电机变频调速控制系统在内燃机试验台架中的应用

赵大为

（凯迈（洛阳）机电有限公司，河南洛阳471003）

0 前言

试验台架是发动机大型辅助设备，利用试验台架可以测试出发动机设备的动力性能、负荷特性和燃油消耗情况，是判断发动机设备是否合格的测试设备［1］。在国内早期，由于技术水平的限制，设计生产的试验台架虽然也可以采集到发动机设备的试验数据，但是对于内燃机的控制能力具有较大缺陷［2］。此后在20世纪90年代，全世界工业行业实现了快速发展，众多企业和科研机构致力于试验台架的研究，并先后研究出发动机台架自动试验系统、ETS-3型发动机试验系统、基于STD工控机的发动机台架试验数据采集系统、VXI总线发动机自动测试系统等，这些系统已经在实际生产中得到了广泛应用［3－6］。国外对于试验台架的研究早于国内20年，且在设计的过程中从软、硬件两方面入手，以此提升试验台架性能以及试验时其对发动机的全面控制能力，并在此后的时间里研发出了发动机测控系统、ESF-100型发动机台架试验系统、新型水力测功机。

但是到目前为止，上述系统仍然难以对内燃机动力性能和负荷特性进行精确的分析，导致内燃机试验台架的应用效果较差，为解决该问题，本文进行了电机变频调速控制系统在内燃机试验台架中的应用研究。

1 基于电机变频调速控制系统的台架设计

1.1 内燃机试验台架布局

由于内燃机试验台架主要用于内燃机性能试验与检测等方面，因此本文设计的内燃机试验台架需要具有温控、测功、控制等多种功能，且根据内燃机原理，试验台架还应具有测量内燃机尾气、转速、推力、振动等功能［7－8］。所以在此次设计过程中，采用电机变频调速控制系统来控制试验台架中的内燃机的热效率、输出功率、转速和扭矩［9］。布置传感器，感应内燃机配气机构、燃料供给系统、润滑系统、冷却系统、点火系统、启动系统等各部分的性能参数。

综合上述分析，设置内燃机试验台架的布局，如图1所示。

图1 内燃机试验台架布局

在如图1所示的内燃机试验台架布局中，将内燃机试验台架分为台架和控制系统两部分，台架主要由冷却液温控系统、增压中冷恒温控制系统、机油温控系统、测功机、燃油温控系统等组成；控制系统主要由电机变频调速控制系统、DCU控制器、显示器以及各种电子器件等组成［10］。

1.2 台架部分设计

此次所设计的内燃机试验台架，能够测量内燃机的转速、扭矩、输出功率、排温等动力特性［11］，选择满流型水力测功器，其性能参数见表1。

表1 满流型水力测功器性能参数

内燃机在试验台架运行的过程中，测功器会根据内燃机转子转动惯量I、转度增加速率ω、转速N、内燃机输入扭矩T1和记录扭矩T2，计算出内燃机在试验台架的扭矩和转速。在进行内燃机试验时，需要利用传感器对内燃机温度、转速、扭矩等数据进行采集，因此设计了内燃机试验台架数据采集模块，用于采集内燃机相关数据［12］。

在采集数据过程中，采用传感器测量内燃机试验台架的空气流量，从而计算在进行内燃机试验的过程中所产生的空燃比和充气效率等参数。但是在数据采集时，由于进气流动处于脉动状态，因此在台架中安装传感器时，需要将稳压装置安装在空气流量计后面，以稳定台架的进气流动，从而避免测量精度受到内燃机进气流动的影响［13］。本文设计的内燃机台架数据采集模块如图2所示。

图2 内燃机台架数据采集模块结构示意图

利用如图2所示的内燃机台架数据采集模块，对内燃机试验数据进行采集、记录、处理和输出，能够实现对于内燃机的动力性能、负荷特性、经济性能等运行特性的精准分析。尤其是在内燃机试验过程中，需要分析内燃机的热效率、输出功率、转速和扭矩等性能参数［14］。因此需要在内燃机试验台架上安装大量具有不同功能的传感器，以监测内燃机在试验台架上的运行状态。

在图2中设置冷却控制程序的原因在于内燃机在试验过程中会产生大量的热，为避免内燃机试验台架由于温度过高而导致试验精度下降，需要设置冷却控制程序，以降低内燃机试验台架中的测功机、测试设备和燃料等的温度［15］。

1.3 控制部分设计

此次设计的内燃机试验台架需要对内燃机的热效率、输出功率、转速和扭矩进行控制，因此采用电机变频调速控制系统来控制这些参数［16］。

设内燃机在试验台架运行过程中产生的磁链为ψ；定子绕组的d轴电感为Ld；定子绕组的q轴电感为Lq；内燃机的电机极对数为 n，则扭矩的表达式为：

根据公式 （1），可以判断出电机d、q轴电流id与iq所合成的空间矢量大小is为：

在内燃机试验台架中，需要分析产生内燃机转速、扭矩的最大热效率与输出功率之间的关系［17］，并将该问题转换为计算id和iq的极值问题，有：

式中，L表示拉格朗日辅助函数；λ表示拉格朗日乘子［18］。此时，令 L分别对 id、iq、λ求偏导，且让偏导结果等于零，则有：

此时，即可得到id和iq之间的关系式：

结合公式 （1）和 （5），即得到内燃机的扭矩T对热效率 id和输出功率 iq的关系约束［19，20］：

综合本节上述6个公式，即可通过电机变频调速控制系统控制试验台架中内燃机的最大热效率、输出功率、转速和扭矩。

2 结果分析

此次试验的内燃机选用了YN38CRD2型电控高压共轨四缸柴油机，以验证所设计的基于电机变频调速控制系统的试验台架的应用性能。将此次设计的内燃机试验台架记为A台架，将文献 ［3］与文献 ［4］中提到的两种内燃机试验台架分别记为B台架和C台架。根据内燃机试验台架特点，统计三种内燃机试验台架的试验结果与实际值的差异，对比三种内燃机试验台架对柴油机动力性能和负荷特性分析结果。

2.1 试验准备

本文所选用的YN38CRD2型电控高压共轨四缸柴油机，采用了涡轮增压、增压中冷以及高压共轨技术，排放性能已经达到国内相关标准的要求，其主要技术参数见表2。

表2 柴油机主要技术参数

此次内燃机试验台架试验过程中选择的主要仪器设备见表3。

表3 试验台架主要设备

此次试验所选择的测量参数为缸压、放热率、天然气流量、转速、扭矩、空气流量和柴油油耗，可以直观地反映YN38CRD2型电控高压共轨四缸柴油机所具有的特点和性能。柴油机在内燃机试验台架中的布置情况如图3所示。

图3 柴油机在内燃机试验台架中的布置

在试验过程中，设置 1200r／min、1400r／min、1600r／min、 1800r／min、 2000r／min、 2200r／min、2400r／min、2600r／min和 2800 r／min九个转速点，且每个转速点的运行负荷都不超过额定负荷的30%。

试验期间的大气压力为81kPa，室内温度为20～27℃，选择普通0号柴油作为YN38CRD2型电控高压共轨四缸柴油机所需的燃料。

根据上述分析，将此次试验分为基于转速的燃烧控制和基于负荷的燃烧控制两种策略。

试验开始之前，需要将柴油机启动，并将柴油机的 扭 矩 升 至 65N·m，当 柴 油 机 处 于 1800r／min、200N·m工况时，令柴油机的水温升至80℃，此时柴油机将处于热机状态，即可采用内燃机试验台架测试柴油机的运行状况。

2.2 第一组试验结果

根据上述的试验准备过程，采用内燃机试验台架，检测YN38CRD2型柴油机的动力性能，对比三种试验台架对柴油机动力性能分析结果与实际性能的一致性，试验结果如图4所示。

从图4中可以看出，实际运行中，该柴油机在1200～1400r／min转速时扭矩上升最大，此后变化平稳，甚至在逐渐下降；发动机的输出功率随着转速的增加而升高。可以确定此次选择的柴油机动力性能良好，且在转速较低的情况下，其主要是通过变速箱输出动力的，因此其有效燃油消耗率下降，而随着排温以及转速的不断提升，燃料与空气快速混合，因此有效燃油消耗率也在不断增加。B台架和C台架所得到的柴油机动力性能分析结果与实际情况不符，只有A台架试验结果极其接近实际情况。由此可见，此次设计的内燃机试验台架在进行柴油机的动力性能分析试验中，对排温、扭矩、输出功率、有效燃油消耗率参数的分析更为精准。

图4 柴油机动力性能试验结果对比图

2.3 第二组试验结果

针对第一组试验结果，将柴油机的转速分为1200r／min、1800r／min和 2600r／min三个档次，即低转速、中转速和高转速。此时，通过改变柴油机的扭矩，测定柴油机的排温和有效燃油消耗率，判断三种台架对柴油机负荷特性的分析结果与实际负荷特性的一致性，试验结果如图5所示。

从图5中可以看出，实际运行中，柴油机在同一转速下，随着排温的升高，有效燃油效率呈现出了不同程度的降低，这是由于转速的逐步提高，使得柴油机里的燃料难以和空气产生稳定反应，令有效燃油消耗率随着扭矩的增加而不断降低；而B台架和C台架，都未曾检测出柴油机的这一特性。此次设计的内燃机试验台架所测得的结果与实际值更为接近，该台架可以准确得到柴油机负荷特性分析结果。

综合上述两组试验结果可知，本文设计的基于电机变频调速控制系统的内燃机试验台架可以准确分析出柴油机动力性能与负荷特性情况，实际应用效果更好。

3 结论

本文设计了一种基于电机变频调速控制系统的内燃机试验台架，该台架充分利用了电机变频调速控制系统对内燃机转速、扭矩的控制能力，得到了更为准确的动力性能与负荷特性分析结果。但是此次试验仅验证了柴油机的动力性能和负荷特性，未对所有种类的内燃机进行试验。因此在今后的研究中，还需不断深入研究内燃机试验台架设计方法，设计出可以检验不同燃料、动力性能的内燃机的试验台架。