马东元 黄旭 陈楠 张伟 许伟利

中国北方发动机研究所 天津市 300400

汽车发动机的“热试”需要在专门的试验台上进行。由该试验台提供发动机运行所需的水、油、电、气等基本条件，并通过预设程序指令或手动控制，调节发动机使其处于不同的运行状态，使潜在的缺陷暴露出来，为发动机的质量改进提供参考。基于LabVIEW 平台的编程控制具有模块化、直观化的特点，同时还提供了若干种调试工具，能够满足发动机热磨合试验中的多种调试需求，是发动机仿真实验中较为常用的工具之一。

1 基于LabVIEW 的汽车发动机热磨合试验台结构设计

1.1 配电系统设计

该系统将满足试验台的电力需要，总电源为380V 三相交流电，之后通过变压器、整流器的作用，实现电力分配，以满足其他系统的正常用电需求。除了水箱加热器和起动机可直接供电外，像伺服控制系统、供油供气系统等，都需要在电路中使用电气隔离措施，降低电压以保护电气设备的安全运行。例如ECU 通信系统需要使用12V 电源供电，必须加装隔离变压器将高压变为低压，才能满足ECU 通信装置正常用电需求。

1.2 供油系统设计

该系统满足发动机运行时的用油需求，同时还具备了：（1）燃油自动回收功能，在发动机热磨合试验结束后，通过压力差使油路中剩余的燃油重新流回油箱内；（2）液位控制功能。利用油箱内的传感器，感知液位变化情况。若实际液位低于设计值，则根据预设程序启动供油电磁阀打开，向油箱内加油。当液位达到上限后，自动停止加油。该系统的各个管路中都使用了独立的气动阀，具体又可分为放气阀、进油阀、减压阀等若干类型。系统结构组成及运行原理如图1所示。

图1 供油系统的结构示意图

1.3 供水系统设计

该系统提供冷却液，带走发动机运转时产生的热量，使水温维持在75-95℃之间，防止发动机出现高温烧毁的情况。供水系统设计要考虑两种情况：其一是水箱为发动机供水，此时要根据发动机冷却液的实际温度，确定选择水路大循环还是小循环。若实际温度超过设定值，则切换至大循环，通入冷却液进行降温；反之则切换至小循环，节能降耗。其二是发动机吹水。试验结束并且发动机完全停止后，控制器执行吹水指令，此时吹水阀门打开，高压空气从进水端吹入，将冷却液吹会水箱，排空水管中的残余冷却液。

1.4 高压空气供给系统设计

该系统的功能是提供高压空气，在试验结束后通过气动阀控制高压空气吹水、吹油。硬件部分主要有电磁阀、气动三联件、压力调节阀等。外部空气进入空气压缩机后，成为压力在3-5MPa 的高压空气。然后进入气动三联件中暂时存储。根据试验需要，高压空气分别输送至燃油系统、水循环系统。在水路系统中，通过进水阀、出水阀、吹水排空阀的控制，完成供水、排水以及清理残余冷却液等功能。同样的，在油路系统中，通过进油阀、泄压阀，实现供油和清理残余油液的功能。

1.5 控制系统设计

该系统是整个试验台的关键部分，根据预设程序或人工指令可实现自动采集发动机运行参数、控制各类电气元件动作、提供发动机运行外部环境等功能。其硬件设备有主控制器、继电器、电磁阀、状态指示灯等。控制器的输入输出信号共有4 种，分别是：（1）串行接口输入信号，如冷却液温度、进气压力、尾气中CH 含量等；（2）模拟输入信号，如发动机进/出水温度、燃油压力等；（3）数字输入信号，如台架上电信号、发动机启/停信号、油箱液位信号等；（4）数字输出信号，如电磁阀控制信号、状态知识信号等。

控制面板方面，设计8个功能不同的按钮。如“画面切换”按钮、“输入切换”按钮、“紧急停止”按钮。除了“停止”、“紧急停止”两个按钮为红色为，其余6 个按钮均为绿色，通过灯的亮与灭来显示当前的控制状态。

2 基于LabVIEW 的汽车发动机热磨合试验

2.1 组装试验台

该试验台共分为6 大模块，各模块功能如下：（1）试验小车，用于固定汽车发动机；（2）起动模块，给发动机提供动力，让发动机正常点火起动；（3）ECU 通信模块，通过信号收发实现ECU 与控制器的指令传递；（4）控制器模块，包括PXI 机箱、采集卡等设备，根据预设指令完成试验项目；（5）供水供油供气模块，提供发动机运行需要的环境；（6）人机交互模块，有显示器、按钮等，方便人工操作试验。将上述模块依次连接后得到用于进行热磨合试验的发动机试验台。

2.2 试验方法

检查设备连接完好后，接通电源，在LabVIEW 上运行已经编写好的主程序。在主界面的“发动机”选项中，选择需要测试的发动机型号，点击确定后即可进入到该机型的测试程序。在二级页面上，点击“准备”后，显示器上出现台架传感器示数；长按“准备”后，执行气密性检查程序，若气密性不合格，则显示界面上出现相应提示，若检测合格，则自动执行初始化程序，完成ECU 初始化，进入发动机起动前的等待程序。当按下“起动”按钮后，发动机起动，在发动机运转过程中注意观察有无异响、漏油等异常情况；也可以手动输入需要查询的选项，通过显示的查询结果判断发动机的工况。试验结束后，试验台自动切断给油，待发动机完全停止后，自动吹水吹油。完成后将供水管、排气管等拆掉，退出试验台。

2.3 试验结果与分析

本次试验中，供电模块、ECU 通信模块、控制其模块等均正常运行。

记录的4 组数据中，30和9′30均为发动机低速状态下的数据，3′30和6′30为高速状态下的数据。结合发动机燃烧原理，在发动机低速时，尾气中CH 排放较高；NO排放较低；高速时则相反，CH 排放较低，NO 排放较高。对比上图记录的数据，可以发现CH 和NO 两项指标符合上述规律，故本次试验中采集到的发动机运行数据准确。

为了进一步检查试验台控制效果的可靠性，调取了试验中发动机水温变化数据，其变化曲线如图2 所示。

图2 发动机水温变化曲线

结合图4 可以发现，试验中水路系统的水温基本上维持在75-95℃的区间中。同时，当发动机水温高于95℃后，控制器会启动水路大循环，使水温逐渐降低；当水温低于75℃后，控制器发布指令将大循环关闭，水温不在降低。由此可见，热磨合试验中水温控制达到了预期效果。

3 结语

本文基于LabVIEW 平台设计了发动机热磨合试验台，经仿真实验分析，发动机运行参数记录准确，水温调控达到预期，为发动机热磨合试验的开展提供了支持。