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柴油機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)原理、內(nèi)容及測試方法
發(fā)布時(shí)間:2024-03-14 06:51:10  ▏閱讀:

 

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nc與油門位置Th的關(guān)系為:

nc=Th(nR-nL)+nL............................(公式1)

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

      齒桿位移為:

Xd={(nc-n)/ncKr}Xmax............................(公式2)

      式中,nc為柴油機(jī)理論轉(zhuǎn)速;n為柴油機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速;Kr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?≈Pk(Vs+Vc)=mRTk............................(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;Pk為進(jìn)氣壓力;Tk為進(jìn)氣溫度;Vs為工作容積;m為空氣質(zhì)量;Vc為余隙容積;R為空氣氣體常數(shù)。

      由式(3)得出:

m=Pk(Vs+Vc)/RTk............................(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+Ts)............................(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。

 

柴油發(fā)電機(jī)組基本結(jié)構(gòu)示意圖.png

圖1  柴油發(fā)電機(jī)組基本結(jié)構(gòu)示意圖

柴油發(fā)電機(jī)電控系統(tǒng)模型框圖.png

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Pe時(shí),校正到標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下的有效功率Pe0為:

      對點(diǎn)燃式柴油發(fā)電機(jī):

Pe0aPe............................(公式7)

      對壓燃式柴油發(fā)電機(jī): 

Pe0dPe............................(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/Ps1.2T/298)0.6............................(公式9)

      其中                               

Ps=PPsw............................(公式9)

Psw =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);Pe0為試驗(yàn)現(xiàn)場的干空氣壓(kPa);Ps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;Psw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)αd,可按式(公式2)計(jì)算,即:

αd=fafm.......................................(公式11)

      式中,fa為大氣因子;fm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/Ps)(T/298)0.7........................................(公式12)

      對渦輪增壓壓燃式柴油發(fā)電機(jī):

?? =(99/Ps0.7T/298)1.5........................................(公式13)

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

?= 0.036(qcb)-1.14........................................(公式14)

 Qc =B/30nVs×10?........................................(公式15)

      式中,πb為增壓比;qc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;Vs為柴油發(fā)電機(jī)排量(L)。

      當(dāng)qcb<40mg/(L循環(huán))時(shí),取fm=0.3;如果qcb>65mg/(L·循環(huán)),則取fm=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?/αd........................................(公式16)

      式中,be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;be0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)。

 

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)機(jī)示意圖.png

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

電控柴油機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)硬件組成框圖.png

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。

 

每分鐘700轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)功率輸出曲線圖.png

圖5  每分鐘700轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)功率輸出曲線圖

每分鐘1500轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)功率輸出曲線圖.png

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。

 

每分鐘700轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)排氣背壓曲線圖.png

圖7  每分鐘700轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)排氣背壓曲線圖

每分鐘1500轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)排氣背壓曲線圖.png

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。

 

每分鐘700轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)燃油消耗率曲線圖.png

圖9  每分鐘700轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)燃油消耗率曲線圖

每分鐘1500轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)燃油消耗率曲線圖.png

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)。

 

每分鐘700轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)排氣溫度曲線圖.png

圖11  每分鐘700轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)排氣溫度曲線圖

每分鐘1500轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)排氣溫度曲線圖.png

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。

 

柴油發(fā)電機(jī)功率變化曲面圖.png

圖13  柴油發(fā)電機(jī)功率變化曲面圖

柴油發(fā)電機(jī)燃油消耗量變化曲面圖.png

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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