（动力机械及工程专业论文）发动机进气处理装置设计及控制系统研究.pdf

摘要 摘要 汽车性能检测试验是用于评价汽车性能指标和维修质量好坏的依据 为了 检测试验结果具有可比性 通用性 科学性 就必须遵循统一的检测试验环境 状态 以确保检测试验条件一致性 才能避免同一辆车性能检测结果随检测场 地而异 随检测人员操作而异 随检测设备而异 从而保证具有行政行为的车 辆技术等级评定的公正性 科学性 检测试验环境状态是指检测试验发动机进 气的大气温度 大气压力和相对湿度 为了在发动机试验台架上实现可比的试 验条件 因此有必要对进气系统进行调节 发动机的进气状态对发动机的工作性能有强烈的影响 众所周知 空气的 密度随大气温度 大气压力和相对湿度的变化而变化 因此 发动机每次循环 吸入的新鲜空气质量随环境状态变化而变化 发动机进气过程的充气量和充气 效率随环境状态变化而变化 明显影响发动机性能 研究表明 进气压力每升 高l a 则发动机扭矩增加约0 1 2 进气温度每升高l k 则发动机的功率约下降 o 5 t 2 1 进气中的水分对发动机的功率影响很小 但对于排放尤其是氮氧化物的 影响是不可忽视的 研究发动机进气状态对发动机性能的影响 以及对发动机 进气状态进行控制具有十分重要的意义 本文研究的进气调节装置用于在试验台架上对发动机的进气温度 压力和 相对湿度进行调节 以空气流量为2 0 0 0 n m 3 h 的进气系统为样本 建立系统模 型 设计出发动机进气处理装置 通过此系统调节发动机进气温度 压力和相 对湿度 使之能够满足发动机性能试验的大气环境 应用m c g s 通用监控系 统 组态软件对发动机进气处理系统进行动态仿真 对实时数据进行采集处理 动画显示 流程控制和报表输出 从理论上分析发动机的进气温度 压力和相 对湿度对发动机性能的影响机理 找出其影响因素以及控制方法及控制途径 此装置可为发动机运行提供性能试验的大气环境 调节发动机进气状态参数并 适时进行控制 具有实际应用价值 而把空气调节技术应用于对发动机进气进 行调节与控制以前国内研究较少 这也是本课题的创新之处 关键词 发动机进气系统 温度 湿度 空气调节 控制方法 m c g s a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e rt om a k et h er e s u l t so fc h e c kt e s tc o m p a r a b l e u n i v e r s a la n ds c i e n t i f i c c h e c kt e s te n v i r o n m e n tm u s tb es a m e t h u st h ec h e c kt e s tr e s u l t so fac a ri nd i f f e r e n t c h e c k sw i l lb es a m e t h ej u s t n e s sa n ds c i e n t i f i c i t yo fg r a d ee s t i m a t i o nc a nb ee n s u r e d c h e c kt e s te n v i r o n m e n tm e a n st h a ta t m o s p h e r i ct e m p e r a t u r e a t m o s p h e r i cp r e s s u r e a n dr e l a t i v eh u m i d i t yo fc h e c kt e s t a st oc a r r yo u tc o m p a r a b l et e s tc o n d i t i o no nt e s t s t a n d i ti sn e c e s s a r yt or e g u l a t ea i ri n t a k es y s t e m i nt h i sp a p e r a i ri n t a k ec o n t r o l l i n g d e v i c e si no nt e s ts t a n du s e dt or e g u l a t et e m p e r a t u r e p r e s s u r ea n dr e l a t i v eh u m i d i t y o fi n t a k e na i ra r es t u d i e d s t y l e so fa i ri n t a k eo fe n g i n ea f f e c to ni t sw o r k i n gp e r f o r m a n c e i ti sk n o w n t h a t a i r sd e n s i t yc h a n g e sw i t hc h a n g e so ft e m p e r a t u r e p r e s s u r ea n dr e l a t i v eh u m i d i t y t h e r e f o r e q u a l i t yo ff r e s ha i rc h a n g e sw i t ht h ec h a n g eo fe n v i r o n m e n t q u a n t i t ya n d e f f i c i e n c y o fa i ri n f l a t i o nc h a n g ew i t he n v i r o n m e n t w h i c ha f f e c t so ne n g i n e p e r f o r m a n c e t h er e s u l t so fr e s e a r c hh a dm a d ei tk n o w nt h a tt o r q u e o fe n g i n e i n c r e a s e sa b o u t0 12 w i t ht h ep r e s s u r eo fi n t a k e na i ri n c r e a s e s1h p a a n dp o w e r o fe n g i n ed e c r e a s e sa b o u t0 5 w i t ht h et e m p e r a t u r eo fi n t a k e na i ri n c r e a s e s1 k e l v i nd e g r e e m o i s t u r ei ni n t a k e na i rh a sl i t t l ee f f e c to ne n g i n e se f f i c i e n c y b u ti t s e f f e c to nt h ep o l l u t a n t se m i s s i o n e s p e c i a l l yn i t r o g e no x i d e c a nn ob ei g n o r e d t h u s s t u d i e so fe f f e c t so fa i ri n t a k eo ne n g i n ep e r f o r m a n c ea n dc o n t r o lo fa i ri n t a k ea r e s i g n i f i c a n t a na i ri n t a k es y s t e mw i t ha b o u t2 0 0 0 n m 3 ha i ri ss t u d i e d s y s t e mm o d e li ss e tu p a i r i n t a k er e g u l a t i n gs y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e mo fe n g i n ea r ed e s i g n e dt or e g u l a t e a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t i n c l u d i n gt e m p e r a t u r e p r e s s u r ea n dr e l a t i v eh u m i d i t yo f i n t a k e na i r t h r o u g ha n a l y s e so ft h ee f f e c tm e c h a n i s mo ft h e s ep a r a m e t e r so n e n g i n e sp e r f o r m a n c ei nt h e o r y e f f e c tf a c t o r sa n dc o n t r o lm e t h o d sa r es t u d i e d t h e r e q u i r e m e n to fa i ri n t a k es t a t et or e a l i z eo p t i m a lo p e r a t i o ni sg o t t e ni nt h i sp a p e r k e y w o r d s a i ri n t a k es y s t e mo fe n g i n e t e m p e r a t u r e h u m i d i t y a i rc o n d i t i o n i n g c o n t r o lm e a s u r e m o n i t o ra n dc o n t r o lg e n e r a t e ds y s t e m 图目录 图目录 图2 1发动机进气调节系统原理图 5 图2 2进口状态参数 8 图2 3进口状态参数 8 图2 4出口状态参数 9 图2 5出口状态参数 9 图2 6大气压与海拔高度的关系 1 1 图2 7离心通风机原理图 1 1 图2 8 高压离心风机 1 2 图2 9 空气处理过程示意图 1 2 图2 1 0 变风量空气处理机组 1 3 图2 1 l 空气除湿过程示意图 1 3 图2 1 2 电极式加湿器原理图 1 4 图2 1 3 压力温度传感器 1 5 图2 1 4 发动机进气调节系统 1 6 图3 1模糊控制原理图 1 7 图3 2模糊推理示意图 2 1 图3 3进气调节系统自动控示意图 2 3 图3 4循环策略控制示意图 2 4 图3 5压力控制循环系统流程图 2 5 图3 6 温度控制循环系统流程图 2 5 图3 7湿度控制循环系统流程图 2 5 图3 8p c p p i 电缆通通讯设置 2 7 图3 9 p c p p i 和一台p l c 连接 2 7 图3 1 0p c p p i 和多台p l c 连接 2 8 图3 1 l r s 2 3 2 4 8 5 一台转换器连接 2 8 图3 1 2 r s 2 3 2 4 8 5 多台转换器连接 2 8 图3 1 3c o m m u n i c a t i o nl i n k 界面 3 0 图3 1 4 增加通道界面 1 3 2 图3 1 5 西门子s 7 2 0 0 p l c 通道属性设置界面 3 3 图4 1 发动机进气调节系统系统界面 4 0 图4 2m c g s 系统从组态环境向运行环境的过渡 4 l 图4 3m c g s 用户应用系统 4 2 图目录 图4 4 发动机进气调节系统总体结构 4 3 图4 5m c g s 用户窗口对数据进行运行处理 4 5 图4 6 发动机进气调节系统参数日报表 4 5 图4 7 发动机进气调节系统用户窗口 4 7 图5 i 采集卡原理框图 5 5 图6 1 汽油发动机输出功率与温度压力关系 6 2 图6 2 柴油发动机输出功率与温度压力关系图 6 3 图6 3 恒温控制热空气吸入装置 6 6 图6 4 空燃比与火焰温度 输出功率 燃油耗率的关系 6 7 图6 5 有害气体浓度与空燃比的关系 6 7 图6 6m c g s 安装程序窗口 6 8 图6 7m c g s 安装目录窗口 6 8 图6 8m c g s 安装完成窗口 6 9 图6 9m c g s 组态和运行环境窗口 6 9 图6 1 0m c g s 组态软件程序组窗口 7 0 图6 1 1m c g s 软件系统模型 7 l 图6 1 2 二号发动机运行状态 7 1 图6 1 3 一号发动机运行参数曲线 7 2 图6 1 4 发动机进气系统参数日报表 7 2 图6 1 5 发动机进气系统参数月报表 7 3 图6 1 6 发动机进气系统参数年报表 7 3 图6 1 7 发动机进气参数曲线 7 4 图6 1 8 发动机进气参数实时曲线 7 4 图6 1 9 机房控制柜示意图 7 5 图6 2 0 发动机进气参数设定 7 5 图6 2 l 发动机进气参数报警 7 6 图6 2 2 退出系统界面 7 6 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 同意如下各项内容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版 在不以赢利为目的的前 提下 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动 学位论文作者签名 蕴譬点 办哆年弓月弓日 经指导教师同意 本学位论文属于保密 在三年解密后适用 本授权书 指导教师签名 架枉挺论文作者签名 参z 二口 罗年 3 月4 曰沙哆年 月 多日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 进行 研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担 签名 痧量豆 沙9 易年弓月 多目 同济大学硕上学位论文 睡给螽学 种 绪论 1 1 论文题目的提出 第一章绪论 评定汽车性能的试验方法可分为两类 即室外试验 道路试验 室内试 验 台架试验 汽车在各种不同的环境道路上行驶即汽车道路试验 根据汽 车道路行驶状况评定汽车的各种性能是最符合实际 最可靠 最基本的评定方 法 而道路试验费时 费力 并且受到试验地点 环境有限的限制 为此 汽 车室内试验 台架试验经常被使用 为了检测试验结果具有可比性 通用性 科学性 就必须遵循统 的检测试验环境状态 检测试验环境状态是指检测试验发动机进气的大气温度 大气压力和相对 湿度 为了在发动机试验台架上实现可比的试验条件 因此有必要对进气系统 进行调节 本文研究的进气调节装置用于在试验台架上对发动机的进气温度 进气压力和进气的相对湿度进行调节 把空气调节技术应用于汽车发动机进气 系统 对发动机进气进行质和量的调节与控制 所以研究发动机进气状态对发 动机性能的影响 以及对发动机进气状态进行控制具有十分重要的意义 1 2 发动机进气调节系统发展现状 1 2 1 发动机进气调节系统发展现状 随着改革开放的不断深入 汽车工业正以前所未有的规模在飞速发展 汽 车工业是融合机械 电子 空调 材料等各行各业的先进技术于一身的典范 它在国民经济中占有重要地位 是一个国家工业水平的代表 现代汽车行驶的地区 道路及交通情况十分复杂 气候条件也有很大差异 汽车必须具备满足在各种条件和环境下使用的动力性能 经济性能和符合排放 指标 动力性是汽车最基本的性能 汽车的动力系统性能首先取决于发动机的 性能 所以发动机是汽车的核心 它在汽车上的地位相当于人的心脏 是各种 技术交融的集中体现 因此 准确测定发动机各种性能是动力系统试验的主要 同济大学硕士学位论文 豌洚舞学 第一章绪论 任务 世界各大汽车制造厂商为了检测和提高发动机的性能 纷纷投入巨资建 立现代化的发动机试验室 对发动机进行各种各样整机系统及零部件的检测试 验 汽车性能检测试验是用于评价汽车性能指标和维修质量好坏的依据 为了 检测试验结果具有可比性 通用性 科学性 就必须遵循统一的检测试验环境 状态 以确保检测试验条件一致性 才能避免同一辆车性能检测结果随检测场 地而异 随检测人员操作而异 随检测设备而异 从而保证具有行政行为的车 辆技术等级评定的公正性 科学性 因此 近年来各国各大汽车公司正在建立 或筹建发动机标准进气试验室 1 2 2 发动机进气调节系统国内外发展动态 作为汽车动力的发动机的发展离不开先进的实验技术 而试验技术是一项 系统工程 没有设施完善 功能齐全的实验室和测试控制仪器是无法完成发动 机的试验要求的 科学技术的飞速发展也推动了发动机试验技术的发展 高动 态试验台的开发使用 为汽车动力一传动系的优化匹配带来料前所未有的便利 而计算机网络系统行实验研究与最终产品联系在一起 大大地提高料工作效率 为保证具有行政行为的车辆技术等级评定的公正性 科学性 国内外对发动机 标准进气试验室做了大量工作 我国的汽车工业起步较晚 技术水平较低 在努力赶超世界先进水平的过 程中 发动机的设计 制造 试验是一个重要的不可或缺的环节 发动机性能 试验是发动机研究 设计及生产过程中重要的组成部分 它能测定发动机各项 性能数据 在研究设计过程中 用试验来检验设计的正确性与合理性 对于发 现的问题 通过测试找出存在问题的本质和规律性 提供改进的方向和依据 在生产过程中 通过测试检验产品的质量等被各大汽车制造厂商所重视 国内 近年来也正在引进或筹建发动机标准进气试验室 来确保满足恒压 恒温 恒 湿的进气要求 从而大大地减少了校正误差 1 3 论文的主要内容 本文根据发动机标准进气试验环境的要求 利用空气调节技术 以空气流 2 同济人学硕上学位论文 艮渗磊擘 第一章绪论 量为2 0 0 0 n m 3 h 的进气系统为样本 建立模型 设计出发动机进气处理装置使之 能够满足调节出发动机性能试验的大气环境 通过此处理装置调节发动机进气 温度 压力和相对湿度 并通过m c g s m o n i t o ra n dc o n t r o lg e n e r t e ds y s t e m 通用监控系统 对进气处理装置进行系统动态仿真 设计出控制系统方案对进 气系统进行数据采集处理 动画显示 流程控制和报表输出 并从理论上分析 发动机的进气温度 压力和相对湿度对发动机性能的影响机理 找出其影响因 素以及控制方法和控制途径 1 4 论文的意义 本文根据发动机进气系统实际情况和大气环境对发动机性能的影响 以空 气流量为2 0 0 0 n m 3 h 的进气调节系统为样本 建立模型 设计出发动机进气调节 及控制系统 并通过m c g s 组态软件对系统进行适时控制 使之能够满足调节出 发动机性能试验的大气环境 并通过此系统调节对发动机进气温度 压力和相 对湿度 并从理论上分析发动机的进气温度 压力和相对湿度对发动机性能的 影响机理 找出其影响因素以及控制方法和控制途径 此装置可为发动机运行 提供性能试验的大气环境 调节发动机进气状态参数并适时进行控制 具有实 际应用价值 1 5 论文创新点 1 将空气调节技术应用于建立发动机进气调节系统 设计出一套适用于发 动机台架试验的进气处理装置 对发动机进气温度 湿度和压力进行调节和控 制 2 通过m c g s 组态软件建立发动机进气调节模型 设计出控制系统方案 对发动机进气调节系统进行适时控制和动态模拟 3 研究发动机的进气温度 压力和相对湿度对其性能的影响机理 找出其 影响因素以及控制方法及控制途径 瞅鞭愀激 民玲姗一黼瞰 潞选型 第二章发动机进气调节系统设计与设备选型 汽车周围大气环境对其使用性能有着非常广泛的影响 汽车使用环境又各 式各样 在中东 非洲热带地区和美国部分领土以及澳大利亚等地 气温超过 4 0 c 的情况不少 而在象青藏高原 喜马拉雅山脉等地区海拔在1 5 0 0 m 以上 最高海拔达到4 0 0 0 m 属于高原地区 气压可降至0 7 个标准大气压 为了满足 汽车在不同环境条件下使用性能 必须对汽车性能进行检测 评定汽车性能的 试验方法可分为两类 即室外试验 道路试验 室内试验 台架试验 汽 车在各种不同的环境道路上行驶即汽车道路试验 根据汽车道路行驶状况评定 汽车的各种性能是最符合实际 最可靠 最基本的评定方法 而道路试验费时 费力 并且受到试验地点 环境有限的限制 为此 汽车室内试验 台架试 验经常被使用 为了检测试验结果具有可比性 通用性 科学性 就必须遵循 统l 的检测检测试验环境状态 检测试验环境状态是指检测试验发动机进气的 大气温度 大气压力和相对湿度 众所周知 空气的密度随大气温度 大气压力和相对湿度的变化而变化 因此 发动机每次循环吸入的新鲜空气质量随环境状态变化而变化 发动机进 气过程的充气量和充气效率随环境状态变化而变化 明显影响发动机性能 g b t 1 8 2 7 6 2 0 0 0 汽车动力性台架试验方法和评价指标 瞳3 规定动力性能检测 环境状态为 环境温度 0 4 5 环境湿度 8 5 r h 大气压力 8 0 k p a l1 0k p a 而规定发动机标准进气状态为 进气温度 2 9 8 k 2 5 相对湿度 3 0 进气干空气压力 9 9k p a 水蒸气分压力 l k p a 进气总压 1 0 0k p a 为此 要达到规定发动机标准进气状态 恒温 恒压 恒湿 要求 必须 4 同济大学硕士学位论文 爨隆磊警 第 二章发动机进气调节系统设计与设备选型 对发动机进气进行温湿度和压力调节 2 i 发动机进气调节系统结构 2 1 1 发动机进气调节系统结构 发动机进气调节系统主要有管道过滤调压段部分 温 湿度调节段部分 控制系统部分组成 过滤调压段主要有过滤器 离心风机 风量调节阀 减压 阀等组成 温 湿度调节段部分主要有热交换器 蒸汽加湿器 电加热器等组 成 控制系统部分主要有稳压箱 传感器 中央控制器和输入输出设备组成 系统原理图如图2 1 所示 图2 1发动机进气调节系统原理图 2 1 2 发动机进气调节系统各部分功能 管道过滤调压段部分功能是对发动机进气进行过滤 并根据进气压力进行调 节 使进气压力满足试验压力需求 进气温度调节部分功能是对发动机进气温度进行加热或冷却 即调节迸气温 度满足试验要求 进气湿度调节部分功能为对发动机进气湿度进行加湿或减湿 即调节进气湿 度满足试验要求 系统控制部分功能为通过传感器 执行器对调节系统进行控制 并通过软件 同济人学硕十学位论文 露隆舞学第二章发动机进气调节系统设计与设备选型 实时显示 2 2 发动机进气调节系统工作原理 发动机进气处理装置可以通过加热或冷却装置对温度进行调节 空气通过 热交换器时 由于换热器内有4 一6 冷冻水跟空气进行热交换 把空气冷却到 设备的机器露点温度 经过加湿器后 再通过温度传感器传送给中央控制器的控 制信号 控制加热器对空气的温度进行调节 通过调节加热器的功率来调节空气 温度 使处理过的空气温度达到设置要求 发动机进气温度调节部分其主要参数 如下 进口温度范围 o 5 0 出口温度范围 1 5 3 5 温度调节精度 1 调节时间 1 2 0 s e c 发动机进气处理装置可以通过冷却除湿或通过蒸汽加湿装置对进气相对湿 度进行调节 空气通过热交换器时 由于换热器内有4 6 冷冻水跟空气进行 热交换 把空气进行冷却到设备的机器露点温度 对空气进行减湿处理 空气 冷凝达到的冷凝水通过冷凝水排除器自动排除 冷却处理的空气 再通过湿度 传感器传送给中央控制器的控制信号 控制加湿器对空气的湿度进行调节 通 过调节加湿器的加湿量来调节空气湿度 使处理过的空气湿度达到设置要求 发动机进气湿度调节部分其主要参数如下 进口湿度范围 1 0 一9 5 r h 出口湿度范围 3 0 8 0 r h 温度调节精度 5 调节时间 1 2 0 s e c 发动机进气处理装置通过高性能离心风机 四个调节阀和减压阀控制压力 系统要求正压时 减压阀关闭 调节阀a 卜a 2 打开 调节阀b l b 2 关闭 进气 通过空气过滤器 再通过风机增压 再经换热器 加湿器 加热器处理到稳压 箱 再通到发动机 此过程离心风机既是动力源又是压头提供源 系统要求负 压时 减压阀开启 调节阀a l a 2 关闭 调节阀b l b 2 打开 进气从减压阀侧 进气门通过过滤器进气 此过程离心风机既是动力源又是负压头提供源 抽气 6 同济大学硕上学位论文 艮渗纛髻1 第二章发动机进气调节系统设计与设备选型 过程 发动机进气量的控制由这两对阀的开启度控制并根据发动机实际工作情 况调整进气量 此外作为安全装置 减压阀侧进气门还有以保证在空气调节设 备不工作时向发动机进气 发动机进气压力调节部分其主要参数如下 进口压力范围 9 0 1 0 5 k p a 出口压力范围 8 0 1 1 0 k p a 压力调节精度 1 0 0 p a 调节时间 1 2 0 s e e 控制部分有设定值和实际值显示 数据输入键板 紧急电源开关和与外部 打印机连接的插孔 可通过i n t e r f a c e 或r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口与试验室计算机的 通讯连接实时显示 输出 保存 进气调控系统中也可采用回风技术 一方面有利于压力调控 另一方面可 以有效利用能源 提高了温控效率 为了更有效地克服发动机脉冲式吸气造成 系统压力波动 在发动机进气管上设置稳压箱 稳压箱是用于对空气调节装置 出口端的压力波进行稳压 2 3 发动机进气调节系统进 出口空气各状态参数 发动机进 出口空气参数 进口温度范围 0 5 0 进口湿度范围 1 0 9 5 r h 出口温度范围 1 5 3 5 出口湿度范围 3 0 8 0 r h 发动机进气调节系统进 出空气极限参数统计如下 通过焓湿图查的各状 态对应空气其它参数值 表2 1发动机进气调节系统进 出空气参数 进u 状态参数o l o 5 0 1 0 0 9 5 5 0 9 5 最小值最大值 对应焓值 k j k g o 97 0 49 02 6 1 50 92 6 1 5 含湿黾 g k g 0 47 73 68 1 30 48 1 3 出口状态参数 1 5 3 0 3 5 3 0 1 5 8 0 3 5 8 0 最小值最大值 对应焓值 k j k g 2 3 16 2 43 6 61 0 9 52 3 11 0 9 5 含湿 7 g k g 3 21 0 58 52 8 93 22 8 9 燮型型 鱼 塑型堂燮型塑型 图2 2 进口空气状态参数 图z 3 进口空气状态参数 8 涮 再胁 图2 4 出口空气状态参数 圈2 s 出口空气状态参数 9 瞅 黝文 良洽斌一黼瞰 城删 2 4 发动机进气调节系统设备设计选型 发动机进气调节系统用来调节发动机进气状态 验 为此送气量必须满足试验发动机的进气要求 发动机送气量 d 三旦兰监竺 f 1 0 0 0 并可进行一些环境模拟试 式中q 送气量 m 3 h k 发动机总排量 l n 发动机转速 r m i n i 冲程系数 二冲程 i 2 四冲程 i 4 以p a s s a t 2 8 v 6 为例 k 2 7 7 1 最高转速n 6 0 0 0r m i n i 4 q f 1 0 0 0 4 1 0 0 0 4 9 8 7 8m 3 h 以玉柴y c 6 1 0 5 z l q 系列柴油机为例 6 4 9 4 最高转速n 2 5 0 0r m i n i 4 q 兰旦兰竖鲨 1 2 0 x 6 4 9 4 x 2 5 0 0 f 1 0 0 04 1 0 0 0 4 8 7 0 5m 3 h 2 1 按每台5 0 0m 3 h 计算 最多3 台发动机进行进气试验 所需进气量为1 5 0 0 m 3 i l 考虑到余量系数 设计系统为2 0 0 0m 3 h 2 4 1 调节系统风机选型 标准大气压是以海平面的标准大气压1 0 1 3 2 5 k p a 为标准的 随着海拔高度 的增加 空气稀薄 大气压力下降 相反 大气压力升高 海拔高度每增加l k m 左右 大气压力约下降l o k p a 乜 大气压与海拔高度关系如图2 6 所示 为了模仿不同地区 不同海拔高度的气候环境 应对空气压力进行处理 使 之符合上图中不同大气压力与海拔高度的关系 因此 要选择压力处理设备 风机 l o 文 黪胯纛繁一 一酬燃选型 风机是输送气体的设备 它在国民经济各部门应用十分广泛 从能量转换的 观点来看 风机是把原动机的机械能转变为气体的动能和压力能的一种机械 根 据工农业生产的需要 风机有各种各样的形式 根据作用原理 一般可分为离心 l 苫 蜊 惺 鲻 嫩 标 佳大气1 压 1 0 1 3 2 5 0p l t 大气压 f 1 图2 6 大气压与海拔高度的关系 式 轴流式 往复式 回转式等 目前在大流量中用得最多的是离心式 因为它 具有效率高 流量大 输出流量均匀 结构简单 操作方便 噪音小等优点 离心通风机的特征是 介质沿着铀向进入 而在叶轮内沿着径向流动 如 图2 7 所示 透群 3 夕岁 l 一集流器 2 一叶轮 3 一机壳 图2 7 离心通风机原理图 l l 腓蛳 目玲 脚 m 本课题选择高压离心风机如圈21 1 风机型号为 h t d 8 5 2 4 风量为 5 1 0 0 m 3 h 全压为 3 0 0 0 0 p a 轴i j j 率 5 4 k w 毛轴转速 2 9 0 0 n m i n 电机型号 y 2 8 0 s 2 电机功率 7 5k w 圈2 8 高压离心风机 242 调节系统变风量空调机组选型 根据以上发动机进气处理装置进 出口状态参数 以及状态处理过程如图所 围2 9 空气处理j 士程 以标准进气量为2 0 0 0 m 3 h 的友动机进气系统为例柬计算 由进口参数为5 0 9 5 处理到出口参数为3 5 c 8 0 处理过程如图 2 1 2 所示 先从s 0 9 5 的状态a 点经变风量空气处理机减始减湿冷却处理 到b 状态点 再经加热器等湿加热到状态点c 即对应焙值从2 6 1 sk j k s 降低 僦黼蝴 目庸 脚 到1 0 6 1 i 谢k g 即从a b c 需要制冷量q 为 q m i g p i 2 2 q ma i g p a i 2 0 0 0 3 6 0 0 i 2 x 2 6 1 5 1 0 6 i 1 0 36 k w 根据计算要求变m 量处理机组制冷量为1 0 3 6k v v 故选丌利b f p x 全新风 变风量机组 型号为b f p x 6 型 b f p x 6 型全新风变风量机组性能参数 处理风量 0 6 0 0 0 m 3 h 名义制冷量 1 0 5 i m f 冷冻水流景 1 4 7 6 t h 电机功率 1 1 k w 外型尺寸 长 宽 高1 6 2 5 9 9 5 6 8 0 r a m 3 重量 2 9 0 k g 削2 l 十气处理过删 觥愀 文 露隆彘警一渊瞰脯 搬 2 4 3 调节系统加热器选型 由进口参数为0 1 0 处理到出口参数为1 5 c 3 0 先从o 1 0 的状态a 点经加热器等湿加热处理到b 状态点 1 5 c 4 再经加湿器等温 加湿到状态点c 1 5 c 3 0 即对应焓值从0 9 k j l k g 增加到1 6 2 k j k g 即 从a b c 需要加热量q 为 q m ai g p a 2 0 0 0 3 6 0 0 1 2 1 6 2 0 9 1 0 2 k w 2 3 2 4 4 调节系统加湿器选型 由上图所示 空气由b 状态点 1 5 2 4 0 4 9 k g 经加湿器等温加湿 到状态点c 1 5 c 3 0 3 2 9 k g 加湿器每小时加湿量为 d m ad g p d 2 0 0 0 1 2 3 2 0 4 1 0 3 6 7 2 kg l h 电极式加湿器的工作原理 般自来水的导 电率在1 2 5 1 2 5 0 u s c m 之间 当自来水进入 加湿桶后 水位逐渐上升 在加湿电极上通电 当水位漫过电极后 电极之间通过水的导电性构 成电流回路 并把水加热至沸腾 输出洁净蒸汽 随着蒸汽的输出 水位逐渐降低 这时 进水阀 通电打开 再次进水 知道合适的水位 并继续 产生蒸汽 当加湿桶内的矿物质浓度越来越高 时 排水阀自动打开 排去部分废水 加湿器再 次补充新水 并继续加湿工作过程 图2 1 2电极式加湿器工作原理 根据计算 电极式加湿器选用a 聃3 4 型 其技术参数为 加热电源 3 8 0 v3h p 加热电流 8 8a 加湿量 8 8k g h 功率 6 1 k w 外形尺寸 m m 3 9 0 x 5 8 5 x 2 3 0 1 4 枞 粼文 露潦纛孽一 呲 锻 2 4 5 进气压力 温度传感器 进气压力传感器和进气温度传感器做成一体 型号是d s s t f 此传感器持 续测量进气管路中的压力 同时测量发动机的进气温度 压力传感器是压敏电 阻型 发出与所测进气压力成比例的电压 如图2 1 3 所示 电阻随压力变化 朦力件薯嚣 孥性 叠壤锦昭器斡饿 t 五 星 薹 舭 鲍搿陵舟p 图2 1 3压力 温度传感器 进气温度传感器是口n 负变化型热敏电阻 型的 其阻值随温度升高而 减小 如图2 1 3 所示 d s s i t 有4 个引脚 分别为 5 v 输入 地线 压力输出 温度输出等 其 特性参数如表1 所示 表2 2d s s t f 传感器特性参数 压力范围供电电压重薰抗震稳定性 吸收电流 2 0 1 1 5 k p a5 0 0 5 v 1 8 2 7 9 谐波2 5 0 r n s 2 典型值9 m a 电阻工作温度范围响应时间测量精度 2 5 k q 5 4 0 1 2 5 典型值o 2 m s 1 5 安装进气压力 温度传感器时 应先抹上润滑油轻轻压入 再按规定要求 拧紧螺钉 长期使用后由于尘垢的堵塞或污燃可能引起传感器失效 应经常注意 检查空气滤清器是否清洁 信号处理 所有信号通过隔离放大器来耦合 压力 8 0 l p a l15 k p a 对应信号0 1 0 v 温度 o 1 0 0 对应信号0 1 0 v 湿度 0 r f 1 0 0 r f 对应信号0 1 0 v 僦 再玲 一 口e 25 小结 本章根据发动机标准进气调节系统特点 设计出发动机进气调节系统 并根 据调节系统各部分作用和功能 通过焓湿图计算和系统调节范围 对系统设备进 行选型 并阐述各部分功能和工作原理 同济大学硕士学位论文 黪魔磊警 第三章发动机进气调节系统模糊控制 第三章发动机进气调节系统模糊控制 进气调节控制系统性能的优劣 会直接影响到发动机性能测试的准确性 目前p i d 控制效果普遍不够理想 究其原因 是因为发动机测试台架系统有非线 性和惯性滞后的特性 而模拟p i d 控制方式的动态响应性能较差 且控制参数调 整困难 本章将在模糊控制方案分析的基础上 进行模糊控制应用到发动机进 气调节系统上的研究 以及发动机进气调节系统模糊控制器的设计 3 1 模糊控制系统 模糊控制系统组成具有常规计算机控制系统的结构 模糊控制的原理框图 如图3 1 所示 由图可知 模糊控制系统通常由模糊控制器 输入 输出接口 执行机构 被控对象等四个部分组成 而具有智能性的模糊控制器是它的组成 核心 也是模糊控制系统与其它自动控制系统最大的不同之处 图3 1 模糊控制原理 针对多变量 非线性和时变的系统 需要合理的选择控制方法 近年来应 用较多的是模糊控制 模糊逻辑控制 f l c 就是用模糊逻辑来模仿人的推理计 算推理技术 使用模糊逻辑控制技术有以下优点 1 简化设计 模糊逻辑控制是比常规逻辑控制更接近于人直观理解的思 考方式 它避开了建立数学模型的困难 而是从一开始就依赖人们直 觉上清楚的那些控制规则 2 使编码减少 成本降低 模糊逻辑需要的存储器远比查表和公式计算 1 7 同济大学硕士学位论文 露渗轰擘 第三章发动机进气调节系统模糊控制 法少 前者在于后两种方法完成相同的任务时 往往所用的微处理机 或单片机位数要低些 3 系统相对较可靠 对于模糊逻辑控制而言 由于一个输入将触发几个 不同的控制规则 而最后的输出是多个规则影响结果的合并 所以即 使一个规则失效了 其它规则往往可以补偿 3 1 1 模糊控制系统器结构 模糊控制器的组成框图如图3 1 所示 它包括 输入量模糊化接口 知识库 模糊推理和清晰化四个部分 各部分的主要功能如下 1 模糊化接口的作用是将输入的精确量转换为模糊化量 同时将实际的输 入范围换算为模糊控制系统所需的论域范围 其中输入量包括外界的参考输入 系统的输出或状态等 2 知识库中存储了模糊推理所需的信息 包括具体应用领域中的知识和要 求的控制目标 它通常由数据库和模糊控制规则库两部分组成 数据库包含了 各语言变量的隶属度函数 尺度变换因子等 规则库则包含了用模糊语言变量 表示的一系列控制规则 它们反映了专家的经验和知识 3 模糊推理是模糊控制器的核心 它具有模拟人的基于模糊概念的推理能 力 该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的 4 清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量 模糊值 变换为实际用于控制 的清晰量 它包含了两部分内容 将模糊的控制量经清晰化变换成表示在论域范 围内的清晰量 再将表示在论域范围内的清晰量转换成在实际范围内的控制量 3 1 2 模糊控制器工作过程 一 模糊化运算 模糊化在处理不确定信息方面具有重要的作用 这部分主要是确定输入变 量 将真实的精确量转化成模糊变量 并选择各模糊变量的论域范围和模糊变 量子集 1 确定语言变量 模糊控制器的输入变量和输出变量均是以自然语言形式给出 而不是以数 值形式给出 因此它们不是数值变量而是语言变量 模糊条件语句中描述输入 同济大学硕1 学位论文 露胯磊学 第三章发动机进气调节系统模糊控制 输出语言变量状态的语言值 如 正大 负小 等 的集合 称为这些模糊语 言变量的词集 它是根据模糊语言的定义 由语法规则生成的语言值的集合 模糊分割的个数决定了最大可能的模糊规则的个数 模糊分割数小也就是 语言值分档较少 控制规则相应变少 规则的实现方便了 但过少的规则势必 导致控制粗略 难以对控制性能进行精细的调整 模糊分割数太细 对事物的 描述准确 而且制定控制规则也比较灵活和详尽 但控制规则数就很多 有可 能使控制规则变得很复杂 编制程序比较困难 因此 在选择模糊语言变量的 语言值时要兼顾简单易行和控制效果两个方面 一般来说 一个语言变量选用 i 1 1 2 至1 0 个语言值较适宜 2 确定量化因子 为了便于计算机控制 通常需要把语言变量论域转化成有限整数论域 其 实质是把连续论域离散化产生离散论域 设偏差e e 其精确值论域为x a b 2 行 一一其中a 表示低值 b 表示高值 这时量化因子1 b 一口 于是对于精确值x 可以 从下式求出论域x 中的元素x 与之对应 x r 旦 x a a b 1 1 b 一口 2 取整 3 1 通过量化之后 精确值论域e e x x 就转化成了整数论域x 一n 一 n l 一1 0 1 n 一1 n 二 知识库的建立 模糊控制器中的知识库由两部分组成 数据库和模糊控制规则库 1 数据库 数据库中主要包括隶属函数的选择和确定等 因为模糊子集最终是用隶属 函数描述的 选择恰当的隶属函数是能否用好模糊集合的关键 常用的函数有 三角分布 高斯函数 正态分布 和梯形分布等几种 隶属函数曲线的形状 对 控制效果的影响较大 隶属度函数曲线形状较尖的模糊子集其分辨率较高 控 制灵敏度也较高 相反 隶属度函数曲线形状较平缓的 控制特性也较平缓 系统稳定性好 因此 在选择模糊变量的模糊集的隶属度函数时 在误差较大 的区域需采用低分辨率的模糊集 在误差较小的区域采用高分辨率的模糊集 当误差接近于零时 选用高分辨率的模糊集 2 规则库 1 9 同济大学硕 学位论文 簿胁荪学第二三章发动机进气调节系统模糊摔制 模糊控制规则是基于某领域专家的控制工程知识 以及操作人员长期积累 的实际控制经验而建立起来的 控制规则的表达形式是种模糊条件语句的形式 也是人的思维判断的语言表示形式 通常通过一组语言描述的规则来表示 女口果a 勇b 么b i fat h e nb 女日果a 且b 另巧么c i faa n dbt h e nc 女日果a 勇巧么b 否贝0 c i fat h e nbe l s ec 模糊控制规则设计一般遵循的原则是 当误差大或较大时 控制量的变化 应尽量使误差迅速减小 当误差较小时 除了要消除误差外 还要考虑系统的 稳定性 防止系统产生不必要的超调甚至振荡 三 模糊推理 模糊控制器的输入和输出都是非模糊量 而其内部却建立在语言型的模糊 控制率上 由条件满足的程度推出模糊输出的大小 该推理过程称为模糊推理 模糊推理由条件聚合 a g g r e g a t i o n 推断 i m p l i c a t i o n 和累加 a c c u m u l a t i o n 三部分组成 模糊推理首先计算出每条规则条件的满足程度 条 件聚合 然后依据条件的满足程度推断单一规则输出的大小 推断 最后将所 有规则的输出累加 得到总的模糊输出 根据模糊集合和模糊关系理论 对于 不同的模糊规则可以采用不同的模糊推理方法 例如 如果a 且b 那么c i faa n dbt h e nc 该类型的模糊规则是实际模糊控制器最常用的规则形式 其模糊规则通常写为 如果a l 且b 1 那么c 1 如果a 2 且b 2 那么c 2 如果a i 且b i 那么c i 其中a 用来表示被控制量的测量值与期望值的偏差的隶属函数 b 一般表示偏差 变化率的隶属函数 c 为输出a 控制集合 c a b o r 从 x y r x y z 厂 一 x r 占 少 3 2 因此 如果已知输入a b 和输出控制量c 就可以求出它们的模糊关系r 反 之 如果已知模糊关系r 就可根据输入a 和b 求出输出控制量到 个相应的模糊 关系 n 条规则就有n 个模糊关系 r i r 2 r i r n 所以对于系统总的控 同济大学硕士学位论文 鼹渗纛学 第三章发动机进气调节系统模糊控制 制规则所对应的模糊关系r 可以由n 个模糊关系取 并 操作获得 r r u r u u r iu r n2 若置 3 3 该规则条件部分由通过算子o r 联接的两个子条件组成 若采用最大算子进 行o r 运算 则总条件的满足度可由条件聚合得出 在计算出条件满足度之后 要计算结论的满足度 在模糊逻辑中 结论部分的满足度受条件部分满足度的 限制 常见的限制方法有最大最小法 m a x m i n i n