LabVIEW測(cè)量?jī)?nèi)燃機(jī)氣缸壓力

由于是燃料/空氣混合物的燃燒產(chǎn)生的壓力產(chǎn)生了發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和動(dòng)力，所以在發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)中zui重要的檢查參數(shù)就是在壓縮和做功沖程中的氣缸壓力大小及其定時(shí)。進(jìn)氣歧管的臺(tái)架測(cè)試是在恒流情況下記錄一定壓降下的氣流情況。但當(dāng)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上后，進(jìn)氣歧管的氣流就變成了受活塞運(yùn)動(dòng)、進(jìn)氣閥面積、氣閥定時(shí)和重疊時(shí)間以及流道形狀影響的非恒流過(guò)程。這些參數(shù)的共同作用，往往會(huì)導(dǎo)致多缸發(fā)動(dòng)機(jī)不同氣缸進(jìn)氣差異。

優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能的*步就是設(shè)計(jì)進(jìn)氣歧管和氣閥系以zui大限度的給每一個(gè)氣缸提供等量空氣。對(duì)于給定的壓縮比和進(jìn)氣口溫度，操作者可以通過(guò)測(cè)量點(diǎn)火之前壓縮沖程中的氣缸壓力來(lái)獲得進(jìn)氣信息。因?yàn)橛蜌饣旌衔锏娜紵且粋€(gè)復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程，牽涉到很多氣缸的幾何因素以及其它因素，如油氣混合情況、汽油辛烷值、燃料當(dāng)量比、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、空氣溫度和濕度，以及點(diǎn)火時(shí)間等—— 調(diào)整這些參數(shù)，以獲得很好的性能，將是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

通過(guò)觀察氣缸壓力測(cè)量值以及峰值壓力相對(duì)活塞頂死中心（Top-dead-center, TDC）的位置，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)人員可以迅速將發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)校到很好性能。由燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)可見(jiàn)，對(duì)于大多數(shù)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，如果峰值壓力出現(xiàn)在TDC之后12到15度，并且燃燒發(fā)生在TDC附近的等容階段時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將表現(xiàn)出很好性能。但在給定壓縮比和燃油辛烷值情況下，為了達(dá)到很好性能所采取的點(diǎn)火提前可能會(huì)因?yàn)閲?yán)重的火花爆擊現(xiàn)象而導(dǎo)致氣閥過(guò)熱。因此，在性能優(yōu)化過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)人員需要檢測(cè)TDC之后的10和40度之間火花爆擊的氣缸壓力。如果檢測(cè)到爆震，點(diǎn)火提前必須取消，以避免活塞受損。

系統(tǒng)描述

我們選擇LabVIEW開(kāi)發(fā)OPTIMIZER，是因?yàn)樗谡蠑?shù)據(jù)采集和分析功能方面的靈活性，*無(wú)需其它支持軟件。我們?cè)O(shè)計(jì)該系統(tǒng)用于測(cè)量氣缸壓力，并以圖形形式展示氣缸壓力測(cè)量值，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)人員可以評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)在不同運(yùn)行速度和載荷情況下，設(shè)計(jì)改進(jìn)和運(yùn)行條件的變化對(duì)于其性能的影響。每一個(gè)氣缸的壓力分布可以在多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和任意數(shù)量的發(fā)動(dòng)機(jī)周期中平均獲得。上一頁(yè)的圖顯示了一個(gè)經(jīng)100個(gè)周期平均而來(lái)的壓力體積對(duì)數(shù)圖。壓力分析所得的參數(shù)將被記作曲柄角度的函數(shù)，并與其標(biāo)準(zhǔn)差一起記錄在表格中。技術(shù)人員可以在其中一個(gè)低速通道中記錄測(cè)功機(jī)的扭矩，并和壓力測(cè)量計(jì)算出的制動(dòng)馬力進(jìn)行比較。其差值就是摩擦和泵氣的損失值。

為了開(kāi)發(fā)一種低成本的基于PC的數(shù)據(jù)采集（DAQ）系統(tǒng)用于氣缸壓力測(cè)量，我們選擇Optrand光纖壓力傳感器。這種相對(duì)廉價(jià)的傳感器已被成功運(yùn)用于很多監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行和控制應(yīng)用中，單個(gè)傳感器累計(jì)會(huì)進(jìn)行800多萬(wàn)個(gè)周期的數(shù)據(jù) 采集。除了提供5 V的滿程電壓以外，該傳感器還有一個(gè)可用于監(jiān)測(cè)的指示信號(hào)，以確保壓力信號(hào)有效。我們使用NI的數(shù)據(jù)采集卡測(cè)量壓力傳感器信號(hào)，并使用一個(gè)分辨率為0.36度的光電編碼器來(lái)觸發(fā)信號(hào)采集。為了保證編碼器索引脈沖與發(fā)動(dòng)機(jī)的TDC正確對(duì)齊，我們還使用了Philtec光纖位移傳感器在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中準(zhǔn)確判斷TDC位置。使用這種技術(shù)測(cè)量TDC將不再需要引入索引輪和標(biāo)記。

系統(tǒng)架構(gòu)

在基于LabVIEW的測(cè)量系統(tǒng)里，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)人員將使用一系列子程序設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和傳感器參數(shù)、確定TDC、采集隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的數(shù)據(jù)，并以各種形式展示測(cè)量和計(jì)算結(jié)果。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)屏幕則在相鄰的圖中顯示。

結(jié)論

為了優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，我們利用DAQ板卡和LabVIEW采集并分析內(nèi)燃機(jī)氣缸的壓力，開(kāi)發(fā)了一款低成本的基于PC的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。我們使用低廉的光纖壓力傳感器和光纖位移傳感器來(lái)確定TDC。光學(xué)編碼器則用于觸發(fā)DAQ板卡和計(jì)時(shí)。目前我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了針對(duì)汽油和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的不同版本系統(tǒng)。以后我們將進(jìn)一步升級(jí)系統(tǒng)，以求在非常高的轉(zhuǎn)速下完成同步采集以及準(zhǔn)確的泵平均有效壓力（Mean effective pressure, MEP）測(cè)量工作。

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