柴油機示功圖測試分析儀虛擬儀器開發

馬洪濤 郭文勇 程道周 王濤

摘要：內燃機示功圖提供著能夠監測和改善發動機狀態的重要信息。柴油機示功圖測試分析儀向人們直觀展示柴油機運行狀態的綜合參數，是柴油機研究分析的必備工具，廣泛應用于從發動機開發運行到維護整個生命周期內的各個階段。本文開發了一套基于LabVIEW的柴油機示功圖測試分析系統。該系統由傳感器、信號調理設備、數據采集卡、計算機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、環境形勢的惡化，節能減排迫在眉睫。內燃機是將能源轉化為機械功的媒介，也是較大的污染源。其中柴油機以低油耗、功率范圍廣的特點廣泛應用于工業、農業、軍事和交通等各個行業，在能源動力裝置中占據極為重要的地位。開發出低能耗、排放少的綠色高效柴油機是廣大內燃機行業從業者的目標與使命。節能減排反映到內燃機上就是降低燃油消耗率、提高熱效率和降低有害排放，這需要對內燃機的燃燒過程和排放狀況進行深入的分析。

示功圖直觀反映氣缸壓力與氣缸容積間的對應關系，是研究和判斷柴油機工作狀態、基本性能參數計算、強度計算及放熱規律分析的重要依據[ ]，是研究內燃機的循環變動、摩擦損失、泵氣損失的參照，是實現柴油機優化控制的基礎也是實現內燃機狀態監測和故障診斷的重要途徑之一[3]。同時，示功圖也是反應燃燒過程數學模型精確程度的評價標準[2]，是排放預測的基礎。因此，發動機燃燒室內壓力特征可視化對于發動機的研究分析尤為重要。

2.1示功圖測試系統原理

柴油機示功圖測試分析系統的硬件主要由傳感器、信號調理設備、數據釆集設備和計算機組成。柴油機氣缸壓力信號通過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過電荷放大器處理后轉變為可直接被系統釆集的電壓量并輸入至數據采集卡的模擬量輸入端。曲軸轉角傳感器通常安裝在發動機曲軸的自由端，隨發動機曲軸的轉動輸出上止點信號及曲軸轉角信號，上止點及曲軸轉角信號經過信號調理設備處理后，接入數據采集卡的數字量輸入端。被采集的氣缸壓力和曲軸轉角信號在計算機中進行處理分析及計算顯示后得到發動機相關的信息參數。

2.2硬件選型

精確高速采集氣缸壓力、曲軸轉角和上止點信號是正確分析判斷內燃機工作狀態的基礎。硬件系統的精準度和可靠性決定著數據釆集的質量，進而直接影響著示功圖測試分析結果的精確性。柴油機測試實驗實時性強，測試實驗環境惡劣，因此所選硬件需具備響應快速、穩定性及可靠性強等特點，在一定的溫度、振動和干擾環境下正常工作。并且通常柴油機測試試驗配置有測功機等測試設備，因此所選硬件還需具備一定程度的抗干擾能力，在實驗室中的電磁干擾環境中可以正常工作。以上對影響測試精準度原因的分析表明，柴油機示功圖測試分析系統需要滿足較高的要求。在硬件選型過程中主要考慮硬件技術參數選取的合理性，以保證實時、快速和準確采樣。除技術參數和性能要求外，成本低、模塊化、可擴充性強的設備也是優先選擇的對象。

示功圖測試主要包括氣缸壓力測量、曲軸轉角及上止點信號測量。氣缸壓力信號采用頻帶寬、高靈敏度、高信噪比、結構簡單、工作可靠的壓電式傳感器測量。轉角及上止點信號常采用曲軸位置傳感器（又稱角標儀）測量。因此需要的硬件包括：1、氣缸壓力傳感器；2、電荷放大器；3、曲軸轉角傳感器；4、數據采集設備。

3.1示功圖測試分析系統

虛擬儀器概念的提出目的是將傳統的專業儀器融入到廣泛應用、通用性強計算機中，它是一種采用通過計算機開發的軟件來實現儀器功能的先進測試測量系統。采用虛擬儀器技術的測試人員只需要通過軟件編程采用相應的數值算法，就能實時、便捷地對測取的信號值進行分析與處理，完全可以根據需要個性化地操作儀器硬件，能夠極為便捷的實現模塊化儀器的構建，進而代替傳統的專業測試儀器。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering）是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能。它還內置了便于應用TCP/IP、Acvex等軟件標準的庫函數。這是一個功能強大且靈活的軟件。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程都生動有趣。

3.2示功圖分析程序流程

本文的示功圖分析程序設計流程如圖3-4所示：

4.1示功圖測試分析儀試驗驗證

為驗證本次設計開發的柴油機示功圖測試分析儀能夠滿足設計要求，本文對Z6170LC—1柴油機試驗臺架進行了校核試驗。以下是1000rpm-220kW（100%負荷）工況試驗結果：

圖4.1 1000rpm-220kW（100%負荷）工況試驗結果

由圖4-5，100%負荷工況下柴油機燃燒最高爆發壓力角在上止點后8°～9°，分布集中。同時壓升率曲線也變現的較為平滑，且峰值僅為8.5，可認為僅有輕微的爆燃現象。因此，高負荷工況下Z6170LC-1柴油機燃燒情況相對穩定。計算得到的放熱規律曲線為典型的雙韋伯曲線，其他特征參數的計算結果也均較理想。

4.2實驗小結

分析本次實驗的系統誤差可知，通道效應也是可能導致本次實驗誤差的一個重要原因。由于缸壓信號通過測壓通道傳遞到傳感器，壓力波的傳遞以一定的速度進行，在通道內會產生反射和疊加，導致壓力信號在測壓通道內產生壓力波高頻振蕩，使得缸壓信號產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過測壓通道直接測量缸內壓力，即壓力傳感器安裝得與氣缸內表面平齊，但在本次試驗中沒有來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導致較大的測量誤差。

參考文獻

[1] 周龍保.內燃機學（第3版）.機械工業出版社，2011.01 1.

[2] 趙軍，趙質良. 基于Labview技術的柴油機示功圖采集系統設計[J]. 內燃機與動力裝置， 2011， （1）： 25-27.

[3] 張瀛.基于虛擬儀器的通用小型汽油機缸壓采集分析系統的設計[D]. 天津大學， 2007.