基于PLC的渦輪增壓器試驗臺計算機測控系統研究

高崢嶸，張 力，路林吉

0 引言

渦輪增壓器利用內燃機排氣能量推動渦輪做功，增大內燃機進氣壓力，從而使內燃機功率提高，燃油消耗率和排氣污染降低。可以說，渦輪增壓器的應用，使內燃機的性能得到了極大的改善。隨著計算流體力學的發(fā)展，可根據發(fā)動機的性能參數，設計出高性能的、與發(fā)動機相匹配的渦輪增壓器。但是，在渦輪增壓器開發(fā)過程中，必須經過試驗錄取壓氣機和渦輪的性能數據，以便對設計進行修改，得到性能最佳的機型[i]。

1 車用渦輪增壓器試驗類型

渦輪增壓器試驗大約分為以下幾種類型：壓氣機性能試驗、渦輪性能試驗、接機性能試驗、增壓器與發(fā)動機匹配試驗。

壓氣機與渦輪性能試驗通常在增壓器部件設計之初或設計改進時進行，以檢驗壓氣機和渦輪各部件的設計水平；整機試驗的目的是檢驗壓氣機與渦輪的共同工作特性；增壓器與發(fā)動機匹配試驗在定型之前進行，主要檢驗增壓器與發(fā)動機的匹配情況.包括變幾何渦輪增壓器控制器的可靠性。一般情況.壓氣機性能試

驗與整機性能試驗常在同樣的試驗臺上進行，因為壓氣機需要動力帶動，渦輪正好起這個作用。在渦輪性能試驗中，常不帶壓氣機.采用測功器測量渦輪的功率、轉速和扭矩。整機性能試驗同樣可單獨錄取壓氣機與渦輪的一些性能參數，諸如流量、壓比與效率等，同時還能錄取增壓器的共同工作特性。由于整機性能試驗可全面錄取壓氣機與渦輪的各種性能參數，而且還能考察增壓器的自循環(huán)工作特性，模擬增壓器與發(fā)動機聯合工作狀況，預先發(fā)現設計中的一些問題。因此，整機試驗在增壓器開發(fā)和產品生產過程中占有十分重要的作用，如圖1所示：

圖1 渦輪增壓器測控系統的總體設計方案

本文描述的渦輪增壓器測試臺是一整機試驗臺，主要實現的功能有：控制、測量、通訊、人機交互等。而且，基于數字顯示儀表和計算機組態(tài)軟件的發(fā)動機渦輪增壓器性能測試系統，融合了計算機技術、網絡技術，具有系統結構簡單，可靠性高、測試精度高，操作簡單、維護容易的特點。

2 試驗裝置

渦輪增壓器測控系統的總體設計方案，如圖2所示：

圖2 主回路圖

渦輪增壓器一端連接發(fā)動機排氣管，另一端連接進氣氣管。渦輪增壓器測控系統主要進行的是渦輪的測控和壓氣機的測控。發(fā)動機渦輪增壓器計算機測控系統主要用于對渦輪增壓器進行性能測試,它由三部分組成：

(1) 控制系統

對現場的執(zhí)行機構進行操作與控制，包括電機、閥門、夾具、接頭等；

(2) 檢測與顯示

采用高精度傳感器與數字顯示儀表對增壓器的溫度、壓力、轉速等參數進行檢測與顯示；并具有報警輸出，通過控制系統控制現場執(zhí)行機構。

(3) 計算機測試

現場采集到的數據通過數顯儀表的通信接口與計算機連接，將數據傳入計算機中，由計算機對數據進行記錄、儲存，形成實時報表和歷史報表，供查閱與打印。

3 測試參數

該系統測試的主要參數可分為以下幾種類型：

（1）壓力參數如壓氣機進出口壓力、渦輪進出口壓力、流量計前后壓差、潤滑油壓力、冷卻水壓力等。其中壓氣機進出口、渦輪進出口和流量計壓差等幾個壓力參數要直接參與增壓器的性能參數計算，所以要求測試的精度較高。

（2）溫度參數溫度參數主要有壓氣機進出口溫度、渦輪進出口溫度、流量計前溫度、潤滑油進出口溫度、冷卻水進出口溫度等。其中壓氣機進出口溫度、渦輪機進口溫度、流量計前溫度也是要直接參與增壓器性能參數的汁算，有較高的測量精度要求。

（3）轉速現有增壓器最高試驗轉速可達30000r／min以上，而且測試工況點都在規(guī)定的折合轉速下進行。由于試驗數據的測量點是在某一穩(wěn)定轉速的工況下測得的，所以壓氣機轉速的測量精度對壓氣機性能影響較大，因此對轉速測量要求有較高的精度和靈敏度。

（4）渦輪增壓器是一個高速運轉的部件，對其機組的振動要求也是一個重要參數，要求測量的是軸向和徑向振動加速度。同時還要測試渦輪增壓器的噪聲

（5）流量測試。可以利用流量計測得的壓力及溫度值當作壓氣機進口的壓力和溫度，流量測試所得數據可用于壓氣機和增壓器性能的測算。

4 PLC電氣控制原理

PLC控制臺的主回路圖，如圖3所示：

圖3 PLC布置圖

引自供電為380V(50Hz,5Kw),直接控制葉片泵1、2；經變壓后為220V連接電加熱器，并分別提供電腦柜供電電源、控制回路電源、質量流量計1電源、質量流量計2電源、備用電源1、備用電源2、盤內插座電源、盤內風機照明電源；另經過隔離變壓器（如圖4-2 a所示）轉為24V直流電壓，并提供PLC模塊電源、DI電源、DO電源、AI電源、AO電源、儀表電源、條形碼閱讀電源、加速度傳感器電源、振動傳感器電源、路由器電源、備用電源、控制電源。（按工程需要，備用電源數約占總電源數的1/5）圖3為PLC的整體布置圖。如圖所示，CPU、工控機和條形碼閱讀器由路由器連接起來。其中CPU控制包括數字量輸入和輸出控制（即DI、DO）和模擬量輸入和輸出控制（即AI、AO）。

PLC系統將安裝在控制柜的電氣箱內完成控制功能。

5 系統實現的功能

根據增壓器的測試要求和現場的工況，測試系統除了控制、測量和通訊功能外，嗨具有以下功能：

(1) 人機交互

通過計算機軟件，可以實現：a.實時顯示增壓器試驗數據；b.記錄試驗數據，生成增壓器出廠原始記錄表；c.根據換算公式進行計算，生成相關報表；d.以增壓器型號和編號為文件名，保存上述報表。

(2) 測試系統

基于數字顯示儀表和計算機組態(tài)軟件的發(fā)動機渦輪增壓器性能測試系統，利用了數字顯示儀表抗干擾能力強，適用于工業(yè)現場的特點，又利用了組態(tài)軟件強大的數據處理和圖形表現能力，融合了計算機技術、網絡技術，具有系統結構簡單，可靠性高、測試精度高，操作簡單、維護容易的特點。

6 結論

借鑒國內外其它渦輪增壓器試驗臺的設計經驗，建成了這個車用增壓器測試臺。該系統融合了計算機技術、網絡技術，通過電氣控制系統來控制液壓系統，集成化、一體化的設計達到了小型化、設計簡化、安裝維護方便等目的，具有系統結構簡單，可靠性高、測試精度高，操作簡單、維護容易等特點。

[1]彭文.汽油機渦輪增壓器試驗臺技術的研究.[D]南京航空航天大學 2009

[2]鐘華貴.車用渦輪增壓器試驗臺與試驗技術.[J]燃氣渦輪試驗與研究 2003(04):37-40

[3]THEODOSIOS K;KORKIANITIS T Turbo charger design effects on gasoline-engine [J]performance 2005(03)