新型汽車柴油發動機轉速測量儀校準裝置研究

全付付,寧輝政,蔡旭平,黃曉蓉,宋 洋,陸 英

（1.廣西壯族自治區計量檢測研究院，廣西 南寧 530007；2.中國測試技術研究院，四川 成都 610021）

新型汽車柴油發動機轉速測量儀校準裝置研究

全付付1,寧輝政1,蔡旭平1,黃曉蓉2,宋 洋1,陸 英1

（1.廣西壯族自治區計量檢測研究院，廣西 南寧 530007；2.中國測試技術研究院，四川 成都 610021）

針對傳統汽車柴油發動機轉速測量儀校準裝置的弊端，提出新的測量解決方案，并研制出溯源鏈明晰、可控性強、無污染且便于攜帶的校準裝置，通過實驗比對驗證了新校準裝置的準確性與可靠性。

汽車柴油發動機；轉速；校準裝置；振動

0 引 言

汽車發動機的“轉速”不僅涉及到其功效，更與其排放密切相關，是評價汽車發動機質量好壞的一個基礎性關鍵參數[1-2]。汽車柴油發動機轉速測量儀（以下簡稱：轉速測量儀）是用于檢測柴油發動機轉速的必備計量儀器，為保證其轉速檢測結果的準確、可靠，轉速測量儀必須用準確度更高一級的計量標準儀器——汽車柴油發動機轉速測量儀校準裝置（以下簡稱：校準裝置）進行校準。

1 問題的來源

轉速測量儀實際上是一種利用振動原理來對發動機轉速進行測量的計量儀器[3-7]。當校準裝置配置的專用發動機每次噴油時，對應的發動機高壓油管便會因其內部油壓急劇變化，而產生一次具有特征頻率的振動。校準裝置和轉速測量儀通過各自的振動傳感器接收該振動，并分別以采集到的特征頻率振動為依據，將每一次振動轉換為一個脈沖信號。由于該脈沖信號與發動機被測缸的噴油頻率F相等，就四沖程發動機而言，由式（1）計算可得專用發動機的轉速n。將校準裝置和被校轉速測量儀獲得的專用柴油發動機轉速進行比較，便實現對轉速測量儀的校準。

在實際檢測工作當中不難發現：傳統的校準裝置存在如下3個方面的問題[8-10]：（1）傳統的校準裝置是以配置的專用柴油發動機輸出的轉速（振動）為校準參考標準，而柴油發動機的轉速（振動）量值又

無法溯源至轉速計量標準，因此傳統的校準裝置在轉速量值溯源方面存在著嚴重缺陷；（2）受專用柴油發動機可控性的限制，傳統的校準裝置轉速的復現性、穩定性及其校準范圍不僅有限，不確定度也很難滿足轉速測量儀校準的要求；（3）傳統的校準裝置采用了專用柴油發動機，導致裝置不僅體積較大，不利于開展現場或在線校準，同時還會給環境帶來不可避免的噪聲和氣體污染。

由此可見，傳統的校準裝置存在的上述問題均源于其配置的專用柴油發動機。傳統的校準裝置之所以不得不采用專用柴油發動機，是基于保證校準有效性的考慮，即為校準提供與轉速測量儀測量對象一致的測量媒介——由發動機噴油發出具有特征頻率的管振動。這一振動既是保證轉速測量儀校準結果有效性的基礎，同時也是導致校準裝置在量值溯源性、復現性、穩定性、校準范圍和精度等方面存在弊端的原因所在。

2 解決方案

兼顧量值溯源關系與測量媒介兩方面的要求，在確保校準結果有效性的基礎上，摒棄裝置配置的專用柴油發動機，是解決校準裝置上述問題的基本出發點。顯然，為確保校準的有效性，新型校準裝置仍應保持以振動為測量媒介；為打通校準裝置量值的溯源通道，應建立起該振動與轉速計量標準直接聯系的簡潔通道；為提高和擴大校準裝置的復現性、穩定性、校準精度和測量范圍，該振動還應能被準確控制。

2.1 振動發生機構

新型校準裝置特征頻率振動發生機構由圖1所示。敲擊錘固定在旋轉聯接軸上，旋轉聯接軸由變頻電機驅動旋轉。變頻電機每旋轉一周，敲擊錘敲擊振動管一次，振動管對應發出一個與專用柴油發動機高壓油管振動的相近振動。

圖1 新校準裝置特征頻率震動發生機構

通過振動管模擬的振動，新型校準裝置仍以振動為測量媒介，保持對轉速測量儀校準的有效性；通過機構的旋轉系統，新型校準裝置十分方便，可直接地實現向轉速計量標準的量值溯源；通過計算機對變頻電機的控制，可達到提高和擴大新型校準裝置復現性、穩定性、校準精度及校準范圍的目的。

由于振動管與發動機高壓噴油管振動的產生方式不同，振動管模擬出的振動與發動機噴油管振動特征（頻率和振幅）的一致性，以及在不同轉速條件下抑制敲擊余震對測量的干擾，是建立新型校準裝置成敗的關鍵。基于各相關因素對敲擊振動頻率和振幅的影響，新型校準裝置以汽車柴油發動機高壓噴油管特征頻率和振幅為參考，通過對敲擊錘與振動管的材料、形狀、敲擊管與敲擊錘的相對位置、敲擊錘與旋轉軸的聯接方式等方面進行反復篩選、優化和調校，不僅獲得在不同轉速條件下與噴油管振動特征十分相近的敲擊振動頻率和有效振幅，并抑制了振動管余振對測量的干擾，最終達成新型校準裝置測量的穩定和可靠。

2.2 新型裝置的工作程序

如圖2所示，計算機將測量或校準轉速轉換為變頻器所需對應的脈沖信號，根據脈沖信號變頻器輸出相應的相位電壓，依據不同相位的控制電壓，磁滯同步電機驅動旋轉聯接軸輸出各種不同要求的測量或校準轉速。

圖2 校準裝置校準和溯源程序示意圖

將被校轉速測量儀傳感器附置在新型校準裝置的振動管上，通過與新型校準裝置顯示的轉速值進行比較，實現對被校轉速測量儀轉速示值的校準。標準轉速表直接與新校準裝置旋轉機構耦合，通過與標準轉速表的示值比較，可直接、簡潔地實現對新型校準裝置轉速量值的校準。

3 驗 證

在完成新型校準裝置初步研制后，對新型校準裝置的驅動機構、控制單元、顯示器、處理軟件進行了全面系統性地優化與集成設計，并重點提升了新校準裝置的抗干擾能力。

表1 比對驗證結果

表2 與AVL傳感器比對實驗結果

為驗證新型校準裝置測量結果的準確性和可靠性，選取了表1所示的不同制造商、不同型號的同類設備，與新型校準裝置進行了比對性驗證（轉速比均為1∶2）。

新型校準裝置還與示值誤差±1%的奧地利AVL傳感器在轉速比為1∶1條件下進行了比對實驗，其實驗數據見表2。

由表1和表2可知，若以比對對象為參考，新型汽車柴油發動機轉速測量儀校準裝置在各種轉速條件下，其示值誤差均小于±1%，整體的測量水平至少應與AVL傳感器相當。

4 結束語

新型汽車柴油發動機轉速測量儀校準裝置，通過其步進電機與標準轉速表的直接耦合，其量值溯源途徑清晰、準確、可靠；通過計算機數字化控制的步進電機所帶動敲擊錘敲擊振動管發出的振動，不僅保持了測量的有效性，同時還擴大了新型校準裝置測量范圍和測量結果的準確性與可靠性；由于摒棄了傳統裝置配置的柴油發動機，新型校準裝置體積小、重量輕、噪音小、可操作性強、便于攜帶，此外還可在任意設定的發動機轉速工況下，為檢測柴油車功效與污染物排放（炭煙及PM顆粒物）提供客觀、公正的基礎技術支持，為汽車及內燃機支柱產業的質量提升和品牌建設提供計量技術支撐。

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Study on a new type of calibration device of speed measuring instrument of automotive diesel engine

QUAN Fu-fu1，NING Hui-zheng1，CAI Xu-ping1，HUANG Xiao-rong2，SONG Yang1，LU-Ying1
（1.Guangxi Zhuang Autonomous Region Institute of Metrology and Test，Nanning 530007，China；2.National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China）

In order to overcome the disadvantages of the traditional calibration device for the speed measuring instrumentofautomotive dieselengines， this paper putforward a new measurement solutions and developed a new calibration device with the features of clear traceabiity chain，strong controllability，pollution-free and portability.Finally，the accuracy and reliability of the new calibration experiment were verified by the experimental comparisons.

automotive diesel engine；speed；calibration device；vibration

U464.172；U467.4+3；TM930.113；TP202+.1

：A

：1674-5124（2014)03-0068-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.019

2013-12-25；

：2014-02-17

全付付（1965-），男，廣西桂林市人，高級工程師，主要從事力學檢測技術研究。