开发​用于​生​物质​气体​燃料​发动​机​的​测量​控制​系统

“我们​构​建​系统​所​使用​的​软件​可以​提供​灵活​的​设置,​并​可​处理​大量​I/​O​信号,​因此​有效​缩减​了​实验​时间。​此外,​从​测量​到​分析​的​整个​过程​均可​通过​LabVIEW​来​进行,​使​我们​的​效率​得以​提升。”

- Go Tomatsu,​东京​大学​机械​工程系

挑战:

分析​和​评估​燃料​气​成分​的​差异​对​生​物质​燃料​发动​机​必要​运行​条件​的​影响。

解决​方案:

借助​NI LabVIEW​软件​和​PXI​硬件,​测量​发动​机​和​仿真​生​物质​气体​燃料​发生​器​的​每次​输入​或​输出。

作者:

Go Tomatsu - 东京​大学​机械​工程系
​東京​大学​大学院 工学​系​研究​科・​機械​工学​専攻・​金子​研究室 - 戸松 豪氏

 

生​物质​气体​由​有机​物质​的​发酵​或​热​解​产生,​其中​的​可燃​气体​(如​甲烷​[CH4]​和​氢气​[H2]​以及​一氧化碳​[CO])​与​非​可燃​气体​(如​二氧化碳​[CO2]​和​氮气​[N2])​相互​混合。​所用​原材料​的​生​物质​资源​种类​、​气化​方法​的​不同​以及​气化​炉​内​温度​波动​而​引起​的​改变,​都会​使​气体​混合​比​产生​变化。​此外,​生​物质​气体​包含​低热​值​气体​(H2​和​CO)​和​不可​燃​气体​(CO2​和​N2),​因此​其​热​值​低于​市政​燃​气,​这​可能​会​在​发动​机​运行​时​引起​很多​问题。

 

为了​开发​生​物质​气体​燃料​发动​机,​我们​必须​了解​燃料​热​值​和​气体​成分​的​差异​对​发动​机​运行​条件​的​影响。​我们​开发​生​物质​气体​燃料​发动​机​的​第​一步​是,​对​一台​实验​发动​机​完成​了​仿真​生​物质​气体​燃料​的​燃烧​分析,​所​使用​的​仿真​生​物质​气体​燃料​是​由​多种​气体​成分​以​任意​比例​混合​而​成​的。 

 

在​发动​机​运行​实验​中,​仿真​生​物质​气体​燃料​发生​器​为​发动​机​提供​仿真​生​物质​气体​燃料,​而​数据​采集​设备​负责​采集​实验​数据。

 

 

 

在​使用​这些​装置​进行​发动​机​运行​实验​时,​同步​测量​信号​和​提高​机械​操作​效率​是​实验​的​两​大​主要​问题。

 

测量

为了​分析​和​评估​燃料​气体​成分​的​差异​对​发动​机​必要​运行​条件​的​影响,​我们​测量​了​大量​数据,​例如​发动​机​运行​时​的​燃料​和​空气​流量,​以及​发动​机​各​点​的​温度​和​压力。​此时​,​必须​保证​测量​与​发动​机​曲轴​的​运动​同步,​便于​后​续​分析。​采样​率​需要​具有​灵活​性,​压力​信号​变化​剧烈,​我们​每一​度​曲轴​转​角​采样​一次​(标定​转​速​1,500 rpm​的​发动​机​需要​9,000 Hz​的​采样​率),​温度​变化​相对​较​慢,​曲轴​每​转​一圈​采样​一次。​此外,​输出​电压​范围​因​传感器​放大器​而​异;​因此,​我们​对​每​个​通道​都​设定​了​范围,​以​获得​更​准确​的​测量。

 

发动​机​运行​控制

起动​发动​机​时,​我们​必须​连接​离合​器,​转动​自​起动​电机,​并​在​燃料​供给​建立​时​断开​离合​器。​此外,​发动​机​运转​过程​中,​我们​必须​利用​执行​机构​(如​节​气门、​质量​流量​控制器​和​火花塞)​调整​空气​和​燃料​流量​及​点火​定​时​,​从而​实现​提前​设定​的​实验​条件。​在​实验​中​同时​操作​多台​设备​并​监测​发动​机​运行​状况​是​实验​人员​的​一大​麻烦,​提高​效率​十分​必要。  

 

生成​仿真​生​物质​气体

七个​质量​流量​控制器​独立​监测​和​控制​六类​气体​(CH4、​C2H4、​H2、​CO、​CO2​和​N2)​以及​由​汽缸​供应​的​市政​燃​气​13A​​的​流量。​因此,​我们​必须​生成​以​任意​比例​混合​的​仿真​生​物质​气体,​并​同时​操作​七个​控制器,​这个​过程​非常​复杂。

 

系统​结构

为​了​同时​操​控​七个​控制器,​我们​在​发动​机​测量​设备​和​仿真​生​物质​气体​燃料​生成​器​的​各个​输入​或​输出​接口​统一​使用​NI​的​产品,​并​搭建​用于​发动​机​测量​控制​和​仿真​生​物质​气体​燃料​生成​的​系统。​针对​这​两​套​系统​,​我们​​均​采用LabVIEW来​开发​软件。

 

对于​发动​机​测量​控制​系统,​我们​采用​NI PXI-8176​控制器、​PXI-6071E​模拟​输入​多功能​数据​采集​(DAQ)​模​块、​PXI-6733​高速​模拟​输出​模​块​以及​PXI-6602​定​时​和​数字​I/​O​模​块。​对于​测量,​我们​采用​PXI-6071E,​以​旋转​编码​器​的​信号​为​基准,​在​每​个​曲轴​转​角​对​传感器​的​输出​进行​采样。​对于​运行​控制,​我们​采用​PXI-6733​模​块​来​操作​执行​机构​(例如​离合​器、​自​起动​电机、​节​气门​和​质量​流量​控制器),​并​采用​PXI-6602​来​生成​点火​信号。​NI​硬件​可​整合​在​发动​机​运行​时​需要​操作​的​各个​设备​发出​的​I/​O​信号。​我们​构​建​了​一个​系统​来​运行​发动​机,​并​使用​PC​来​进行​测量。

 

为了​开发​仿真​生​物质​气体​燃料​生成​系统,​我们​采用​了​商用​台式​计算​机​和​PXI​机​箱、​PXI-6031E​模拟​输入​多功能​DAQ​模​块​以及​PXI-6733​模​块。​PXI-6733​的​电压​输入​可​控制​每​种​气体​成分​的​流量,​PXI-6031E​则​用于​测量​实际​流量。​PC​同时​操​控​七个​质量​流量​控制器,​从而​使​系统​做好​准备,​可以​控制​七​种​以​任意​比例​混合​的​气体​成分。

 

结果

在​测量​方面,​我们​成功​实现​了​对​发动​机​曲轴​运动​的​同步​采样。​此外,​我们​通过​软件​轻松​设置​了​每​通道​的​采样​率​以及​测量​范围。​我们​仅​使用​PC​就​完成​了​测试,​这​无疑​简化​了​测试​操作。

 

我们​还​采用​LabVIEW​来​分析​数据。​从​实验​到​分析​整个​过程​中,​所有​工作​都可以​通过​LabVIEW​来​完成。​由于​不需要​进行​多种​语言​混合​编​程,​因而​进一步​节省​了​时间。

 

 

 

分别​监​控​七​种​气体​的​流量。​借助​图​2(b​)​所​示​的​分析​程序,​我们​利用​​数据​对​发动​机​性能​进行​分析,​包括​输出功率、​热​效率、​输出功率​变动​系数​以及​燃烧​特性​(如​燃烧​开始​时刻​和​燃烧​持续​期)​​。

 

 

 

结论​

借助​LabVIEW,​我们​成功​构​建​了一​款​用于​生​物质​气体​燃料​发动​机​的​测量​控制​系统。​我们​构​建​系统​所​使用​的​软件​可以​提供​灵活​的​设置,​并​可​处理​大量​I/​O​信号,​因此​有效​缩减​了​实验​时间。​此外,​从​测量​到​分析​的​整个​过程​均可​通过​LabVIEW​来​进行,​使​我们​的​效率​得以​提升。​最后,​当​我们​在​实验​基础​上​制造​用于​生​物质​气体​燃料​发动​机​的​控制​系统​时,​我们​只需要​改​动​软件​便可​获得​新的​系统,​​进一步​提升​了​开发​效率。

 

作者​信息:

Go Tomatsu
东京​大学​机械​工程系

图​1. ​ ​实验​装置​示意​图 ​
图​4. ​ ​分析 ​
图​2(a) ​ ​是​发动​机​测量​控制​程序,​可​自动​执行​发动​机​起动​顺序,​手​动​控制​和​调节​执行​机构​以​满足​实验​条件,​也​可​测量​发动​机​运行​的​数据。 ​
图​2(b). ​ ​发动​机​测量​控制 ​