生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機開(kāi)發(fā)測量控制系統

我們搭建系統采用的軟件能夠提供靈活的設置并處理大量I/O信號，這樣大大縮短了實(shí)驗所需的時(shí)間。另外，從測量到分析的整個(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:
分析和評估氣體燃料成分的差異對生物質(zhì)燃料發(fā)動(dòng)機必要運行條件的影響。

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

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，其中的可燃氣體（如甲烷和氫氣以及一氧化碳）與非可燃氣體（如二氧化碳和氮氣）相互混合。所用原材料的生物質(zhì)資源種類(lèi)或者氣化方法的不同、以及燃料生成器內溫度波動(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）和不可燃氣體（CO2 和N2），因此其熱值低于市場(chǎng)上銷(xiāo)售的氣體燃料，這可能會(huì )在發(fā)動(dòng)機運行時(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，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)機的運行條件。我們對一臺實(shí)驗發(fā)動(dòng)機完成了模擬生物質(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)機運行實(shí)驗中，模擬生物質(zhì)氣體燃料生成器為發(fā)動(dòng)機提供模擬生物質(zhì)氣體燃料，數據采集設備采集實(shí)驗數據。

圖1. 實(shí)驗裝置示意圖

使用這些裝置進(jìn)行發(fā)動(dòng)機運行實(shí)驗，同步測量信號和提高機械運行效率是實(shí)驗的兩個(gè)主要的難題。

測量
為了分析和評估燃料氣體成分的差異對發(fā)動(dòng)機運行必要條件的影響，我們測量了大量數據，如發(fā)動(dòng)機運行時(shí)燃料和空氣流量以及發(fā)動(dòng)機各點(diǎn)的溫度和壓力。此時(shí)必須保證測量與發(fā)動(dòng)機曲軸的運動(dòng)同步以方便后續分析。采樣率需要具有靈活性，壓力信號變化劇烈，我們每一度曲軸轉角采樣一次（標定轉速1500rpm的發(fā)動(dòng)機需要9000Hz的采樣率），溫度變化相對較慢，曲軸每轉一圈采樣一次。此外，輸出電壓信號因傳感器放大器不同而有所差異；因此，我們對每一通道進(jìn)行設置以獲得精確的測量。

發(fā)動(dòng)機運行控制
啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機時(shí)，我們必須連接離合器，轉動(dòng)自啟動(dòng)電機，當燃料供給建立時(shí)斷開(kāi)離合器。進(jìn)一步，發(fā)動(dòng)機運轉過(guò)程中，我們必須利用執行機構（如氣門(mén)、質(zhì)量流量控制器和火花塞）調整空氣和燃料流量和點(diǎn)火定時(shí)以實(shí)現提前設定的實(shí)驗條件。在實(shí)驗中同時(shí)操作多臺設備并監測發(fā)動(dòng)機運行狀況是實(shí)驗人員的一大麻煩，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)流量控制器獨立監測和控制六類(lèi)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)復雜的過(guò)程。

系統結構
為同時(shí)操控七個(gè)控制器，我們在發(fā)動(dòng)機測量設備和模擬生物質(zhì)氣體燃料生成器的各個(gè)輸入輸出接口統一使用NI的產(chǎn)品，并搭建發(fā)動(dòng)機測量控制系統和模擬生物質(zhì)氣體燃料生成系統。兩套系統我們都采用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，我們在發(fā)動(dòng)機測量設備和模擬生物質(zhì)氣體燃料生成器的各個(gè)輸入輸出接口統一使用NI的產(chǎn)品。

發(fā)動(dòng)機測量控制系統我們使用了一個(gè)NI PXI-8176控制器，PXI-6071E模擬輸入多功能數據采集（DAQ）模塊，一個(gè)PXI-6733高速模擬輸出模塊，以及PXI-6602定時(shí)和數字I/O模塊。測量方面，我們采用PXI-6071E以旋轉編碼器的信號為基準在每一個(gè)曲軸轉角對傳感器的輸出進(jìn)行采樣。運行控制方面，我們采用PXI-6733模塊操作各執行器，如離合器、自啟動(dòng)電機、節氣門(mén)和質(zhì)量流量控制器；采用PXI-6602生成點(diǎn)火信號。NI硬件統一了運行發(fā)動(dòng)機時(shí)需要操作的各個(gè)設備I/O的信號。我們采用PC搭建的系統能夠運行發(fā)動(dòng)機并進(jìn)行各種測量。

為了開(kāi)發(fā)模擬生物質(zhì)氣體燃料生成系統，我們采用了商用桌面PC和PXI機箱，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，使得系統可以控制其中氣體成分以產(chǎn)生任意的混合比。

結果
測量方面，我們成功實(shí)現了對發(fā)動(dòng)機曲軸運動(dòng)的同步采樣。另外，利用軟件可以輕松的設置每通道的采樣率和測量范圍。只需使用PC我們就完成了測試，這簡(jiǎn)化了測試操作。

我們還采用LabVIEW來(lái)分析數據。從實(shí)驗到分析整個(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)一步節省了時(shí)間。

圖3(a). 發(fā)動(dòng)機測量控制

圖3(a) 是發(fā)動(dòng)機測量控制程序，它具有自動(dòng)處理發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)程序、手動(dòng)控制和調節執行器至實(shí)驗條件以及測量實(shí)驗數據的功能。

圖3(b). 設置模擬生物質(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，可以分別設置和監測七種氣體的流量。我們利用這些數據對發(fā)動(dòng)機性能進(jìn)行分析，包括輸出功率、熱效率、輸出功率變動(dòng)系數以及燃燒特性如燃燒起始時(shí)刻和燃燒持續期，所用的分析程序如圖4所示。

圖4. 分析

結論
采用LabVIEW，我們成功地為一臺生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機搭建了一套測量控制系統。我們搭建系統使用的軟件提供了靈活的設置并能處理大量的I/O信號，這大大縮減了實(shí)驗時(shí)間。另外，從測量到分析的整個(gè)過(guò)程都采用了LabVIEW，這提高了我們的效率。最后，當我們在實(shí)驗基礎上制造生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機控制系統時(shí)，我們只需要改動(dòng)軟件就可以實(shí)現新的系統，從而提高進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的效率。