试述内燃机台架试验控制系统设计

赵大为

摘 要 在实际控制内燃机台架试验时，受台架试验结构运行耗能的影响，引燃油量耗费过多，不符合节能降耗的标准，针对该问题，设计一种考虑节能降耗的内燃机台架试验控制系统。硬件部分设计控制板，设计一个可转换内燃机内部剩余能量以驱动运行台式试验硬件结构的功率驱动电路。软件部分控制内燃机燃烧过程，处理模拟量，完成控制系统的设计。准备已知参数的内燃机，搭建实验环境，使用两种传统控制系统与文中设计的控制系统进行对比实验，结果表明：文中设计的控制系统耗费的引燃油量数值最少。

关键词 节能降耗;内燃机;台架试验;引燃油量

1控制系统硬件设计

1.1 控制板设计

控制板设定一个接口，接口连接一块液晶显示屏，控制液晶显示屏连接缸温测量模块，测量模块并联一个宽域氧传感器，传感器外部并联一个节气门模块，控制芯片采用MK60 DN512，利用其内部的晶振接口连接外部控制硬件，设定有源晶振的频率为50Hz，时钟内部采用无源晶振，振荡器直接连接多功能时钟发生器，并将时钟发生器产生的时钟信号作为参考信号值[1]。硬件的底层板放置多个传感器的接口，在接口JK-01连接硬件电源模块，为满足不同能耗内燃机的电压需求，将电源模块外部连接一个电压调节模块，当硬件电路的电压需求升高时，调节模块经由简单的电容稳波处理后，将电压进行升压处理。当硬件电路所需小数值电压时，电源电压降压产生VCC。在设计得到控制板结构后，形成硬件连接电路。

1.2 硬件连接电路

在硬件控制板结构下，完成一次控制复位时的驱动电路会形成一个工作停顿[2]，所以采用电源模块的输出端，设计一个功率驱动电路，转化内燃机形成的动能。所设计的驱动电路下，接口10连接一个能耗采集电路，采集电路主支路上放置一个R2电阻，负责阻断过大的电流值。在电阻主干路上划分为两个支路，支路1负责接收内燃机的输入信号，并将其处理为电压数值在0～5V左右的电压信号，传输至硬件控制板中[3]。支路2负责传输内燃机消耗的开关信号，硬件控制板监测内燃机内部消耗的油量大小，并通过调理电路产生3V大小的开关响应，以电压突变的形式传输至控制芯片中。综合上述設计处理，最终完成对控制系统硬件的设计。

2控制系统软件设计

2.1 控制内燃机燃烧过程

以内燃机一次燃烧过程为台架试验过程，使用一个含有修正系数的方程表示内燃机的燃烧速度，在该燃烧速度的控制下，得到内燃机内部燃烧过程可表示为：

（1）

其中，表示内燃机的燃烧百分比，表示瞬时曲轴转角，表示燃烧起始角。为了减少内燃机的运行消耗，控制内燃机气门开启的时间断面为0.5m，采用符合内燃机内部配件转速最低需求的加速度大小，在加速度升程表的控制下，设定凸轮的型线。以凸轮线性与水平面的夹角为气门的开闭角度，引入一个气门升程函数，控制气门的开闭角度，函数可表示为：

（2）

其中，，表示待定系数，表示幂指数。在两种待定系数的控制下，设定内燃机凸轮的工作阶段，当待定系数大于零时，大于零时，内燃机凸轮转角处于半包角的状态。当小于零，小于零时，内燃机凸轮转角处于全包角的状态。在两种凸轮包角状态的控制下，配合不同的开闭角度，控制内燃机内部燃烧过程。

2.2 模拟量处理

在内燃机实际进行台架试验时，系统硬件受到外部环境的影响，系统实际控制的模拟量会产生变化，所以设定精度数值的位置数值为10，平滑处理含有误差的模拟量[4]。为了消除外部因素的干扰，选取模拟量的中位值，采用一阶滤波的处理方式，剔除多次采集中位值的最值，处理过程就可表示为：

（3）

其中，表示滤波处理后的模拟量，表示采样次数，表示第次采集到的模拟量，表示采集过程中最大的模拟量，表示采集过程中最小的模拟量。针对内燃机内部零件位置移动产生的模拟量变化，调整公式（3）中对应硬件变化的模拟量，一阶滤波处理后，对捕捉到的小于公式（3）的数值进行溢出清零处理，此时控制软件不断更新内燃机的正常工作参数，以该参数为调整标准，控制硬件的工作频率在50Hz之内，经过再次捕捉后，检查内燃机内部各零件的工作状态是否符合标准。当不符合模拟量的标准时，在控制硬件的AD转换模块数字量变化在0～3500之间，不断标定输出的模拟信号，根据最终形成的MAP图，调整控制的模拟量。基于上述处理，最终完成内燃机台架试验控制系统的设计。

3实验

3.1 实验准备

准备已知参数的柴油机作为台架实验的内燃机装置，准备的柴油机参数，（1.供油提前角，数值20。2.气缸数5。3.喷油泵为P8型。4.额定转速800r/min。5.增压器型号zy2407。6.额定功率250kW。7.近排气门5个。8.缸径150mm。9.排气总管温度小于或等于550摄氏度。10.行程220mm。11.飞轮齿数175。12.活塞总排量28.20L。13.发火顺序4.2.5.3.1。14.压缩比12.4。15.燃油消耗率小于等于205g/kW.h）连接硬件结构，搭建实验环境，形成的实验环境。

柴油机为经过磨合后的合格产品，部分参数：供油提前角 20;气缸数5;喷油泵 P8型;额定转速（r/min） 800;增压器型号 ZY2407;额定功率（kW） 250;进排气门个数 5;缸径（mm） 150; 排气总管温度（℃）≤550;行程（mm） 220;飞轮齿数 175;活塞总排量（L）  28.20;发火顺序  4，2，5，3，1;压缩比  12.4;燃油消耗率（g/kW.h）  ≤205。

分别控制两种传统台架实验控制系统与文中设计的台架控制系统在搭建的实验环境下进行对比实验，对比三种控制系统的性能。

3.2 结果及分析

基于上述实验准备，设定柴油机运行参数不变，在三种不同控制系统下，倒入相同容量500mL的柴油，统计柴油机在不同转速下，柴油内燃机的引燃油量大小，结果如表1所示：

由表1引燃油量的数值结果可知，三种不同的控制系统表现出了不同数量的引燃油大小，在相同待燃燃油数量控制下，传统控制系统1的消耗的引燃油量大小在320～325mL之间，消耗的燃油数量较大，不符合节能降耗的标准。传统控制系统2在实际控制时所消耗的油量大小在216～220mL之间，消耗的燃油油量较大，但依旧不符合节能降耗的标准，而文中设计控制系统消耗的油量在100～112mL之间，与两种传统控制系统相比，该种设计系统在实际测试内燃机时所消耗的油量数值最小，符合节能降耗的要求。

4结束语

内燃机台架运行中所消耗的能源在道路与非道路内燃机实际运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况下，设计一种节能降耗的内燃机台架试验控制系统，能够改善现有控制系统的不足，为今后设计控制系统提供理论依据。

参考文献

[1] 张显忠，戴晓虎，唐建国，等.生物工艺过程控制系统的设计及节能降耗估算[J].中国给水排水，2019，35（9）：77-82.

[2] 窦书星.基于ZigBee的电力输配电线路能耗控制系统设计[J].现代电子技术，2019，42（14）：55-58，63.

[3] 郑中原，赵鹏，姜玲，等.基于云平台的发电机组节能减排实时监控系统[J].电力系统保护与控制，2019，47（7）：148-154.

[4] 陈贵升，杨锐敏，和志高，等.选择性催化还原混合器及整流器的设计与结构优化[J].内燃机工程，2020，41（2）：46-53，61.