发动机功率检测

第一节
一、发动机功率检测方法
发动机功率检测方法和标准
发动机有效功率 Pe（kW） 、有效转矩 M e (N﹒m）和转速 n (r/min )之间有如 下关系：
Pe =
Me ⋅n 9549
（ 1）
由上式可见，发动机有效功率可以通过测量有效转矩和转速并据此计算得 到。 发动机功率检测 （简称测功） 有台架稳态试验和就车动态试验两种基本形式。 1．稳态测功 稳态测功，是指发动机在节气门开度一定，转速一定和其他参数都保持不变 的稳定状态下，在专用发动机测功机上测定发动机功率的一种方法。常见的测功 机有水力测功机、电力测功机和电涡流测功机 3 种。利用测功机测出发动机的转 速和转矩，然后计算得出发动机有效功率。 稳态测定发动机的额定功率是在发动机节气门全开的情况下进行的。 利用测 功机对发动机的曲轴施加额负荷，使其在额定转速下稳定运转，测出其对应的转 矩，便可据此求出出额定有效功率；如在不同的加载负荷下，测出所对应得转矩 和转速，并计算出在不同情况下发动机输出的功率，便可以在 M e -n、 Pe -n 座标 图上绘制出扭矩外特性和功率外特性曲线。 稳态测功时，由于需要对发动机施加外部负荷，所以也称为有负荷测功或有 外载测功。 稳态测功的结果比较准确、可靠，但需要较为复杂昂贵得测功设备，且测功
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ω -曲轴的角速度（rad/s） 。
把 M e 代人式（1）得： Pe = J dn ⋅n⋅ 30 9549 dt
⋅
π
令
C1 =
J 30 9549
⋅
π
则
Pe = C1 ⋅ n ⋅
dn dt
（3 ）
在节气门突然打开的急加速变工况条件下测试发动机功率时，混合气形成、 发动机燃烧状况和热状况等与稳态测试时不同， 其有效功率值比稳态测试时的功 率值小，因此引人修正系数 K1 对式（3）进行修正。即： Pe = K 1 ⋅ C1 ⋅ n ⋅ 记 C ′ = K1 ⋅ C1 ，则： Pe = C ′ ⋅ n ⋅ dn dt dn dt
5000 5200 4800 5200 5200 4600 5250 5200 5250 3600 5200
第二节 发动机无负荷测功原理
如果把发动机的所有运动部件看成一个绕曲轴中心线转动的回转体， 当发动 机与传动系统脱开， 将没有任何外界负荷的发动机在怠速下突然将节气门打开至 最大开度时， 发动机产生的动力克服机械阻力矩和压缩气缸内混合气阻力矩后所 剩余的有效转矩 M e 将全部用来使发动机运动部件加速。此时，发动机克服本身 惯性力矩迅速加速到空载最大转速。对于某一型号的发动机而言，其运动部件的 转动惯量近似为一个定值。如果发动机的有效功率愈大，其运动部件的加速度也 愈大。这样，可以通过测定发动机在某一转速下的瞬时加速度或指定转速范围内 的平均加速度、加速时间来确定发动机有效输出功率的大小。 这样，根据基本测功原理，无负荷测功可分为两类：用测定瞬时角加速度的 方法测定瞬时功率；用测定加速时间的方法测定平均功率。 一、瞬时功率测量原理 把发动机的所有运动部件等效地看成一个绕曲轴中心线旋转的回转体， 当突 然将节气门打开，使发动机克服其的惯性力矩加速旋转时，测得发动机的瞬时角 加速度，进而求出发动机的瞬时输出功率。 根据刚体转动微分方程，发动机有效转矩与角加速度间的关系为：
第一部分 发动机功率检测
发动机技术状况不良，首先表现为动力性不足，燃油消耗增大。发动机的有 效功率是曲轴对外输出的净功率， 发动机的动力性可用发动机的有效功率即轴功 率评价。发动机点火系统、燃油供给系统、润滑系统、冷却系统技术状况不良或 机件磨损，都会导致功率下降。因此，发动机功率是诊断发动机技术状况的综合 性指标。通过对发动机功率的检测，不仅可以评价发动机的动力性，而且可以确 定发动机的技术状况。
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丰田皇冠 MS122 丰田海艾斯 RH 丰田海艾斯 YH 丰田莱特艾斯 KM20 丰田之花 RH 丰田黛娜 YU60 波罗乃兹 菲亚特 125P 江铃 1030DS 上海别克 GLX、GL
5M 12R 2Y 4K 12R 3y 1300BB 1300Ac 1300AB 4JA 1 L46
90 59 58 51 59 63 45 52 60 50 126
图 2 转速传感器工作原理 a）漏磁感应式； 漏磁感应式；b）电磁感应式； 电磁感应式；c）磁阻式
2．角加速度
图 3 为瞬时角加速度测试原理框图。从传感器传来的转速脉冲信号，输人到 脉冲整形装置整形放大，转变为矩形触发脉冲信号，并把脉冲信号的频率放大
2～4 倍以提高仪器的灵敏性。矩形触发脉冲信号输人到加速度计算器，并且只
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平均功率测量是指在无外载工况下根据发动机从某一指定转速急加速到另 一指定转速所经过的时间，求得在加速过程中发动机的平均有效功率 Pem 。 发动机空载低速运转时，将油门由突然加至最大位置，相当于对发动机施加 一个阶跃输入，其转速响应过程接近于二阶系统的阶跃响应曲线，如图 1 所示。 从图中可以看出，在一定时间内转速呈直线上升趋势。在此时间段内，发动机的 功率消耗在克服自身加速运动产生的惯性力矩而作功。
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时，连接线有脉动电流通过，在其周围产生脉动磁场，从而在传感器线圈两端产 生脉动电压信号。 发动机转速 n （r/min） 与高压连接线中感生电压脉动频率 f （s ） 的关系为：
f = n τ 60 2
−1
式中： τ －发动机缸数。 对于柴油发Байду номын сангаас机，可利用磁阻式传感器从发动机飞轮上取得转速信号，见图
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（r/min） ，则 C2 为常数，称为平均功率测功系数。一般 n1 要稍高于怠速转速，n 2 宜取额定转速。 上式表明，加速过程中，发动机在某一转速范围 n1 ～ n 2 内的平均功率与加 速时间 ∆ T 成反比。即：节气门突然全开时，发动机由转速 n1 加速到转速 n 2 的时 间越短， 表明发动机功率越大， 动力性越好； 加速时间越长， 则发动机功率越低。 这样， 测某转速范围的平均功率， 实质上就成为测定该转速范围加速时间的问题。 与瞬时功率测量的情况类似，由于 n1 ～ n 2 范围内的平均功率亦是在急加速 变工况条件下测得，其测试值与稳态工况下的测试值有一定差异，需引入修正系 数 K 2 进行修正，并令 C ′′ = K 2 ⋅ C 2 。这样：
有在发动机转速达到规定值时，整形装置才输出触发脉冲信号。触发脉冲信号通 过控制装置触发加速度计算器工作，计算一定时间间隔内输入的脉冲数，并把这
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些脉冲数累加起来。时间间隔由时间信号发生器控制。每一时间间隔的脉冲数与 发动机转速成正比， 后一时间间隔和前一时间间隔脉冲数的差值则与发动机的角 加速度成正比，而发动机的有效功率又与角加速度成正比。转换分析器可把计算 器输出的脉冲信号，即与功率成正比的角加速度脉冲信号转变为直流电压信号， 然后输入到指示电表。该指示电表可按功率单位标定，因而可直接测得功率值。 时间间隔取得愈小则所测出的有效功率愈接近瞬时有效功率。
Pem = A 1 ω 2 − ω12 = J 2 ∆T 2 ∆T
显然：
ω=
n 30 ，如果以千瓦（kW）作为平均功率 Pem 的单位，则有：
π
Pem =
C2 ∆T
5
（5 ）
2 − n12 1 π n2 C2 = J 2 30 1000
2
若已知转动惯量 J（kg ⋅ m ） ，并确定测量时的起始转速和终止转速 n1 、 n 2
2c。磁阻式传感器由水久磁铁及绕在其上的线圈组成，使用时装在飞轮壳上并使
当飞轮旋转时， 轮齿的凹凸引起磁路中磁阻 其与飞轮齿顶保持 2～4mm 的间隙。 的变化， 使通过线圈的磁通量发生强弱交替变化， 从而在线圈中产生交流电动势。 电动势交变频率等于飞轮每秒钟转过的齿数， 由此得到发动转速 n 与传感器线圈 中感应电动势的交变频率 f 间的关系为： f = 式中：z-飞轮齿圈齿数。 n z 60
Me = J dω π dn =J dt 30 dt
（2 ）
式中： M e -发动机有效转矩（N·m） ；
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J-发动机运动部件对曲轴中心线的当量转动惯量（kg· m ） ； n-发动机转速（r/min） ；
dω dt -曲轴角加速度（rad/ s 2 ） ； dn dt -曲轴转速变化率（r/ s 2 ） ；
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时费时费力、成本较高。因此多为发动机设计、制造部门和科研单位做性能试验 时所采用。在一般的汽车运输企业、汽车维修企业和汽车检测站中采用不多。 2．动态测功 动态测功，是指发动机在节气门开度和转速等参数均处于变化的状态下，测 定发动机功率的一种方法。由于动态测功时无须对发动机施加外部载荷，所以又 称为无负荷测功或无外载测功。 其基本方法是： 当发动机在怠速或某一底转速下， 突然全开节气门，便发动机克服自身惯性和内部各种运转阻力而加速运转时，其 加速性能的好坏能直接反映出发动机功率的大小。该测功方法所用仪器轻便，测 功速度快，方法简单，但测功精度较低。 对于汽车使用单位，经常需要在不解体条件下进行就车试验测定发动机功 率。因此，发动机无负荷动态测功得到广泛应用。 二、发动机功率检测标准 根据 GB7258-2004《机动车运行安全技术条件》和 GB/T15746.2-1995《汽 车修理质量检查评定标准 发动机大修》 的规定： 发动机功率不允许小于标牌 （或 产品使用说明书）标明的发动机功率的 75%；大修竣工后，发动机功率不得低于 原设计标定值的 90%。常用汽车的发动机额定功率和额定转速见表 1。
图 1 发动机转速上升曲线
根据动能原理， 发动机无负荷加速过程中， 其动能增量等于发动机所作的功。 即：
A= 1 1 2 Jω 2 − Jω12 2 2
式中： A-发动机所作的功（J） ；
ω1 -测定区间起始角速度（rad/s） ； ω 2 -测定区间终止角速度（rad/s） 。
若发动机曲轴旋转角速度从 ω1 上升到 ω 2 的时间为 ∆ T， 则发动机在这段时间 内的平均功率 Pem （W）为：
表 1 常见汽车发动机的额定功率和额定转速 车型 解放 CA1090 东风 EQ1091 跃进 NJ1041 跃进 NJD1041 黄河 JN1171 上海桑塔纳 LX 上海桑塔纳 2000GLi 上海桑塔纳 2000GSi 夏利 TJ7101U 夏利 TJ7131U 富康 AL 捷达 GT、GTX、AT 丰田皇冠 YS120 发动机型号 CA6102 EQ6100-1 NJG427A NJD 433A X6130 JV AFE AJR TJ376Q-E 8A-FE TUSJP EA113 3Y 额定功率/kW 99 99 65 65 154 66 72 74 39 63 65 74 63 额定转速/（r/min） 3000 3000 4000 3600 2100 5200 5200 5200 6000 6000 5600 5800 4600
dω 速 n、角加速度 dt 或角加速时间 ∆T 的测量。
1 转速 对汽油发动机而言，其转速信号可取自点火线圈的漏磁或点火线圈低压、高 压脉动电流。图 2a 为漏磁感应所用传感器，在螺栓形的磁芯上绕一匝数约为 10000 匝的电感线圈。当传感器靠近点火线圈时，在点火线圈脉动漏磁作用下， 传感器 l、2 两端便会产生感生脉动电压信号。图 2b 为电流感应所用传感器，在 U 形磁芯上绕一电感线圈，点火线圈低压或高压连接线嵌人磁芯内，发动机运转
Pem = C ′′ ∆T
由于现代内燃机具有类似的外特性功率曲线和动态特性， 发动机发出的平均 功率与外特性最大有效功率间有较为稳定的比例关系。因此，通过无负荷平均功 率的测试值与台架试验发动机功率测试值的对比试验， 找到所测机型的动态平均 功率与稳态有效功率间的关系，确定 K 2 的值，并对无负荷测功仪进行标定，以 便通过测定 n1 ～ n 2 转速范围内的加速时间 ∆ T 测出发动机的功率值。 三、转速、角加速度和加速时间测试原理 由无负荷测功原理可知，无论瞬时功率测量还是平均功率测量，都离不开转
（4 ）
式（4）表明：加速过程中，发动机在某一转速下的功率与该转速下的瞬时 加速度成正比。这样，发动机无负荷测瞬时功率的问题，实质上成为测定发动机 转速和在该转速下的角加速度或曲轴转速变化率的问题。即：只要测出发动机在 dn 加速过程中的转速 n 和对应的瞬时转速变化率 dt ，便可求出该转速下的瞬时有 效功率。 二、平均功率测量原理 瞬时功率检测要求检测系统具有很快的处理、 计算转速传感器输出的转速信 号的能力，在实际应用时往往会遇到一定困难。