任何一個從事內(nèi)燃發(fā)動機(jī)設(shè)計工作的人都知道，使用一款經(jīng)濟(jì)、的氣缸壓力測量分析設(shè)備將給設(shè)計者帶來巨大的優(yōu)勢。 Creative Technical Solutions公司就通過使用NI的DAQ板卡和LabVIEW實(shí)現(xiàn)了OPTIMIZER——一款專為發(fā)動機(jī)制造商、研究實(shí)驗(yàn)室、小型賽車店鋪和業(yè)余愛好者設(shè)計的基于計算機(jī)的測量測試系統(tǒng)。

背景

內(nèi)燃機(jī)的性能，取決于許多因素。對于給定壓縮比的情況，*馬力和發(fā)動機(jī)扭矩會出現(xiàn)在以下情況：

• 每個氣缸的進(jìn)氣口和進(jìn)氣閥的進(jìn)氣量均達(dá)到zui大
• 燃料/空氣處于適當(dāng)比例
• 燃料和空氣充分混合
• 調(diào)整點(diǎn)火提前量，避免初始爆震

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)動機(jī)的扭矩和動力，所以在發(fā)動機(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。進(jìn)氣歧管的臺架測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)動機(jī)上后，進(jìn)氣歧管的氣流就變成了受活塞運(yùn)動、進(jìn)氣閥面積、氣閥定時和重疊時間以及流道形狀影響的非恒流過程。這些參數(shù)的共同作用，往往會導(dǎo)致多缸發(fā)動機(jī)不同氣缸進(jìn)氣差異。

優(yōu)化發(fā)動機(jī)性能的*步就是設(shè)計進(jìn)氣歧管和氣閥系以zui大限度的給每一個氣缸提供等量空氣。對于給定的壓縮比和進(jìn)氣口溫度，操作者可以通過測量點(diǎn)火之前壓縮沖程中的氣缸壓力來獲得進(jìn)氣信息。因?yàn)橛蜌饣旌衔锏娜紵且粋€復(fù)雜的反應(yīng)過程，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)動機(jī)溫度、空氣溫度和濕度，以及點(diǎn)火時間等—— 調(diào)整這些參數(shù)，以獲得*的性能，將是一個相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

通過觀察氣缸壓力測量值以及峰值壓力相對活塞頂死中心（Top-dead-center, TDC）的位置，發(fā)動機(jī)技術(shù)人員可以迅速將發(fā)動機(jī)調(diào)校到*性能。由燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)可見，對于大多數(shù)傳統(tǒng)發(fā)動機(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，發(fā)動機(jī)將表現(xiàn)出*性能。但在給定壓縮比和燃油辛烷值情況下，為了達(dá)到*性能所采取的點(diǎn)火提前可能會因?yàn)閲?yán)重的火花爆擊現(xiàn)象而導(dǎo)致氣閥過熱。因此，在性能優(yōu)化過程中，發(fā)動機(jī)技術(shù)人員需要檢測TDC之后的10和40度之間火花爆擊的氣缸壓力。如果檢測到爆震，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，*無需其它支持軟件。我們設(shè)計該系統(tǒng)用于測量氣缸壓力，并以圖形形式展示氣缸壓力測量值，從而使發(fā)動機(jī)技術(shù)人員可以評估發(fā)動機(jī)在不同運(yùn)行速度和載荷情況下，設(shè)計改進(jìn)和運(yùn)行條件的變化對于其性能的影響。每一個氣缸的壓力分布可以在多個發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和任意數(shù)量的發(fā)動機(jī)周期中平均獲得。上一頁的圖顯示了一個經(jīng)100個周期平均而來的壓力體積對數(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低速通道中記錄測功機(jī)的扭矩，并和壓力測量計算出的制動馬力進(jìn)行比較。其差值就是摩擦和泵氣的損失值。

為了開發(fā)一種低成本的基于PC的數(shù)據(jù)采集（DAQ）系統(tǒng)用于氣缸壓力測量，我們選擇Optrand光纖壓力傳感器。這種相對廉價的傳感器已被成功運(yùn)用于很多監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)中。在發(fā)動機(jī)運(yùn)行和控制應(yīng)用中，單個傳感器累計會進(jìn)行800多萬個周期的數(shù)據(jù) 采集。除了提供5 V的滿程電壓以外，該傳感器還有一個可用于監(jiān)測的指示信號，以確保壓力信號有效。我們使用NI的數(shù)據(jù)采集卡測量壓力傳感器信號，并使用一個分辨率為0.36度的光電編碼器來觸發(fā)信號采集。為了保證編碼器索引脈沖與發(fā)動機(jī)的TDC正確對齊，我們還使用了Philtec光纖位移傳感器在發(fā)動機(jī)測試中準(zhǔn)確判斷TDC位置。使用這種技術(shù)測量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的測量系統(tǒng)里，發(fā)動機(jī)技術(shù)人員將使用一系列子程序設(shè)定發(fā)動機(jī)參數(shù)和傳感器參數(shù)、確定TDC、采集隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化的數(shù)據(jù)，并以各種形式展示測量和計算結(jié)果。發(fā)動機(jī)啟動屏幕則在相鄰的圖中顯示。

結(jié)論

為了優(yōu)化發(fā)動機(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確定TDC。光學(xué)編碼器則用于觸發(fā)DAQ板卡和計時。目前我們已經(jīng)開發(fā)出了針對汽油和柴油發(fā)動機(jī)的不同版本系統(tǒng)。以后我們將進(jìn)一步升級系統(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）測量工作。

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