內(nèi)燃機(jī)氣道試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的研制

張淑華，麻春輝

(承德石油高等?？茖W(xué)校 汽車工程系，河北 承德 067000)

內(nèi)燃機(jī)氣道試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的研制

張淑華，麻春輝

(承德石油高等?？茖W(xué)校 汽車工程系，河北 承德 067000)

研發(fā)出了一種氣道試驗(yàn)臺(tái)的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，通過傳感器、PLC及上位機(jī)完成數(shù)據(jù)的采集、自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)并打印且能實(shí)現(xiàn)氣門升程的自動(dòng)調(diào)節(jié)，PLC通過PID計(jì)算自動(dòng)調(diào)節(jié)流量控制閥，能夠?qū)崿F(xiàn)定壓差測(cè)量。

內(nèi)燃機(jī)；測(cè)控系統(tǒng)；PID；PLC；傳感器

內(nèi)燃機(jī)氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)是在穩(wěn)流狀態(tài)下測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)進(jìn)氣渦輪強(qiáng)度、進(jìn)氣阻力特性的試驗(yàn)裝置。通過測(cè)量進(jìn)氣渦輪強(qiáng)度和氣道阻力來評(píng)價(jià)氣道性能的優(yōu)劣，并作為確定氣道結(jié)構(gòu)和尺寸的依據(jù)。傳統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)通過手動(dòng)調(diào)節(jié)氣門的升程，再通過手動(dòng)調(diào)節(jié)流量控制閥調(diào)節(jié)進(jìn)入氣缸中氣體的流量，實(shí)現(xiàn)達(dá)到定壓差的測(cè)量，人工記錄數(shù)據(jù)。開發(fā)出一種氣道試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，通過傳感器、PLC及上位機(jī)完成數(shù)據(jù)的采集并能自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)并打印，通過上位機(jī)控制PLC實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)或滿升程自動(dòng)調(diào)節(jié)氣門的升程并通過PID計(jì)算自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)閥門，控制流過氣缸氣體流量達(dá)到實(shí)現(xiàn)定壓差的目的。

1 氣道試驗(yàn)臺(tái)簡介及功用

氣道試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣門調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠控制氣門升程。轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量氣道在不同氣門升程下旋轉(zhuǎn)葉片的轉(zhuǎn)速，計(jì)算出渦輪比。此試驗(yàn)臺(tái)可以進(jìn)行單點(diǎn)試驗(yàn)，通過上位機(jī)輸入氣門的升程，設(shè)定好穩(wěn)壓箱1的壓差及采樣時(shí)間，PLC對(duì)流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行PID控制，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)定壓降與設(shè)定壓降相等的狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到采樣時(shí)間后，上位機(jī)將自動(dòng)采集數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果并虛擬儀表顯示及繪制流量與渦輪比的曲線。

氣道試驗(yàn)臺(tái)上位機(jī)界面如圖2所示。

此試驗(yàn)裝置除單點(diǎn)試驗(yàn)的虛擬儀表顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算分析及圖表繪制、輸出打印外，還能夠進(jìn)行氣門滿升程自動(dòng)測(cè)量。在上位機(jī)按動(dòng)自動(dòng)測(cè)量按鈕，設(shè)定好氣門升程每次增加的步長，系統(tǒng)將氣門逐步開啟，對(duì)于每個(gè)升程，與單點(diǎn)試驗(yàn)類似。

2 測(cè)控系統(tǒng)組成與軟硬件設(shè)計(jì)

此試驗(yàn)臺(tái)上位機(jī)控制程序采用美國NI公司的虛擬儀器編程語言labview編寫，其最大特點(diǎn)采用G語言編程，使用簡單，它還可以在多種操作系統(tǒng)下運(yùn)行；PLC采用三菱FX1N-14MR帶4AD(4～20 mA)、2DA(4～20 mA)轉(zhuǎn)換模塊、PC機(jī)與PLC通過系統(tǒng)自帶的RS232串口通訊，PLC采用梯形圖編程。電氣系統(tǒng)的性價(jià)比、經(jīng)濟(jì)性與通用性比較好。

測(cè)控系統(tǒng)組成如圖3所示。此試驗(yàn)臺(tái)孔板流量計(jì)信號(hào)經(jīng)過TY-1151變送器轉(zhuǎn)化成4～20 mA電流信號(hào)；壓差傳感器采用JG-130 M1變送器將穩(wěn)壓箱1內(nèi)空氣與大氣壓的壓差信號(hào)轉(zhuǎn)化成4～20 mA的電流信號(hào)，此兩個(gè)電流信號(hào)分別與4AD轉(zhuǎn)換模塊的0、1通道相連。PLC通過FROM指令將與0、1通道相連的緩存區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量存儲(chǔ)到PLC中的普通寄存器。轉(zhuǎn)速傳感器采用NPN型霍爾式開關(guān)，信號(hào)端直接與PLC的0通道相連，PLC利用SPEED指令能夠計(jì)算出葉片的轉(zhuǎn)速并保存到相應(yīng)的寄存器中，上位機(jī)可以定時(shí)讀取相應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)。上位機(jī)給PLC寄存器寫入氣門升程時(shí)，下位機(jī)通過驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，通過絲杠結(jié)構(gòu)，開啟氣門。PLC、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器的接線方法(共陽極接法)如圖4所示。驅(qū)動(dòng)器輸入信號(hào)共有三路，它們是：①步進(jìn)脈沖信號(hào)PUL+、PUL-；②方向電平信號(hào)DIR+ 、DIR-③脫機(jī)信號(hào)EN+、EN-。PLC編程時(shí)，利用DRVA絕對(duì)位置指令，PUL-端輸出脈沖控制步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)的步數(shù)及其旋轉(zhuǎn)的速度，將氣門的目標(biāo)位置與實(shí)際位置比較自動(dòng)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向在DIR-端輸出。ENA-使能信號(hào)接入，ENA有效時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)(脫機(jī)狀態(tài))，手動(dòng)調(diào)節(jié)氣門升程的零點(diǎn)。手動(dòng)調(diào)節(jié)完成后，再將 EN 設(shè)為無效狀態(tài)，進(jìn)行自動(dòng)控制。

流量調(diào)節(jié)閥采用智能型電動(dòng)蝶閥，采用三菱PLC內(nèi)部的PID指令對(duì)流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)流箱1的設(shè)定壓差值與實(shí)際測(cè)量值相等，其控制原理如圖5所示，在使用時(shí)應(yīng)該注意設(shè)定值必須是數(shù)字量。

3 結(jié)論

此氣道試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)已經(jīng)調(diào)試完成，并對(duì)6 100柴油機(jī)氣缸蓋進(jìn)行了試驗(yàn)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明渦輪比與流量誤差均在5%范圍內(nèi)，表明其能準(zhǔn)確反映氣道的特性且精度較高。

[1] 池江，余征建， 湯澄，等.在線內(nèi)燃機(jī)氣道試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2004，25(4):38-40.

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[4] 劉永長. 內(nèi)燃機(jī)熱力過程模擬[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

DesignandManufactureofMeasurementandControlSystemofAirPortBlowingTestBenchforInternalCombustionEngines

ZHANG Shu-hua, MA Chun-hui

(Department of Automotive Engineering, Chengde Petroleum College， Chengde 067000， Hebei, China)

The automatic system of measurement and control of air port blowing test bench for internal combustion engines was developed in this paper. It can complete data-acquisition, complete data acquisition, automatic recording data and print, and can adjust the lift-distance of the intake valve automatically via computer, PLC and sensors．The PLC can adjust the flowing control valve automatically, which can realize the measurement of constant pressure.

internal combustion engine; measurement and control system; PID; PLC; sensor

TK4

B

1008-9446(2017)04-0064-03

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流場(chǎng)對(duì)缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)影響的研究)：ZD2016113

2017-01-11

張淑華(1977-)，女，河北衡水人，講師，碩士，主要從事內(nèi)燃機(jī)電控、測(cè)控系統(tǒng)的開發(fā)，E-mail： z_s_h_2003@163.com。