發動機冷起動測試系統設計與開發

張建華

（廣西汽車拖拉機研究所，廣西 柳州 545007）

1 汽車發動機冷起動參數自動測試系統的開發意義

起動性能是汽車的重要性能之一。如果其起動性能不佳就會直接影響汽車的使用，以致造成交通阻塞。對于軍用汽車，起動性能就更為重要。汽車起動主要受溫度控制，環境溫度越低，起動的要求就越苛刻。因此就汽車產品來說，其冷起動性能就顯得尤為重要。隨著技術的不斷發展，市場競爭日益加劇，傳統的測試方法已遠遠不能滿足對汽車測試的要求。隨著計算機技術的飛速發展和普及，基于微機數據采集分析的測試儀迅速地得到應用。相對于專用儀器而言，它具有適用面廣、成本低廉及自編數據處理軟件易于擴充等優點。為了減輕試驗人員的勞動強度，降低對操作人員的專業要求，對汽車的冷起動狀況作出評價，幫助了解汽車的設計改進效果和解決汽車的冷起動問題，研究開發基于微機數據采集分析的汽車冷起動性能測試儀是非常必要的。本測試系統基于現有的輕型汽車整車環境試驗艙，開發出集發動機安裝、移動、起動性能數據采集、數據處理與分析及數據與結果顯示等功能的測試系統，由輕型汽車整車環境試驗艙提供冷起動試驗所需要的低溫條件，冷起動測試系統完成對冷起動性能參數的測試。

2 評價發動機冷起動性能的主要參數

2.1 起動電流

發動機冷起動時蓄電池工作電流反映了氣缸密封性狀況，是發動機冷起動測試與診斷的主要參數。發動機冷起動電池工作電流與蓄電池容量、內阻、充電狀態、溫度等有關，蓄電池的內阻隨著它的溫度和容量的下降而增加，因此，溫度越低，蓄電池可以供給的能量就越少，而隨溫度的降低，發動機冷起動則需要較大的扭矩和更高的起動轉速，起動機必須提供較大的功率。實際情況是，蓄電池在低溫時輸出功率小，達不到最低起動轉速，而不能起動。在汽車發動機低溫起動故障中三份之二是由于蓄電池故障引起的，因此，測量與分析發動機的冷起動電流是十分重要的。

2.2 起動轉速

如果不考慮發動機轉速，只給出氣缸壓力數值作為故障判定依據，那么就會給診斷帶來極大的偏差，隨著汽車檢測診斷技術的發展和提高，發動機轉速已成為檢測發動機性能、診斷發動機故障的重要手段和工具之一。

發動機的最低起動轉速是保證發動機可靠起動的曲軸最低轉速，汽油發動機可靠起動的條件是：點火裝置能產生足夠的火花能量保證點火成功；氣缸中應吸入可能著火的混合氣；壓縮行程終了時，混合氣所具有的溫度和壓力應使第一次爆發后，發動機能連續工作，顯然溫度和壓力均與曲軸轉速有關，汽油機在0-20℃時，根據汽油的霧化條件，最低起動轉速應為 30～40r/min，為了在更低溫度下起動成功，最低起動轉速應為 50～70r/min。而柴油機在壓縮行程終了時的空氣溫度取決于周圍介質的溫度、氣缸壁的溫度和壓縮時間的長短，決定壓縮時間長短的就是曲軸的轉速，由于柴油機靠壓縮點火，所以其最低起動轉速比汽油機高，一般為100～200r/min，以保障氣缸內有足夠的壓力和溫度，確保達到著火條件。

2.3 氣缸壓力

發動機冷起動氣缸壓力是綜合衡量發動機技術狀況變化和氣缸密封程度的主要技術和檢測參數之一，它直接反應發動機工作容積的密封性，發動機活塞的密封性直接影響到發動機起動性能的好壞，關系到發動機的輸出功率計排放指標，氣缸壓力數值的改變，不僅可以提示活塞環是否折斷、卡環、彈力不足、氣缸組件或氣門組件有無嚴重磨損、燒蝕或損傷，還可以用來評價多缸發動機中各個氣缸工作的均勻性，因此，冷起動發動機氣缸壓力的大小可以反映發動機冷起動性能好壞重要指標之一。

因此，發動機起動轉速、起動電流及氣缸壓力是影響發動機起動性能關鍵因素。根據GB/T18297-2001《汽車發動機性能試驗方法》及GB/T 1147.2－2007《中小功率內燃機 第二部分:試驗方法》，低溫起動試驗前，發動機機加足防凍液及機油，與充足電的蓄電池、燃油一起置入（柴油機－10℃、汽油機－18℃）的氣溫環境中（由輕型汽車整車環境試驗艙提供），待蓄電池電解液、防凍液、潤滑油及燃油的溫度達到規定溫度（柴油機－10℃±1℃、汽油機－18℃±1℃）時，即可開始低溫起動試驗，測取進氣溫度、冷卻液溫度、機油溫度、蓄電池電壓、電流，起動轉速等參數（氣缸壓力采用專用缸壓測量儀測量，主要用于維修后的測量，國標中起動性能測量不包括該項目）。

3 發動機冷起動參數的同步測試系統

按上述國家標準要求，冷起動時間不能超過15秒（采用電子秒表測?。?，發動機能自行運轉10秒以上不熄火即為起動成功，根據起動試驗的要求開發一套能同時采集包括起動的電壓、電流、發動機轉速、進氣溫度、冷卻液溫度、機油溫度等參數的測試系統，該系統采用磁電轉速傳感器、電流電壓傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器及INDAS-8012采集主機、采通5.0采集軟件及顯示器組成。

圖1 發動機冷起動同步測試系統

4 INDAS-8012采集主機技術指標

（1）電壓/電流通用通道

①通道數：4通道

②電壓輸入范圍：±10.0 V

③電流輸入范圍：4mA～20mA

④單通道采樣率：100Hz

⑤分辨率：16bit

⑥精度：＜0.1%

⑦輸入阻抗：＞1G歐姆

⑧傳感器供電：24VDC，5VDC

（2）頻率/計數器輸入通道

①通道數：2通道

②測量范圍：0～50kHz

③精度：＜±0.5%

④輸入信號幅值：50mV-24V

⑤激勵電壓：5VDC

（3）T型熱電偶溫度通道

①通道數：8通道隔離輸入

②內置高精度冷端補償

③測量范圍：取決于熱電偶的溫度特性

④測量精度：24位

⑤分辨率：0.01℃

⑥測量精度：±0.4°C @ -150 to 400°C

（4）CAN2.0通道

①通道數：1通道（讀取ECU總線報文、連接CAN輸出型模塊）

②CAN 2.0A(11位)和擴展CAN 2.0B(29位)任意ID

③Philips SJA1000 CAN控制器和ISO 11898物理層

④Philips TJA1041高速CAN收發器

⑤硬件時間標注–1 μs分辨率

⑥以1 Mb/s的速率記錄100%總線載荷且不掉幀

⑦采集發動機ECU節點的周期性報文中的參數，與傳感器采集的模擬信號同步顯示、存儲、分析

⑧支持SAE J1939等高層協議

系統的CAN總線通道可以連接多種類型的ECU，可以對SAE J1939、SAE J1587等常用協議的參數進行自動解析。和其它的物理量同步采集、存儲、回放和分析。能自動解析的參數舉例如下：發動機轉速RPM、車速km/h、瞬時油耗L/h、總油耗L、發動機運行時間h、百分比負荷%、油門踏板式操縱桿%、發動機冷卻液溫度℃、進氣管溫度℃、進氣管壓力kpa、燃油油軌壓力kpa、發動機機油壓力kpa等。通過CAN總線可以連接油耗儀、陀螺儀、方向盤、速度等CAN接口傳感器，在不需要重新升級軟件的基礎上，擴展系統的測量能力。支持DBC和NCD兩種CAN通信協議數據庫文件格式。

5 采通5.0采集軟件

本軟件是專為汽車測試而優化設計的，具有很強的通用性，能完成數據的采集、存儲、分析、回放等功能。可以實現模擬信號、CAN總線、GPS、陀螺儀等多種信號類型的同步測試。滿足大多數汽車數據采集的要求。

本軟件為中文Windows界面，兼容Windows XP和Windows Vista操作系統。采用模塊化設計，簡單易用。

（1）通道設定功能齊全

用戶可以設定采樣時間間隔、測試功能、小數點位數、描述信息、線性計算、單位、前置放大器倍數、報警相關等信息。

每個通道可以輸入描述信息，比如傳感器的位置、測量的物理量名稱等。在主界面上可以選擇顯示物理通道名或描述信息，使測量數據的讀數顯得更加直觀。設置界面和傳感器數據庫完美融合，可將存儲在數據庫中任意一個傳感器信號作為本通道設置信息。如果計算某個傳感器的系數，也可以打開“自動計算系數”工具，快速得到系數結果。

（2）動態通道調零和校準

軟件中設計了靈活而方便的調零校準工具，用戶在進行數據采集時，不需要中斷采集就可以選擇當前值、平均值、均方根值、最大值、最小值作為通道的調零值，啟用后實時看到調零后的效果。用戶還可以選擇將所有通道同時進行調零，去除傳感器的零漂，提高測試精度。

（3）通道報警

每個通道可以設置報警模式、限值和是否啟用報警。報警模式包括高低報警、只高報警和只低報警，一旦該通道的測量值超出了報警限值，軟件會自動將報警發生的時間、通道、原因等顯示在界面上，可以將報警信息導出存儲到文本文件中。

（4）計數通道

多個計數測試通道可以用來測量發動機轉速、車速、油耗儀等脈沖信號，對于采用安裝在飛輪上的磁電傳感器測量轉速的方法，需要將測試結果除以齒輪數。軟件的通道設置中，具有前置放大器設置項，只需要在設置項中填入齒輪數，軟件就會自動換算出最終的轉速。

（5）CAN2.0 總線參數同步采集

讀取、解析CAN總線上周期性報文中的參數，直接顯示在軟件界面上；以1 Mb/s的速率記錄100%總線載荷且不掉幀；可選高速和低速模式；遵循CAN2.0A和CAN2.0B標準；支持SAEJ1939，SAEJ1587等上層協議。

6 接入傳感器參數

（1）電壓調理模塊 IN-DC/50

①數量：1只

②數量輸入范圍：0～50VDC

③線性度：0.1%

④精度等級：0.2

⑤輸出：10V

⑥工作溫度：-10℃～70℃

（2）電流傳感器HCS-EKAA-1000A

①數量：1只

②測量量程:1000A

③精度：1%

④供電電壓：24VDC

⑤輸出：4～20mA

⑥響應時間：＜5μS

⑦工作溫度：-40～85℃

⑧孔徑：Φ21

（3）T型熱電偶溫度傳感器

①數量：8只

②測試溫度范圍：-50～200℃

③探頭直徑：Φ1

④精度：I級

該冷起動測試系統可在電腦中點擊測量指令直接測出起動的電壓、電流、發動機轉速、溫進氣溫度、冷卻液溫度、機油溫度等參數，具有精度高、響應快、測量穩定性好的特點，為發動機冷起動性能評價提供準確數據。

[1] GB/T18297-2001.汽車發動機性能試驗方法[S].北京:國家質量技術監督局,2003.

[2] GB/T 1147.2－2007.中小功率內燃機 第二部分:試驗方法[S].北京:國家質量檢驗檢疫總局,2007.