机动车发动机转速测量仪校准装置

陈月婷 赵玉成 戴军/.山东省计量检测中心；.山东省计量科学研究院

0 引言

发动机是否正常工作直接关系到机动车整车性能的发挥。测量各种工作状态下发动机的转速，配套其他检测仪器可以监测发动机的工作状态、当前发动机的功率输出和尾气排放情况，考察发动机与变矩器的匹配度，并可以发现传动系统是否有缺陷，比对发动机与整车配套的适应性，考察怠速稳定性、点火是否正常等[1]。

目前国内的转速测量仪有点燃式发动机高压点火脉冲感应式、机动车电瓶充放电电压脉动式、发动机振动感应式发动机转速测量仪几大类，而现有的校准装置仅是校准某一类转速测量仪。随着发动机转速测量仪的市场需求量越来越大，种类越来越多，研制多功能发动机转速测量仪校准装置成为亟待解决的问题。此外大多校准装置提供标准的电信号或振动信号，不能完全模拟出发动机的实际工作状态，无法真实评价发动机转速测量仪的信号处理能力。其中有些型号的振动感应式转速测量仪同时采集了发动机工作时的振动信号和音频信号，传统的校准装置已无法满足对新型转速测量仪的检测要求。在分析各类转速测量仪工作原理和测量方法的基础上，研制了能够模拟机动车发动机工作状态的转速测量仪校准装置。

1 转速测量仪的工作原理

发动机的高压点火脉冲与其转速有一定的关系[1,2]，点燃式发动机高压点火脉冲感应式转速测量仪利用电磁感应原理测量转速，将转速测量仪的夹子夹在高压点火线圈上，通过电磁感应耦合汽车发动机高压点火脉冲，并进行衰减、整形、放大处理后，其控制器进行脉冲计数，并作相应的转换，可得到发动机的转速。

发动机工作时，将机动车电瓶充放电电压脉动式转速测量仪的点烟器头插入机动车点烟器接口或者用鳄鱼夹夹到蓄电池的正负极上就可以测量出发动机的转速值。机动车发动机和发电机通过固定皮带轮连接，发动机带动发电机旋转并给其提供能量，机动车发电机的作用是向所有车载用电设备（起动机除外）供电，同时给蓄电池充电。通过理论分析和实验测量，发现蓄电池电压中含有脉动的谐波成分，采用信号耦合和滤波隔离出直流信号，提取出交流信号，滤掉杂波和高频干扰，得到与发动机转速相关的信号。通过信号采集和处理得到发动机的转速[3,4]。

将发动机振动感应式转速测量仪的振动传感器吸附在发动机或车身上可以测量出发动机的转速值。发动机运转时的汽缸爆发压力、活塞往复惯性力、旋转惯性力及其扭矩是曲轴转角的周期性函数，且造成了发动机运转的不平衡。发动机运转不平衡所产生的振动激励信号的频率与曲轴转速成一定比例关系[5]，所以分析测得的振动信号中包含了丰富的频率分量，从中提取相关的频谱，计算得到发动机曲轴的转速。

2 校准装置的设计思路和工作原理

目前，检测高压点火脉冲感应式和电压脉动式转速测量仪的大多数校准装置提供电压信号，转速测量仪采集到此信号，进而利用测得信号的频率值，就可以计算出发动机的转速值。而检测发动机振动感应式转速测量仪大多采用振动标准装置。这些标准器的输出信号与发动机转速测量仪实际工作采集到的信号不符，如点烟器接口或者蓄电池两端的电压信号因受机动车上各种电器的影响比较杂乱，机动车上的振动源也非常多等，因此检测结果无法真实体现转速测量仪的信号处理能力。

2.1 校准装置的组成

根据各类发动机转速测量仪的工作原理，本文研制的校准装置模拟了发动机的工作状态，可以检测多种测量原理的发动机转速测量仪，且校准装置操作简单，其输出信号模拟了转速测量仪的基本工作状况。校准装置的结构示意图如图1所示。

图1 校准装置的结构示意图

校准装置主要由以下几部分组成：机械传动装置、振动发生装置、脉冲信号发生装置、控制系统、汽车蓄电池、点火系统和显示装置等。其中，机械传动装置由伺服电机、同步带、主轴固定支架、皮带轮和主轴等组成，振动发生装置包括振动滤波轮、振动板、凸轮、拉伸弹簧和振动板固定支架等。脉冲信号发生装置包括感应轮和霍尔传感器。控制系统包括校准装置控制器和伺服控制系统，点火装置包括三相交流发电机、励磁电压调节器、点火信号发生器、高压线圈、放电电阻和火花塞放电装置等。

2.2 校准装置的工作原理

用伺服电机代替机动车发动机，带动校准装置的主轴旋转，控制器采集伺服控制系统的信号，以达到设定的转速，模拟机动车发动机的曲轴旋转。伺服电机与主轴、主轴与发电机都是通过同步带传动。同步带传动的带轮和传动带之间没有相对滑动，能够保证严格的传动比。主轴的一端装有凸轮，主轴转动时驱动凸轮转动，由于振动板与凸轮滑动摩擦接触，凸轮转动时会使振动板发生振动，从而模拟发动机工作时产生的振动信号和音频信号。将振动感应式转速测量仪的振动传感器吸附在振动板上，读取转速测量仪和校准装置的示值可得到转速测量仪的示值误差。

另外，发电机与蓄电池并联，并通过励磁电压调节器维持发电机的机端电压恒定，提高点火装置电力系统的静态和动态稳定。主轴的感应轮上等间隔设置有若干凸起，在感应轮的一侧安装霍尔传感器，当凸起转动至霍尔传感器的正下方时，凸起使霍尔传感器发出触发信号，根据霍尔传感器的输出信号控制点火信号发生器的通断。最后通过高压线圈将低电压转变为高电压，击穿火花塞产生电火花。将高压点火脉冲感应式转速测量仪的夹子夹在高压线圈上、电压脉动式转速测量仪的夹子夹在校准装置的蓄电池电压输出端，读取转速测量仪和校准装置的示值可得到转速测量仪的示值误差。

校准装置的控制器采用C8051F020单片机，它是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有全速、非浸入式的内核，以确保校准装置转速输出的准确度。设定转速标称值，启动伺服电机，单片机采集伺服控制系统的信号，控制伺服电机带动主轴旋转达到设定的转速值。

2.3 校准装置的使用方法

校准装置的显示界面包括实验界面和调试界面两部分。实验界面包括校准装置的转速设定值、转速实际输出值、启动和停止按钮。调试界面用来设置系统参数。校准装置的使用方法如下。

首先接通校准装置的电源，根据实验需求设定转速标称值，待转速实际输出值达到稳定状态。然后对转速测量仪中发动机的缸数进行设置（一般设为4），并按照产品说明书的要求进行转速测量仪的检测模式设置。接着检测高压点火脉冲感应式转速测量仪时，将其夹子夹在高压线圈上；检测电压脉动式转速测量仪时，将转速测量仪的夹子夹在校准装置的蓄电池电压输出端；检测振动感应式转速测量仪时，将转速测量仪的振动传感器吸附在振动板上。最后读取转速测量仪的示值和校准装置的转速实际输出值可得到转速测量仪的示值误差。示值误差的计算方法在3.2中将详细介绍。校准装置设有高压线圈的输出端子，并且振动板上可以吸附多台转速测量仪，因此可以同时检测多台多种型号的转速测量仪。

本文设计的校准装置模拟了机动车发动机的基本工作状态。其中，在主轴转动时，校准装置中的振动发生装置为检测振动感应式转速测量仪提供了振动信号；主轴旋转带动发电机工作，则蓄电池的端口可检测电瓶充放电电压脉动式发动机转速测量仪；校准装置中的脉冲信号发生装置等时间间隔发出脉冲信号，而点火信号发生器连接于脉冲信号发生装置，点火装置可以检测点燃式发动机高压点火脉冲感应式转速测量仪。综上所述，本校准装置可以检测基于上述三种测量原理的发动机转速测量仪，也能够同时校准多台发动机转速测量仪，提高了检定员的工作效率。

3 校准装置的溯源和实验结果的验证

机动车发动机转速测量仪校准装置达到的技术指标如下：

（1）输出转速范围：500 ～ 6 000 r/min；

（2）转速分辨率：0.1 r/min；

（3）转速示值误差：±0.2%。

3.1 发动机转速测量仪校准装置的溯源

发动机转速测量仪校准装置的溯源可采用转速频率仪或者0.05级手持式数字转速表。在校准装置的主轴贴上反射纸，将转速频率仪（0.05级数字转速表）对准反射纸，在校准装置测量范围内，均匀选取若干测量点，启动转速校准装置，分别读取转速校准装置和转速频率仪（0.05级数字转速表）的示值，可得到发动机转速测量仪校准装置的示值误差。

3.2 示值误差的校准

启动校准装置，按照2.3校准装置的使用方法，将各类发动机转速测量仪连接在校准装置的各输出端口。在500～6 000 r/min的测量范围内，均匀选取五个点作为校准点，每一校准点重复测量三次，按式（1）计算各校准点的示值误差。

式中：δni——第i校准点的转速示值误差；

η——脉冲转速比；

——第i校准点转速测量仪三次测量示值的平均值；

n0——第i校准点校准装置的标准转速

3.3 实验结果的验证

为验证新型校准装置测量结果的准确性和可靠性，选用GZCY-1A型转速频率仪对校准装置的主轴转速进行检测，将转速频率仪设置为转速功能，调整其探头对准反射纸，在500～6 000 r/min的测量范围内，均匀选取若干校准点，分别记录校准装置的转速实际输出值和频率仪的示值，实验结果如表1所示。

表1 转速频率仪与校准装置的实验结果

选取了如表2所示的不同制造商、不同型号的三种发动机转速测量仪，其中ZS-3为高压点火脉冲感应式转速测量仪。MQZ-4为振动感应式转速测量仪。WZS-04为电压脉动式转速测量仪。按照2.3的校准方法，对上述转速测量仪进行校准，实验结果如表2所示。

表2 校准装置检测发动机转速测量仪的实验结果

由以上实验结果可看出，本文所研制标准装置的技术指标符合JJF 1375-2012机动车发动机转速测量仪校准规范的要求。

4 结语

本文在分析机动车发动机转速测量仪工作原理和溯源现状的基础上，提出校准装置的设计思路，并研制了机动车发动机转速测量仪校准装置。该校准装置采用C8051F020单片机作为控制器，确保校准装置主轴转速的控制精度。振动发生装置产生的振动和声音信号模拟了发动机的基本工作状态，点火装置产生的高压点火脉冲和蓄电池的输出电压与机动车发动机实际的点火动作完全一致，适合高压点火脉冲式、电压脉动式和振动感应式等各类型号转速测量仪的检测。该校准装置具有通用性强、准确度高和操作简便等特点，解决了各级计量和质监部门检测各类发动机转速测量仪的难题，提高了检定员的工作效率。