基于MCGS 的載體背壓測試系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

（天津內(nèi)燃機(jī)研究所（天津摩托車技術(shù)中心）天津 300072）

引言

隨著排放法規(guī)的不斷加嚴(yán)，越來越多的后處理系統(tǒng)被應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)上，而載體作為后處理系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)受到更多的關(guān)注[1-4]。

排氣系統(tǒng)中，排氣背壓是排氣系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，排氣背壓過高會造成尾氣流通阻力的增大，排氣消耗的發(fā)動(dòng)機(jī)功率增多，同時(shí)降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率，從而一定程度上影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。因此，載體的性能在其中起到至關(guān)重要的作用。

目前國內(nèi)測試載體大都采用臺架測試，測試過程需搭建臺架相對復(fù)雜，為優(yōu)化載體背壓測試流程及提高載體在線測試效率，本文基于MCGS 設(shè)計(jì)了一套用于載體背壓流量的快速測試系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)載體背壓數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確采集、記錄，并實(shí)時(shí)繪制壓力曲線。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

系統(tǒng)基于MCGS 組態(tài)軟件搭建了測試系統(tǒng)，并通過PLC 完成整個(gè)系統(tǒng)的控制與測試。

MCGS 組態(tài)軟件由組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境2 個(gè)系統(tǒng)組成，可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)、多線程控制，如圖1 所示。軟件所建立的工程應(yīng)用系統(tǒng)由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行策略，5 部分組成。如圖2所示。

1.1 測試系統(tǒng)

通常的載體背壓測試，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺架上測量時(shí)相對簡單，在排氣系統(tǒng)中載體的前后端取點(diǎn)測值即可。但在載體生產(chǎn)企業(yè)或催化器的生產(chǎn)企業(yè)中，要監(jiān)測載體的背壓則需要更為專業(yè)的測試系統(tǒng)來完成，如圖3 所示。

該系統(tǒng)通過蝸旋氣泵產(chǎn)生高壓高流速的氣流，輸出的氣流送入穩(wěn)壓過濾筒，經(jīng)過穩(wěn)壓筒和穩(wěn)壓罐的穩(wěn)定氣流再經(jīng)過流量計(jì)后，一定量的氣體就進(jìn)入了測試平臺，并通過固定在平臺上的被測載體，我們在載體入口端的相應(yīng)位置測取壓力值，用以評估載體的流通性能。

1.2 流量數(shù)值給定及壓力數(shù)據(jù)采集

給定空氣流量依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量計(jì)算公式計(jì)算：

式中：Qmax為最大進(jìn)氣流量；Vd為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣量；Smax為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；Ve為充氣效率；K 常數(shù)。

由于排氣為高溫條件，氣體隨溫度變化體積增加，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算排氣溫度對氣體體積的影響：

式中：p 為氣體壓強(qiáng)；V 為氣體體積；n為氣體的物質(zhì)的量；T為體系溫度；R 為比例系數(shù)，不同狀況下數(shù)值有所不同，單位是J/（mol·K），在摩爾表示的狀態(tài)方程中，R 為比例常數(shù)，對任意理想氣體而言，R 是一定的，約為8.314 41±0.000 26 J/(mol·K）。

在排氣溫度對氣體體積的影響中，p/n/R 均為不變量，V 的變化主要受T 的影響。數(shù)據(jù)測試流程圖如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)測試流程圖

由于渦旋氣泵給定的流量值存在波動(dòng)，因此在系統(tǒng)設(shè)定中，設(shè)置了容差值，可以在測試過程中，動(dòng)態(tài)判斷給定的流量值是否在設(shè)定的范圍之內(nèi)，同時(shí)也設(shè)定了采集時(shí)間窗口，最終測得的壓力值為該時(shí)間內(nèi)的平均值，避免了測試的偶然性。

2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)采用差壓式流量計(jì)計(jì)算給定流量，充滿管道的氣體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流裝置，在節(jié)流件附近造成局部收縮，流速增加，在其上、下游兩側(cè)產(chǎn)生靜壓力差。通過流動(dòng)連續(xù)性原理和伯努利方程即可以推導(dǎo)出壓差與流量之間的關(guān)系并求得流量。具有結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，性能穩(wěn)定，使用可靠等特點(diǎn)。

同時(shí)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)也具備了以下特點(diǎn)：

1）根據(jù)實(shí)時(shí)采集的壓力值及各種穩(wěn)態(tài)參量，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)曲線記錄；

2）能夠現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)一鍵式測量，準(zhǔn)確快捷地測得載體的背壓值；

3）實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程可視化，界面簡潔，便于人機(jī)交流；操作簡單，提高實(shí)驗(yàn)效率，可視曲線與圖表的顯示功能；

4）具有較強(qiáng)的系統(tǒng)擴(kuò)展能力。

采集分析系統(tǒng)界面如圖5 所示，基本信息界面如圖6 所示。

圖5 采集分析系統(tǒng)界面

圖6 基本信息界面

3 試驗(yàn)實(shí)例

以上述設(shè)備和軟件為基礎(chǔ)，對某幾款催化器載體進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。圖7 給出了載體的流量背壓測試曲線，數(shù)據(jù)顯示載體工作狀態(tài)下的背壓值均在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，同時(shí)顯示了不同空隙率、不同壁厚載體的性能。

圖7 載體背壓曲線圖

4 結(jié)論

1）結(jié)合載體的測試情況，載體背壓測試系統(tǒng)的研制非常必要，在生產(chǎn)中使用該系統(tǒng)可以提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2）通過試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)基本滿足試驗(yàn)的測試需求，為進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)，提供了可靠的手段，為內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)的組織開發(fā)提供重要的試驗(yàn)依據(jù)。