試述內(nèi)燃機(jī)臺架試驗(yàn)控制系統(tǒng)設(shè)計

趙大為

摘 要 在實(shí)際控制內(nèi)燃機(jī)臺架試驗(yàn)時，受臺架試驗(yàn)結(jié)構(gòu)運(yùn)行耗能的影響，引燃油量耗費(fèi)過多，不符合節(jié)能降耗的標(biāo)準(zhǔn)，針對該問題，設(shè)計一種考慮節(jié)能降耗的內(nèi)燃機(jī)臺架試驗(yàn)控制系統(tǒng)。硬件部分設(shè)計控制板，設(shè)計一個可轉(zhuǎn)換內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部剩余能量以驅(qū)動運(yùn)行臺式試驗(yàn)硬件結(jié)構(gòu)的功率驅(qū)動電路。軟件部分控制內(nèi)燃機(jī)燃燒過程，處理模擬量，完成控制系統(tǒng)的設(shè)計。準(zhǔn)備已知參數(shù)的內(nèi)燃機(jī)，搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使用兩種傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與文中設(shè)計的控制系統(tǒng)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：文中設(shè)計的控制系統(tǒng)耗費(fèi)的引燃油量數(shù)值最少。

關(guān)鍵詞 節(jié)能降耗;內(nèi)燃機(jī);臺架試驗(yàn);引燃油量

1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 控制板設(shè)計

控制板設(shè)定一個接口，接口連接一塊液晶顯示屏，控制液晶顯示屏連接缸溫測量模塊，測量模塊并聯(lián)一個寬域氧傳感器，傳感器外部并聯(lián)一個節(jié)氣門模塊，控制芯片采用MK60 DN512，利用其內(nèi)部的晶振接口連接外部控制硬件，設(shè)定有源晶振的頻率為50Hz，時鐘內(nèi)部采用無源晶振，振蕩器直接連接多功能時鐘發(fā)生器，并將時鐘發(fā)生器產(chǎn)生的時鐘信號作為參考信號值[1]。硬件的底層板放置多個傳感器的接口，在接口JK-01連接硬件電源模塊，為滿足不同能耗內(nèi)燃機(jī)的電壓需求，將電源模塊外部連接一個電壓調(diào)節(jié)模塊，當(dāng)硬件電路的電壓需求升高時，調(diào)節(jié)模塊經(jīng)由簡單的電容穩(wěn)波處理后，將電壓進(jìn)行升壓處理。當(dāng)硬件電路所需小數(shù)值電壓時，電源電壓降壓產(chǎn)生VCC。在設(shè)計得到控制板結(jié)構(gòu)后，形成硬件連接電路。

1.2 硬件連接電路

在硬件控制板結(jié)構(gòu)下，完成一次控制復(fù)位時的驅(qū)動電路會形成一個工作停頓[2]，所以采用電源模塊的輸出端，設(shè)計一個功率驅(qū)動電路，轉(zhuǎn)化內(nèi)燃機(jī)形成的動能。所設(shè)計的驅(qū)動電路下，接口10連接一個能耗采集電路，采集電路主支路上放置一個R2電阻，負(fù)責(zé)阻斷過大的電流值。在電阻主干路上劃分為兩個支路，支路1負(fù)責(zé)接收內(nèi)燃機(jī)的輸入信號，并將其處理為電壓數(shù)值在0～5V左右的電壓信號，傳輸至硬件控制板中[3]。支路2負(fù)責(zé)傳輸內(nèi)燃機(jī)消耗的開關(guān)信號，硬件控制板監(jiān)測內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部消耗的油量大小，并通過調(diào)理電路產(chǎn)生3V大小的開關(guān)響應(yīng)，以電壓突變的形式傳輸至控制芯片中。綜合上述設(shè)計處理，最終完成對控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計。

2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 控制內(nèi)燃機(jī)燃燒過程

以內(nèi)燃機(jī)一次燃燒過程為臺架試驗(yàn)過程，使用一個含有修正系數(shù)的方程表示內(nèi)燃機(jī)的燃燒速度，在該燃燒速度的控制下，得到內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部燃燒過程可表示為：

（1）

其中，表示內(nèi)燃機(jī)的燃燒百分比，表示瞬時曲軸轉(zhuǎn)角，表示燃燒起始角。為了減少內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行消耗，控制內(nèi)燃機(jī)氣門開啟的時間斷面為0.5m，采用符合內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部配件轉(zhuǎn)速最低需求的加速度大小，在加速度升程表的控制下，設(shè)定凸輪的型線。以凸輪線性與水平面的夾角為氣門的開閉角度，引入一個氣門升程函數(shù)，控制氣門的開閉角度，函數(shù)可表示為：

（2）

其中，，表示待定系數(shù)，表示冪指數(shù)。在兩種待定系數(shù)的控制下，設(shè)定內(nèi)燃機(jī)凸輪的工作階段，當(dāng)待定系數(shù)大于零時，大于零時，內(nèi)燃機(jī)凸輪轉(zhuǎn)角處于半包角的狀態(tài)。當(dāng)小于零，小于零時，內(nèi)燃機(jī)凸輪轉(zhuǎn)角處于全包角的狀態(tài)。在兩種凸輪包角狀態(tài)的控制下，配合不同的開閉角度，控制內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部燃燒過程。

2.2 模擬量處理

在內(nèi)燃機(jī)實(shí)際進(jìn)行臺架試驗(yàn)時，系統(tǒng)硬件受到外部環(huán)境的影響，系統(tǒng)實(shí)際控制的模擬量會產(chǎn)生變化，所以設(shè)定精度數(shù)值的位置數(shù)值為10，平滑處理含有誤差的模擬量[4]。為了消除外部因素的干擾，選取模擬量的中位值，采用一階濾波的處理方式，剔除多次采集中位值的最值，處理過程就可表示為：

（3）

其中，表示濾波處理后的模擬量，表示采樣次數(shù)，表示第次采集到的模擬量，表示采集過程中最大的模擬量，表示采集過程中最小的模擬量。針對內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部零件位置移動產(chǎn)生的模擬量變化，調(diào)整公式（3）中對應(yīng)硬件變化的模擬量，一階濾波處理后，對捕捉到的小于公式（3）的數(shù)值進(jìn)行溢出清零處理，此時控制軟件不斷更新內(nèi)燃機(jī)的正常工作參數(shù)，以該參數(shù)為調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)，控制硬件的工作頻率在50Hz之內(nèi)，經(jīng)過再次捕捉后，檢查內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部各零件的工作狀態(tài)是否符合標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)不符合模擬量的標(biāo)準(zhǔn)時，在控制硬件的AD轉(zhuǎn)換模塊數(shù)字量變化在0～3500之間，不斷標(biāo)定輸出的模擬信號，根據(jù)最終形成的MAP圖，調(diào)整控制的模擬量。基于上述處理，最終完成內(nèi)燃機(jī)臺架試驗(yàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計。

3實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

準(zhǔn)備已知參數(shù)的柴油機(jī)作為臺架實(shí)驗(yàn)的內(nèi)燃機(jī)裝置，準(zhǔn)備的柴油機(jī)參數(shù)，（1.供油提前角，數(shù)值20。2.氣缸數(shù)5。3.噴油泵為P8型。4.額定轉(zhuǎn)速800r/min。5.增壓器型號zy2407。6.額定功率250kW。7.近排氣門5個。8.缸徑150mm。9.排氣總管溫度小于或等于550攝氏度。10.行程220mm。11.飛輪齒數(shù)175。12.活塞總排量28.20L。13.發(fā)火順序4.2.5.3.1。14.壓縮比12.4。15.燃油消耗率小于等于205g/kW.h）連接硬件結(jié)構(gòu)，搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，形成的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

柴油機(jī)為經(jīng)過磨合后的合格產(chǎn)品，部分參數(shù)：供油提前角 20;氣缸數(shù)5;噴油泵 P8型;額定轉(zhuǎn)速（r/min） 800;增壓器型號 ZY2407;額定功率（kW） 250;進(jìn)排氣門個數(shù) 5;缸徑（mm） 150; 排氣總管溫度（℃）≤550;行程（mm） 220;飛輪齒數(shù) 175;活塞總排量（L）? 28.20;發(fā)火順序? 4，2，5，3，1;壓縮比? 12.4;燃油消耗率（g/kW.h）? ≤205。

分別控制兩種傳統(tǒng)臺架實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)與文中設(shè)計的臺架控制系統(tǒng)在搭建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，對比三種控制系統(tǒng)的性能。

3.2 結(jié)果及分析

基于上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，設(shè)定柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)不變，在三種不同控制系統(tǒng)下，倒入相同容量500mL的柴油，統(tǒng)計柴油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下，柴油內(nèi)燃機(jī)的引燃油量大小，結(jié)果如表1所示：

由表1引燃油量的數(shù)值結(jié)果可知，三種不同的控制系統(tǒng)表現(xiàn)出了不同數(shù)量的引燃油大小，在相同待燃燃油數(shù)量控制下，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)1的消耗的引燃油量大小在320～325mL之間，消耗的燃油數(shù)量較大，不符合節(jié)能降耗的標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)2在實(shí)際控制時所消耗的油量大小在216～220mL之間，消耗的燃油油量較大，但依舊不符合節(jié)能降耗的標(biāo)準(zhǔn)，而文中設(shè)計控制系統(tǒng)消耗的油量在100～112mL之間，與兩種傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，該種設(shè)計系統(tǒng)在實(shí)際測試內(nèi)燃機(jī)時所消耗的油量數(shù)值最小，符合節(jié)能降耗的要求。

4結(jié)束語

內(nèi)燃機(jī)臺架運(yùn)行中所消耗的能源在道路與非道路內(nèi)燃機(jī)實(shí)際運(yùn)行中所消耗的能量相比，比重不大，但是在全球能源短缺的情況下，設(shè)計一種節(jié)能降耗的內(nèi)燃機(jī)臺架試驗(yàn)控制系統(tǒng)，能夠改善現(xiàn)有控制系統(tǒng)的不足，為今后設(shè)計控制系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張顯忠，戴曉虎，唐建國，等.生物工藝過程控制系統(tǒng)的設(shè)計及節(jié)能降耗估算[J].中國給水排水，2019，35（9）：77-82.

[2] 竇書星.基于ZigBee的電力輸配電線路能耗控制系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（14）：55-58，63.

[3] 鄭中原，趙鵬，姜玲，等.基于云平臺的發(fā)電機(jī)組節(jié)能減排實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2019，47（7）：148-154.

[4] 陳貴升，楊銳敏，和志高，等.選擇性催化還原混合器及整流器的設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2020，41（2）：46-53，61.