基于LabVIEW的汽車發動機油耗與動力性能測試系統設計

廖燕輝

摘 要：運用NI公司的數據采集卡把發動機和PC機中的LabVIEW程序連接起來，搭建汽車發動機油耗與動力性能的虛擬儀器測試平臺，研究發動機的動力性能和油耗。用LabVIEW（虛擬儀器）軟件編寫程序、收集發動機的轉速和噴油脈沖寬度，檢測發動機的扭矩（動力性）和油耗（噴油量）。

關鍵詞：LabVIEW;發動機油耗;動力性能

1 引言

各大廠商不斷地投入巨資開展新能源汽車的研究，希望在市場競爭中保持競爭力。盡管新能源汽車成為了汽車工業的發展方向，可是新上市新能源汽車中的燃油發動機配電動機驅動的車型仍然使用了燃油發動機、而且中國2億多輛的汽車保有量中大部分還在用燃油發動機。因此，開發低成本的、能夠快速、便捷地檢測油耗和動力性能的裝置，對內燃機的油耗和動力性能進行有效的監測，是有意義的。

國內外的研究者為了使發動機的動力性和經濟性達到更高的標準，不斷地致力于發動機的各類測試與研究工作。使用傳統的設備（測功機、扭矩測試儀）測試發動機的功率、扭矩，購置測功機或扭矩測試儀的費用動輒幾萬到幾十萬不等;用傳統的第五輪儀測試汽車的加速性能（動力性能）、燃油經濟性能（油耗），一套第五輪儀的價格也要幾萬元。高昂的設備費用，使很多研究人員一籌莫展，阻礙了他們的研究進展。用傳統的方法測試發動機的動力性能，不但成本很高，便捷性也遠遠不夠。

2 設計目標

測功機和第五輪儀的購置費用高昂，便捷性也較低，為了克服這些問題，本設計的總體目標是在低成本、快速、便捷和準確的前提下，使用 LabVIEW平臺設計程序，這個程序能夠根據發動機的運行情況，準確地計算出發動機的扭矩和油耗。通過實驗的方式找到計算油耗的數學公式，并在LabVIEW程序中使用這條數學公式來準確地計算油耗;通過查找文獻的方法，確定能夠準確地計算發動機扭矩的數學公式，并在LabVIEW程序使用這條數學公式來準確地計算發動機的扭矩大小。

3 確定數學模型

發動機的電子控制系統運行時，主要是按照新鮮空氣進入量的多少、不同的轉速值來決定噴油脈寬，由噴油脈寬來控制噴油器打開的時間，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值來計算噴油量，但是噴油脈寬和噴油量之間還沒有成熟的經驗公式，而在LabVIEW程序設計過程中，又要建立噴油脈寬和噴油量的數學模型來換算油耗。因此，第一步的工作時做實驗，通過實驗并采集實驗數據（噴油脈寬、噴油量）。常規的噴油器清洗機能夠像發動機的電子控制系統一樣，控制噴油脈寬的大小。對于發動機的噴油脈寬和噴油量，使用常規的噴油器清洗機設置噴射時間、模擬發動機的工作過程來收集[1]。對于沒有成熟的關系曲線的、離散的實驗數據，收集到實驗數據之后，通常可以運用excel、MATLAB等軟件分析它們之間的關系曲線（對應關系），得到設計者所期望的、準確的數學關系。得到準確的數學關系之后， 就可以根據某個時間段內的噴油脈寬的總值來計算出總的噴油量（油耗）值。

發動機的扭矩與轉速之間蘊含著一定的數學關系，已經有同行通過實驗的方式得出了經驗公式。發動機扭矩與轉速之間的關系經驗公式已經成熟[2]，在LabVIEW程序中可以借鑒已有的成熟經驗公式，使用它來準確地計算出發動機運行時的扭矩。本系統采取以下經驗公式：

T——發動機的扭矩;TT——最大扭矩;Tp——扭矩（功率最大時）;NT——轉速（扭矩最大時）;Np——（功率最大時）;N——轉速

4 確定總體方案

在PC機中使用LabVIEW軟件，設計能夠同時測試汽車發動機油耗與動力性能的系統;使用NI公司的數據采集卡采集發動機的轉速和噴油脈寬信號、并輸入LabVIEW軟件測試系統，對發動機的動力性能和燃油經濟性進行檢測。直接從轉速傳感器接入信號，別的信號會產生很強的干擾，影響準確性。為了提高系統的檢測精度，通過LabVIEW軟件計算點火次數來獲得轉速信號（以四沖程發動機為例：每完成一個工作循環（曲軸運轉720度），每一缸的火花塞工作一次，即轉速n=某一缸火花塞的工作次數×2）。通過LabVIEW軟件計算噴油器每一次打開的時間長短（噴油脈寬），并把噴油器在一定時間內、每一次的開啟時間相加起來，從而得到噴油器在一定時間內總的開啟時間，即總的噴油脈寬。

NI公司的數據采集卡具有數據調理的功能，因此不用再接入數據調理的設備。由于車上有很多傳感器和用電設備，轉速信號和噴油脈寬信號輸入數據采集卡的這一段線路，比較容易受到其它信號的干擾，因此要選用抗干擾性強的導線來傳輸轉速和噴油脈寬信號，保證信號不失真、提高測量的準確度。LabVIEW平臺主要完成以下工作：設置數據采集卡的物理通道、建立油耗和扭矩的計算公式、建立數學公式的信號輸入路徑、設置顯示界面（像傳統儀表一樣的仿真儀表，適應用戶的傳統習慣）、設置數據的自動保存功能和路徑（方便試驗結束之后查找、分析數據）。總體方案如圖1所示。與傳統的方法相比，本方案的特點是成本低、靈活方便、便捷性較高。

5 實車測試方案

第一步，用NI公司的數據采集卡把虛擬儀器的軟件和發動機硬件連接起來;第二步是控制發動機在各類工況下運行，檢測各類工況下的油耗和扭矩。把實測油耗與電子秤（每次試驗開始前對油箱稱重、結束后再次稱重，油耗等于開始試驗前的油箱重量減去試驗結束后的油箱重量）或者油耗儀測得的結果作綜合比較;每一臺發動機的資料，參數介紹部分都會標明最大扭矩，因此，只要把實測扭矩和發動機參數（最大扭矩）作比較，以此來驗證本測試系統的準確性。

6 實車測試結果分析

本系統利用最大扭矩185N.m、綜合油耗5.6L/100千米的某款車開展測試。經過實車運行的檢測結果表明，虛擬儀器的油耗和扭矩測試平臺的輸出結果精確，可以滿足實車測試的需求。對于其他車型，只需要使用噴油器清洗器做實驗就可以找出不同車型的噴油脈寬和噴油量之間的數學關系，并在程序中修改相應的參數就能夠開展測試，推廣性較強。

參考文獻：

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

[2]徐寶云，陳民鑒，發動機扭矩與轉速關系經驗公式試驗研究[J].兵工學報坦克裝甲車與發動機分冊，1996，2：7-11.