基于LabVIEW 的汽車發動機熱磨合試驗臺結構設計及試驗分析

馬東元 黃旭 陳楠 張偉 許偉利

中國北方發動機研究所 天津市 300400

汽車發動機的“熱試”需要在專門的試驗臺上進行。由該試驗臺提供發動機運行所需的水、油、電、氣等基本條件，并通過預設程序指令或手動控制，調節發動機使其處于不同的運行狀態，使潛在的缺陷暴露出來，為發動機的質量改進提供參考。基于LabVIEW 平臺的編程控制具有模塊化、直觀化的特點，同時還提供了若干種調試工具，能夠滿足發動機熱磨合試驗中的多種調試需求，是發動機仿真實驗中較為常用的工具之一。

1 基于LabVIEW 的汽車發動機熱磨合試驗臺結構設計

1.1 配電系統設計

該系統將滿足試驗臺的電力需要，總電源為380V 三相交流電，之后通過變壓器、整流器的作用，實現電力分配，以滿足其他系統的正常用電需求。除了水箱加熱器和起動機可直接供電外，像伺服控制系統、供油供氣系統等，都需要在電路中使用電氣隔離措施，降低電壓以保護電氣設備的安全運行。例如ECU 通信系統需要使用12V 電源供電，必須加裝隔離變壓器將高壓變為低壓，才能滿足ECU 通信裝置正常用電需求。

1.2 供油系統設計

該系統滿足發動機運行時的用油需求，同時還具備了：（1）燃油自動回收功能，在發動機熱磨合試驗結束后，通過壓力差使油路中剩余的燃油重新流回油箱內；（2）液位控制功能。利用油箱內的傳感器，感知液位變化情況。若實際液位低于設計值，則根據預設程序啟動供油電磁閥打開，向油箱內加油。當液位達到上限后，自動停止加油。該系統的各個管路中都使用了獨立的氣動閥，具體又可分為放氣閥、進油閥、減壓閥等若干類型。系統結構組成及運行原理如圖1所示。

圖1 供油系統的結構示意圖

1.3 供水系統設計

該系統提供冷卻液，帶走發動機運轉時產生的熱量，使水溫維持在75-95℃之間，防止發動機出現高溫燒毀的情況。供水系統設計要考慮兩種情況：其一是水箱為發動機供水，此時要根據發動機冷卻液的實際溫度，確定選擇水路大循環還是小循環。若實際溫度超過設定值，則切換至大循環，通入冷卻液進行降溫；反之則切換至小循環，節能降耗。其二是發動機吹水。試驗結束并且發動機完全停止后，控制器執行吹水指令，此時吹水閥門打開，高壓空氣從進水端吹入，將冷卻液吹會水箱，排空水管中的殘余冷卻液。

1.4 高壓空氣供給系統設計

該系統的功能是提供高壓空氣，在試驗結束后通過氣動閥控制高壓空氣吹水、吹油。硬件部分主要有電磁閥、氣動三聯件、壓力調節閥等。外部空氣進入空氣壓縮機后，成為壓力在3-5MPa 的高壓空氣。然后進入氣動三聯件中暫時存儲。根據試驗需要，高壓空氣分別輸送至燃油系統、水循環系統。在水路系統中，通過進水閥、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，在油路系統中，通過進油閥、泄壓閥，實現供油和清理殘余油液的功能。

1.5 控制系統設計

該系統是整個試驗臺的關鍵部分，根據預設程序或人工指令可實現自動采集發動機運行參數、控制各類電氣元件動作、提供發動機運行外部環境等功能。其硬件設備有主控制器、繼電器、電磁閥、狀態指示燈等。控制器的輸入輸出信號共有4 種，分別是：（1）串行接口輸入信號，如冷卻液溫度、進氣壓力、尾氣中CH 含量等；（2）模擬輸入信號，如發動機進/出水溫度、燃油壓力等；（3）數字輸入信號，如臺架上電信號、發動機啟/停信號、油箱液位信號等；（4）數字輸出信號，如電磁閥控制信號、狀態知識信號等。

控制面板方面，設計8個功能不同的按鈕。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”兩個按鈕為紅色為，其余6 個按鈕均為綠色，通過燈的亮與滅來顯示當前的控制狀態。

2 基于LabVIEW 的汽車發動機熱磨合試驗

2.1 組裝試驗臺

該試驗臺共分為6 大模塊，各模塊功能如下：（1）試驗小車，用于固定汽車發動機；（2）起動模塊，給發動機提供動力，讓發動機正常點火起動；（3）ECU 通信模塊，通過信號收發實現ECU 與控制器的指令傳遞；（4）控制器模塊，包括PXI 機箱、采集卡等設備，根據預設指令完成試驗項目；（5）供水供油供氣模塊，提供發動機運行需要的環境；（6）人機交互模塊，有顯示器、按鈕等，方便人工操作試驗。將上述模塊依次連接后得到用于進行熱磨合試驗的發動機試驗臺。

2.2 試驗方法

檢查設備連接完好后，接通電源，在LabVIEW 上運行已經編寫好的主程序。在主界面的“發動機”選項中，選擇需要測試的發動機型號，點擊確定后即可進入到該機型的測試程序。在二級頁面上，點擊“準備”后，顯示器上出現臺架傳感器示數；長按“準備”后，執行氣密性檢查程序，若氣密性不合格，則顯示界面上出現相應提示，若檢測合格，則自動執行初始化程序，完成ECU 初始化，進入發動機起動前的等待程序。當按下“起動”按鈕后，發動機起動，在發動機運轉過程中注意觀察有無異響、漏油等異常情況；也可以手動輸入需要查詢的選項，通過顯示的查詢結果判斷發動機的工況。試驗結束后，試驗臺自動切斷給油，待發動機完全停止后，自動吹水吹油。完成后將供水管、排氣管等拆掉，退出試驗臺。

2.3 試驗結果與分析

本次試驗中，供電模塊、ECU 通信模塊、控制其模塊等均正常運行。

記錄的4 組數據中，30和9′30均為發動機低速狀態下的數據，3′30和6′30為高速狀態下的數據。結合發動機燃燒原理，在發動機低速時，尾氣中CH 排放較高；NO排放較低；高速時則相反，CH 排放較低，NO 排放較高。對比上圖記錄的數據，可以發現CH 和NO 兩項指標符合上述規律，故本次試驗中采集到的發動機運行數據準確。

為了進一步檢查試驗臺控制效果的可靠性，調取了試驗中發動機水溫變化數據，其變化曲線如圖2 所示。

圖2 發動機水溫變化曲線

結合圖4 可以發現，試驗中水路系統的水溫基本上維持在75-95℃的區間中。同時，當發動機水溫高于95℃后，控制器會啟動水路大循環，使水溫逐漸降低；當水溫低于75℃后，控制器發布指令將大循環關閉，水溫不在降低。由此可見，熱磨合試驗中水溫控制達到了預期效果。

3 結語

本文基于LabVIEW 平臺設計了發動機熱磨合試驗臺，經仿真實驗分析，發動機運行參數記錄準確，水溫調控達到預期，為發動機熱磨合試驗的開展提供了支持。