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汽车发动机转速测量与单缸功率平衡测试研究
2024年6月1日发(作者：代芮美)
2019.07
科学技术创新
-9
-
汽车发动机转速测量与单缸功率平衡测试研究
崔宏巍朱亮红
（
深圳职业技术学院
，
广东深圳
518055）
摘要
：
本文在比较不同转速测量方法的基础上
，
设计了转速测量预处理电路与测量程序
，
实现了汽车发动机转速的精确测
量
，
转速是发动机运行过程中一个重要的动态特性参数
，
对发动机工作过程的测试
、
监控
、
性能评价与故障诊断有重要意义
，
在精
确测量转速的基础上
，
研究汽车发动机单缸功率平衡测试方法
，
通过微控制器发出指令,控制发动机点火系统
，
达到断缸测量转
速降的目的
，
并分析各缸之间的转速均衡性
，
为发动机性能评价和故障诊断提供依据
。
关键词：
发动机;转速;传感器
；
测试
中图分类号:
U464,U467.4+3
文献标识码:
A
文章编号:
2096-4390
（
2019
）
07-0009-02
转速是发动机的一个重要的动态特性参数
，
对发动机工作
因此
（
为十士愕卜冲
）
过程的故障诊断有重要意义
。
因此在采集数据的同时需要记录
发动机的转速
。
通常测量转速的方法是采集发动机上转速传感
式中
：
笙
—
—
测量频率时的相对误差
；
器
，
利用它的输出脉冲信号
，
经过整形
、
滤波
、
光电隔离等信号预
△
N
f
处理后
，
送入计算机进行测速和数据分析。
--------
计数值的相对误差
；
1
转速测量原理与软硬件设计
竺
—
—
与门开启时间的相对误差
。
1.1
转速测量预处理电路
因为转速信号波形不符合数字电路要求
，
必须进行信号预
可以选择适当的石英晶体并使它处于良好的工作环境
,
使
处理
。
用引线将电压信号送到光电耦合器输入端
，
采用
TIL113
达林顿管型光电耦合器
，
这样脉冲信号由光电耦合器输入
，
使
得点火电路与采集控制系统没有直接联系
，
也就切断了干扰进
入的通道
，同时在光电耦合的输出端加了一级低通滤波器
R4
和
C1
,
消除干扰
。
然后由一片
CD40106
将脉冲信号整形后输入
计算机
。
预处理电路如图
1
所示
。
1.2.2
测周法
被测信号频率
f
=
®N,
式中九为基频,
N
为计数值
图
1
转速测量预处理电路
1.2
转速测量方法的比较
在转速测量中可以采用测频法或测周法
，
下面分别计算这
考虑极限情况,
=
士
A2V
~N~
+
两种方法的测试精度
。
设四缸发动机转速为
2000r/min,
则白金
通断信号的频率为
：
2000r/minx2/60s=66.7Hz
o
式中:仝^
测量频率的相对误差;
1.2.1
测频法
—
二计数值的相对误差
；
被测信号频率
f=N/t,
式中
t
为与门开启时间,
N
为计数数值
N
可得型
=
丄
（
空川+彳&
）
4
—
—
标准频率源的稳定度
。
/
/
创
&
我们可使如
U0
则
AN
max
=
士
+
丄
=+Z
九
N
AN
Ar
~N
T
取基频
仏
=
2MHz
故
4
士鈴
HE
基金项目
：
深圳市科技创新基础研究项目"基于信息融合的车辆载荷传感器设计与危险状态辨识模块开发关键技术研究
”
，
项
目编号
u
JCYJ20
1605301
74240867"
:
深圳市科技创新个人创客项目，
项目编号
“
GRCK201704241
1
162414
”
。
-10-
科学技术创新
2019.07
显然,测周法精度远远高于测频法
，
所以转速测量采用测周
2
单缸功率平衡测试
单缸功率平衡是衡量发动机各缸工作性能好坏的指标
。
通
法
。
另外,还可以利用采集得到的次级点火波形数据
，
用纯软件
常用发动机在一定转速下各缸分别断火后
，
转速下降的数值来
方法计算转速
，
具体方法如下
：对于一个四缸发动机以
10MHz
表示
。
断火后转速下降越大
，
说明断火缸对整个发动机转速影
为采集频率,对点火波形数据进行计算
。
因为两个点火周期对
响大
。
因而该缸工作性能好
，
反之则差
。
传统的单缸功率平衡测
应发动机一转经过的时间
，
所以我们可以计算两个峰值电压之
试是靠逐个拨掉各缸高压线后测量转速降
.
这种办法费时费力
。
间采样数据的个数
，
比如为
10=(,
则发动机一转时间为
而我们采用使微控制器发出指令,控制发动机点火系初级线圈
2X1
°
5
=0
025.
所以发动机转速
n=
—
x605=3000r/min,
的通断
，
达到断缸的目的
。
10xl0
6
能快速地计算出转速
。
0.02
转速降的计算有两个指标
.a.
单缸转速下降值
：
d
；
=n-n,,
式中
由于这种方法要处理和计算大量的数据,它的明显缺点就是不
n
为断缸前平均转速,
m
为第
i
缸断后转速。
b.
各缸之间转速的
1.3
转速测量程序设计
控制器
AT89C52
的定时器
T0.T1,
是考虑到微控制器要将结果
经通讯口送给计算机处理
,
而使用接口卡则可以节约这部分操
差值:
e=maxld
i
-d
j
l,i,j=O,
1
•
-N
,
N
为气缸数
。
在程序中对这两个指标进行计算和判断,判断方法如下
，
发
我们这里使用接口卡上的
8253
芯片来测转速
，
而不是用微
动机转速在
1200r/min,
各缸分别断火
。
a.
转速平均下降
110r/min,
属正常
；
b.
各缸之间转速之差不大于
50r/min,
属正常
。
否则在屏幕上显示出故障提示对话框,帮助用户查找原因，
作时间
，
速度更快
，
效率更高
。
测量时我们将
8253
定时
/
计数器
采用级连计数
，
将定时
/
计数器
0
的时钟输入端连到定时
/
计数
0,1
设置为方式
5,
即硬件触发选通工作方式
，
定时
/
计数器
0,1
图
3
为单缸功率平衡测试程序流程图
。
丨开始
」
器
1
的输出
，
定时
/
计数器
1
的时钟输入为
2MHz,
则该方式下计
数周期为
T=(HB
1
X256+LB
1)x(
HB0x256+LB0
)/£^
,
式中
HBO
丨调用通讯子稈序将断缸信号与点火顺序传给微捽制器丨
丨
为计数器
0
初值的高字节,
LBO
为计数器
0
初值的低字节,
HB1
为计数器
1
初值的高字节,
LB1
为计数器
1
初值的低字节,血
测量转速
7
丨
为计数器
1
输入时钟频率
，
为
2MHz
。
使用时将被测信号与计数
器
0
和
1
的
GATE
端相连
，
在被测转速信号的上升沿启动计数
器从初值开始计数
，
当下一个被测信号上升沿到来时
，
将计数
值读入
CPU
内
，
并开始下一次计数
，
测速程序流程如图
2
所示
。
丨
计算分析转谏隆
！
丨
以梓状图方式晶示
I
丨判断发动
k
是否帀沟
I
_
始
丨
丨
R253
初始化
右
丨
丨嬴
〕
图
3
单缸功率平衡测试流程图
结束语
转速是发动机运行过程中一个重要的动态特性参数
，
对发
动机工作过程的测试
、
监控
、
性能评价与故障诊断有重要意义
，
本文介绍并实现了汽车发动机转速的精确测量,设计了转速测
锁存计数器
I
量预处理电路与测量程序
，
发动机在运行过程中的各种高频干
扰会影响转速的测量精度,在实验中发现这种误差在高速时更
为明显
，
实际测量中可以运用软硬件等抗干扰措施
。
本文采用
使微控制器发出指令
，
控制发动机点火系初级线圈的通断
，
达到
断缸测量转速降
，
并分析各缸之间的转速均衡性,为发动机性能
评价和故障诊断提供依据。
参考文献
[1]
薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助设计
[M].2
版.北京
：
机械
工业出版社
,2009.
[2]
陈兆俊.转速传感器在现代汽车维修中的应用
[J].
汽车维修与
图
2
测速程序流程图
这种转速测量方法的软硬件设计具有通用性
，
可以通过测
保养
,2014(11).
量电喷发动机的曲轴位置传感器输出信号来获取发动机转速
。
⑶
王江宏.汽车转速传感器故障及其诊断方法研究
[J].
科技创新
由于曲轴位置传感器在发动机一转可以输出多个脉冲信号
,
如
与应用
,2017(8).
GM
公司霍尔式曲轴位置传感器可输出
18
个脉冲
，
日产公司光
[4]
任晓景
，
王帅.转速传感器测试系统的设计
[J].
湖北汽车工业学
电式曲轴位置传感器可以输出
180
个脉冲
，
显然
，
从曲轴位置传
院学报
,2012(1).
感器输出测量发动机转速具有较高的精度
，
尤其是在发动机转
[5]
杨俊恩
，
孟志东,杨国鹏
，
张子春.差分霍尔传感器的转速测量
速急剧波动的情况下更能准确地反应出瞬时转速变化的过程
。
技术研究
[J].
仪表技术
,
2010(
10).
2024年6月1日发(作者：代芮美)
2019.07
科学技术创新
-9
-
汽车发动机转速测量与单缸功率平衡测试研究
崔宏巍朱亮红
（
深圳职业技术学院
，
广东深圳
518055）
摘要
：
本文在比较不同转速测量方法的基础上
，
设计了转速测量预处理电路与测量程序
，
实现了汽车发动机转速的精确测
量
，
转速是发动机运行过程中一个重要的动态特性参数
，
对发动机工作过程的测试
、
监控
、
性能评价与故障诊断有重要意义
，
在精
确测量转速的基础上
，
研究汽车发动机单缸功率平衡测试方法
，
通过微控制器发出指令,控制发动机点火系统
，
达到断缸测量转
速降的目的
，
并分析各缸之间的转速均衡性
，
为发动机性能评价和故障诊断提供依据
。
关键词：
发动机;转速;传感器
；
测试
中图分类号:
U464,U467.4+3
文献标识码:
A
文章编号:
2096-4390
（
2019
）
07-0009-02
转速是发动机的一个重要的动态特性参数
，
对发动机工作
因此
（
为十士愕卜冲
）
过程的故障诊断有重要意义
。
因此在采集数据的同时需要记录
发动机的转速
。
通常测量转速的方法是采集发动机上转速传感
式中
：
笙
—
—
测量频率时的相对误差
；
器
，
利用它的输出脉冲信号
，
经过整形
、
滤波
、
光电隔离等信号预
△
N
f
处理后
，
送入计算机进行测速和数据分析。
--------
计数值的相对误差
；
1
转速测量原理与软硬件设计
竺
—
—
与门开启时间的相对误差
。
1.1
转速测量预处理电路
因为转速信号波形不符合数字电路要求
，
必须进行信号预
可以选择适当的石英晶体并使它处于良好的工作环境
,
使
处理
。
用引线将电压信号送到光电耦合器输入端
，
采用
TIL113
达林顿管型光电耦合器
，
这样脉冲信号由光电耦合器输入
，
使
得点火电路与采集控制系统没有直接联系
，
也就切断了干扰进
入的通道
，同时在光电耦合的输出端加了一级低通滤波器
R4
和
C1
,
消除干扰
。
然后由一片
CD40106
将脉冲信号整形后输入
计算机
。
预处理电路如图
1
所示
。
1.2.2
测周法
被测信号频率
f
=
®N,
式中九为基频,
N
为计数值
图
1
转速测量预处理电路
1.2
转速测量方法的比较
在转速测量中可以采用测频法或测周法
，
下面分别计算这
考虑极限情况,
=
士
A2V
~N~
+
两种方法的测试精度
。
设四缸发动机转速为
2000r/min,
则白金
通断信号的频率为
：
2000r/minx2/60s=66.7Hz
o
式中:仝^
测量频率的相对误差;
1.2.1
测频法
—
二计数值的相对误差
；
被测信号频率
f=N/t,
式中
t
为与门开启时间,
N
为计数数值
N
可得型
=
丄
（
空川+彳&
）
4
—
—
标准频率源的稳定度
。
/
/
创
&
我们可使如
U0
则
AN
max
=
士
+
丄
=+Z
九
N
AN
Ar
~N
T
取基频
仏
=
2MHz
故
4
士鈴
HE
基金项目
：
深圳市科技创新基础研究项目"基于信息融合的车辆载荷传感器设计与危险状态辨识模块开发关键技术研究
”
，
项
目编号
u
JCYJ20
1605301
74240867"
:
深圳市科技创新个人创客项目，
项目编号
“
GRCK201704241
1
162414
”
。
-10-
科学技术创新
2019.07
显然,测周法精度远远高于测频法
，
所以转速测量采用测周
2
单缸功率平衡测试
单缸功率平衡是衡量发动机各缸工作性能好坏的指标
。
通
法
。
另外,还可以利用采集得到的次级点火波形数据
，
用纯软件
常用发动机在一定转速下各缸分别断火后
，
转速下降的数值来
方法计算转速
，
具体方法如下
：对于一个四缸发动机以
10MHz
表示
。
断火后转速下降越大
，
说明断火缸对整个发动机转速影
为采集频率,对点火波形数据进行计算
。
因为两个点火周期对
响大
。
因而该缸工作性能好
，
反之则差
。
传统的单缸功率平衡测
应发动机一转经过的时间
，
所以我们可以计算两个峰值电压之
试是靠逐个拨掉各缸高压线后测量转速降
.
这种办法费时费力
。
间采样数据的个数
，
比如为
10=(,
则发动机一转时间为
而我们采用使微控制器发出指令,控制发动机点火系初级线圈
2X1
°
5
=0
025.
所以发动机转速
n=
—
x605=3000r/min,
的通断
，
达到断缸的目的
。
10xl0
6
能快速地计算出转速
。
0.02
转速降的计算有两个指标
.a.
单缸转速下降值
：
d
；
=n-n,,
式中
由于这种方法要处理和计算大量的数据,它的明显缺点就是不
n
为断缸前平均转速,
m
为第
i
缸断后转速。
b.
各缸之间转速的
1.3
转速测量程序设计
控制器
AT89C52
的定时器
T0.T1,
是考虑到微控制器要将结果
经通讯口送给计算机处理
,
而使用接口卡则可以节约这部分操
差值:
e=maxld
i
-d
j
l,i,j=O,
1
•
-N
,
N
为气缸数
。
在程序中对这两个指标进行计算和判断,判断方法如下
，
发
我们这里使用接口卡上的
8253
芯片来测转速
，
而不是用微
动机转速在
1200r/min,
各缸分别断火
。
a.
转速平均下降
110r/min,
属正常
；
b.
各缸之间转速之差不大于
50r/min,
属正常
。
否则在屏幕上显示出故障提示对话框,帮助用户查找原因，
作时间
，
速度更快
，
效率更高
。
测量时我们将
8253
定时
/
计数器
采用级连计数
，
将定时
/
计数器
0
的时钟输入端连到定时
/
计数
0,1
设置为方式
5,
即硬件触发选通工作方式
，
定时
/
计数器
0,1
图
3
为单缸功率平衡测试程序流程图
。
丨开始
」
器
1
的输出
，
定时
/
计数器
1
的时钟输入为
2MHz,
则该方式下计
数周期为
T=(HB
1
X256+LB
1)x(
HB0x256+LB0
)/£^
,
式中
HBO
丨调用通讯子稈序将断缸信号与点火顺序传给微捽制器丨
丨
为计数器
0
初值的高字节,
LBO
为计数器
0
初值的低字节,
HB1
为计数器
1
初值的高字节,
LB1
为计数器
1
初值的低字节,血
测量转速
7
丨
为计数器
1
输入时钟频率
，
为
2MHz
。
使用时将被测信号与计数
器
0
和
1
的
GATE
端相连
，
在被测转速信号的上升沿启动计数
器从初值开始计数
，
当下一个被测信号上升沿到来时
，
将计数
值读入
CPU
内
，
并开始下一次计数
，
测速程序流程如图
2
所示
。
丨
计算分析转谏隆
！
丨
以梓状图方式晶示
I
丨判断发动
k
是否帀沟
I
_
始
丨
丨
R253
初始化
右
丨
丨嬴
〕
图
3
单缸功率平衡测试流程图
结束语
转速是发动机运行过程中一个重要的动态特性参数
，
对发
动机工作过程的测试
、
监控
、
性能评价与故障诊断有重要意义
，
本文介绍并实现了汽车发动机转速的精确测量,设计了转速测
锁存计数器
I
量预处理电路与测量程序
，
发动机在运行过程中的各种高频干
扰会影响转速的测量精度,在实验中发现这种误差在高速时更
为明显
，
实际测量中可以运用软硬件等抗干扰措施
。
本文采用
使微控制器发出指令
，
控制发动机点火系初级线圈的通断
，
达到
断缸测量转速降
，
并分析各缸之间的转速均衡性,为发动机性能
评价和故障诊断提供依据。
参考文献
[1]
薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助设计
[M].2
版.北京
：
机械
工业出版社
,2009.
[2]
陈兆俊.转速传感器在现代汽车维修中的应用
[J].
汽车维修与
图
2
测速程序流程图
这种转速测量方法的软硬件设计具有通用性
，
可以通过测
保养
,2014(11).
量电喷发动机的曲轴位置传感器输出信号来获取发动机转速
。
⑶
王江宏.汽车转速传感器故障及其诊断方法研究
[J].
科技创新
由于曲轴位置传感器在发动机一转可以输出多个脉冲信号
,
如
与应用
,2017(8).
GM
公司霍尔式曲轴位置传感器可输出
18
个脉冲
，
日产公司光
[4]
任晓景
，
王帅.转速传感器测试系统的设计
[J].
湖北汽车工业学
电式曲轴位置传感器可以输出
180
个脉冲
，
显然
，
从曲轴位置传
院学报
,2012(1).
感器输出测量发动机转速具有较高的精度
，
尤其是在发动机转
[5]
杨俊恩
，
孟志东,杨国鹏
，
张子春.差分霍尔传感器的转速测量
速急剧波动的情况下更能准确地反应出瞬时转速变化的过程
。
技术研究
[J].
仪表技术
,
2010(
10).