柴油機(jī)示功圖測(cè)試分析儀虛擬儀器開(kāi)發(fā)

馬洪濤 郭文勇 程道周 王濤

摘要：內(nèi)燃機(jī)示功圖提供著能夠監(jiān)測(cè)和改善發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的重要信息。柴油機(jī)示功圖測(cè)試分析儀向人們直觀展示柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的綜合參數(shù)，是柴油機(jī)研究分析的必備工具，廣泛應(yīng)用于從發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)運(yùn)行到維護(hù)整個(gè)生命周期內(nèi)的各個(gè)階段。本文開(kāi)發(fā)了一套基于LabVIEW的柴油機(jī)示功圖測(cè)試分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)及采集與分析軟件組成。

ABSTRAC：In-cylinder engine performance indicated by in-cylinder pressure data yields important information which can improve and quicken engine development. A data acquisition and analysis system of diesel engine diagram display directly the running status of diesel engine and is an essential tool for research and analysis of the diesel engine， therefore it is widely used throughout the life cycle of the diesel engine from designing and running to maintaining stages. A data acquisition and analysis system consisting of sensors， signal conditioning equipment， data acquisition card， and computer and acquisition program has been developed with limited prior data acquisition knowledge using LabVIEW.

1.1 研究背景

伴隨著全球能源、環(huán)境形勢(shì)的惡化，節(jié)能減排迫在眉睫。內(nèi)燃機(jī)是將能源轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的媒介，也是較大的污染源。其中柴油機(jī)以低油耗、功率范圍廣的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事和交通等各個(gè)行業(yè)，在能源動(dòng)力裝置中占據(jù)極為重要的地位。開(kāi)發(fā)出低能耗、排放少的綠色高效柴油機(jī)是廣大內(nèi)燃機(jī)行業(yè)從業(yè)者的目標(biāo)與使命。節(jié)能減排反映到內(nèi)燃機(jī)上就是降低燃油消耗率、提高熱效率和降低有害排放，這需要對(duì)內(nèi)燃機(jī)的燃燒過(guò)程和排放狀況進(jìn)行深入的分析。

示功圖直觀反映氣缸壓力與氣缸容積間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，是研究和判斷柴油機(jī)工作狀態(tài)、基本性能參數(shù)計(jì)算、強(qiáng)度計(jì)算及放熱規(guī)律分析的重要依據(jù)[ ]，是研究?jī)?nèi)燃機(jī)的循環(huán)變動(dòng)、摩擦損失、泵氣損失的參照，是實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)優(yōu)化控制的基礎(chǔ)也是實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的重要途徑之一[3]。同時(shí)，示功圖也是反應(yīng)燃燒過(guò)程數(shù)學(xué)模型精確程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[2]，是排放預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)壓力特征可視化對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的研究分析尤為重要。

2.1示功圖測(cè)試系統(tǒng)原理

柴油機(jī)示功圖測(cè)試分析系統(tǒng)的硬件主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)釆集設(shè)備和計(jì)算機(jī)組成。柴油機(jī)氣缸壓力信號(hào)通過(guò)安裝在示功閥通道上的壓力傳感器釆集，氣缸壓力傳感器輸出的電荷量經(jīng)過(guò)電荷放大器處理后轉(zhuǎn)變?yōu)榭芍苯颖幌到y(tǒng)釆集的電壓量并輸入至數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸入端。曲軸轉(zhuǎn)角傳感器通常安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的自由端，隨發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)輸出上止點(diǎn)信號(hào)及曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)，上止點(diǎn)及曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理設(shè)備處理后，接入數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字量輸入端。被采集的氣缸壓力和曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理分析及計(jì)算顯示后得到發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的信息參數(shù)。

2.2硬件選型

精確高速采集氣缸壓力、曲軸轉(zhuǎn)角和上止點(diǎn)信號(hào)是正確分析判斷內(nèi)燃機(jī)工作狀態(tài)的基礎(chǔ)。硬件系統(tǒng)的精準(zhǔn)度和可靠性決定著數(shù)據(jù)釆集的質(zhì)量，進(jìn)而直接影響著示功圖測(cè)試分析結(jié)果的精確性。柴油機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，測(cè)試實(shí)驗(yàn)環(huán)境惡劣，因此所選硬件需具備響應(yīng)快速、穩(wěn)定性及可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，在一定的溫度、振動(dòng)和干擾環(huán)境下正常工作。并且通常柴油機(jī)測(cè)試試驗(yàn)配置有測(cè)功機(jī)等測(cè)試設(shè)備，因此所選硬件還需具備一定程度的抗干擾能力，在實(shí)驗(yàn)室中的電磁干擾環(huán)境中可以正常工作。以上對(duì)影響測(cè)試精準(zhǔn)度原因的分析表明，柴油機(jī)示功圖測(cè)試分析系統(tǒng)需要滿足較高的要求。在硬件選型過(guò)程中主要考慮硬件技術(shù)參數(shù)選取的合理性，以保證實(shí)時(shí)、快速和準(zhǔn)確采樣。除技術(shù)參數(shù)和性能要求外，成本低、模塊化、可擴(kuò)充性強(qiáng)的設(shè)備也是優(yōu)先選擇的對(duì)象。

示功圖測(cè)試主要包括氣缸壓力測(cè)量、曲軸轉(zhuǎn)角及上止點(diǎn)信號(hào)測(cè)量。氣缸壓力信號(hào)采用頻帶寬、高靈敏度、高信噪比、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠的壓電式傳感器測(cè)量。轉(zhuǎn)角及上止點(diǎn)信號(hào)常采用曲軸位置傳感器（又稱角標(biāo)儀）測(cè)量。因此需要的硬件包括：1、氣缸壓力傳感器；2、電荷放大器；3、曲軸轉(zhuǎn)角傳感器；4、數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

3.1示功圖測(cè)試分析系統(tǒng)

虛擬儀器概念的提出目的是將傳統(tǒng)的專業(yè)儀器融入到廣泛應(yīng)用、通用性強(qiáng)計(jì)算機(jī)中，它是一種采用通過(guò)計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器功能的先進(jìn)測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)。采用虛擬儀器技術(shù)的測(cè)試人員只需要通過(guò)軟件編程采用相應(yīng)的數(shù)值算法，就能實(shí)時(shí)、便捷地對(duì)測(cè)取的信號(hào)值進(jìn)行分析與處理，完全可以根據(jù)需要個(gè)性化地操作儀器硬件，能夠極為便捷的實(shí)現(xiàn)模塊化儀器的構(gòu)建，進(jìn)而代替?zhèn)鹘y(tǒng)的專業(yè)測(cè)試儀器。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering）是一種圖形化的編程語(yǔ)言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、Acvex等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過(guò)程都生動(dòng)有趣。

3.2示功圖分析程序流程

本文的示功圖分析程序設(shè)計(jì)流程如圖3-4所示：

4.1示功圖測(cè)試分析儀試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的柴油機(jī)示功圖測(cè)試分析儀能夠滿足設(shè)計(jì)要求，本文對(duì)Z6170LC—1柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行了校核試驗(yàn)。以下是1000rpm-220kW（100%負(fù)荷）工況試驗(yàn)結(jié)果：

圖4.1 1000rpm-220kW（100%負(fù)荷）工況試驗(yàn)結(jié)果

由圖4-5，100%負(fù)荷工況下柴油機(jī)燃燒最高爆發(fā)壓力角在上止點(diǎn)后8°～9°，分布集中。同時(shí)壓升率曲線也變現(xiàn)的較為平滑，且峰值僅為8.5，可認(rèn)為僅有輕微的爆燃現(xiàn)象。因此，高負(fù)荷工況下Z6170LC-1柴油機(jī)燃燒情況相對(duì)穩(wěn)定。計(jì)算得到的放熱規(guī)律曲線為典型的雙韋伯曲線，其他特征參數(shù)的計(jì)算結(jié)果也均較理想。

4.2實(shí)驗(yàn)小結(jié)

分析本次實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差可知，通道效應(yīng)也是可能導(dǎo)致本次實(shí)驗(yàn)誤差的一個(gè)重要原因。由于缸壓信號(hào)通過(guò)測(cè)壓通道傳遞到傳感器，壓力波的傳遞以一定的速度進(jìn)行，在通道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生反射和疊加，導(dǎo)致壓力信號(hào)在測(cè)壓通道內(nèi)產(chǎn)生壓力波高頻振蕩，使得缸壓信號(hào)產(chǎn)生相位滯后和圖形失真。為了避免這兩種誤差，最好的方法就是不經(jīng)過(guò)測(cè)壓通道直接測(cè)量缸內(nèi)壓力，即壓力傳感器安裝得與氣缸內(nèi)表面平齊，但在本次試驗(yàn)中沒(méi)有來(lái)平齊安裝缸壓傳感器的通道，缸壓傳感器只能安裝在示功通道。而且傳感器的熱沖擊也會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。

參考文獻(xiàn)

[1] 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)（第3版）.機(jī)械工業(yè)出版社，2011.01 1.

[2] 趙軍，趙質(zhì)良. 基于Labview技術(shù)的柴油機(jī)示功圖采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置， 2011， （1）： 25-27.

[3] 張瀛.基于虛擬儀器的通用小型汽油機(jī)缸壓采集分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]. 天津大學(xué)， 2007.