生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動機(jī)開發(fā)測量控制系統(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，這樣大大縮短了實驗所需的時間。另外，從測量到分析的整個過程都可以采用LabVIEW來完成，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硬件測量發(fā)動機(jī)和模擬生物質(zhì)氣體燃料生成器的每個輸入輸出信號。

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(jī)物質(zhì)通過發(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（如二氧化碳和氮氣）相互混合。所用原材料的生物質(zhì)資源種類或者氣化方法的不同、以及燃料生成器內(nèi)溫度波動而引起的改變，都會使氣體混合比產(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上銷售的氣體燃料，這可能會在發(fā)動機(jī)運(yùn)行時引起很多問題。

為了開發(fā)生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動機(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)動機(jī)的運(yùn)行條件。我們對一臺實驗發(fā)動機(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)動機(jī)開發(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)動機(jī)運(yùn)行實驗中，模擬生物質(zhì)氣體燃料生成器為發(fā)動機(jī)提供模擬生物質(zhì)氣體燃料，數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集實驗數(shù)據(jù)。

圖1. 實驗裝置示意圖

使用這些裝置進(jìn)行發(fā)動機(jī)運(yùn)行實驗，同步測量信號和提高機(jī)械運(yùn)行效率是實驗的兩個主要的難題。

測量
為了分析和評估燃料氣體成分的差異對發(fā)動機(jī)運(yùn)行必要條件的影響，我們測量了大量數(shù)據(jù)，如發(fā)動機(jī)運(yùn)行時燃料和空氣流量以及發(fā)動機(jī)各點的溫度和壓力。此時必須保證測量與發(fā)動機(jī)曲軸的運(yùn)動同步以方便后續(xù)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(zhuǎn)角采樣一次（標(biāo)定轉(zhuǎn)速1500rpm的發(fā)動機(jī)需要9000Hz的采樣率），溫度變化相對較慢，曲軸每轉(zhuǎn)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(shè)置以獲得精確的測量。

發(fā)動機(jī)運(yùn)行控制
啟動發(fā)動機(jī)時，我們必須連接離合器，轉(zhuǎn)動自啟動電機(jī)，當(dāng)燃料供給建立時斷開離合器。進(jìn)一步，發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，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火定時以實現(xiàn)提前設(shè)定的實驗條件。在實驗中同時操作多臺設(shè)備并監(jiān)測發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀況是實驗人員的一大麻煩，提高效率十分必要。

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

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
為同時操控七個控制器，我們在發(fā)動機(jī)測量設(shè)備和模擬生物質(zhì)氣體燃料生成器的各個輸入輸出接口統(tǒng)一使用NI的產(chǎn)品，并搭建發(fā)動機(jī)測量控制系統(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來進(jìn)行軟件開發(fā)。

圖2. 為同時操控七個控制器，我們在發(fā)動機(jī)測量設(shè)備和模擬生物質(zhì)氣體燃料生成器的各個輸入輸出接口統(tǒng)一使用NI的產(chǎn)品。

發(fā)動機(jī)測量控制系統(tǒng)我們使用了一個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PXI-6733高速模擬輸出模塊，以及PXI-6602定時和數(shù)字I/O模塊。測量方面，我們采用PXI-6071E以旋轉(zhuǎn)編碼器的信號為基準(zhǔn)在每一個曲軸轉(zhuǎn)角對傳感器的輸出進(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、自啟動電機(jī)、節(jié)氣門和質(zhì)量流量控制器；采用PXI-6602生成點火信號。NI硬件統(tǒng)一了運(yùn)行發(fā)動機(jī)時需要操作的各個設(shè)備I/O的信號。我們采用PC搭建的系統(tǒng)能夠運(yùn)行發(fā)動機(jī)并進(jìn)行各種測量。

為了開發(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測量實際流量。PC同步控制七個質(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
測量方面，我們成功實現(xiàn)了對發(fā)動機(jī)曲軸運(yùn)動的同步采樣。另外，利用軟件可以輕松的設(shè)置每通道的采樣率和測量范圍。只需使用PC我們就完成了測試，這簡化了測試操作。

我們還采用LabVIEW來分析數(shù)據(jù)。從實驗到分析整個過程中的所有工作都可以通過LabVIEW來完成。由于不需要進(jìn)行多種語言混合編程，因而進(jìn)一步節(jié)省了時間。

圖3(a). 發(fā)動機(jī)測量控制

圖3(a) 是發(fā)動機(jī)測量控制程序，它具有自動處理發(fā)動機(jī)啟動程序、手動控制和調(diào)節(jié)執(zhí)行器至實驗條件以及測量實驗數(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)測七種氣體的流量。我們利用這些數(shù)據(jù)對發(fā)動機(jī)性能進(jìn)行分析，包括輸出功率、熱效率、輸出功率變動系數(shù)以及燃燒特性如燃燒起始時刻和燃燒持續(xù)期，所用的分析程序如圖4所示。

圖4. 分析

結(jié)論
采用LabVIEW，我們成功地為一臺生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動機(jī)搭建了一套測量控制系統(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，這大大縮減了實驗時間。另外，從測量到分析的整個過程都采用了LabVIEW，這提高了我們的效率。最后，當(dāng)我們在實驗基礎(chǔ)上制造生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)時，我們只需要改動軟件就可以實現(xiàn)新的系統(tǒng)，從而提高進(jìn)一步開發(fā)的效率。