電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架中的應(yīng)用

趙大為

（凱邁（洛陽(yáng)）機(jī)電有限公司，河南洛陽(yáng)471003）

0 前言

試驗(yàn)臺(tái)架是發(fā)動(dòng)機(jī)大型輔助設(shè)備，利用試驗(yàn)臺(tái)架可以測(cè)試出發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的動(dòng)力性能、負(fù)荷特性和燃油消耗情況，是判斷發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備是否合格的測(cè)試設(shè)備［1］。在國(guó)內(nèi)早期，由于技術(shù)水平的限制，設(shè)計(jì)生產(chǎn)的試驗(yàn)臺(tái)架雖然也可以采集到發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是對(duì)于內(nèi)燃機(jī)的控制能力具有較大缺陷［2］。此后在20世紀(jì)90年代，全世界工業(yè)行業(yè)實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，眾多企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)致力于試驗(yàn)臺(tái)架的研究，并先后研究出發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)、ETS-3型發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)、基于STD工控機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、VXI總線發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用［3－6］。國(guó)外對(duì)于試驗(yàn)臺(tái)架的研究早于國(guó)內(nèi)20年，且在設(shè)計(jì)的過(guò)程中從軟、硬件兩方面入手，以此提升試驗(yàn)臺(tái)架性能以及試驗(yàn)時(shí)其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的全面控制能力，并在此后的時(shí)間里研發(fā)出了發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)、ESF-100型發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)、新型水力測(cè)功機(jī)。

但是到目前為止，上述系統(tǒng)仍然難以對(duì)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性能和負(fù)荷特性進(jìn)行精確的分析，導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的應(yīng)用效果較差，為解決該問(wèn)題，本文進(jìn)行了電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架中的應(yīng)用研究。

1 基于電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的臺(tái)架設(shè)計(jì)

1.1 內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架布局

由于內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架主要用于內(nèi)燃機(jī)性能試驗(yàn)與檢測(cè)等方面，因此本文設(shè)計(jì)的內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架需要具有溫控、測(cè)功、控制等多種功能，且根據(jù)內(nèi)燃機(jī)原理，試驗(yàn)臺(tái)架還應(yīng)具有測(cè)量?jī)?nèi)燃機(jī)尾氣、轉(zhuǎn)速、推力、振動(dòng)等功能［7－8］。所以在此次設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)來(lái)控制試驗(yàn)臺(tái)架中的內(nèi)燃機(jī)的熱效率、輸出功率、轉(zhuǎn)速和扭矩［9］。布置傳感器，感應(yīng)內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)、燃料供給系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)等各部分的性能參數(shù)。

綜合上述分析，設(shè)置內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的布局，如圖1所示。

圖1 內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架布局

在如圖1所示的內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架布局中，將內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架分為臺(tái)架和控制系統(tǒng)兩部分，臺(tái)架主要由冷卻液溫控系統(tǒng)、增壓中冷恒溫控制系統(tǒng)、機(jī)油溫控系統(tǒng)、測(cè)功機(jī)、燃油溫控系統(tǒng)等組成；控制系統(tǒng)主要由電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)、DCU控制器、顯示器以及各種電子器件等組成［10］。

1.2 臺(tái)架部分設(shè)計(jì)

此次所設(shè)計(jì)的內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架，能夠測(cè)量?jī)?nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、輸出功率、排溫等動(dòng)力特性［11］，選擇滿流型水力測(cè)功器，其性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 滿流型水力測(cè)功器性能參數(shù)

內(nèi)燃機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)架運(yùn)行的過(guò)程中，測(cè)功器會(huì)根據(jù)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I、轉(zhuǎn)度增加速率ω、轉(zhuǎn)速N、內(nèi)燃機(jī)輸入扭矩T1和記錄扭矩T2，計(jì)算出內(nèi)燃機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)架的扭矩和轉(zhuǎn)速。在進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)時(shí)，需要利用傳感器對(duì)內(nèi)燃機(jī)溫度、轉(zhuǎn)速、扭矩等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，因此設(shè)計(jì)了內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集內(nèi)燃機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)［12］。

在采集數(shù)據(jù)過(guò)程中，采用傳感器測(cè)量?jī)?nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的空氣流量，從而計(jì)算在進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)的過(guò)程中所產(chǎn)生的空燃比和充氣效率等參數(shù)。但是在數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于進(jìn)氣流動(dòng)處于脈動(dòng)狀態(tài)，因此在臺(tái)架中安裝傳感器時(shí)，需要將穩(wěn)壓裝置安裝在空氣流量計(jì)后面，以穩(wěn)定臺(tái)架的進(jìn)氣流動(dòng)，從而避免測(cè)量精度受到內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣流動(dòng)的影響［13］。本文設(shè)計(jì)的內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架數(shù)據(jù)采集模塊如圖2所示。

圖2 內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)示意圖

利用如圖2所示的內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架數(shù)據(jù)采集模塊，對(duì)內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、記錄、處理和輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性能、負(fù)荷特性、經(jīng)濟(jì)性能等運(yùn)行特性的精準(zhǔn)分析。尤其是在內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，需要分析內(nèi)燃機(jī)的熱效率、輸出功率、轉(zhuǎn)速和扭矩等性能參數(shù)［14］。因此需要在內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上安裝大量具有不同功能的傳感器，以監(jiān)測(cè)內(nèi)燃機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)架上的運(yùn)行狀態(tài)。

在圖2中設(shè)置冷卻控制程序的原因在于內(nèi)燃機(jī)在試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，為避免內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架由于溫度過(guò)高而導(dǎo)致試驗(yàn)精度下降，需要設(shè)置冷卻控制程序，以降低內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架中的測(cè)功機(jī)、測(cè)試設(shè)備和燃料等的溫度［15］。

1.3 控制部分設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)的內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架需要對(duì)內(nèi)燃機(jī)的熱效率、輸出功率、轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)行控制，因此采用電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)來(lái)控制這些參數(shù)［16］。

設(shè)內(nèi)燃機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)架運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的磁鏈為ψ；定子繞組的d軸電感為L(zhǎng)d；定子繞組的q軸電感為L(zhǎng)q；內(nèi)燃機(jī)的電機(jī)極對(duì)數(shù)為 n，則扭矩的表達(dá)式為：

根據(jù)公式 （1），可以判斷出電機(jī)d、q軸電流id與iq所合成的空間矢量大小is為：

在內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架中，需要分析產(chǎn)生內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩的最大熱效率與輸出功率之間的關(guān)系［17］，并將該問(wèn)題轉(zhuǎn)換為計(jì)算id和iq的極值問(wèn)題，有：

式中，L表示拉格朗日輔助函數(shù)；λ表示拉格朗日乘子［18］。此時(shí)，令 L分別對(duì) id、iq、λ求偏導(dǎo)，且讓偏導(dǎo)結(jié)果等于零，則有：

此時(shí)，即可得到id和iq之間的關(guān)系式：

結(jié)合公式 （1）和 （5），即得到內(nèi)燃機(jī)的扭矩T對(duì)熱效率 id和輸出功率 iq的關(guān)系約束［19，20］：

綜合本節(jié)上述6個(gè)公式，即可通過(guò)電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)控制試驗(yàn)臺(tái)架中內(nèi)燃機(jī)的最大熱效率、輸出功率、轉(zhuǎn)速和扭矩。

2 結(jié)果分析

此次試驗(yàn)的內(nèi)燃機(jī)選用了YN38CRD2型電控高壓共軌四缸柴油機(jī)，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的基于電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)架的應(yīng)用性能。將此次設(shè)計(jì)的內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架記為A臺(tái)架，將文獻(xiàn) ［3］與文獻(xiàn) ［4］中提到的兩種內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架分別記為B臺(tái)架和C臺(tái)架。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架特點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)三種內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際值的差異，對(duì)比三種內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性能和負(fù)荷特性分析結(jié)果。

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本文所選用的YN38CRD2型電控高壓共軌四缸柴油機(jī)，采用了渦輪增壓、增壓中冷以及高壓共軌技術(shù)，排放性能已經(jīng)達(dá)到國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

此次內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中選擇的主要儀器設(shè)備見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)臺(tái)架主要設(shè)備

此次試驗(yàn)所選擇的測(cè)量參數(shù)為缸壓、放熱率、天然氣流量、轉(zhuǎn)速、扭矩、空氣流量和柴油油耗，可以直觀地反映YN38CRD2型電控高壓共軌四缸柴油機(jī)所具有的特點(diǎn)和性能。柴油機(jī)在內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架中的布置情況如圖3所示。

圖3 柴油機(jī)在內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架中的布置

在試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)置 1200r／min、1400r／min、1600r／min、 1800r／min、 2000r／min、 2200r／min、2400r／min、2600r／min和 2800 r／min九個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，且每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)的運(yùn)行負(fù)荷都不超過(guò)額定負(fù)荷的30%。

試驗(yàn)期間的大氣壓力為81kPa，室內(nèi)溫度為20～27℃，選擇普通0號(hào)柴油作為YN38CRD2型電控高壓共軌四缸柴油機(jī)所需的燃料。

根據(jù)上述分析，將此次試驗(yàn)分為基于轉(zhuǎn)速的燃燒控制和基于負(fù)荷的燃燒控制兩種策略。

試驗(yàn)開(kāi)始之前，需要將柴油機(jī)啟動(dòng)，并將柴油機(jī)的 扭 矩 升 至 65N·m，當(dāng) 柴 油 機(jī) 處 于 1800r／min、200N·m工況時(shí)，令柴油機(jī)的水溫升至80℃，此時(shí)柴油機(jī)將處于熱機(jī)狀態(tài)，即可采用內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試柴油機(jī)的運(yùn)行狀況。

2.2 第一組試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述的試驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程，采用內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架，檢測(cè)YN38CRD2型柴油機(jī)的動(dòng)力性能，對(duì)比三種試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性能分析結(jié)果與實(shí)際性能的一致性，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，實(shí)際運(yùn)行中，該柴油機(jī)在1200～1400r／min轉(zhuǎn)速時(shí)扭矩上升最大，此后變化平穩(wěn)，甚至在逐漸下降；發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率隨著轉(zhuǎn)速的增加而升高。可以確定此次選擇的柴油機(jī)動(dòng)力性能良好，且在轉(zhuǎn)速較低的情況下，其主要是通過(guò)變速箱輸出動(dòng)力的，因此其有效燃油消耗率下降，而隨著排溫以及轉(zhuǎn)速的不斷提升，燃料與空氣快速混合，因此有效燃油消耗率也在不斷增加。B臺(tái)架和C臺(tái)架所得到的柴油機(jī)動(dòng)力性能分析結(jié)果與實(shí)際情況不符，只有A臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果極其接近實(shí)際情況。由此可見(jiàn)，此次設(shè)計(jì)的內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架在進(jìn)行柴油機(jī)的動(dòng)力性能分析試驗(yàn)中，對(duì)排溫、扭矩、輸出功率、有效燃油消耗率參數(shù)的分析更為精準(zhǔn)。

圖4 柴油機(jī)動(dòng)力性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

2.3 第二組試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)第一組試驗(yàn)結(jié)果，將柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速分為1200r／min、1800r／min和 2600r／min三個(gè)檔次，即低轉(zhuǎn)速、中轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速。此時(shí)，通過(guò)改變柴油機(jī)的扭矩，測(cè)定柴油機(jī)的排溫和有效燃油消耗率，判斷三種臺(tái)架對(duì)柴油機(jī)負(fù)荷特性的分析結(jié)果與實(shí)際負(fù)荷特性的一致性，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，實(shí)際運(yùn)行中，柴油機(jī)在同一轉(zhuǎn)速下，隨著排溫的升高，有效燃油效率呈現(xiàn)出了不同程度的降低，這是由于轉(zhuǎn)速的逐步提高，使得柴油機(jī)里的燃料難以和空氣產(chǎn)生穩(wěn)定反應(yīng)，令有效燃油消耗率隨著扭矩的增加而不斷降低；而B(niǎo)臺(tái)架和C臺(tái)架，都未曾檢測(cè)出柴油機(jī)的這一特性。此次設(shè)計(jì)的內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架所測(cè)得的結(jié)果與實(shí)際值更為接近，該臺(tái)架可以準(zhǔn)確得到柴油機(jī)負(fù)荷特性分析結(jié)果。

綜合上述兩組試驗(yàn)結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的基于電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架可以準(zhǔn)確分析出柴油機(jī)動(dòng)力性能與負(fù)荷特性情況，實(shí)際應(yīng)用效果更好。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架，該臺(tái)架充分利用了電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)對(duì)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩的控制能力，得到了更為準(zhǔn)確的動(dòng)力性能與負(fù)荷特性分析結(jié)果。但是此次試驗(yàn)僅驗(yàn)證了柴油機(jī)的動(dòng)力性能和負(fù)荷特性，未對(duì)所有種類的內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。因此在今后的研究中，還需不斷深入研究?jī)?nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出可以檢驗(yàn)不同燃料、動(dòng)力性能的內(nèi)燃機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)架。