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发动机进气道稳流模拟试验系统开发

作者：赵春明吴志新亓玉梅

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摘要：进气道性能（涡流强度、流量系数）对发动机的动力性、经济性和排放有重要影响。本文开发的发动机进气道稳流模拟试验系统旨在实现稳流试验的自动化，可帮助试验人员解脱繁重、重复的劳动，对进气道特性提供客观、科学地评价。系统采用上位计算机和下位可编程控制器实现分布式两级控制，具有自动化程度高、系统安全可靠、便于扩展维护和使用操作方便的特点。数据采集过程通过握手通讯由上、下位机协同完成，上位计算机实现设置原始参数、实时监视试验条件、动态处理试验数据、评价方法的算法程序处理、以固定格式存储数据文件、历史数据图表填充以及向外设打印输出等功能。对目前常用的几种评价方法进行了比较，并分析数据处理算法对试验结果的影响。
关键词: 发动机进气道稳流试验评价方法

1 引言

发动机要想具有良好的燃烧过程，获得理想的动力性、经济性及低排放的性能指标，就必须合理匹配燃烧系统。要使混合气形成过程和燃烧过程完善，必须使缸内有充足的新鲜空气和合理的旋流运动，气缸内气体的涡流是通过气体在进气道的流动产生的，所以进气道性能（涡流强度、流量系数）对发动机的动力性、经济性和排放特性都有重要影响。从稳流试验获得表示气道流动阻力和气缸内涡流强度的平均流量系数及涡流比等重要参数，为进气道性能设计和改进提供了重要依据。气道稳流模拟试验可以用来模拟实际发动机的进气状况，评估发动机进气系统的通流特性及进气道涡流形成能力，为发动机进气系统的研究开发及燃烧过程研究提供重要的试验依据。通过发动机进气道的稳流试验来评定和预测进气道的流通特性，已经成为发动机重要的研究手段之一。无论是新机型开发还是老机型改造都需要对气道进行仔细、深入的研究。即使是在正常的批量生产中，也需要对进气道实物及模具作经常性定期检查，及时更换因磨损或其它各种原因而出现明显性能偏差的气道模具，以保证发动机的整机性能。

进气道稳流模拟试验中，测试项目较多，数据处理工作量很大，尤其是要以气门升程积分，手工计算十分繁琐且极易出错，更谈不上按多种评价方法作对比计算。本文开发的发动机进气道稳流模拟试验系统旨在实现稳流模拟试验的自动化，帮助试验人员解脱繁重、重复的劳动，对发动机进气道特性提供客观、科学地评价。

2 进气道试验与评价方法研究

经过几十年的研究发展，形成一定影响的进气道试验评价的方法有近十种，目前以Ricardo、AVL 和FEV 三家内燃机研究机构的评价方法最为常用。下面分析比较这几种试验评价方法。

2.1 Ricardo 方法

这种方法是英国Ricardo 公司采用的方法，目前我国内燃机行业用的较多。它不但考虑了气道本身的特性、气缸直径，还考虑了气门的开启规律，近年来使用的人更多一些。

其中，D:气缸直径，Q：空气流量， α1 ：进气门开启时的曲轴转角，α2：进气门关时的曲轴转角， ωR：风速仪叶片转速，V0：气门口空气名义速度，LD 为发动机的形状系数。

试验采用定压差法。在某一固定的模拟气缸真空度下对不同进气门升程进行试验，计算出对应该点的
无因次涡流NR和流量系数 CF ，然后用有限积分法进行积分计算，得到平均涡流比 RS 和平均流量系数
Cfm 。根据这些参数评价进气道性能是否满足要求，把试验数据和历史数据进行对比，分析该进气道的改进方案。

2.2 AVL 方法

这种方法被AVL 公司倡导，首先假定进气只在吸气行程进行，整个试验按定压差法进行。
某一升程下的气道流量系数定义为实测空气流量与理论上流过直径与气门阀内径相等的断面的空气
流量之比，这与Ricardo 方法相同，用μσ表示。

2.3 FEV 方法

德国FEV 公司使用此方法。与上述两种评价方法的不同之处是它用有代表性的气门升程的试验结果评
价进气道性能是否符合要求，该方法反映了气道与气缸的匹配情况，其所用气门升程为最大升程的0.9 倍。
流量系数定义为进气道气门的有效流通截面积和发动机活塞面积之比：

它在一定程度上代表了该气道对发动机的适应能力。
涡流比用Cu/Ca表示，其中Ca代表在模拟气缸中的平均轴向速度，Cu则代表空气在气缸内旋转的平均切向速度。

3 试验系统的构成和功能

3.1 试验设备的构成

进气道模拟稳流试验系统主要由上位计算机、下位可编程控制器、台体部分（包括缸盖定位装置、气门升程调整及测量装置）、模拟气缸、气体涡流测量装置、气体流量测量装置、压力调节装置、气体状态（压力、温度）测量传感器、两级稳压装置和旋涡式离心风机组成。系统结构示意图如图1 所示。平台尺寸为1470mm×500mm，可对气道模型及多至六缸一盖的发动机成品缸盖进行试验，最大缸径可达135 mm。具有缸盖举升机构及移动辊道，可方便实现缸盖的快速举升及水平移动。采用Good Hand 快速夹持机构实现缸盖的压紧，简便的气门开启及升程测量随动机构，可使在试验过程中不需拆掉气门弹簧，并且可以方便、准确地测量出气门升程。

试验系统采用离心风机抽气方式，使模拟气缸内形成负压，外部空气经过气道流入气缸内形成涡流。在每一整数气门升程下，发动机进气道稳流模拟试验系统把实时采集到的气门升程、缸内压力、流量计前真空度、气体流量、涡流转速以及气体温度等参数按照不同的试验评价方法进行计算、分析，从小到大，逐点进行测试计算，直到达到发动机实际最大气门升程，以所有测量点的数据为依据计算出各种试验评价方法的平均流量系数和平均涡流比。

3.2 测控系统设计

3.2.1 系统组成

传统微机测控采用PC 总线模板加上廉价的前端调理单元，构成直接测控系统，这种结构成本较低，可以实现系统要求的各种功能，但要作到恶劣环境中的高可靠性及低漂移则相当不易；本系统采用上位计算机和下位可编程控制器实现分布式两级控制，数据采集过程通过握手通讯由上、下位机协同完成，上位计算机实现设置原始参数、实时监视试验条件、动态处理试验数据、评价方法的算法程序处理、以固定格式存储数据文件以及向外设打印输出等功能。测控系统由上位工控机、LF-GRS232/422 光隔适配器、LF-GS232/422 适配器和下位PLC、现场参数传感器等部件组成。整个测控系统具有安全可靠、准确实用、易于扩展、便于维护的特点。

图1 进气道模拟稳流试验系统结构示意图

3.2.2 串行总线接口标准的选择

串行通讯可以通过接口电路。两接口电路之间的连接方法有电压控制和电流控制两种，其中电压控制的接口有RS-232C 和RS-422。RS-232C 为非平衡电压型线电路。逻辑‘ 1’为-3V～-12V，逻辑‘0’为+3V～+12V。最大负载电容为2500pf。虽然电平的抗干扰能力比一般TTL 强得多，但其负载电容限制了传送距离和传送速率，且不具有抗共模干扰特性和同一传输线上的多点连接特性。在一般情况下，RS-232C 仅用于短距离（15m 内）‘点-点’通讯。若要进行远距离传送和多点通讯，还需加调制解调器和线路分配器。RS-422 为差分平衡型线电路，该标准规定平衡发送和差分接收。驱动器在发送端将TTL 电平信号转换成差分信号以电流环方式输出（最大输出电流可达60mA）。在接收端，接收器差分接收，将差分信号变成TTL 电平。这样，一方面具有较强的抗共模干扰能力。另一方面，使传送距离和传送速率也大大提高。

测控系统通过LF-GRS232/422 光隔适配器和LF-GS232/422 适配器实现RS-232C 和RS-422 的转换，实现上位工控机的异步串行口和下位CQM1 型PLC 的RS-232C 端口的通讯连接，并满足了监控现场对传送距离和传送速率的要求。

3.3 测控系统的软件开发

3.3.1 通讯原理及VB 的通讯机制

本文实现的分布式两级测控系统是一种主从式总线型工业局域网。它以上位机作为局域网通讯的主站，下位PLC 为从站。主站主动发出命令帧，向从站发送资料或者从从站中读取资料。对于主站发来的命令帧，从站用响应帧应答。

利用VB 提供的定时器和MSComm 通讯控件，我们编制了面向对象的应用程序，命令传递、资料交换、图形显示在定时器控件和通讯控件中完成。使用MSComm 通讯控件的第一步是建立与串行口的连接。通过设置CommPort、PortOpen 和Settings 属性来打开串行端口。在定时器中使用Output 属性向下位PLC发送数据区指定单元的数据，作为应答，PLC 返回的的资料通过响应帧上传到上位机的输入缓冲区，上位机通过OnComm 事件读取输入缓冲区中的资料并以字符串形式保存。实时分析“@”、“*”和回车符等特征码，以得到完整的响应帧。这样，上下位机之间的通讯就基本建立的起来。由于每次传送资料时，单帧的最大资料容量为131 个字符，因此当传送的资料超过131 个字符时，应该在传送前分成若干个帧，分段传送，第一帧和中间帧的结尾处用界定符（CR）代替结束符（*CR）。

3.3.2 系统的上位测控程序开发

上位计算机实现设置原始参数、实时监视试验条件、动态处理试验数据、评价方法的算法程序处理、以固定格式存储数据文件、历史数据图表填充以及向外设打印输出等功能。测控系统的主界面如图2 所示。

图2 测控主界面

“开始采集数据”按钮控制上位机和下位机之间通讯端口的初始化，并激活时间中断事件Timer3_Timer()
定时触发上下位机的数据通讯。每0.4s 读取一次PLC 存储在DM0020-M0035 单元中的数据（PLC 采集数据已经经过了72ms 的算术平均值滤波）。这些资料中既有需要显示或处理的物理量，也有系统设定的过程状态标志代码。PLC 返回的的资料通过响应帧上传到上位机的输入缓冲区，上位机通过OnComm 事件读取输入缓冲区中的资料并以字符串形式保存。实时分析@、*和回车符等特征码，以得到完整的响应帧。这样，上下位机之间的通讯就基本建立的起来。当某一气门升程的试验状态准备就绪后，单击“确认本次数据”按钮，该点数据填入结果报表。“停止采集数据”按钮的单击事件中断通讯，并恢复通讯前状态。

如果需要保存试验的资料，“保存测试结果”按钮激活文件保存对话框，把结果报表中的数据保存成扩展名为“qdw”的文件，同时底层操作把本次试验的输入参数保存为扩展名为“qdl”的同名文件。通过OLE（对象联接与嵌入）技术将MS Excel 融合在系统软件中，方便地实现了报表打印和试验结果填充历史数据图表模板的功能，图3 为“打印测试结果”得到的Excel 输出报表， “结果历史填充”把本次试验结果分别填充到与Ricardo、AVL 和FEV 方法对应的三种历史数据图中，方便地将其与历史数据进行对比，图4所示。

图3 打印输出的结果报表

图4 历史数据填充

程序中设置错误陷阱机制，可以实现系统所有出错的实时提示（如图5 所示）。界面中所有主要控件均有功能提示。在系统需要试验人员参与的人机对话过程中，原始参数的错误输入会引发系统的动态警告（如图6 所示）。系统根据实际的操作过程来设计相关命令按钮的“使能”状态，在特定过程中，能够引起误操作的按钮都被相应“置灰”，从根本上避免了试验过程的错误操作。

图5 系统出错的实时提示警告

图6 原始参数错误输入引发系统的动态警告

在软件设计充分考虑试验过程的实际需要，加入了“数据确认取消”、“不同凸轮比较”等多项功能。

如果操作人员错误执行了“确认该点数据”或某一升程下所做数据不太理想，按“取消确认”按钮即可方便撤消所确认数据。调入以前测试数据或完成某次试验后，可以执行“不同凸轮比较”功能，完成同一组测试数据针对不同凸轮所得结果的比较，而以前做此类工作需要试验人员对同一气道做多次稳流试验，既费时费力，又不能排除系统不稳定性的影响。

4 数值处理分析

在Ricardo 和AVL 评价方法中都涉及到有限积分运算，在以往的手工计算中只能用整数点旋转角度法近似处理，其结果精度不可能得到保证。进气门开启时至关时气门的开启规律可以用气门升程对曲轴转角对应的离散点表示，在有限积分过程中，可以采用每点四舍五入到整数点的矩形法、拉格朗日插值矩形法和拉格朗日插值梯形法处理数据，由于处理方法简单，第一种数值积分方法被很多人使用。为了进一步深入了解不同方法对试验结果精度的影响，我们编制了不同数值积分方法所得的Ricardo 试验结果的比较程序，结果见表1。

表1 不同数值积分方法所得Ricardo 试验结果的比较

从表1 的结果可以看出，我们通常采用的数值积分方法对Ricardo 试验结果都有不能忽略的影响。本文开发的发动机进气道稳流模拟试验系统实现了数值积分的精确计算。

空气密度计算是气道稳流试验数据处理的一项最基本的工作。传统发动机气道稳流试验中，空气密度的计算采用采用ρ=P/T*R来计算，没有考虑相对湿度的修正。本系统中，我们考虑干空气密度和水蒸气密度，利用公式

来进行空气密度计算。在相对湿度为40%、大气温度为29℃、恒压降为3.55kPa、大气压力为101.325 kPa条件下，没修正的空气密度为1.1273kg/m3，而修正后为1.12068 kg/m3，所以密度计算的精度提高了+0.59%。

5 结束语

本文开发的发动机进气道稳流模拟试验系统成功地实现了整体化设计，采用Ricardo、AVL 和FEV 等评价方法处理数据，试验结果具有横向和纵向可比性。既便于进行气道的开发、研制和成品缸盖的抽样试验，也易于同国内外同行进行技术交流。系统采用上位计算机和下位可编程控制器实现分布式两级控制，具有自动化程度高、系统安全可靠、便于扩展维护、使用操作方便和功能全面的特点。作为本单位的成熟产品，已经在东风朝柴和北汽福田得到应用，并正在做进一步的市场推广。

参考文献
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2 冯星华等. PLC 与个人计算机间串行通讯及程序设计. 机电一体化, 2000, 1(6)
3 李康. 现代气道开发方法. 汽车技术, 2001, 3: 1-4
4 黄宜谅. 直喷式柴油机进气道测试方法和试验研究. 内燃机工程, 1982, 5
5 刘瑞林. 四气门汽油机缸内涡流的稳态测量研究. 内燃机学报, 2001, 19(4)
6 OMRON 公司. OMRON CQM1 型PLC 操作、安装、编程手册，2000(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/24/2005)


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