工程机械发动机检测适配器的设计*

1 引言

发动机作为工程机械的动力装置，在运行过程中，内部零部件受力、热、摩擦等多种物理和化学作用，外部受大气温度、压力、湿度、风沙等使用条件和外界负荷、运行条件、使用维护方法等影响，会造成发动机技术状况发生变化，从而影响整个车辆的性能［1］。如何对其进行准确有效的检测，及时发现并排除故障，维护发动机良好的工作状态，对保证机械的完好性，有效提高机械的工作效率具有重要意义。

工程机械实际作业大多在野外进行，这将导致发动机台架测试系统中的许多诊断技术不能在机中进行应用，如何解决野外条件下多有故障的工程机械发动机进行快速检测和维修，已成为目前应用中急需解决的问题［2］，基于工程机械发动机现状，我们设计了一套工程机械发动机检测适配器系统，在通用检测平台和相应检测维修流程的配合下，可在发动机不解体的情况下，快速完成对工程机械发动机的技术状态检查和故障诊断，将故障定位到独立设备和可更换单元(或组合)。

2 检测适配器总体设计原理

根据操作简单、方便快捷的设计原则，工程机械发动机性能检测方式为检测平台+适配器。其工作原理为:首先通用检测平台给工程机械发动机检测适配器提供激励信号，检测适配器对激励信号进行调理，调理后的信号输出给被测单元，被测单元产生响应信号经适配器调理后，输入到通用检测平台，最后通用检测平台利用本身的测试资源，按照特定的测试流程完成信号的分析和故障诊断。发动机检测适配器工作原理示意图见图1。

图1 检测适配器工作原理图

2.1 组成及结构设计

工程机械发动机检测适配器主要由机箱(含内部模块)、测试电缆、传感器以及相应的软件流程等组成。

适配器外壳采用铸铝材料，由机身、盖板和底板组成，内部采用插卡结构，板卡上安装了锁紧装置和辅助拔插器，其结构如图2所示。采用该种设计，既可保证适配器结构坚固、重量较轻，又方便维修拆装。

适配器外形尺寸为406mm(宽)×250mm(深)×166mm(高)(不含底把手)。机箱两侧均有把手，把手可以折叠，把手尺寸按照适配器设计规范要求制作。机箱顶部装有铭牌。底部安装4只JJ-30橡胶减震器。前面板安装与被检测设备相连的插座，后面板通过VPC接口与通用平台连接。

图2 适配器结构图

2.2 检测方案

发动机检测采取工况检测方案，即起动工况、怠速工况、加速工况和稳定转速工况。

起动工况主要检测蓄电池电压、起动电压、起动电流、发动机缸压，以及气缸密封性。通过以上述参数测量可计算出蓄电池内阻(mΩ)，用以判别蓄电池质量，同时还可判别出蓄电池是否亏电，起动转速可作为测量气缸压力时的参考条件。仅需起动4s起动机，就可测出各缸的压力值，并根据缸压不均匀性和最小缸压判断气缸密封性能。

怠速工况主要检测发动机转速、喷油压力。

加速工况主要检测加速时间、充电电压、充电电流、瞬时转速、喷油压力，一般车型可用加速时间衡量其动力性，加速时间越短，动力性越好［3］。通过不同转速下的充电电压和充电电流的测量，可判断出发电机的最大充电电流、最高充电电压是否合格和调节器工作是否正常。

稳定工况主要检测供油峰值压力、供油持续时间、喷油压力、残余油压、机油压力，通过比较各缸喷油压力波的面积，可找出油量过大或过小的缸，从而判断各缸的供油均匀性［4］。

3 信号调理板的设计

3.1 底板的设计

适配器底板主要完成信号转接功能，底板前后两端分别与适配器前后面板连接，中间安装矩形连接器与信号调理板连接。电源转换电路安装在底板背面，通过填充导热材料可将热量传导至适配器底板。电源模块选用汇众电源公司的DS24XX系列电源，该电源输入范围宽，转换效率高，能满足适配器使用环境要求。

电源模块由 DS24S05和 DS24D12组成。DS24S05能够将系统输入的24V电压转换为5V，供数字电路使用。DS24D12可输出±12V电平，主要给传感器和模拟信号调理电路供电。

为了安全使用，电源输出由软件控制。通过通用检测平台给出TTL控制信号(I/O)，驱动电路控制继电器的通、断，以切换电源的输出。具体设计见图3。

图3 电源输出控制电路

3.2 模拟信号调理板的设计

模拟信号调理板实现模拟信号的隔离、放大、滤波等功能，单个模拟信号调理板可完成24路模拟信号的转换，每个适配器可以安装两块模拟信号调理板。模拟信号调理板通过选用不同隔离模块可实现对0～5V、0～10V或-10V～+10V等输入电压的隔离转换，隔离模块电路原理图见图4。

部分被测电路输入电压范围可能大于10V或小于5V，为满足测试精度的要求，模拟信号调理板设计了8路输入信号放大衰减电路，每个通道可以通过调整反馈电阻来改变电路放大衰减倍数。模拟信号放大衰减电路原理如图5。

图4 模拟信号隔离电路原理图

图5 放大衰减电路原理图

3.3 TTL信号调理板的设计

TTL信号调理板实现数字IO电平的隔离转换，隔离模块输入输出电平均为5V TTL信号。每块TTL信号调理板包含24路输入和24路输出信号隔离电路。TTL信号调理电路选用6N137光耦作信号隔离芯片，并选用74LS245芯片作驱动芯片。信号输入端通过74LS245驱动光耦内部的发光二极管，避免因输入信号驱动不足而影响测试。信号输出端通过74LS245驱动总线保证信号在远距离传输后能满足接口电平要求。

3.4 数字信号调理板的设计

数字信号调理板实现状态数字IO的隔离和电平转换，每块数字信号调理板包括24路输入和24路输出信号隔离电路，信号调理原理如图6和图7所示。数字信号调理电路选用TLP521光耦，通过在输入输出端口连接保护二极管防止过压对器件造成损坏。数字信号调理电路兼容15V和24V电平输入，输出电平可通过跳线改变VDD电压来调整为15V或24V电平。

图6 数字信号输入隔离电路原理图

图7 数字信号输出隔离电路原理图

3.5 激励信号调理板的设计

激励信号调理板根据被测部件特殊信号要求专门设计，主要实现电压电流等功率信号的驱动。

由于平台输出驱动的电流有限，在模数输出信号后加电压跟随或放大电路，以适当的调整输出电压。具体原理图如图8，通过调整R1和R2的阻值可调整该电路的输出电压范围。

对于需要大电流输出的激励信号，我们通过数字IO控制继电器来实现。测试时通过IO控制继电器的吸合或断开来控制激励信号。

图8 模拟信号输出驱动电路

4 结论

该系统采用不拆卸检测的方法，对发动机不做任何改动，可以对发动机的起动性、密封性、均匀性、动力性等分别作出评价，并能对故障作出判断，将故障定位到独立设备和可更换单元(或组合)。而且系统操作方便，测试过程省时省力，适用于6BT、6CT、NT855等型柴油发动机进行检测，因此具有较普遍的推广应用价值。