浅谈内燃机的自动控制设计

冯卫龙

（国网能源神华和丰煤电有限公司新疆省塔城市834411）

摘要：本文首先对内燃机的发展以及自动控制的作用进行了简要介绍与分析，然后对自动控制原理在内燃机的实践与应用进行了总结。这一系列高新技术的发展使人们对于新兴工程尤其是控制工程的重视度提升，使科学技术的发展速度又上了一个新的台阶，这也让人们认识到通过对科学技术进行高效利用，能够使工业的生产效率大幅提高。

关键词：内燃机；自动控制；生产效率

1内燃机的发展分析

1.1内燃机的发展

内燃机是热力内燃机，其中的燃料与氧化剂剧烈燃烧使得汽缸运动，其中还有冷却水作为工作流体流动回路的组成部分。在内燃机中，由燃烧产生的高温和高压气体的膨胀将直接把力施加到内燃机的一些部件，该力通常施加到活塞、涡轮叶片、转子或喷嘴中，将部件移动一段距离，将化学能转化为有用的机械能。第一个商业内燃机在1859年左右被发明出来，第一个现代内燃机在1876年由NikolausOtto建立。内燃机通常是间歇性燃烧做功的内燃机，例如四冲程和两冲程活塞内燃机以及其改进版本六冲程活塞内燃机和汪克尔旋转内燃机。某些内燃机使用连续燃烧的机制，燃气轮机、喷气内燃机和大多数火箭内燃机都是这样的，

内燃机通常由能量效率高的燃料如汽油或柴油，或者其他源自化石燃料的液体提供动力，大多数内燃机用于移动设备中，并且是用于诸如汽车、飞机等的主要电源。通常，内燃机供给化石燃料，例如天然气或石油产品，但是近些年来，可再生燃料如生物柴油和用于火花内燃机的生物乙醇或甲醇的使用越来越多，有时也使用氢气，使得热效率更高。

1.2内燃机的结构

往复式内燃机的底座是内燃机缸体，其通常由铸铁或铝制成，内燃机缸体包含气缸。在具有多于一个气缸的内燃机中，它们通常布置成1排（直内燃机）或2排（boxer内燃机或V内燃机），在现代内燃机中偶尔使用3排（W内燃机），并且这种内燃机配置已经大量使用。单缸内燃机常用于摩托车和小型机械内燃机。水冷内燃机在内燃机缸体中包含冷却流体循环（水套）的通道，一些小型内燃机是空气冷却的，而不是具有水冷装置，气缸体具有从其突出的翅片以通过直接将热量传递到空气而冷却。气缸壁通常连接到能更好地保持油的交叉舱口，过于粗糙的表面会由于活塞上的过度磨损而快速损坏内燃机。

活塞是短圆柱形部件，其将气缸的一端与压缩空气和燃烧产物高压密封，并且在内燃机运行时在其内连续滑动。活塞的顶壁被称为其冠部，并且通常是平的。二冲程内燃机使用具有偏转头的活塞，活塞在底部开口并且中空。当内燃机工作时，燃烧室中的气体压力在活塞顶部上施加力，该力通过其腹板传递到活塞销。每个活塞具有围绕其圆周安装的环，其主要防止气体泄漏到曲轴箱中或油进入燃烧室。通风系统驱动在正常操作期间通过活塞逸出的少量气体（漏气）离开曲轴箱，使得其不积累污染油并产生腐蚀。在二冲程汽油内燃机中，曲轴箱是空气-燃料通道的一部分，并且由于其连续流动，它们不需要单独的曲轴箱通风系统。柴油内燃机气缸盖上方的气门机构。这个内燃机使用摇臂，但没有推杆。气缸盖通过多个螺栓或螺栓附接到内燃机缸体。

2自动控制理论概述

内燃机的自动控制技术主要包括开环控制和闭环（反馈）控制。在开环控制中，控制器的控制动作与“过程输出”（或“受控过程变量”）无关。一个很好的例子是只由定时器控制的中央加热内燃机，使得热量施加恒定时间，而不管周围的温度如何，控制动作是内燃机的开/关，过程输出是温度。在闭环控制中，控制器的控制动作取决于过程输出。在内燃机类比的情况下，这将包括恒温器以监测温度，并且由此反馈信号以确保控制器将维持在恒温器上设置的温度。因此，闭环控制器具有反馈回路，其确保控制器施加控制动作以给出与“参考输入”或“设定点”相同的过程输出。为此，闭环控制器也被称为反馈控制器。同样，反馈控制系统是一种趋向于通过比较这些变量的函数并使用该差作为控制手段来保持一个系统变量与另一个系统变量的规定关系的系统。飞机、通信和其他行业的先进型自动化都是反馈控制的，其通常是连续的并且涉及使用传感器进行测量并进行计算调整以将测量变量保持在设定范围内，闭环自动化的理论基础是控制理论。

3内燃机的自动控制设计策略

3.1内燃机主控制器MEC

内燃机控制通过使用油门杆、起动手柄燃油关断和PMC的电子超控实现。内燃机主控制器（MEC）是由美国乌德.瓦尔德调节器公司（WOODWARD）生产的液压机械式控制器。通过现代化的技术，可以将内燃机的工作情况作为核心，将自动控制作为动力，将控制系统集成于所要控制的机器中，进行设计与开发。它在所有内燃机工作状态通过计量到燃油喷咀的燃油流量控制内燃机的转速。MEC装在主燃油泵上，响应油门杆输入并按内燃机控制变量修正.调节核心内燃机转速N2。并通过外作动器控制VSV和VBV系统。VSV和VBV系统都是典型的闭环控制系统，闭环控制系统的定义是具有监控反馈的控制系统，作为该反馈的结果形成的偏差信号用于以这样的方式控制最终控制元件的动作：倾向于将偏差减小到零。MEC还提供Tc1.Tc2和Tc3信号操纵高压涡轮间隙控制HPTCC系统。MEC的加速供油计划由飞机引气进行修正。MEC是一个液压机械装置，它包括转速调节、燃油限制和计量活门三大系统，它以核心内燃机转速为调节目标。

3.2功率管理控制器PMC

燃油限制系统根据核心内燃机N2转速、压气机进口温度传感器CIT、压气机出口压力CDP、压气机引气压力CBP、内燃机进口温度T2，经计算和放大后制定相应的加减速计划，对供油变化进行限制，防止内燃机富油.贫油熄火和失速。超温的发生。内燃机与外部燃烧内燃机完全不同，工作流体可以是空气、热水、加压水甚至液体钠，所以必须采用PMC实现功率的稳定输出。当PMC接通，由感受的风扇进口温度和风扇进口静压自动计算起飞N1转速。推力大小的选择由PLC根据实际工况进行分析，给油门下达角度信号的命令，实现控制。油门角度信号用于选择推力的大小；推力的大小用于确定通过控制MEC燃油流量达到要求的风扇转速。但是PMC由于电压问题无法提供长期工作，需要与MEC配合使用。当PMC断开后，由MEC单独提供转速调节。PMC是模拟式电子监控控制系统，具有有限的功能。所有内燃机使用燃料喷射，通常是直接喷射，但是一些内燃机使用间接喷射。内燃机可以使用化油器或燃油喷射作为端口喷射或直接喷射，大多数内燃机每个气缸具有单个火花塞，但是一些具有头垫圈防止气体在气缸盖和内燃机缸体之间泄漏。阀的打开和关闭由一个或多个凸轮轴和弹簧控制，在一些内燃机中有些不使用弹簧的解调机构控制。凸轮轴可以直接按压阀的杆或者可以直接地或通过推杆再次作用在摇臂上，通过超控MEC，调定和修正风扇转速，给出较好的推力控制。

4内燃机的发展前景

内燃机是陆上和水上交通工具最常见的动力源，包括汽车，摩托车，船舶和较小功率的机车。在一些汽车，飞机和摩托车中使用旋转内燃机。在需要非常高的功率重量比的情况下，内燃机以燃烧涡轮机或Wankel内燃机的形式出现。在联合循环发电厂中，典型效率在50％至60％的范围。在较小规模中，柴油发电机用于备用电力并且用于向不连接到电网的区域提供电力。小型内燃机（通常为2冲程汽油内燃机）是割草机、修剪机、链锯、吹风机、轻便摩托的共同电源。在贯穿自动控制设计的内燃机中，有着更高的工作效率和功率，同时可以节省燃料，减少噪音，使得内燃机的发展更加智能化、自动化、高效化，这对于工业生产和生活中的使用都有着重要的意义。

参考文献：

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[2]胡文平.新型内燃机车油水自动发放系统的研究[D].武汉理工大学.2005

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[4]方艺.基于PC104总线的六自由度平台控制系统的研究[D].西南交通大学.2006

作者简介：

冯卫龙（1982-10），男，汉，单位:国网能源神华和丰煤电有限公司