電機變頻調速控制系統在內燃機試驗臺架中的應用

趙大為

（凱邁（洛陽）機電有限公司，河南洛陽471003）

0 前言

試驗臺架是發動機大型輔助設備，利用試驗臺架可以測試出發動機設備的動力性能、負荷特性和燃油消耗情況，是判斷發動機設備是否合格的測試設備［1］。在國內早期，由于技術水平的限制，設計生產的試驗臺架雖然也可以采集到發動機設備的試驗數據，但是對于內燃機的控制能力具有較大缺陷［2］。此后在20世紀90年代，全世界工業行業實現了快速發展，眾多企業和科研機構致力于試驗臺架的研究，并先后研究出發動機臺架自動試驗系統、ETS-3型發動機試驗系統、基于STD工控機的發動機臺架試驗數據采集系統、VXI總線發動機自動測試系統等，這些系統已經在實際生產中得到了廣泛應用［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動機的全面控制能力，并在此后的時間里研發出了發動機測控系統、ESF-100型發動機臺架試驗系統、新型水力測功機。

但是到目前為止，上述系統仍然難以對內燃機動力性能和負荷特性進行精確的分析，導致內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速控制系統在內燃機試驗臺架中的應用研究。

1 基于電機變頻調速控制系統的臺架設計

1.1 內燃機試驗臺架布局

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

綜合上述分析，設置內燃機試驗臺架的布局，如圖1所示。

圖1 內燃機試驗臺架布局

在如圖1所示的內燃機試驗臺架布局中，將內燃機試驗臺架分為臺架和控制系統兩部分，臺架主要由冷卻液溫控系統、增壓中冷恒溫控制系統、機油溫控系統、測功機、燃油溫控系統等組成；控制系統主要由電機變頻調速控制系統、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

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

表1 滿流型水力測功器性能參數

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

在采集數據過程中，采用傳感器測量內燃機試驗臺架的空氣流量，從而計算在進行內燃機試驗的過程中所產生的空燃比和充氣效率等參數。但是在數據采集時，由于進氣流動處于脈動狀態，因此在臺架中安裝傳感器時，需要將穩壓裝置安裝在空氣流量計后面，以穩定臺架的進氣流動，從而避免測量精度受到內燃機進氣流動的影響［13］。本文設計的內燃機臺架數據采集模塊如圖2所示。

圖2 內燃機臺架數據采集模塊結構示意圖

利用如圖2所示的內燃機臺架數據采集模塊，對內燃機試驗數據進行采集、記錄、處理和輸出，能夠實現對于內燃機的動力性能、負荷特性、經濟性能等運行特性的精準分析。尤其是在內燃機試驗過程中，需要分析內燃機的熱效率、輸出功率、轉速和扭矩等性能參數［14］。因此需要在內燃機試驗臺架上安裝大量具有不同功能的傳感器，以監測內燃機在試驗臺架上的運行狀態。

在圖2中設置冷卻控制程序的原因在于內燃機在試驗過程中會產生大量的熱，為避免內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

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

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

根據公式 （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：

在內燃機試驗臺架中，需要分析產生內燃機轉速、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；λ表示拉格朗日乘子［18］。此時，令 L分別對 id、iq、λ求偏導，且讓偏導結果等于零，則有：

此時，即可得到id和iq之間的關系式：

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

綜合本節上述6個公式，即可通過電機變頻調速控制系統控制試驗臺架中內燃機的最大熱效率、輸出功率、轉速和扭矩。

2 結果分析

此次試驗的內燃機選用了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速控制系統的試驗臺架的應用性能。將此次設計的內燃機試驗臺架記為A臺架，將文獻 ［3］與文獻 ［4］中提到的兩種內燃機試驗臺架分別記為B臺架和C臺架。根據內燃機試驗臺架特點，統計三種內燃機試驗臺架的試驗結果與實際值的差異，對比三種內燃機試驗臺架對柴油機動力性能和負荷特性分析結果。

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，排放性能已經達到國內相關標準的要求，其主要技術參數見表2。

表2 柴油機主要技術參數

此次內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為缸壓、放熱率、天然氣流量、轉速、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。柴油機在內燃機試驗臺架中的布置情況如圖3所示。

圖3 柴油機在內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九個轉速點，且每個轉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。

根據上述分析，將此次試驗分為基于轉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，即可采用內燃機試驗臺架測試柴油機的運行狀況。

2.2 第一組試驗結果

根據上述的試驗準備過程，采用內燃機試驗臺架，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果與實際性能的一致性，試驗結果如圖4所示。

從圖4中可以看出，實際運行中，該柴油機在1200～1400r／min轉速時扭矩上升最大，此后變化平穩，甚至在逐漸下降；發動機的輸出功率隨著轉速的增加而升高。可以確定此次選擇的柴油機動力性能良好，且在轉速較低的情況下，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果與實際情況不符，只有A臺架試驗結果極其接近實際情況。由此可見，此次設計的內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的分析更為精準。

圖4 柴油機動力性能試驗結果對比圖

2.3 第二組試驗結果

針對第一組試驗結果，將柴油機的轉速分為1200r／min、1800r／min和 2600r／min三個檔次，即低轉速、中轉速和高轉速。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果與實際負荷特性的一致性，試驗結果如圖5所示。

從圖5中可以看出，實際運行中，柴油機在同一轉速下，隨著排溫的升高，有效燃油效率呈現出了不同程度的降低，這是由于轉速的逐步提高，使得柴油機里的燃料難以和空氣產生穩定反應，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。此次設計的內燃機試驗臺架所測得的結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果。

綜合上述兩組試驗結果可知，本文設計的基于電機變頻調速控制系統的內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 結論

本文設計了一種基于電機變頻調速控制系統的內燃機試驗臺架，該臺架充分利用了電機變頻調速控制系統對內燃機轉速、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，未對所有種類的內燃機進行試驗。因此在今后的研究中，還需不斷深入研究內燃機試驗臺架設計方法，設計出可以檢驗不同燃料、動力性能的內燃機的試驗臺架。