CN108506106B - 一种基于plc的内燃机进气道助燃剂喷射装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于PLC的内燃机进气道助燃剂喷射装置属内燃机技术领域,本发明中信号采集系统采集发动机及助燃剂气路的信号，通过信号转换模块输入到可编程逻辑控制器中，并结合人机交互触摸屏的指令经过程序运算通过I/O口输出电平控制固态继电器的通断，进而控制助燃剂补压阀的开闭以及高频阀的调制周期和占空比，最终达到精确控制助燃剂补充压力及流量的目的。本发明可满足发动机台架试验和实车测试的需求，弥补了以往助燃剂补充装置仅通过压力控制助燃剂流量造成助燃剂流量不稳定、试验精度难以保证、操作复杂、自动化程度低等问题。
Description
技术领域
本发明属内燃机技术领域，具体涉及一种基于PLC的内燃机进气道助燃剂喷射装置。
背景技术
内燃机作为一种动力机械,历经百余年的应用,无论在数量和品种还是在技术水平方面都得到了长足的发展。由于其经济性好,动力性能优良,功率范围宽广,可靠耐久,已经成为世界上应用最广泛的动力源之一。然而随着我国排放法规的日益严格，内燃机的经济性问题和污染物排放问题成为当前限制其发展的主要因素。
为了应对不断严格的排放法规,目前主要采取改进内燃机自身设计或优化内燃机控制参数等手段来改善油气混合、燃烧排放等特性。其中通过进气道助燃剂喷射技术调控内燃机进气组分进而调控空燃比从而提高内燃机热效率以及降低污染物排放一度成为研究热点。对内燃机在特定工况下通过进气道直接喷射助燃剂(纯氧等)可以解决增压内燃机中低转速及瞬态工况下存在的如增压器响应过慢导致的不良燃烧及燃烧恶化等问题。
目前现有的内燃机助燃剂喷射装置大多用于内燃机试验台架中，一般采用高压气瓶配合手动阀门或者电磁阀门调节的方式，结构相对简单，操作相对繁琐，调节相对困难，而且由于发动机(尤其是单缸发动机)工作过程中进气压力变化较大，导致补气装置流量不稳定、试验精度不能保证。并且现有的助燃剂喷射装置大多与内燃机独立控制，无法实现内燃机与助燃剂补充喷射装置的耦合控制，不适合于实车试验。
发明内容
本发明的目的是解决现有内燃机助燃剂补充装置无法精确控制助燃剂流量，而且无法适应内燃机瞬态工况变化过程以满足发动机台架试验及实车试验需要的问题。提供一种基于PLC的内燃机进气道助燃剂喷射装置。
本发明由PLC控制模块Ⅰ、信号采集模块Ⅱ和高压气路与电磁阀模块Ⅲ组成，所述的信号采集模块Ⅱ由曲轴转角传感器13、油门位置传感器14、热式流量计15、和压力传感器16组成，其中曲轴转角传感器13为霍尔传感器，可以根据不同的发动机转速输出不同频率的脉冲信号。油门位置传感器14、热式流量计15和压力传感器16均可输出模拟量信号。这些信号通过处理后可以作为可编程逻辑控制器7的输入信号，由程序进行运算。信号采集模块Ⅱ的曲轴转角传感器13与PLC控制模块Ⅰ的接线端子排12的入口连接；信号采集模块Ⅱ的油门位置传感器14与PLC控制模块Ⅰ的接线端子排12的入口连接；信号采集模块Ⅱ的热式流量计15的信号线与PLC控制模块Ⅰ的接线端子排12的入口连接；热式流量计15进口与高压气路与电磁阀模块Ⅲ中多路块B17连接；热式流量计15出口与发动机进气道27连接；信号采集模块Ⅱ的压力传感器16的信号线与PLC控制模块Ⅰ中接线端子排12的入口连接；压力传感器16的测压探头与高压气路与电磁阀模块Ⅲ中多路块A20的螺纹孔连接；高压气路与电磁阀模块Ⅲ中助燃剂补压阀24的信号端子与PLC控制模块Ⅰ中可编程逻辑控制器7的I/O口连接；高压气路与电磁阀模块Ⅲ中四路固态继电器19的信号端子与PLC控制模块Ⅰ中可编程逻辑控制器7的输出端子连接。
所述的PLC控制模块Ⅰ由直流12V稳压电源1、空气开关2、USB编程通讯线3、人机交互触摸屏4、以太网通讯线5、计算机6、可编程逻辑控制器7、PLC模拟量输入模块8、PLC数字量转换模块A9、PLC数字量转换模块B10、PLC数字量转换模块C11和接线端子排12组成，其中人机交互触摸屏4与可编程逻辑控制器7的电源接头经空气开关2与直流12V稳压电源1连接；人机交互触摸屏4与可编程逻辑控制器7经以太网通讯线5连接；人机交互触摸屏4和可编程逻辑控制器7均经USB编程通讯线3与计算机6连接；直流12V稳压电源1为人机交互触摸屏4和可编程逻辑控制器7供电，空气开关2可以对整个电路进行短路保护。人机交互触摸屏4和可编程逻辑控制器7通过以太网通讯线5进行通讯并且通过USB编程通讯线3与计算机6通讯。PLC模拟量输入模块8和PLC数字量转换模块9-11可对信号采集模块的信号进行处理，使之能够被可编程逻辑控制器7识别。接线端子排12可使接线更为方便且更有条理，便于排查故障及维修。PLC模拟量输入模块8、PLC数字量转换模块A9、PLC数字量转换模块B10和PLC数字量转换模块C11的入口与接线端子排12的出口电气连接；PLC模拟量输入模块8、PLC数字量转换模块A9、PLC数字量转换模块B10和PLC数字量转换模块C11的出口与可编程逻辑控制器7的信号采集接口电气连接。
所述的高压气路与电磁阀模块Ⅲ由多路块B17、四路高频阀18、四路固态继电器19、多路块A20、直流24V稳压电源21、三通22、低压气瓶23、助燃剂补压阀24、二级减压阀25、高压气罐26组成，固态继电器由于其无触点的特性，适合高频开关，故使用固态继电器控制高频阀，助燃剂补压阀24由可编程逻辑控制器7控制，在低压气瓶23压力低于设定压力时开启来补充低压气瓶23压力。高压气罐26压力高达150bar，方便用更小的空间储存更多的助燃剂。二级减压阀25可以检测高压气罐26的压力，并且可以进行减压，减压后压力为25bar以下，还可防止电控系统故障造成设备的破坏。低压气瓶23为了保持气路的压力稳定，控制气路的压力由于助燃剂补充流量变动而造成的波动。多路块A20用来作为助燃剂的通路并且作为助燃剂补压阀24的安装阀座，多路块B17用来将通过四路高频阀18的助燃剂合为一路。其中二级减压阀25输入端与高压气罐26连接；二级减压阀25输出端与助燃剂补压阀24的入口连接；三通22一端与助燃剂补压阀26的出口连接；三通22另外两端分别与低压气瓶23出口和多路块A20入口连接；多路块A20出口与四路高频阀18入口连接；四路高频阀18出口与多路块B17入口端连接；直流24V稳压电源21输出端经四路固态继电器19与四路高频阀18的驱动端子连接；由于可编程逻辑控制器7驱动能力较差，故由直流24V稳压电源21通过固态继电器进行高频阀的驱动，可编程逻辑控制器7的I/O口作为信号输出对固态继电器进行控制。直流24V稳压电源21输出端与助燃剂补压阀24的驱动端子连接；助燃剂补压阀24的信号端子与可编程逻辑控制器7的I/O口电气连接。助燃剂补压阀原理上相当于一个继电器，其控制方式与上述固态继电器的控制相似。四路高频阀18之间通过螺栓连接。
所述的可编程逻辑控制器7的程序根据压力传感器16输入的数据及人机交互触摸屏4的设定压力值控制I/O口输出电平；可编程逻辑控制器7可通过I/O口输出高低电平控制助燃剂补压阀23开启和关闭，采用PID控制逻辑根据压力传感器16输入的数据调节I/O口输出电平；根据曲轴转角传感器13的信号计算发动机转速；由于曲轴传感器13输出信号为脉冲信号，可根据其信号频率计算发动机转速。根据油门踏板位置传感器14计算油门踏板位置；可编程逻辑控制器7的程序内置基于发动机转速和油门踏板位置的助燃剂流量MAP；在进行实车测试时，可在可编程逻辑控制器7程序中嵌入助燃剂流量MAP。根据发动机转速及油门踏板位置查询助燃剂流量MAP初步配置四路固态继电器19对应的I/O口调制频率及调制占空比；根据热式流量计15的信号反馈进行四路固态继电器18对应的I/O口调制频率及调制占空比的精确控制；由于查询MAP配置的流量可能由于发动机工作环境的不同于与实际流量有一定的出入，通过热式流量计15的信号反馈进行闭环控制，精确调整四路固态继电器对应的I/O口调制频率及调制占空比。
与现有技术相比，本发明有如下有益效果：
由于发动机(尤其是单缸机)进气道压力波动比较大，传统的通过手动阀控制压力进而控制助燃剂流量的方法会因为压差变化相对较大而造成流量不稳定。本发明通过机械及电子耦合压力调节的方式，实现助燃剂补充压力的精确控制，并且通过固态继电器和高频电磁阀精确调节助燃剂流量。本发明高频阀前的压力高达25bar，即使发动机进气道压力波动大，由于压差变化相对不大，也可使助燃剂流量相对稳定。且本发明可以根据发动机的转速调整高频阀的调制周期，使之适应发动机的进气压力波动。传统的助燃剂补充装置与发动机独立控制，自动化程度低，不能满足实车测试的需求。本发明通过自行编制的人机交互触摸屏界面与可编程逻辑控制器程序配合固态继电器、高频阀、助燃剂补压阀等电子设备，实现全自动控制可满足发动机台架试验及实车测试的需求。
附图说明
图1为基于PLC的内燃机进气道助燃剂喷射装置示意图
图2为人机交互触摸屏界面示意图
其中：Ⅰ.PLC控制模块 Ⅱ.信号采集模块 Ⅲ.高压气路与电磁阀模块 1.直流12V稳压电源 2.空气开关 3.USB编程通讯线 4.人机交互触摸屏 5.以太网通讯线6.计算机7.可编程逻辑控制器 8.PLC模拟量输入模块 9.PLC数字量转换模块A 10.PLC数字量转换模块B 11.PLC数字量转换模块C 12.接线端子排 13.曲轴转角传感器 14.油门位置传感器15.热式流量计 16.压力传感器 17.多路块B 18.四路高频阀 19.四路固态继电器 20.多路块A 21.直流 24V稳压电源 22.三通 23.低压气瓶 24.助燃剂补压阀25.二级减压阀26.高压气罐 27.发动机进气道 28.电源总开关按钮 29.电源总开关指示灯 30.助燃剂补压阀强制开关 31.助燃剂补压阀强制开关指示灯 32.高频阀调制周期输入窗口 33.当前压力显示窗口 34.目标压力设定及显示窗口 35.四通道高频阀占空比调节窗口 36.四通道高频阀开关指示灯 37.四通道高频阀开关按钮 38.低压报警指示灯39.高压报警指示灯
具体实施方式
下面结合附图描述本发明。
如图1所示，本发明由PLC控制模块Ⅰ、信号采集模块Ⅱ和高压气路与电磁阀模块Ⅲ组成，所述的信号采集模块Ⅱ由曲轴转角传感器13、油门位置传感器14、热式流量计15和压力传感器16组成，其中信号采集模块Ⅱ的曲轴转角传感器13与PLC控制模块Ⅰ的接线端子排12的入口连接；信号采集模块Ⅱ的油门位置传感器14与PLC控制模块Ⅰ的接线端子排12的入口连接；信号采集模块Ⅱ的热式流量计15的信号线与PLC控制模块Ⅰ的接线端子排12的入口连接；热式流量计15进口与高压气路与电磁阀模块Ⅲ中多路块B17连接；热式流量计15出口与发动机进气道27连接；信号采集模块Ⅱ的压力传感器16的信号线与PLC控制模块Ⅰ中接线端子排12的入口连接；压力传感器16的测压探头与高压气路与电磁阀模块Ⅲ中多路块A20的螺纹孔连接；高压气路与电磁阀模块Ⅲ中助燃剂补压阀24的信号端子与PLC控制模块Ⅰ中可编程逻辑控制器7的I/O口连接；高压气路与电磁阀模块Ⅲ中四路固态继电器19的信号端子与PLC控制模块Ⅰ中可编程逻辑控制器7的输出端子连接。
所述的PLC控制模块Ⅰ由直流12V稳压电源1、空气开关2、USB编程通讯线3、人机交互触摸屏4、以太网通讯线5、计算机6、可编程逻辑控制器7、PLC模拟量输入模块8、PLC数字量转换模块A9、PLC数字量转换模块B10、PLC数字量转换模块C11和接线端子排12组成，其中人机交互触摸屏4与可编程逻辑控制器7的电源接头经空气开关2与直流12V稳压电源1连接；人机交互触摸屏4的USB接口经USB编程通讯线3与计算机6的USB接口连接；计算机6的USB接口与可编程逻辑控制器7的编程接口连接；人机交互触摸屏4与可编程逻辑控制器7经以太网通讯线5连接；PLC模拟量输入模块8、PLC数字量转换模块A9、PLC数字量转换模块B10和PLC数字量转换模块C11的入口与接线端子排12的出口电气连接；PLC模拟量输入模块8、PLC数字量转换模块A9、PLC数字量转换模块B10和PLC数字量转换模块C11的出口与可编程逻辑控制器7的信号采集接口电气连接。
所述的高压气路与电磁阀模块Ⅲ由多路块B17、四路高频阀18、四路固态继电器19、多路块A20、直流24V稳压电源21、三通22、低压气瓶23、助燃剂补压阀24、二级减压阀25、高压气罐26组成，其中二级减压阀25输入端与高压气罐26连接；二级减压阀25输出端与助燃剂补压阀24的入口连接；三通22一端与助燃剂补压阀26的出口连接；三通22另外两端分别与低压气瓶23出口和多路块A20入口连接；多路块A20出口与四路高频阀18入口连接；四路高频阀18出口与多路块B17入口端连接；直流24V稳压电源21输出端经四路固态继电器19与四路高频阀18的驱动端子连接；直流24V稳压电源21输出端与助燃剂补压阀24的驱动端子连接；四路高频阀18之间通过螺栓连接。
所述的可编程逻辑控制器7的程序根据压力传感器16输入的数据及人机交互触摸屏4的设定压力值控制I/O口输出电平；根据曲轴转角传感器13的信号计算发动机转速；根据油门踏板位置传感器14计算油门踏板位置；可编程逻辑控制器7的程序内置基于发动机转速和油门踏板位置的助燃剂流量MAP，根据发动机转速及油门踏板位置，查询助燃剂流量MAP初步配置四路固态继电器对应的I/O口调制频率及调制占空比；根据热式流量计15的信号反馈，进行四路固态继电器18对应的I/O口调制频率及调制占空比的精确控制。
如附图2所示，所述的人机交互触摸屏4界面具有电源总开关按钮28、电源总开关指示灯29、助燃剂补压阀强制开关30、助燃剂补压阀强制开关指示灯31、高频阀调制周期输入窗口32、当前压力显示窗口33、目标压力设定及显示窗口34、四通道高频阀占空比调节窗口35、四通道高频阀开关指示灯36、四通道高频阀开关按钮、37低压报警指示灯38及高压报警指示灯39。电源总开关按钮28及开关指示灯29控制整套设备的电路通断及指示。助燃剂补压阀强制开关30及助燃剂补压阀强制开关指示灯31是出于安全考虑可以在程序故障时强行关闭助燃剂补压阀25防止气路内压力过高发生危险。高频阀调制周期输入是为了适合单缸发动机进气随转速波动的情况，控制四路高频阀18调制周期使之适合发动机(尤其是单缸发动机)进气脉动频率，维持助燃剂流量的稳定。四通道高频阀占空比调节窗口35可以独立调节四通道高频阀18的占空比，使之精确控制助燃剂的流量。当前压力显示窗口33显示压力传感器处的压力，便于监控气路内的压力。目标压力设定及显示窗口34可以设置气路内压力值，便于助燃剂流量的控制。低压报警指示灯38及高压报警指示灯39在当前压力大于或小于一定限制时进行报警，防止出现危险。
Claims (3)
1.一种基于PLC的内燃机进气道助燃剂喷射装置，其特征在于，由PLC控制模块(Ⅰ)、信号采集模块(Ⅱ)和高压气路与电磁阀模块(Ⅲ)组成，所述的信号采集模块(Ⅱ)由曲轴转角传感器(13)、油门位置传感器(14)、热式流量计(15)和压力传感器(16)组成，所述的高压气路与电磁阀模块(Ⅲ)由多路块B(17)、四路高频阀(18)、四路固态继电器(19)、多路块A(20)、直流24V稳压电源(21)、三通(22)、低压气瓶(23)、助燃剂补压阀(24)、二级减压阀(25)、高压气罐(26)组成，其中二级减压阀(25)输入端与高压气罐(26)连接；二级减压阀(25)输出端与助燃剂补压阀(24)的入口连接；三通(22)一端与助燃剂补压阀(26)的出口连接；三通 (22)另外两端分别与低压气瓶(23)出口和多路块A(20)入口连接； 多路块A(20)出口与四路高频阀(18)入口连接；四路高频阀(18)出口与多路块B(17)入口端连接；直流24V稳压电源(21)输出端经四路固态继电器(19)与四路高频阀(18)的驱动端子连接；直流24V稳压电源(21)输出端与助燃剂补压阀(24)的驱动端子连接；四路高频阀(18)之间通过螺栓连接；信号采集模块(Ⅱ)的曲轴转角传感器(13)与PLC控制模块(Ⅰ)的接线端子排(12)的入口连接；信号采集模块(Ⅱ)的油门位置传感器(14)与PLC控制模块(Ⅰ)的接线端子排(12)的入口连接；信号采集模块(Ⅱ)的热式流量计(15)的信号线与PLC控制模块(Ⅰ)的接线端子排(12) 的入口连接；热式流量计(15)进口与高压气路与电磁阀模块(Ⅲ)中多路块B(17)连接；热式流量计(15) 出口与发动机进气道(27)连接； 信号采集模块(Ⅱ)的压力传感器(16)的信号线 与PLC控制模块(Ⅰ)中接线端子排(12) 的入口连接； 压力传感器(16)的测压探头与高压气路与电磁阀模块(Ⅲ)中多路块A(20)的螺纹孔连接；高压气路与电磁阀模块(Ⅲ)中助燃剂补压阀(24)的信号端子与PLC控制模块(Ⅰ)中可编程逻辑控制器(7)的I/O口连接；高压气路与电磁阀模块(Ⅲ)中四路固态继电器(19)的信号端子与PLC控制模块(Ⅰ)中可编程逻辑控制器(7)的输出端子连接。
2.按权利要求1所述的基于PLC的内燃机进气道助燃剂喷射装置，其特征在于，所述的PLC控制模块(Ⅰ)由直流12V稳压电源(1)、空气开关(2)、USB编程通讯线(3)、人机交互触摸屏(4)、以太网通讯线(5)、计算机(6)、可编程逻辑控制器(7)、PLC模拟量输入模块(8)、PLC数字量转换模块A(9)、PLC数字量转换模块B(10)、PLC数字量转换模块C(11)和接线端子排(12)组成，其中人机交互触摸屏(4)与可编程逻辑控制器(7)的电源接头经空气开关(2)与直流12V稳压电源(1)连接；人机交互触摸屏(4)与可编程逻辑控制器(7)经以太网通讯线(5)连接；人机交互触摸屏(4)和可编程逻辑控制器(7)均经USB编程通讯线(3)与计算机(6)连接；PLC模拟量输入模块(8)、PLC数字量转换模块A(9)、PLC数字量转换模块B(10)和PLC数字量转换模块C(11)的入口与接线端子排（12）的出口电气连接；PLC模拟量输入模块(8)、PLC数字量转换模块A(9)、PLC数字量转换模块B(10)和PLC数字量转换模块C(11)的出口与可编程逻辑控制器(7)的信号采集接口电气连接。
3.按权利要求1所述的基于PLC的内燃机进气道助燃剂喷射装置，其特征在于，所述的可编程逻辑控制器(7)的程序根据压力传感器(16)输入的数据及人机交互触摸屏(4)的设定压力值控制I/O口输出电平；根据曲轴转角传感器(13)的信号计算发动机转速；根据油门踏板位置传感器(14)计算油门踏板位置；可编程逻辑控制器(7)的程序内置基于发动机转速和油门踏板位置的助燃剂流量MAP，根据发动机转速及油门踏板位置查询助燃剂流量MAP初步配置四路固态继电器对应的I/O口调制频率及调制占空比；根据热式流量计(15)的信号反馈进行四路固态继电器(18)对应的I/O口调制频率及调制占空比的精确控制。
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