生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)測(cè)量控制系統(tǒng)

我們搭建系統(tǒng)采用的軟件能夠提供靈活的設(shè)置并處理大量I/O信號(hào)，這樣大大縮短了實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間。另外，從測(cè)量到分析的整個(gè)過(guò)程都可以采用LabVIEW來(lái)完成，從而提高了效率。

– |京大學(xué)大學(xué)院 工學(xué)系研究科C械工學(xué)攻金子研究室, 跛 豪氏

The Challenge:
分析和評(píng)估氣體燃料成分的差異對(duì)生物質(zhì)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)必要運(yùn)行條件的影響。

The Solution:
采用NI LabVIEW軟件和PXI硬件測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)和模擬生物質(zhì)氣體燃料生成器的每個(gè)輸入輸出信號(hào)。

Author(s):
Go Tomatsu - The University of Tokyo, Department of Mechanical Engineering
|京大學(xué)大學(xué)院 工學(xué)系研究科C械工學(xué)攻金子研究室 - 跛 豪氏

有機(jī)物質(zhì)通過(guò)發(fā)酵和熱解產(chǎn)生生物質(zhì)氣體，其中的可燃?xì)怏w（如甲烷和氫氣以及一氧化碳）與非可燃?xì)怏w（如二氧化碳和氮?dú)猓┫嗷セ旌稀Ｋ迷牧系纳镔|(zhì)資源種類或者氣化方法的不同、以及燃料生成器內(nèi)溫度波動(dòng)而引起的改變，都會(huì)使氣體混合比產(chǎn)生變化。此外，生物質(zhì)氣體含有的熱值較低的氣體（H2 和 CO）和不可燃?xì)怏w（CO2 和N2），因此其熱值低于市場(chǎng)上銷售的氣體燃料，這可能會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)引起很多問(wèn)題。

為了開(kāi)發(fā)生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，我們必須清楚燃料熱值和氣體成分的差異如何影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件。我們對(duì)一臺(tái)實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)完成了模擬生物質(zhì)氣體燃料的燃燒分析，作為生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的第一步，使用的模擬生物質(zhì)氣體燃料是由多種氣體成分以任意比例混合而成的。

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)中，模擬生物質(zhì)氣體燃料生成器為發(fā)動(dòng)機(jī)提供模擬生物質(zhì)氣體燃料，數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1. 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

使用這些裝置進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，同步測(cè)量信號(hào)和提高機(jī)械運(yùn)行效率是實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)主要的難題。

測(cè)量
為了分析和評(píng)估燃料氣體成分的差異對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行必要條件的影響，我們測(cè)量了大量數(shù)據(jù)，如發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)燃料和空氣流量以及發(fā)動(dòng)機(jī)各點(diǎn)的溫度和壓力。此時(shí)必須保證測(cè)量與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的運(yùn)動(dòng)同步以方便后續(xù)分析。采樣率需要具有靈活性，壓力信號(hào)變化劇烈，我們每一度曲軸轉(zhuǎn)角采樣一次（標(biāo)定轉(zhuǎn)速1500rpm的發(fā)動(dòng)機(jī)需要9000Hz的采樣率），溫度變化相對(duì)較慢，曲軸每轉(zhuǎn)一圈采樣一次。此外，輸出電壓信號(hào)因傳感器放大器不同而有所差異；因此，我們對(duì)每一通道進(jìn)行設(shè)置以獲得精確的測(cè)量。

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制
啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，我們必須連接離合器，轉(zhuǎn)動(dòng)自啟動(dòng)電機(jī)，當(dāng)燃料供給建立時(shí)斷開(kāi)離合器。進(jìn)一步，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，我們必須利用執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如氣門、質(zhì)量流量控制器和火花塞）調(diào)整空氣和燃料流量和點(diǎn)火定時(shí)以實(shí)現(xiàn)提前設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件。在實(shí)驗(yàn)中同時(shí)操作多臺(tái)設(shè)備并監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況是實(shí)驗(yàn)人員的一大麻煩，提高效率十分必要。

生成模擬生物質(zhì)氣體
七個(gè)生物質(zhì)流量控制器獨(dú)立監(jiān)測(cè)和控制六類氣體（CH4, C2H4, H2, CO, CO2和 N2）以及一罐市售13A氣體的流量。因此，我們必須同時(shí)控制七個(gè)控制器以生成任意混合比的模擬生物質(zhì)氣體，這是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
為同時(shí)操控七個(gè)控制器，我們?cè)诎l(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量設(shè)備和模擬生物質(zhì)氣體燃料生成器的各個(gè)輸入輸出接口統(tǒng)一使用NI的產(chǎn)品，并搭建發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)和模擬生物質(zhì)氣體燃料生成系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)我們都采用LabVIEW來(lái)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。

圖2. 為同時(shí)操控七個(gè)控制器，我們?cè)诎l(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量設(shè)備和模擬生物質(zhì)氣體燃料生成器的各個(gè)輸入輸出接口統(tǒng)一使用NI的產(chǎn)品。

發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)我們使用了一個(gè)NI PXI-8176控制器，PXI-6071E模擬輸入多功能數(shù)據(jù)采集（DAQ）模塊，一個(gè)PXI-6733高速模擬輸出模塊，以及PXI-6602定時(shí)和數(shù)字I/O模塊。測(cè)量方面，我們采用PXI-6071E以旋轉(zhuǎn)編碼器的信號(hào)為基準(zhǔn)在每一個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行采樣。運(yùn)行控制方面，我們采用PXI-6733模塊操作各執(zhí)行器，如離合器、自啟動(dòng)電機(jī)、節(jié)氣門和質(zhì)量流量控制器；采用PXI-6602生成點(diǎn)火信號(hào)。NI硬件統(tǒng)一了運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)需要操作的各個(gè)設(shè)備I/O的信號(hào)。我們采用PC搭建的系統(tǒng)能夠運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)并進(jìn)行各種測(cè)量。

為了開(kāi)發(fā)模擬生物質(zhì)氣體燃料生成系統(tǒng)，我們采用了商用桌面PC和PXI機(jī)箱，一套PXI-6031E模擬輸入多功能DAQ模塊，以及一套PXI-6733模塊。從PXI-6733輸入的電壓控制各氣體成分的流量，PXI-6031E測(cè)量實(shí)際流量。PC同步控制七個(gè)質(zhì)量流量控制器，使得系統(tǒng)可以控制其中氣體成分以產(chǎn)生任意的混合比。

結(jié)果
測(cè)量方面，我們成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸運(yùn)動(dòng)的同步采樣。另外，利用軟件可以輕松的設(shè)置每通道的采樣率和測(cè)量范圍。只需使用PC我們就完成了測(cè)試，這簡(jiǎn)化了測(cè)試操作。

我們還采用LabVIEW來(lái)分析數(shù)據(jù)。從實(shí)驗(yàn)到分析整個(gè)過(guò)程中的所有工作都可以通過(guò)LabVIEW來(lái)完成。由于不需要進(jìn)行多種語(yǔ)言混合編程，因而進(jìn)一步節(jié)省了時(shí)間。

圖3(a). 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量控制

圖3(a) 是發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量控制程序，它具有自動(dòng)處理發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)程序、手動(dòng)控制和調(diào)節(jié)執(zhí)行器至實(shí)驗(yàn)條件以及測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的功能。

圖3(b). 設(shè)置模擬生物質(zhì)氣體燃料混合比程序的前面板

圖3(b) 是設(shè)置模擬生物質(zhì)氣體燃料混合比程序的前面板，可以分別設(shè)置和監(jiān)測(cè)七種氣體的流量。我們利用這些數(shù)據(jù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行分析，包括輸出功率、熱效率、輸出功率變動(dòng)系數(shù)以及燃燒特性如燃燒起始時(shí)刻和燃燒持續(xù)期，所用的分析程序如圖4所示。

圖4. 分析

結(jié)論
采用LabVIEW，我們成功地為一臺(tái)生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)搭建了一套測(cè)量控制系統(tǒng)。我們搭建系統(tǒng)使用的軟件提供了靈活的設(shè)置并能處理大量的I/O信號(hào)，這大大縮減了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。另外，從測(cè)量到分析的整個(gè)過(guò)程都采用了LabVIEW，這提高了我們的效率。最后，當(dāng)我們?cè)趯?shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上制造生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，我們只需要改動(dòng)軟件就可以實(shí)現(xiàn)新的系統(tǒng)，從而提高進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的效率。