一种新型汽车柴油发动机转速测量仪校准装置的设计_蔡旭平

变频电机
振动管
计算机
图1
新型校准装置特征频率振动发生机构
变频器
装置仍以振动为测量对象 ， 保持住了对转速测量仪校 准的有效性 ； 通过机构的旋转系统 ， 新型校准装置可 十分方便 、 直接地实现向转速计量标准的量值溯源 ； 通过计算机对变频电机的控制 ， 可达到提高和扩大新 型校准装 置复现性 、 稳定性 、 校准准确度及校准范围 的目的 。 由于振动管与发动机高压喷油管 振 动 的 产 生 方 式不同 ， 振动管模拟出的振动与发动机喷油管振动特 征 （ 频率和振幅 ） 的一致性 ， 以及在不同转速条件下抑 制敲击余震对测量的干扰 ， 是建立新型校准装置成败 的关键 。 基于各相关因素对敲击振动频率和振幅的影 响 ， 新型校准装置以汽车柴油发动机高压喷油管特征 频率和振幅为参考 ， 通过对敲击锤与振动管的材料 、 形状 、 敲击管与敲击锤的相 对位置 、 敲击锤与旋转轴 的连接方式等方面进行了反复筛选 、 优化和调校 ， 不 仅获得在不 同转速条件下与喷油管振动特征十分相 近的敲击振动频率和有效振幅 ， 并抑制住了振动管余 振对测量的干扰 ， 最终确保新型校准装置测量的稳定 和可靠 。 基于以上思路 ， 我们研制了一种新型柴油发动机 转速测量仪校准装置 。 其工作原理框图如图 2 所示 。 图3
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AVL 传感器在转速比为 1∶1 条件下进行了比对实验 ， 其
实验数据如表 2 所示 。 由表 1 和表 2 可见 ， 若以比对对象为参考 ， 新型汽 车柴油发动机转速测量仪校准装置在各种 转速条 件 下 ， 其示值误 差 均 小 于 ±1% ， 新 型 校 准 装 置 整 体 的 测 量水平至少应与 AVL 传感器相当 。 五 、 结束语 新型汽车柴油发动机转速测量仪校准装 置 ，通 过其步进电机与标准转速 表 的 直 接 耦 合 ，其 量 值 溯 源 途 径 清 晰 、准 确 、可 靠 ；通 过 计 算 机 数 字 化 控 制 的 步进电机所带动敲击锤敲 击 振 动 管 发 出 的 振 动 ，不 仅保持了测量的有效 性，还 扩 大 了 新 型 校 准 装 置 的 测量范围和测 量结果的准 确 与 可 靠 性 ；由 于 摒 弃 了 传统装置配置的柴油发动机， 新型校准装置体积 小 、重 量 轻 、噪 音 小 、可 操 作 性 强 、便 于 携 带 ；新 型 校 准装置可在任意设定的发 动 机 转 速 工 况 下 ，为 检 测 柴 油 车 功 效 与 污 染 物 排 放 （ 炭 烟 及 PM 颗 粒 物 ） 提 供 客观、公正的基础技术支持，为汽车 及内燃机支柱 产业的质量提升和品牌建设提供计量技术支撑。 作者单位 【 蔡旭平 院 、 许基 全付付 韦煜祺 自治区计量检测研究院 、 黄晓蓉
新型校准装置与 AVL 的比对实验结果
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标准转速表
变频电机
旋转振动发生机构
转速测量仪
校准装置校准程序示意图
将被校转速测量仪传感器附置在 新 型 校 准 装 置 的振动管上 ， 通过与新型校准装置显示的转速值进行 比较 ， 便实现了对被校转速测量仪转速示值的校准 。 标准转速表直接与新型校准装置旋转机构耦合 ， 通过 与标准转速 表的示值比较 ， 便可直接 、 简洁地实现对 新型校准装置转速量值的校准 。 三 、 技术指标 柴油发动机转速测量仪校准装置 主 要 技 术 指 标 如下 ：
四 、 验证 在完成新型校准装置初步研制后 ， 我们对新型校 准装置的驱动机构 、 控制单元 、 显示器 、 处理软件进行 了全面系统性的优化与集成设计 ， 并重点提升了新型 校准装置的抗干扰能力 。 为验证新型校准装置测量结果的准 确 性 和 可 靠 性 ， 我们选取了如表 1 所示的不同制造商 、 不同型号的 同类设备 ， 与新型校准装置进行 了比对性验证 （ 转速 比均为 1∶2 ）。 新 型 校 准 装 置 还 与 示 值 误 差 为 ±1% 的 奥 地 利
DOI:10.16569/j.cnki.cn11-3720/t.2015.04.039
技 术 TECHNOLOGY
现代计量仪器与技术
一种新型汽车柴油发动机转速测量仪 校准装置的设计
□蔡旭平
全付付 韦煜祺 黄晓蓉 许基
汽车柴油发动机转速测量仪 （ 以下简称 “ 转速 测 量仪 ”） 是用于检测柴油发动机转速测量必备的计量 仪器 ， 为保证其转速检测结果的准确 、 可靠 ， 转速测量 仪必须用准确度更高一级 的计量标准 仪 器 — —— 汽 车 柴油发动机转速 测量仪校准装置 （ 以下简称 “ 校准装 置 ”） 对其进行校准 。 一 、 问题来源 转速测量仪实际上是一种利用振动原 理 对 发 动 机转速进行测量的计量仪器 。 当校准装置配置的专用 发动机每次喷油时 ， 对应的发动机高压油管便会因其 内部油压急剧变化 ， 而产生出一次具有特征频率的振 动 。 校准装置和转速测量仪通过各自的振动传感器接 收该振动 ， 并分别以采集到的特征频率振动为依据 ， 将每一次振动变换为一个脉冲信号 。 由于该脉冲信号 与发动机被测缸的喷油频率 F 相等 ， 就四冲程发动机 而言 ， 由式 （1 ） 可计算出专用发动机的转速 n 。 将校准 装置和被校转速测量仪获得的专 用柴油发动机转速 进行比较 ， 便可实现对转速测量仪的校准 。
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TECHNOLOGY 技 术
现代计量仪器与技术
敲击锤
2.新型装置的工作程序
如图 3所示 ， 计算机将测量或校准转速转换为变 频器所需对应的脉冲信号 ， 根据脉冲信号变频器输出
旋转连接轴
相应的相位电压 ， 依据不同相位的控制电压 ， 磁滞同 步电机驱动旋转连接轴输出各种不 同要求的测量或 校准转速 。
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广西壮族
中国测试技术研究
上海市汽车运输科学技术研究所 】 计
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柴油发动机 转速表传感器
图2
工作原理图
2015.4 中国计量
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技 术 TECHNOLOGY
现代计量仪器与技术
表1 测量结果比对性验证结果
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1.转速范围 ：（500～6000 ）r/min 。 2.设定转速调节分度值 ：100r/min 。 3.实际转速显示分度值 ：1r/min 。 4.实际转速示值误差 ：±0.2% 。
柴油发动机转速表校准装置
控制部件
计算机
变频器
变ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电机
振动器
振动管
校准装置显示器
柴油发动机 转速表显示器 柴油发动机转速表
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表2
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（1 ）
在实际检测工作中不难发现 ： 传统的校准装置存 在 3 个方面的问题 ：（1 ） 由于传统校准装置是以配置的 专用柴油发动机输出的转速 （ 振动 ） 为校准参考标准 ， 而柴油发动机的转速 （ 振动 ） 量值又无法溯源至转速 计量标准 ， 因此传统的校准装置在转速量值溯源方面 存在严重缺陷 ；（2） 由于受专用柴油发动机可控性的 限制 ， 传统校准装置转速的复现性 、 稳定性及其校 准 范围有限 ， 不确定度也很难满足转速测量仪校准的要
求 ；（3 ） 由于传统校准装置采用了专用柴油发动机 ， 导 致装置不仅体积较大 ， 不利于开展现场或在线校准 ， 同时还会给环境带来不可避免的噪声和气体污染 。 由此可见 ， 传统校准装置存在的上述问题均源于 其配置的专用柴油发动机 。 传统校准装置之所以采用 专用柴油发动机 ， 是基于保证校准有效性的考虑 ， 即 为校准提供与转速测量仪测量对象一致的测量对 象— —— 由发动机喷油发出具有特征频率的管振动 。 这 一振动既是保证转速测量仪校准结果有效性的基础 ， 又是导致校准装置在量值溯源性 、 复现性 、 稳定性 、 校 准范围和准确度等方面存在弊端的原因所在 。 二 、 设计方案 兼顾量值溯源关系与测量对象两个方面的要求 ， 在确保校准结果有效性的基础上摒弃 装置配置的专 用柴油发动机 ， 应是解决校准装置上述问题的基本出 发点 。 显然 ， 为确保校准的有效性 ， 新型校准装置仍应 保持以振动为测量对象 ； 为打通校准装置量值的溯源 通道 ， 应建立该振动与转速计量标 准直接联系的通 道 ； 为提高和扩大校准装置的复现性 、 稳定性 、 校准准 确度和测量范围 ， 该振动还应能被准确控制 。
1. 振动发生机构
新型 校 准 装 置 特 征 频 率 振 动 发 生 机 构 如 图1所 示 。 敲击锤固定在旋转连接轴上 ， 旋转连接轴由变频 电机驱动旋转 。 变频电机每旋转一周 ， 敲击锤敲击振 动管一次 ， 振动管对应发出一个与专用柴油发动机高 压油管振动的相近振动 。 通过振动发生机构振动管模拟的振动 ， 新型校准
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