新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)方法

 

摘要：康明斯公司在本文中介紹了電控柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型，并在柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上對電控柴油機(jī)不同工況下的性能指標(biāo)進(jìn)行測試。對比試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)電控柴油機(jī)性能的方法，對電控柴油機(jī)的試驗(yàn)研究能起到一定的促進(jìn)作用。此外，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的可信度并使之具有可比性，要求試驗(yàn)方法嚴(yán)格按照國家規(guī)定的有關(guān)柴油發(fā)電機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容，制訂詳細(xì)的試驗(yàn)大綱，明確試驗(yàn)條件，確定試驗(yàn)工況、測量參數(shù)及試驗(yàn)步驟等要求。

 

一、柴油機(jī)電控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

 

      電控柴油機(jī)系統(tǒng)性能的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)是柴油機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，取決于電控系統(tǒng)的控制規(guī)律、控制參數(shù)、控制系統(tǒng)與柴油機(jī)的匹配。傳統(tǒng)柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架無法滿足對一些電控參數(shù)的測試要求，通過建立電控柴油機(jī)臺(tái)架可以對系統(tǒng)控制器進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，對系統(tǒng)各主要控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在自主設(shè)計(jì)的電控柴油機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)開發(fā)設(shè)計(jì)，可以評(píng)估柴油機(jī)的性能參數(shù)，得到較為系統(tǒng)的試驗(yàn)總結(jié)理論。柴油機(jī)電控系統(tǒng)主要由傳感器、電控器和執(zhí)行器3部分組成。傳感器的功用是檢測柴油機(jī)及車輛運(yùn)行時(shí)的各種信息，如進(jìn)氣與環(huán)境壓力、冷卻液、機(jī)油與燃油溫度、進(jìn)氣流量、噴油泵油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的位移、曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速等，目標(biāo)設(shè)定則包括柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷等。在處理上述各種信號(hào)送入ECU以后，還要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)可以接受的數(shù)字信號(hào)。

      柴油機(jī)電控系統(tǒng)模型包括控制器模型、齒桿位移執(zhí)行器模型、齒桿位置傳感器模型、油門位置傳感器模型和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器模型。設(shè)備外觀如圖1所示，組成框架如圖2所示。

1、控制器模型

      柴油機(jī)理論轉(zhuǎn)速n_c與油門位置T_h的關(guān)系為：

n_c=T_h（n_R-n_L）+n_L............................（公式1）

      式中，n_R為柴油機(jī)最高怠速轉(zhuǎn)速；n_L柴油機(jī)最低怠速轉(zhuǎn)速。

      齒桿位移為：

X_d=｛（n_c-n）/n_cK_r｝X_max............................（公式2）

      式中，n_c為柴油機(jī)理論轉(zhuǎn)速；n為柴油機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；K_r為調(diào)速率。

2、傳感器模型

（1）溫度與壓力傳感器

      電控柴油機(jī)溫度與壓力傳感器共同對進(jìn)氣造成影響，盡管有燃燒室對進(jìn)氣加熱的因素，但考慮到存在一定的掃氣過程對汽缸壁的冷卻作用，并且進(jìn)氣過程進(jìn)行較快，因此，汽缸內(nèi)每循環(huán)進(jìn)氣量可用以下方法求得，即壓縮始點(diǎn)氣體狀態(tài)方程為：

P?V?≈P_k（V_s+V_c）=mRT_k............................（公式3）

      式中，P?為進(jìn)氣閥關(guān)閉時(shí)汽缸內(nèi)壓力；V?為進(jìn)氣閥關(guān)閉時(shí)汽缸內(nèi)容積；P_k為進(jìn)氣壓力；T_k為進(jìn)氣溫度；V_s為工作容積；m為空氣質(zhì)量；V_c為余隙容積；R為空氣氣體常數(shù)。

      由式（3）得出：

m=P_k（V_s+V_c）/RT_k............................（公式4）

（2）轉(zhuǎn)速傳感器

      由于柴油機(jī)的汽缸是互相間隔布置的，曲軸轉(zhuǎn)兩圈后，汽缸又開始新的工作循環(huán)。間隔角度均勻分布時(shí)，計(jì)算式為：

θ=720（°）/N............................（公式5）

       式中：θ為曲軸轉(zhuǎn)角；N為柴油機(jī)汽缸數(shù)。在四缸柴油機(jī)中，利用曲軸轉(zhuǎn)速傳感器在兩次發(fā)火間隔所用掃描時(shí)間內(nèi)的平均曲軸轉(zhuǎn)數(shù)即可求出轉(zhuǎn)速。

3、執(zhí)行器模型

      執(zhí)行器是電子調(diào)速器中齒桿位移執(zhí)行器或共軌噴油器中的電磁閥，電磁執(zhí)行器實(shí)質(zhì)上是螺線管型直流線性比例電磁鐵，執(zhí)行器將控制器傳來的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成與輸入信號(hào)成比例輸出軸位移，執(zhí)行器起著累加的作用。

      整個(gè)執(zhí)行環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：

G?（s）=L（s）/I（s）=K/（1+T_s）............................（公式6）

      式中，I（s）為控制器傳來的電信號(hào)I（t）的拉氏變換；L（s）為齒條位移L（t）的拉氏變換；K為增益；T為執(zhí)行器的時(shí)間常數(shù)；s為傳遞因子。

 

圖1  柴油發(fā)電機(jī)組基本結(jié)構(gòu)示意圖

圖2  柴油發(fā)電機(jī)電控系統(tǒng)模型框圖

 

二、電控柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)分析

 

1、試驗(yàn)前校正工作

      由于同樣的柴油發(fā)電機(jī)在相同的工況下，測量環(huán)境條件不同，所測得的結(jié)果有所差異。所以，為了具有統(tǒng)一的比較基準(zhǔn)，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)，并對試驗(yàn)所測得的數(shù)據(jù)根據(jù)當(dāng)時(shí)試驗(yàn)環(huán)境狀態(tài)，按國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求進(jìn)行大氣校正。國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定柴油發(fā)電機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)是：大氣壓力p₀＝99kPa，環(huán)境溫度t₀＝25℃（T₀＝298K），相對濕度中Ф₀＝30％。當(dāng)實(shí)際試驗(yàn)條件與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)不同時(shí)，需要按以下的要求進(jìn)行校正。

（1）有效功率的校正

      在實(shí)際試驗(yàn)條件下，當(dāng)實(shí)測的柴油發(fā)電機(jī)輸出功率為P_e時(shí)，校正到標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下的有效功率P_e0為：

      對點(diǎn)燃式柴油發(fā)電機(jī)：

P_e0=α_aP_e............................（公式7）

      對壓燃式柴油發(fā)電機(jī)： 

P_e0=α_dP_e............................（公式8）

      其中，點(diǎn)燃式柴油發(fā)電機(jī)的大氣校正系數(shù)α。可按式（公式7）計(jì)算，即

α?=（99/P_s）^1.2（T/298）^0.6............................（公式9）

      其中                               

P_s=P-ΦP_sw............................（公式9）

P_sw =0.613+4.31×10^-2t+1.63×10^-3t²+1.49×10^-5t³+5.77×10^-7t?............................（公式10）

      式中，T為試驗(yàn)現(xiàn)場的進(jìn)氣溫度（K）；P_e0為試驗(yàn)現(xiàn)場的干空氣壓（kPa）；P_s為試驗(yàn)現(xiàn)場的總氣壓（kPa）；Ф為試驗(yàn)現(xiàn)場大氣的相對濕度；P_sw為大氣條件下的水蒸氣飽和分壓（kPa）；t為大氣溫度（℃）。

      壓燃式柴油發(fā)電機(jī)的大氣校正系數(shù)α_d，可按式（公式2）計(jì)算，即：

α_d=f_af_m.......................................（公式11）

      式中，f_a為大氣因子；f_m為柴油發(fā)電機(jī)因子。 

      對自然吸氣或機(jī)械增壓壓燃式柴油發(fā)電機(jī)：

?? =（99/P_s）（T/298）^0.7........................................（公式12）

      對渦輪增壓壓燃式柴油發(fā)電機(jī)：

?? =（99/P_s）^0.7（T/298）^1.5........................................（公式13）

      當(dāng)q_c/π_b＝40～65mg/（L·循環(huán)）范圍時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)因子f_m可按式（公式5）計(jì)算，即：

?_m = 0.036（q_c/π_b）-1.14........................................（公式14）

 Q_c =B/30nV_s×10?........................................（公式15）

      式中，π_b為增壓比；q_c為單位排量的循環(huán)噴射量［mg/（L·循環(huán)）］；n為柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；V_s為柴油發(fā)電機(jī)排量（L）。

      當(dāng)q_c/π_b＜40mg/（L循環(huán)）時(shí)，取f_m＝0.3；如果q_c/π_b＞65mg/（L·循環(huán)），則取f_m=1.2。

（2）燃油消耗率的校正

      一般，對汽油機(jī)的燃油消耗率不進(jìn)行大氣校正。而對壓燃式柴油發(fā)電機(jī)，按式（公式7）全負(fù)荷速度特性的燃油消耗率進(jìn)行校正，即

b??=b?/α_d........................................（公式16）

      式中，b_e為實(shí)際試驗(yàn)條件（p，T）下測得的柴油發(fā)電機(jī)燃油消耗率；b_e0為標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下的校正燃油消耗率。隨著試驗(yàn)條件的不斷改善，試驗(yàn)狀態(tài)可控的全封閉式空調(diào)試驗(yàn)室得到廣泛應(yīng)用，由此可省去上述煩瑣的大氣校正問題。

2、柴油機(jī)臺(tái)架結(jié)構(gòu)原理

      本試驗(yàn)基于康明斯公司生產(chǎn)的QSB6.7-G31系列原型柴油機(jī)，研究過程側(cè)重于電控柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)分析得出具體的性能參數(shù)指標(biāo)。試驗(yàn)用CW440B-1500/6500測功機(jī)由凱邁機(jī)電設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)，其主要技術(shù)指標(biāo)是系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩測量精度優(yōu)于滿量程±0.4%；轉(zhuǎn)速測量誤差不大于±5%。

      柴油機(jī)臺(tái)架由柴油柴油機(jī)、測功機(jī)、機(jī)油恒溫系統(tǒng)、增壓中冷系統(tǒng)、冷卻液恒溫系統(tǒng)、燃油恒溫系統(tǒng)、油耗儀、數(shù)據(jù)采集箱、控制柜系統(tǒng)和聯(lián)機(jī)電腦等組成。試驗(yàn)臺(tái)架三維立體圖如圖3所示，系統(tǒng)硬件組成原理如圖4所示。

3、試驗(yàn)內(nèi)容

（1）試驗(yàn)前，對柴油機(jī)進(jìn)行預(yù)熱處理，穩(wěn)定柴油機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)后，通過柴油機(jī)功率特性確定試驗(yàn)轉(zhuǎn)速A（柴油機(jī)怠速工況）=700 r/min；B（正常工況）=1500 r/min。

（2）試驗(yàn)中，使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在上述2種轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，且轉(zhuǎn)速分別保持在（700±30）r/min，（1500±30）r/min，穩(wěn)定時(shí)間保持在（120±20）s范圍內(nèi)，在前一工況下完成試驗(yàn)后，再進(jìn)行后一工況下的試驗(yàn)。

（3）柴油機(jī)在完成某一工況后，控制油門并保持勻速上升，測功機(jī)均速增加負(fù)載；柴油機(jī)在恒定轉(zhuǎn)速和油門開度時(shí)，分別測試功率、排氣背壓、油耗量和排氣溫度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為700～1500 r/min，分別以100 r/min為區(qū)間，記錄轉(zhuǎn)速隨油門開度和功率隨油門開度變化的數(shù)據(jù)。

 

圖3  柴油發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)機(jī)內(nèi)景示意圖

圖4  電控柴油機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)硬件組成框圖

 

三、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析

 

1、不同轉(zhuǎn)速下的動(dòng)力試驗(yàn)

      由圖5可見，轉(zhuǎn)速在700 r/min怠速工況下，開始一段時(shí)間，功率隨時(shí)間呈現(xiàn)不穩(wěn)定的波動(dòng)增長；經(jīng)過40s后，功率穩(wěn)定在130～140 kW，隨后出現(xiàn)繼續(xù)上升的趨勢。經(jīng)過怠速工況進(jìn)入正常工況后，轉(zhuǎn)速在1500 r/min左右，開始50 s，功率隨時(shí)間波動(dòng)的幅度不大，此后功率開始大幅度增加，逐漸進(jìn)入加速工況，如圖6所示。

 

圖5  每分鐘700轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)功率輸出曲線圖

圖6  每分鐘1500轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)功率輸出曲線圖

 

2、不同轉(zhuǎn)速下的排氣背壓試驗(yàn)

      由圖7可見，轉(zhuǎn)速在700 r/min怠速工況下，開始一段時(shí)間排氣背壓隨時(shí)間變化在0.5～1.2 kPa范圍內(nèi)波動(dòng)劇烈，后半時(shí)期出現(xiàn)連續(xù)曲線在0.8～1.2范圍內(nèi)波動(dòng)，說明在怠速工況下排氣背壓可能受到油門開度、功率、負(fù)載等多種因素的作用。由圖8可見，經(jīng)過怠速工況進(jìn)入正常工況后，開始的50s內(nèi)柴油機(jī)排氣背壓在1.1～2.0 kPa范圍波動(dòng)變化仍然較明顯。

 

圖7  每分鐘700轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)排氣背壓曲線圖

圖8  每分鐘1500轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)排氣背壓曲線圖

 

3、不同轉(zhuǎn)速下的油耗試驗(yàn)

      由圖9可見，轉(zhuǎn)速在700 r/min怠速工況下，開始的一段時(shí)間，燃油消耗率較多為260～350g/（kW.h）；經(jīng)過30s后燃油消耗率穩(wěn)定在250～270 g/（kW.h）范圍內(nèi)；在最后40 s，燃油消耗率出現(xiàn)下降趨勢后，維持在230～250 g/（kW.h）范圍內(nèi)。由圖10可見，在怠速工況進(jìn)入正常工況后，轉(zhuǎn)速在1500 r/min左右，開始的40 s燃油消耗率隨時(shí)間變化的幅度較大，數(shù)值在240～280g/（kW.h）范圍內(nèi)頻繁波動(dòng)；后一段時(shí)間油耗量出現(xiàn)了下降趨勢，燃油消耗率保持在220～230g/（kW.h）范圍。

 

圖9  每分鐘700轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)燃油消耗率曲線圖

圖10  每分鐘1500轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)燃油消耗率曲線圖

 

4、不同轉(zhuǎn)速下的排氣溫度試驗(yàn)

      由圖11可見，轉(zhuǎn)速在700 r/min怠速工況下，柴油機(jī)的排氣溫度在一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)加速上升的趨勢，由253℃增長至270℃左右，此段時(shí)間排氣溫度曲線波動(dòng)較小。由圖12可見，在怠速工況進(jìn)入正常工況后，轉(zhuǎn)速保持在1500 r/min左右，開始的60 s，柴油機(jī)的排氣溫度上升更加劇烈，由385℃急速增長至415℃左右，此后，排氣溫度上升速度變緩，排氣溫度數(shù)值維持在425℃范圍內(nèi)波動(dòng)。

 

圖11  每分鐘700轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)排氣溫度曲線圖

圖12  每分鐘1500轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)排氣溫度曲線圖

 

5、柴油機(jī)特性隨轉(zhuǎn)速和油門開度變化曲面

      在試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定在700～1500 r/min范圍內(nèi)，并將柴油機(jī)功率、油耗量分別隨轉(zhuǎn)速和油門開度變化曲線組合成三維的變化曲面，可以更加直觀地看出，在不同轉(zhuǎn)速和油門開度的工況下，柴油機(jī)功率的變化情況如圖13所示，油耗量的變化情況如圖14所示。

      由圖13和圖14可見，圖中不同區(qū)域內(nèi)柴油機(jī)的功率、油耗量，分別隨轉(zhuǎn)速和油門開度變化程度不同而變化。圖中左下方深色區(qū)域的變化較小，過渡到中間部分區(qū)域變化速率逐漸加快，到上方頂部區(qū)域變化速率到達(dá)峰值。

 

圖13  柴油發(fā)電機(jī)功率變化曲面圖

圖14  柴油發(fā)電機(jī)燃油消耗量變化曲面圖

 

四、結(jié)論

 

（1）在柴油機(jī)動(dòng)力性方面，應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定怠速初期功率范圍的較大波動(dòng)，采用PID控制方式優(yōu)化動(dòng)力性能，盡可能減小正常工況后期功率參數(shù)的增加幅度。

（2）在柴油機(jī)排氣壓力方面，應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定怠速中期排氣背壓的增加幅度，控制柴油機(jī)在進(jìn)入正常工況后期排氣背壓的較大波動(dòng)。

（3）在柴油機(jī)燃油消耗率方面，應(yīng)當(dāng)降低怠速初期的油耗率，控制柴油機(jī)在進(jìn)入正常工況初期油耗率的較大范圍的波動(dòng)。

（4）在柴油機(jī)排氣溫度方面，控制在怠速和進(jìn)入正常工況后期排氣溫度增長。

      通過對以上性能參數(shù)的優(yōu)化，可以改進(jìn)柴油機(jī)系統(tǒng)性能，滿足更高的柴油機(jī)測試要求。

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