基于LabVIEW的汽车发动机油耗与动力性能测试系统设计

廖燕辉

摘 要：运用NI公司的数据采集卡把发动机和PC机中的LabVIEW程序连接起来，搭建汽车发动机油耗与动力性能的虚拟仪器测试平台，研究发动机的动力性能和油耗。用LabVIEW（虚拟仪器）软件编写程序、收集发动机的转速和喷油脉冲宽度，检测发动机的扭矩（动力性）和油耗（喷油量）。

关键词：LabVIEW;发动机油耗;动力性能

1 引言

各大厂商不断地投入巨资开展新能源汽车的研究，希望在市场竞争中保持竞争力。尽管新能源汽车成为了汽车工业的发展方向，可是新上市新能源汽车中的燃油发动机配电动机驱动的车型仍然使用了燃油发动机、而且中国2亿多辆的汽车保有量中大部分还在用燃油发动机。因此，开发低成本的、能够快速、便捷地检测油耗和动力性能的装置，对内燃机的油耗和动力性能进行有效的监测，是有意义的。

国内外的研究者为了使发动机的动力性和经济性达到更高的标准，不断地致力于发动机的各类测试与研究工作。使用传统的设备（测功机、扭矩测试仪）测试发动机的功率、扭矩，购置测功机或扭矩测试仪的费用动辄几万到几十万不等;用传统的第五轮仪测试汽车的加速性能（动力性能）、燃油经济性能（油耗），一套第五轮仪的价格也要几万元。高昂的设备费用，使很多研究人员一筹莫展，阻碍了他们的研究进展。用传统的方法测试发动机的动力性能，不但成本很高，便捷性也远远不够。

2 设计目标

测功机和第五轮仪的购置费用高昂，便捷性也较低，为了克服这些问题，本设计的总体目标是在低成本、快速、便捷和准确的前提下，使用 LabVIEW平台设计程序，这个程序能够根据发动机的运行情况，准确地计算出发动机的扭矩和油耗。通过实验的方式找到计算油耗的数学公式，并在LabVIEW程序中使用这条数学公式来准确地计算油耗;通过查找文献的方法，确定能够准确地计算发动机扭矩的数学公式，并在LabVIEW程序使用这条数学公式来准确地计算发动机的扭矩大小。

3 确定数学模型

发动机的电子控制系统运行时，主要是按照新鲜空气进入量的多少、不同的转速值来决定喷油脉宽，由喷油脉宽来控制喷油器打开的时间，在喷油压力一定的情况下，喷油脉宽决定了喷油量。因此，可以通过喷油脉宽的数值来计算喷油量，但是喷油脉宽和喷油量之间还没有成熟的经验公式，而在LabVIEW程序设计过程中，又要建立喷油脉宽和喷油量的数学模型来换算油耗。因此，第一步的工作时做实验，通过实验并采集实验数据（喷油脉宽、喷油量）。常规的喷油器清洗机能够像发动机的电子控制系统一样，控制喷油脉宽的大小。对于发动机的喷油脉宽和喷油量，使用常规的喷油器清洗机设置喷射时间、模拟发动机的工作过程来收集[1]。对于没有成熟的关系曲线的、离散的实验数据，收集到实验数据之后，通常可以运用excel、MATLAB等软件分析它们之间的关系曲线（对应关系），得到设计者所期望的、准确的数学关系。得到准确的数学关系之后， 就可以根据某个时间段内的喷油脉宽的总值来计算出总的喷油量（油耗）值。

发动机的扭矩与转速之间蕴含着一定的数学关系，已经有同行通过实验的方式得出了经验公式。发动机扭矩与转速之间的关系经验公式已经成熟[2]，在LabVIEW程序中可以借鉴已有的成熟经验公式，使用它来准确地计算出发动机运行时的扭矩。本系统采取以下經验公式：

T——发动机的扭矩;TT——最大扭矩;Tp——扭矩（功率最大时）;NT——转速（扭矩最大时）;Np——（功率最大时）;N——转速

4 确定总体方案

在PC机中使用LabVIEW软件，设计能够同时测试汽车发动机油耗与动力性能的系统;使用NI公司的数据采集卡采集发动机的转速和喷油脉宽信号、并输入LabVIEW软件测试系统，对发动机的动力性能和燃油经济性进行检测。直接从转速传感器接入信号，别的信号会产生很强的干扰，影响准确性。为了提高系统的检测精度，通过LabVIEW软件计算点火次数来获得转速信号（以四冲程发动机为例：每完成一个工作循环（曲轴运转720度），每一缸的火花塞工作一次，即转速n=某一缸火花塞的工作次数×2）。通过LabVIEW软件计算喷油器每一次打开的时间长短（喷油脉宽），并把喷油器在一定时间内、每一次的开启时间相加起来，从而得到喷油器在一定时间内总的开启时间，即总的喷油脉宽。

NI公司的数据采集卡具有数据调理的功能，因此不用再接入数据调理的设备。由于车上有很多传感器和用电设备，转速信号和喷油脉宽信号输入数据采集卡的这一段线路，比较容易受到其它信号的干扰，因此要选用抗干扰性强的导线来传输转速和喷油脉宽信号，保证信号不失真、提高测量的准确度。LabVIEW平台主要完成以下工作：设置数据采集卡的物理通道、建立油耗和扭矩的计算公式、建立数学公式的信号输入路径、设置显示界面（像传统仪表一样的仿真仪表，适应用户的传统习惯）、设置数据的自动保存功能和路径（方便试验结束之后查找、分析数据）。总体方案如图1所示。与传统的方法相比，本方案的特点是成本低、灵活方便、便捷性较高。

5 实车测试方案

第一步，用NI公司的数据采集卡把虚拟仪器的软件和发动机硬件连接起来;第二步是控制发动机在各类工况下运行，检测各类工况下的油耗和扭矩。把实测油耗与电子秤（每次试验开始前对油箱称重、结束后再次称重，油耗等于开始试验前的油箱重量减去试验结束后的油箱重量）或者油耗仪测得的结果作综合比较;每一台发动机的资料，参数介绍部分都会标明最大扭矩，因此，只要把实测扭矩和发动机参数（最大扭矩）作比较，以此来验证本测试系统的准确性。

6 实车测试结果分析

本系统利用最大扭矩185N.m、综合油耗5.6L/100千米的某款车开展测试。经过实车运行的检测结果表明，虚拟仪器的油耗和扭矩测试平台的输出结果精确，可以满足实车测试的需求。对于其他车型，只需要使用喷油器清洗器做实验就可以找出不同车型的喷油脉宽和喷油量之间的数学关系，并在程序中修改相应的参数就能够开展测试，推广性较强。

参考文献：

[1]杜灿谊，基于虚拟仪器的汽车油耗测试仪的研制[J].汽车科技，2008，4：50-53.

[2]徐宝云，陈民鉴，发动机扭矩与转速关系经验公式试验研究[J].兵工学报坦克装甲车与发动机分册，1996，2：7-11.