趙大為

（凱邁（洛陽）機電有限公司，河南洛陽471003）

0 前言

試驗臺架是發(fā)動機大型輔助設備，利用試驗臺架可以測試出發(fā)動機設備的動力性能、負荷特性和燃油消耗情況，是判斷發(fā)動機設備是否合格的測試設備［1］。在國內(nèi)早期，由于技術水平的限制，設計生產(chǎn)的試驗臺架雖然也可以采集到發(fā)動機設備的試驗數(shù)據(jù)，但是對于內(nèi)燃機的控制能力具有較大缺陷［2］。此后在20世紀90年代，全世界工業(yè)行業(yè)實現(xiàn)了快速發(fā)展，眾多企業(yè)和科研機構(gòu)致力于試驗臺架的研究，并先后研究出發(fā)動機臺架自動試驗系統(tǒng)、ETS-3型發(fā)動機試驗系統(tǒng)、基于STD工控機的發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、VXI總線發(fā)動機自動測試系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)已經(jīng)在實際生產(chǎn)中得到了廣泛應用［3－6］。國外對于試驗臺架的研究早于國內(nèi)20年，且在設計的過程中從軟、硬件兩方面入手，以此提升試驗臺架性能以及試驗時其對發(fā)動機的全面控制能力，并在此后的時間里研發(fā)出了發(fā)動機測控系統(tǒng)、ESF-100型發(fā)動機臺架試驗系統(tǒng)、新型水力測功機。

但是到目前為止，上述系統(tǒng)仍然難以對內(nèi)燃機動力性能和負荷特性進行精確的分析，導致內(nèi)燃機試驗臺架的應用效果較差，為解決該問題，本文進行了電機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在內(nèi)燃機試驗臺架中的應用研究。

1 基于電機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的臺架設計

1.1 內(nèi)燃機試驗臺架布局

由于內(nèi)燃機試驗臺架主要用于內(nèi)燃機性能試驗與檢測等方面，因此本文設計的內(nèi)燃機試驗臺架需要具有溫控、測功、控制等多種功能，且根據(jù)內(nèi)燃機原理，試驗臺架還應具有測量內(nèi)燃機尾氣、轉(zhuǎn)速、推力、振動等功能［7－8］。所以在此次設計過程中，采用電機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)來控制試驗臺架中的內(nèi)燃機的熱效率、輸出功率、轉(zhuǎn)速和扭矩［9］。布置傳感器，感應內(nèi)燃機配氣機構(gòu)、燃料供給系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)等各部分的性能參數(shù)。

綜合上述分析，設置內(nèi)燃機試驗臺架的布局，如圖1所示。

圖1 內(nèi)燃機試驗臺架布局

在如圖1所示的內(nèi)燃機試驗臺架布局中，將內(nèi)燃機試驗臺架分為臺架和控制系統(tǒng)兩部分，臺架主要由冷卻液溫控系統(tǒng)、增壓中冷恒溫控制系統(tǒng)、機油溫控系統(tǒng)、測功機、燃油溫控系統(tǒng)等組成；控制系統(tǒng)主要由電機變頻調(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 臺架部分設計

此次所設計的內(nèi)燃機試驗臺架，能夠測量內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速、扭矩、輸出功率、排溫等動力特性［11］，選擇滿流型水力測功器，其性能參數(shù)見表1。

表1 滿流型水力測功器性能參數(shù)

內(nèi)燃機在試驗臺架運行的過程中，測功器會根據(jù)內(nèi)燃機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量I、轉(zhuǎn)度增加速率ω、轉(zhuǎn)速N、內(nèi)燃機輸入扭矩T1和記錄扭矩T2，計算出內(nèi)燃機在試驗臺架的扭矩和轉(zhuǎn)速。在進行內(nèi)燃機試驗時，需要利用傳感器對內(nèi)燃機溫度、轉(zhuǎn)速、扭矩等數(shù)據(jù)進行采集，因此設計了內(nèi)燃機試驗臺架數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集內(nèi)燃機相關數(shù)據(jù)［12］。

在采集數(shù)據(jù)過程中，采用傳感器測量內(nèi)燃機試驗臺架的空氣流量，從而計算在進行內(nèi)燃機試驗的過程中所產(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，由于進氣流動處于脈動狀態(tài)，因此在臺架中安裝傳感器時，需要將穩(wěn)壓裝置安裝在空氣流量計后面，以穩(wěn)定臺架的進氣流動，從而避免測量精度受到內(nèi)燃機進氣流動的影響［13］。本文設計的內(nèi)燃機臺架數(shù)據(jù)采集模塊如圖2所示。

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

利用如圖2所示的內(nèi)燃機臺架數(shù)據(jù)采集模塊，對內(nèi)燃機試驗數(shù)據(jù)進行采集、記錄、處理和輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)對于內(nèi)燃機的動力性能、負荷特性、經(jīng)濟性能等運行特性的精準分析。尤其是在內(nèi)燃機試驗過程中，需要分析內(nèi)燃機的熱效率、輸出功率、轉(zhuǎn)速和扭矩等性能參數(shù)［14］。因此需要在內(nèi)燃機試驗臺架上安裝大量具有不同功能的傳感器，以監(jiān)測內(nèi)燃機在試驗臺架上的運行狀態(tài)。

在圖2中設置冷卻控制程序的原因在于內(nèi)燃機在試驗過程中會產(chǎn)生大量的熱，為避免內(nèi)燃機試驗臺架由于溫度過高而導致試驗精度下降，需要設置冷卻控制程序，以降低內(nèi)燃機試驗臺架中的測功機、測試設備和燃料等的溫度［15］。

1.3 控制部分設計

此次設計的內(nèi)燃機試驗臺架需要對內(nèi)燃機的熱效率、輸出功率、轉(zhuǎn)速和扭矩進行控制，因此采用電機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)來控制這些參數(shù)［16］。

設內(nèi)燃機在試驗臺架運行過程中產(chǎn)生的磁鏈為ψ；定子繞組的d軸電感為Ld；定子繞組的q軸電感為Lq；內(nèi)燃機的電機極對數(shù)為 n，則扭矩的表達式為：

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

在內(nèi)燃機試驗臺架中，需要分析產(chǎn)生內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速、扭矩的最大熱效率與輸出功率之間的關系［17］，并將該問題轉(zhuǎn)換為計算id和iq的極值問題，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，令 L分別對 id、iq、λ求偏導，且讓偏導結(jié)果等于零，則有：

此時，即可得到id和iq之間的關系式：

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

綜合本節(jié)上述6個公式，即可通過電機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)控制試驗臺架中內(nèi)燃機的最大熱效率、輸出功率、轉(zhuǎn)速和扭矩。

2 結(jié)果分析

此次試驗的內(nèi)燃機選用了YN38CRD2型電控高壓共軌四缸柴油機，以驗證所設計的基于電機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的試驗臺架的應用性能。將此次設計的內(nèi)燃機試驗臺架記為A臺架，將文獻 ［3］與文獻 ［4］中提到的兩種內(nèi)燃機試驗臺架分別記為B臺架和C臺架。根據(jù)內(nèi)燃機試驗臺架特點，統(tǒng)計三種內(nèi)燃機試驗臺架的試驗結(jié)果與實際值的差異，對比三種內(nèi)燃機試驗臺架對柴油機動力性能和負荷特性分析結(jié)果。

2.1 試驗準備

本文所選用的YN38CRD2型電控高壓共軌四缸柴油機，采用了渦輪增壓、增壓中冷以及高壓共軌技術，排放性能已經(jīng)達到國內(nèi)相關標準的要求，其主要技術參數(shù)見表2。

表2 柴油機主要技術參數(shù)

此次內(nèi)燃機試驗臺架試驗過程中選擇的主要儀器設備見表3。

表3 試驗臺架主要設備

此次試驗所選擇的測量參數(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所具有的特點和性能。柴油機在內(nèi)燃機試驗臺架中的布置情況如圖3所示。

圖3 柴油機在內(nèi)燃機試驗臺架中的布置

在試驗過程中，設置 1200r／min、1400r／min、1600r／min、 1800r／min、 2000r／min、 2200r／min、2400r／min、2600r／min和 2800 r／min九個轉(zhuǎn)速點，且每個轉(zhuǎn)速點的運行負荷都不超過額定負荷的30%。

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

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

試驗開始之前，需要將柴油機啟動，并將柴油機的 扭 矩 升 至 65N·m，當 柴 油 機 處 于 1800r／min、200N·m工況時，令柴油機的水溫升至80℃，此時柴油機將處于熱機狀態(tài)，即可采用內(nèi)燃機試驗臺架測試柴油機的運行狀況。

2.2 第一組試驗結(jié)果

根據(jù)上述的試驗準備過程，采用內(nèi)燃機試驗臺架，檢測YN38CRD2型柴油機的動力性能，對比三種試驗臺架對柴油機動力性能分析結(jié)果與實際性能的一致性，試驗結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，實際運行中，該柴油機在1200～1400r／min轉(zhuǎn)速時扭矩上升最大，此后變化平穩(wěn)，甚至在逐漸下降；發(fā)動機的輸出功率隨著轉(zhuǎn)速的增加而升高?？梢源_定此次選擇的柴油機動力性能良好，且在轉(zhuǎn)速較低的情況下，其主要是通過變速箱輸出動力的，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臺架和C臺架所得到的柴油機動力性能分析結(jié)果與實際情況不符，只有A臺架試驗結(jié)果極其接近實際情況。由此可見，此次設計的內(nèi)燃機試驗臺架在進行柴油機的動力性能分析試驗中，對排溫、扭矩、輸出功率、有效燃油消耗率參數(shù)的分析更為精準。

圖4 柴油機動力性能試驗結(jié)果對比圖

2.3 第二組試驗結(jié)果

針對第一組試驗結(jié)果，將柴油機的轉(zhuǎn)速分為1200r／min、1800r／min和 2600r／min三個檔次，即低轉(zhuǎn)速、中轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速。此時，通過改變柴油機的扭矩，測定柴油機的排溫和有效燃油消耗率，判斷三種臺架對柴油機負荷特性的分析結(jié)果與實際負荷特性的一致性，試驗結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，實際運行中，柴油機在同一轉(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，使得柴油機里的燃料難以和空氣產(chǎn)生穩(wěn)定反應，令有效燃油消耗率隨著扭矩的增加而不斷降低；而B臺架和C臺架，都未曾檢測出柴油機的這一特性。此次設計的內(nèi)燃機試驗臺架所測得的結(jié)果與實際值更為接近，該臺架可以準確得到柴油機負荷特性分析結(jié)果。

綜合上述兩組試驗結(jié)果可知，本文設計的基于電機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的內(nèi)燃機試驗臺架可以準確分析出柴油機動力性能與負荷特性情況，實際應用效果更好。

3 結(jié)論

本文設計了一種基于電機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的內(nèi)燃機試驗臺架，該臺架充分利用了電機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)對內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速、扭矩的控制能力，得到了更為準確的動力性能與負荷特性分析結(jié)果。但是此次試驗僅驗證了柴油機的動力性能和負荷特性，未對所有種類的內(nèi)燃機進行試驗。因此在今后的研究中，還需不斷深入研究內(nèi)燃機試驗臺架設計方法，設計出可以檢驗不同燃料、動力性能的內(nèi)燃機的試驗臺架。