发动机试验室进气空调控制系统研究

发动机试验室进气空调控制系统研究

张志辉 张益群 刘富成

中汽研汽车工业工程（天津）有限公司 天津市 300300

摘要：本文根据对现有发动机试验进气空调控制现状和原理进行分析，给出能够精确控制进出风温湿度及风量的合理化建议，对以后的研发工作有指导意义。

发动机性能开发是汽车研发试验过程重要的组成内容。发动机在同一试验台架上做相同目的的试验，由于进气的压力、温度、湿度不同，其试验所得的结果也不相同，而不同地区、不同季节大气的状态参数也是不一致和不稳定的。为了研发高技术水平、低污染排放、工作效率高的发动机，必须排除地区、季节和气候差异对试验结果的影响，确保实验结果的精确性、同一性、可比性，对试验环境和发动机燃烧空气的参数进行控制是十分重要的，这也间接地提高了对进气空调设备的要求。

发动机台架试验进气空调(以下简称进气空调)由空调机组、增压风机、送风风阀、回风风阀、稳压箱和相应的管道组成。空调机组内有表冷器、加热器和加湿器，在工业控制器的控制下，对空气加热或者降温，加湿或者除湿。在增压风机和减压风机的作用下使空气在主管道中流动。通过调节增压风阀和减压风阀的开度来实现对稳压箱内压力的调节。当发动机动态运转时，进气空调将提供标准的空气给发动机试验用。

目前国内试验中心用到的进气空调多以进口为主，而国产设备存在体积过大，控制精度不高，系统根据试验工况变化应变能力差等特点。而且，随着国家对发动机检测标准的提高，与发动机试验相匹配的进气空调的制造、调节与控制也必须有所提高，在执行新的ETC试验标准下，发动机每秒改变一个工况，其进气量的波动频率将非常大，而试验要求是必须保证发动机吸气口的压力、温度和湿度维持在标准范围之内。国内目前所生产的进气空调所达到的技术要求是动态响应时间_<60s，而新试验的要求是动态响应时间52s，这对于空气调节技术来说是一个巨大挑战。对于进气空调的生产制造商来说，动态响应时间大大缩短将带来多方面的技术难题，首先，产品硬件配置必须提高，如阀门执行器动作必须迅速精确，风机最好能够变频运行；其次，快速调节必然造成短时间内风量变化大，进而空气温湿度变化大，控制系统和执行机构必须能在短时间内做出响应，因此，产品技术要求大大提高后，需要综合考虑多方面的因素。

关于进气空调具体的控制方法研究如下：

温、湿度控制方法

进气空调适用于冬夏模式等各种气候环境，为发动机台架试验提供标准进气。我们知道，我国的夏季温度大概在28~40℃ 之间，相对湿度较大，大概是60%~90% 之间，所以夏季模式时，进气空调温湿度调节的主要功能是降温除湿; 而在冬季时，气温大概是0℃ 左右，相对湿度低于50%，所以冬季时，进气空调的主要调节功能是加热加湿。以性能试验标准为例，标准的的进气空调的温湿度的目标值是固定的，即在100KPa 的大气压下，干球温度25℃，相对湿度33%。进气空调温湿度控制系统的设计方法如下: 假设供给系统7~12℃冷冻水的冷源工况是稳定的，系统配置电加热器和电极加湿器。循环水泵将冷源提供的冷冻水，通过管道和调节阀输送到空调机组表冷器盘管。冷冻水在盘管中与对流的空气发生热湿交换后水温上升，升高温度的水通过管道流回到冷源侧，通过重复以上循环，可以给空气进行降温和除湿。理论上需要把空调送风降低到机器露点后进行其他的处理过程，常规来说，后续需要再热和加湿才能达到送风工况。

压力控制方法

对于进气空调的压力控制，首先是要考虑地域区别，由于全国各地海拔的不同，进气空调安装当地的环境气压不同。选型风机的参数要因地制宜，选型增压风机时，必须考虑当地大气压，适当选择风机的压头。如当地气压较低，则应适当增加风机压头，如当地气压较高，则应适当减小风机压头。其次要考虑系统管道的布置与安装，因进气空调安装场所与空间位置的不同，通风管道的尺寸和弯头的数量则会有差异，造成系统管道的阻力特性不一致。最后还要考虑系统的调压方式，主要的调压方式有两种。一般在通风管道上安装风阀，调节风阀的开启度，即可改变管道的阻力。

多工况控制技术

机组采用多工况分区控制技术，按照全年气候参数，划分不同环境工况分区，采用ＰＬＣ控制器，按不同环境工况分区执行相应控制程序，再按照特定的控制逻辑和控制算法，对各执行部件实施开关控制或连续控制，以实现正确的分区转换、操作顺序、定时启停、累计计时、负荷均衡，在满足控制精度要求的条件下实现节能运行。机组按照不同环境工况分区，分为夏季环境工况、过渡季节环境工况和冬季环境工况３个工况。机组采用多工况分区控制技术，能最大限度利用室外新风，温湿度敏感元件感受室外新风温湿度，并由机组自带的ＰＬＣ控制系统与机组设定的温湿度值进行比较。

１）当新风温湿度均高于设定温湿度时，机组在夏季环境工况运行模式下运行，启动压缩机进行制冷除湿处理，并根据运行状况控制热气旁通量，保证蒸发器后的温湿度为送风露点温湿度，加热器再根据送风温度设定，通过调功器的无级控制调节送风温度，从而达到满足送风要求的温湿度。

２）当新风温度低于设定温度，而新风的绝对含湿量高于设定送风的绝对含湿量时，机组进入过渡季节环境工况运行模式运行，启动压缩机进行制冷除湿处理，并根据运行状况，控制热气旁通量进行精确控制，保证蒸发器后的温湿度为送风露点温湿度，加热器再根据送风温度设定，通过调功器的无级控制调节送风温度，从而达到满足送风要求的温湿度。

３）当新风温湿度均低于设定温湿度时，机组在冬季环境工况运行模式下运行，加热系统根据设定的送风温度，通过调功器的无级控制调节送风温度，同时通过加湿控制系统进行湿度控制，从而达到满足送风要求的温湿度。机组采用多工况分区控制技术，不仅能够避免因过度制冷、除湿后的再热、加湿的相互抵消问题，又能够保证送风温湿度的稳定控制，达到高效节能的效果。

进气空调控制的建议方法如下：

风量风压调节采用粗调和细调相结合的手段，在原有直接送风基础上，设置回风静压箱，平衡空调送风压力，过剩空气通过回流管接往送风机吸气口。一方面使送入发动机台架间室内的空气保证在稳定压力状况，另一方面回流的部分处理空气能够节省一部分设备制冷量，达到节能的效果。

机组采用多工况分区控制技术，按照全年气候参数，划分不同环境工况分区，采用ＰＬＣ控制器，按不同环境工况分区执行相应控制程序，再按照特定的控制逻辑和控制算法，对各执行部件实施开关控制或连续控制，以实现正确的分区转换、操作顺序、定时启停、累计计时、负荷均衡，在满足控制精度要求的条件下实现节能运行。

新风处理采用露点控制进气空调，与传统进气空调温湿度控制原理不同的是，它露点装置主要用于使新风达到系统所需要的露点温度，通过调节冷冻水管道上的比例调节阀，实现通过该露点装置的空气保持在相对湿度为100% 工况下的一个相对稳定的温度值，确保给进入加热装置的空气的新风湿度控制有一个比较稳定的输入工况。

结论

国内的进气空调系统的技术可靠性距离国外产品还有较大差距，但我们已经具备了较多的控制理论基础和实践经验，尽管以上理论还需大量实践去检验，但我们有信心必然会在发展国产进气空调系统中发挥较大的作用。