摘要:以电喷发动机为对象，分析了发动机油耗台架的功能需求，用测功机加载和油耗仪测量的方式完成了台架的方案设计和硬件选项。分析了J1939的协议，以LabVIEW和PEAKUSB/CAN为软硬件平台，采用队列消息机制和全局变量的编程方式，设计了发动机的台架监控系统，并进行了台架功能试验。结果表明，设计的台架能实现发动机的性能试验，设计的参数监控系统能实现J1939协议的报文解析和参数显示，实时性良好。
关键词:CAN总线;发动机台架试验;电喷发动机
0引言
随着中国经济的发展，工程机械在水利水电建设、城市建设、公路和铁路建设中发挥了巨大的作用，然而工程机械，如挖掘机、推土机等机型存在作业负荷变化大、能耗高、工作时间长等特点[1-3]，在面临日益严峻的环境污染问题和能源短缺问题下，迫切需要研究工程机械的节油性能。
发动机台架试验是用科学的试验方法来揭示和研究工程机械作业工况下发动机动力性、经济性等性能指标的有效途径，具备试验条件可控、效率高等特点，可根据不同用途研究整机性能。为此，台架试验及其测控平台的研究较多[4-8]，文献[5，7，9]中借助总线通信技术对整车性能参数进行了台架实验研究。文献[4，6]中采用虚拟仪器技术，结合各类传感器和测功机构建了发动机台架的参数测控系统，这些为发动机台架设计提供了参考。2020年中国将启用国四标准，只有配备高压共轨发动机的工程机械才能满足新标准要求，这些发动机采用标准的J1939协议传递性能参数，为获得整机匹配性能，文献[10-11]中采用J1939协议构建了发动机台架的参数监控系统;文献[12-14]中通过CAN总线和J1939协议实现了农业机械的作业性能分析。(上下两个段落合并为一个段落)工程机械节油节能研究的另一热点是电传动与发动机的结合[15]，研究发动机与负载的功率匹配，其核心仍需开展发动机的台架性能试验。
本文针对工程机械功率大、能耗大和负荷变化大等问题，研究装载电喷发动机的工程机械整机性能，以164kW的大功率电喷发动机为对象，用虚拟仪器技术和CAN总线技术构建发动机台架性能试验的测控平台，为研究工程机械整机油耗性能提供一可视化的测控平台。
1发动机油耗台架设计
1.1系统功能分析
发动机油耗台架需满足发动机性能试验要求，实现发动机的负荷特性试验、速度特性试验、调速特性试验和耐久性试验等基本要求，检测和记录转速、转矩、功率、油耗、机油温度、冷却水温度、排气温度、环境温度、大气压力、机油压力等多个相关参数。同时需要适应不同工程机械的作业要求，实现发动机转速、油门开度和测功机的扭矩(负载)等参数可控，测控系统的输入和输出量如图1所示。图1发动机油耗台架的输入输出功能分析
考虑到试验台架兼有教学用途，台架除了有自动测控需求外，还需具有手动控制的要求，如油门开度可用脚踏进行调节。
1.2系统方案设计
发动机台架方案设计要考虑油门控制、油耗检测、加载模块和参数监控等方面。电喷发动机的油门控制、油耗以及发动机参数读取均通过CAN总线实现，但考虑到脚油门模拟功能和发动机部分参数读取均在读取权限的问题，系统增加了油门电机模块、进气和排气系统的温度监控模块以及油耗检测模块。加载模块采用测功机来模拟负载，连接到发动机输出轴，可动态调整负载并测试发动机输出扭矩和转速。为此发动机油耗台架的方案如图2所示，台架测控系统直接控制油门电机和测功机，以及检测进排气温度，再通过总线与油耗仪和发动机进行通信，获得发动机的性能和油耗参数。另外增加了冷却系统，用以保证加载模块的正常工作。
1.3系统搭建
采用符合EUStage3A标准的康明斯六缸164kW@2200r/min的QSB6.7-C220型发动机为测试对象，可通过设置不同的功率曲线模式满足大部分工程机械的功率需求。测功机采用1.2kN·m的WE41水涡流器测功机，内部集成转速、扭矩传感器和测控机开度角位移传感器，信号类型为1个频率输入量(PulseInput，PI)、2个模拟量输入量(AnalogInput，AI)，以及1个脉宽调制量(PulseWidthModulation，PWM)控制信号。发动机参数检测中，除排气温度采用K型热电偶外，排气温度、进气温度和冷却水温度均采用Pt100，累计4个AI。油门电机采用TDTM油门执行器控制发动机油门，集成油门位置反馈;选用一个角位移踏板作为油门手动控制端，信号类型为2个AI、1个PWM和1个开关量输出量(DigitalOutput，DO)的控制信号。油耗检测采用奕科FCM04油耗仪，量程0～40kg/h，通过串口RS-232输出信号。发动机机油压力采用0～1MPa的303G-Z1/8型压力传感器，内部将压力信号转为电阻变化输出，为1个AI。
为此台架系统的I/O需求为8AI，1PI，2PWM，1DO和串口通信要求，为此选用奕科EIM05控制器作为台架控制系统，实现发动机油耗台架的下位机控制的基本功能，提供RS-232的扩展通信接口。然而成熟的台架测控硬件未集成CAN通信口，无法直接利用发动机内部集成的传感器参数，包括转速、油耗、工作时间等参数，为此设计具有总线通信的发动机油耗台架测监控系统。
2软件系统设计
2.1系统框架
为满足后续系统的扩展，与奕科控制器通过RS-232通信来实现台架功能的控制，选用虚拟仪器LabVIEW作为开发平台。根据系统的功能分析和笔者对柔性化台架测控平台的理解，软件框架功能如图3所示，实现电喷发动机的参数监控，个人计算机(PC)通过PEAKUSB/CAN卡与发动机通信，实现电喷发动机参数的解析、数据存储、曲线显示等功能。为了让台架测控平台更加人性化，设置硬件故障诊断功能，监测CAN驱动卡状态和通信是否正常。
2.2电喷发动机的参数定义
电喷发动机通过传感器将发动机的温度、油门状况、发动机的转速、负荷等信号输入到发动机电子控制装置(ElectronicControlUnit，ECU)，确保发动机和催化转化器工作在最佳状态。发动机的相关参数遵守J1939协议，通信波特率为250KB/s。J1939协议依照CAN2.0B扩展帧格式，再依照协议即可解析发动机的内部参数，实现发动机油耗台架的参数监控。
发动机转速设定、转速读取、机油压力、冷却水温、工作时间、油耗等信息，包含在报文名TCS1_ENG，EEC1，EEC2，EET，EFL/P，EHR，LFC和LFG中，参数信息如表1所示。表中周期内容若为“请求”，表明需要发送请求命令才能获得对应的报文;周期内容为数字，代表对应报文的更新周期，对应的物理参数按照指定的周期更新，解析报文即可获得物理参数。转速控制、工作时间和总油耗信息需要向电喷发动机ECU发送请求命令才能实现。例如读工作时间，需要按照表1要求向ID0x18EA0000发送内容0xE5FE00，发动机ECU收到该指令后会立刻返回EHR报文，监控系统才能获得工作时间参数。
2.3程序设计
按照报文收发方法，建立了基于LabVIEW的PEAKUSB/CAN硬件驱动函数，主要包括硬件初始化CAN_Init.vi、报文接收CAN_Rec.vi、报文发送CAN_Send.vi和硬件释放CAN_Close.vi等模块，硬件操作均通过设备句柄CAN_Dev进行传址，实现报文读取功能的模块化操作。考虑到USB/CAN卡的热插拔特点，为确保系统的功能正确，在缺少硬件或者发动机未启动状态，应进行相应的故障判断，硬件的程序判断流程如图4所示，若硬件初始化失败，则延时，等待连接CAN卡，然后再次启动初始化工作，以保证软件平台在拔插硬件设备后正常使用。若发动机未启动，则报通信错误，屏蔽CAN卡发送功能，直到CAN_Rec接收到报文将清除通信错误。
考虑到发动机油耗台架测控功能的需求，按照模块化的思想设计报文采集、报文解析、曲线显示、数据存储、参数报警、硬件状态监测等功能。提出用队列和全局变量的方法来传递参数，解决数据采集和处理的实时性问题，程序流程如图5所示，主要包括:①报文采集，获取J1939报文并压入队列;②报文解析，根据选用的报文及其参数定义对采集到的报文进行自动解析，解析后的参数按照参数定义顺序存入参数全局变量AI_Data，后期直接读取该数组即可获得物理参数;③参数报警、参数显示和参数存储模块根据设定的时间间隔，采用队列通知的方式对AI_Data进行读取，这样既保证了实时性，还实现柔性化。
按照图5的程序流程图，设置了报文采集的队列，所有采集到的报文被存入CANFramequeque队列变量中，再用一个队列解析模块Dequequeelement函数实时判断是否新报文需要解析。若有新报文，则用一个报文解析的变量CAN_Msg_Para_define按照参数名称、报文ID、参数定义进行自动解析，解析的思路就是根据报文ID及参数的定义，依据ID进行参数搜索、判断，即可实现报文解析功能。报文解析程序框图如图6所示，队列CANFramequeue在CAN_Rec模块中采集报文，Dequequeelement判断该队列中若有新数据，则启动报文解析功能，同时将新采集到的报文更新到table控件中，直到完成所有通道参数的解析，再进行下一个报文的解析。
3台架系统功能试验
以选用的硬件模块实现台架的基本功能，再将设计的基于LabVIEW和J1939协议的发动机监控系统部署在笔记本电脑上，通过PEAKUSB/CAN卡与发动机ECU的CAN口连接，进行发动机的外特性试验和参数监控功能试验。
3.1台架基本功能试验
按照图2所示的方案完成了发动机油耗台架的布置和安装，如图7所示，采用“一”字形的方式布置发动机和测功机，燃油箱(未列出)通过机架固定在油耗仪的正上方，操作面板置于机房内，发动机废气通过管道引入地面下废气处理通道，避免室内污染。
为验证台架的基本功能，让发动机油门处于最大开度下，手动对测功机进行加载，确保转速从2100r/min以100r/min的差逐步下降，并在每个目标转速下稳定工作30s左右，然后统计油耗量，直到转速下降到100r/min后获得发动机的外特性和耗油量，其结果如图8所示。试验结果与发动机厂家样本(164kW下的曲线)的差异，主要在于试验工况是模拟中型挖掘机的负荷特性，已将发动机的功率曲线从164kW调整到130kW，其功率和油耗变化规律基本一致。
3.2基于J1939协议的参数监控试验
由于设计的参数监控系统采用了CAN总线的柔性化设计理念和模块化的思想，而系统关注的相关物理参数位于0CF00400、18FEE400、18FEE500、18FEE900、18FEEE00、18FEEF00、18FEF200、18FEF500、18FEF600、18FEF700和18FEFF00等11个报文ID中，根据物理参数的定义，将其参数按照顺序录入CANdefine.xls文件后导入监控系统，其结果如图9所示，左侧为物理参数名，右侧为报文及其定义的物理参数个数，可通过双击查看每个报文内的物理参数定义。为了统计实时油耗，增加了一个报文ID为0x100的帧，设置一个变量Count_fuel按照100ms的间隔对获得油耗率数据进行积分，获得当前实时油耗，单位为L。
在发动机外特性试验过程中，运行设计的参数监控系统，并与硬件检测结果进行对比已验证了系统的功能正确性。图10是发动机处于最大油门状态下某一时刻的截图，结果表明监控系统可以正确获得发动机转速、水温、机油压力、瞬时油耗、总油耗、进气温度、扭矩和工作时间。其中瞬时油耗为21.6L/h，该信息为100ms发送一次结果，因此系统用时间积分来计算台架运行后的消耗油耗;同时系统还获得总油耗为87L。
机油油位、机油温度、排气温度、进气温度、系统电压等参数并未获得，原因是该部分协议厂家未开放。图11是试验时采集到的发动机报文，如燃油温度、机油温度分别位于报文0x18FEEE00中的第2Byte和第3、4Byte，采集到的报文均为0;而大气温度、大气压力、进气温度等位于0x18FEF500报文中，除了大气压力该报文对应的相关参数均为0xFF。为此台架硬件系统设置的传感器与基于J1939协议的参数监控系统互补。
4结语
(1)针对工程机械整机性能研究的需求，以电喷发动机为对象，完成了发动机油耗台架的方案设计和测控系统的选型，进行了发动机的外特性试验，表明台架各项功能合理。
(2)针对电喷发动机内部参数监控的需求，采用LabVIEW和PEAKUSB/CAN为软件硬件平台，以队列的数据传送方式，完成了电喷发动机油耗台架的参数监控系统，并进行实验测试，结果表明系统运行稳定，实时性好，能解析发动机J1939协议的物理参数。
(3)完成的台架监控系统仅针对发动机J1939协议的内部解析，部分物理参数无法直接获取但可借助台架测控系统获得，因此后续发动机油耗台架通过通讯方式获得硬件测控系统的参数，实现台架测控功能的柔性化。
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