新聞主題	柴油發電機的臺架試驗方法

 

摘要：康明斯公司在本文中介紹了電控柴油機的結構和數學模型，并在柴油機臺架試驗研究的基礎上對電控柴油機不同工況下的性能指標進行測試。對比試驗結果表明，改進電控柴油機性能的方法，對電控柴油機的試驗研究能起到一定的促進作用。此外，為了保證試驗結果的可信度并使之具有可比性，要求試驗方法嚴格按照國家規定的有關柴油發電機臺架試驗標準進行。根據試驗目的和內容，制訂詳細的試驗大綱，明確試驗條件，確定試驗工況、測量參數及試驗步驟等要求。

 

一、柴油機電控系統的數學模型

 

      電控柴油機系統性能的主要衡量標準是柴油機的動態特性，取決于電控系統的控制規律、控制參數、控制系統與柴油機的匹配。傳統柴油機試驗臺架無法滿足對一些電控參數的測試要求，通過建立電控柴油機臺架可以對系統控制器進行反復調試，對系統各主要控制參數進行優化。在自主設計的電控柴油機的試驗臺架上進行試驗開發設計，可以評估柴油機的性能參數，得到較為系統的試驗總結理論。柴油機電控系統主要由傳感器、電控器和執行器3部分組成。傳感器的功用是檢測柴油機及車輛運行時的各種信息，如進氣與環境壓力、冷卻液、機油與燃油溫度、進氣流量、噴油泵油量調節機構的位移、曲軸轉角信號與柴油機轉速等，目標設定則包括柴油機轉速與負荷等。在處理上述各種信號送入ECU以后，還要經過A/D轉換，轉變成計算機可以接受的數字信號。

      柴油機電控系統模型包括控制器模型、齒桿位移執行器模型、齒桿位置傳感器模型、油門位置傳感器模型和柴油機轉速傳感器模型。設備外觀如圖1所示，組成框架如圖2所示。

1、控制器模型

      柴油機理論轉速n_c與油門位置T_h的關系為：

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

      式中，n_R為柴油機最高怠速轉速；n_L柴油機最低怠速轉速。

      齒桿位移為：

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

      式中，n_c為柴油機理論轉速；n為柴油機實際轉速；K_r為調速率。

2、傳感器模型

（1）溫度與壓力傳感器

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

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

      式中，P?為進氣閥關閉時汽缸內壓力；V?為進氣閥關閉時汽缸內容積；P_k為進氣壓力；T_k為進氣溫度；V_s為工作容積；m為空氣質量；V_c為余隙容積；R為空氣氣體常數。

      由式（3）得出：

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

（2）轉速傳感器

      由于柴油機的汽缸是互相間隔布置的，曲軸轉兩圈后，汽缸又開始新的工作循環。間隔角度均勻分布時，計算式為：

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

       式中：θ為曲軸轉角；N為柴油機汽缸數。在四缸柴油機中，利用曲軸轉速傳感器在兩次發火間隔所用掃描時間內的平均曲軸轉數即可求出轉速。

3、執行器模型

      執行器是電子調速器中齒桿位移執行器或共軌噴油器中的電磁閥，電磁執行器實質上是螺線管型直流線性比例電磁鐵，執行器將控制器傳來的電信號轉換成與輸入信號成比例輸出軸位移，執行器起著累加的作用。

      整個執行環節的傳遞函數為：

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為執行器的時間常數；s為傳遞因子。

 

圖1  柴油發電機組基本結構示意圖

圖2  柴油發電機電控系統模型框圖

 

二、電控柴油機臺架試驗分析

 

1、試驗前校正工作

      由于同樣的柴油發電機在相同的工況下，測量環境條件不同，所測得的結果有所差異。所以，為了具有統一的比較基準，規定標準大氣狀態，并對試驗所測得的數據根據當時試驗環境狀態，按國家有關標準規定的要求進行大氣校正。國家有關標準規定柴油發電機臺架試驗的標準大氣狀態是：大氣壓力p₀＝99kPa，環境溫度t₀＝25℃（T₀＝298K），相對濕度中Ф₀＝30％。當實際試驗條件與標準狀態不同時，需要按以下的要求進行校正。

（1）有效功率的校正

      在實際試驗條件下，當實測的柴油發電機輸出功率為P_e時，校正到標準環境條件下的有效功率P_e0為：

      對點燃式柴油發電機：

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

      對壓燃式柴油發電機： 

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

      其中，點燃式柴油發電機的大氣校正系數α。可按式（公式7）計算，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為試驗現場的進氣溫度（K）；P_e0為試驗現場的干空氣壓（kPa）；P_s為試驗現場的總氣壓（kPa）；Ф為試驗現場大氣的相對濕度；P_sw為大氣條件下的水蒸氣飽和分壓（kPa）；t為大氣溫度（℃）。

      壓燃式柴油發電機的大氣校正系數α_d，可按式（公式2）計算，即：

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

      式中，f_a為大氣因子；f_m為柴油發電機因子。 

      對自然吸氣或機械增壓壓燃式柴油發電機：

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

      對渦輪增壓壓燃式柴油發電機：

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

      當q_c/π_b＝40～65mg/（L·循環）范圍時，柴油發電機因子f_m可按式（公式5）計算，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為單位排量的循環噴射量［mg/（L·循環）］；n為柴油發電機轉速；V_s為柴油發電機排量（L）。

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

（2）燃油消耗率的校正

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

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

      式中，b_e為實際試驗條件（p，T）下測得的柴油發電機燃油消耗率；b_e0為標準大氣狀態下的校正燃油消耗率。隨著試驗條件的不斷改善，試驗狀態可控的全封閉式空調試驗室得到廣泛應用，由此可省去上述煩瑣的大氣校正問題。

2、柴油機臺架結構原理

      本試驗基于康明斯公司生產的QSB6.7-G31系列原型柴油機，研究過程側重于電控柴油機臺架試驗結果的數據分析得出具體的性能參數指標。試驗用CW440B-1500/6500測功機由凱邁機電設備制造有限公司生產，其主要技術指標是系統轉矩測量精度優于滿量程±0.4%；轉速測量誤差不大于±5%。

      柴油機臺架由柴油柴油機、測功機、機油恒溫系統、增壓中冷系統、冷卻液恒溫系統、燃油恒溫系統、油耗儀、數據采集箱、控制柜系統和聯機電腦等組成。試驗臺架三維立體圖如圖3所示，系統硬件組成原理如圖4所示。

3、試驗內容

（1）試驗前，對柴油機進行預熱處理，穩定柴油機的各項參數后，通過柴油機功率特性確定試驗轉速A（柴油機怠速工況）=700 r/min；B（正常工況）=1500 r/min。

（2）試驗中，使柴油機轉速穩定在上述2種轉速范圍內，且轉速分別保持在（700±30）r/min，（1500±30）r/min，穩定時間保持在（120±20）s范圍內，在前一工況下完成試驗后，再進行后一工況下的試驗。

（3）柴油機在完成某一工況后，控制油門并保持勻速上升，測功機均速增加負載；柴油機在恒定轉速和油門開度時，分別測試功率、排氣背壓、油耗量和排氣溫度的試驗數據；柴油機轉速為700～1500 r/min，分別以100 r/min為區間，記錄轉速隨油門開度和功率隨油門開度變化的數據。

 

圖3  柴油發動機試驗臺機內景示意圖

圖4  電控柴油機臺架系統硬件組成框圖

 

三、試驗數據處理結果分析

 

1、不同轉速下的動力試驗

      由圖5可見，轉速在700 r/min怠速工況下，開始一段時間，功率隨時間呈現不穩定的波動增長；經過40s后，功率穩定在130～140 kW，隨后出現繼續上升的趨勢。經過怠速工況進入正常工況后，轉速在1500 r/min左右，開始50 s，功率隨時間波動的幅度不大，此后功率開始大幅度增加，逐漸進入加速工況，如圖6所示。

 

圖5  每分鐘700轉速下柴油機功率輸出曲線圖

圖6  每分鐘1500轉速下柴油機功率輸出曲線圖

 

2、不同轉速下的排氣背壓試驗

      由圖7可見，轉速在700 r/min怠速工況下，開始一段時間排氣背壓隨時間變化在0.5～1.2 kPa范圍內波動劇烈，后半時期出現連續曲線在0.8～1.2范圍內波動，說明在怠速工況下排氣背壓可能受到油門開度、功率、負載等多種因素的作用。由圖8可見，經過怠速工況進入正常工況后，開始的50s內柴油機排氣背壓在1.1～2.0 kPa范圍波動變化仍然較明顯。

 

圖7  每分鐘700轉速下柴油機排氣背壓曲線圖

圖8  每分鐘1500轉速下柴油機排氣背壓曲線圖

 

3、不同轉速下的油耗試驗

      由圖9可見，轉速在700 r/min怠速工況下，開始的一段時間，燃油消耗率較多為260～350g/（kW.h）；經過30s后燃油消耗率穩定在250～270 g/（kW.h）范圍內；在最后40 s，燃油消耗率出現下降趨勢后，維持在230～250 g/（kW.h）范圍內。由圖10可見，在怠速工況進入正常工況后，轉速在1500 r/min左右，開始的40 s燃油消耗率隨時間變化的幅度較大，數值在240～280g/（kW.h）范圍內頻繁波動；后一段時間油耗量出現了下降趨勢，燃油消耗率保持在220～230g/（kW.h）范圍。

 

圖9  每分鐘700轉速下柴油機燃油消耗率曲線圖

圖10  每分鐘1500轉速下柴油機燃油消耗率曲線圖

 

4、不同轉速下的排氣溫度試驗

      由圖11可見，轉速在700 r/min怠速工況下，柴油機的排氣溫度在一段時間內出現加速上升的趨勢，由253℃增長至270℃左右，此段時間排氣溫度曲線波動較小。由圖12可見，在怠速工況進入正常工況后，轉速保持在1500 r/min左右，開始的60 s，柴油機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，排氣溫度數值維持在425℃范圍內波動。

 

圖11  每分鐘700轉速下柴油機排氣溫度曲線圖

圖12  每分鐘1500轉速下柴油機排氣溫度曲線圖

 

5、柴油機特性隨轉速和油門開度變化曲面

      在試驗中，設計將柴油機轉速設定在700～1500 r/min范圍內，并將柴油機功率、油耗量分別隨轉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，在不同轉速和油門開度的工況下，柴油機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，圖中不同區域內柴油機的功率、油耗量，分別隨轉速和油門開度變化程度不同而變化。圖中左下方深色區域的變化較小，過渡到中間部分區域變化速率逐漸加快，到上方頂部區域變化速率到達峰值。

 

圖13  柴油發電機功率變化曲面圖

圖14  柴油發電機燃油消耗量變化曲面圖

 

四、結論

 

（1）在柴油機動力性方面，應當穩定怠速初期功率范圍的較大波動，采用PID控制方式優化動力性能，盡可能減小正常工況后期功率參數的增加幅度。

（2）在柴油機排氣壓力方面，應當穩定怠速中期排氣背壓的增加幅度，控制柴油機在進入正常工況后期排氣背壓的較大波動。

（3）在柴油機燃油消耗率方面，應當降低怠速初期的油耗率，控制柴油機在進入正常工況初期油耗率的較大范圍的波動。

（4）在柴油機排氣溫度方面，控制在怠速和進入正常工況后期排氣溫度增長。

      通過對以上性能參數的優化，可以改進柴油機系統性能，滿足更高的柴油機測試要求。

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