转速，交流电机拖动发动机转动。扭矩速度传感器选用NS系列型号为NS1091动态扭矩传感器，该传感器输出的扭矩和速度信号均是矩形脉冲信号，扭矩和速度的数值与频率成线性关系，PLC控制器通过两路高速计数器输入口来采集这两路信号。工业控制计算机与PLC控制器之间通过串口1进行串口通讯，热电偶、热电阻和模拟量模块采集到的模拟量通过串口发送到工业控制计算机，工业控制计算机经过一定的计算转化为模拟量，显示在界面上。节气门开度的控制是通过在工业控制计算机界面上输入目标开度值，工业控制计算机根据开度值和目前的开度值计算步进电机所要走的距离，根据所得距离计算出脉冲数，工业控制计算机通过串口1脉冲数发送到PLC控制器。想要测试发动机在某一转速下的性能，只要在工业控制计算机界面上输入发动机转速值，工业控制计算机根据转速值计算出要输出电压值，在把电压值对应的数字量计算出来通过串口1发送到PLC控制器。发动机的燃油桶放在电子称上，电子称选用安普特公司生产的型号为APTW418，该电子称可以精确到0.1g,且具有串口通信功能，可以随时把剩余油量通过串口发送出去，电子称选用。工业控制计算机上的串口2是与电子称进行通信的，打开串口2，工业控制计算机上的界面就会显示燃油桶剩余油量的值，通过设定时间值就可以计算出设定时间内的油耗量，然后根据串口1接受到得速度值和扭矩值就可以计算出油耗率，分别显示在界面上。

设计了控制系统的原理图，进行了硬件电路的加工以及元器件的焊接、进行了控制的系统的软件设计，通过对系统的需求分析，设计了各个功能模块分别进行调试，调试完成后进行整个系统的软件设计，最后软、硬件进行了联机调试。调试完成后，进行了相关的试验，试验结果表明系统稳定可能，达到了预期的性能指标。

    该装置的控制功能通过步进电机转动旋转轮鼓，实现对燃烧室出口截面总温度和总压力的测量。同时利用微处理器来对空气流量、丙烷流量、燃油流量和点火器进行精确控制。

    如图3所示，打开工业控制计算机上的界面后，首先进行系统初始化，判断是否需要进行数据采集和显示，如果需要进行数据采集，则打开串口1，界面显示进气温度、排气温度、缸头1温度、缸头2温度、进气压力和节气门位置。判断是否要进行剩余油量的采集和相关油耗的计算，如果需要，则打开串口2，界面显示剩余油量。在界面输入发动机倒拖的速度值，发送到可编程逻辑控制器，交流电机带动发动机转动，然后在界面输入节气门开度值，然后发送到可编程逻辑控制器，控制器发出相应的频率值和脉冲数给步进电机，步进电机把节气门拉动到相应的开度，当扭矩值稳定下来后，设定油耗时间，计算油耗量和油耗率，记录相应的发动机参数值。

Claims (6)

1.一种小型活塞发动机性能测试装置，其特征在于包括工业控制计算机、电子称、K型热电偶输入模块、排气温度传感器、热电阻输入模块、进气温度传感器、第一缸头传感器、第二缸头传感器、节气门传感器、进气压力传感器、扭矩速度传感器、交流电机、步进电机、驱动器、变频器、模拟量输入模块和PLC控制器，其中排气温度传感器与K型热电偶输入模块连接，进气温度传感器、第一缸头传感器和第二缸头传感器分别与热电阻输入模块连接，扭矩速度传感器与PLC控制器连接，节气门传感器和进气压力传感器分别与模拟量输入模块连接,PLC控制器、驱动器和步进电机顺序连接，PLC控制器、变频器和交流电机顺序连接，K型热电偶输入模块、热电阻输入模块、模拟量输入模块和PLC控制器顺序连接，PLC控制器与工业控制计算机的串口1通过RS-485总线双向连接，电子称通过RS-232总线与工业控制计算机的串口2连接。

2. 根据权利要求1所述的小型活塞发动机性能测试装置，其特征在于所述的PLC控制器采用西门子224 XPCN型号。

3.根据权利要求1所述的小型活塞发动机性能测试装置，其特征在于所述的K型热电偶输入模块采用EM231TC型号，热电阻输入模块采用EM231RTD型号。

4.根据权利要求1所述的小型活塞发动机性能测试装置，其特征在于所述排气温度传感器采用K型热电偶。

5.根据权利要求1所述的小型活塞发动机性能测试装置，其特征在于所述的扭矩速度传感器输出的扭矩信号和速度信号都是频率信号。

6.根据权利要求1所述的小型活塞发动机性能测试装置，其特征在于所述的电子称采用APTW418型号，具有串口通信功能，且其精度应达到0.1g。