生物质气体燃料发动机开发测量控制系统

"我们搭建系统采用的软件能够提供灵活的设置并处理大量I/O信号，这样大大缩短了实验所需的时间。另外，从测量到分析的整个过程都可以采用LabVIEW来完成，从而提高了效率。"

– 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

The Challenge:
    分析和评估气体燃料成分的差异对生物质燃料发动机必要运行条件的影响。

The Solution:
    采用NI LabVIEW软件和PXI硬件测量发动机和模拟生物质气体燃料生成器的每个输入输出信号。

Author(s):
    Go Tomatsu - The University of Tokyo, Department of Mechanical Engineering
    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

有机物质通过发酵和热解产生生物质气体，其中的可燃气体（如甲烷和氢气以及一氧化碳）与非可燃气体（如二氧化碳和氮气）相互混合。所用原材料的生物质资源种类或者气化方法的不同、以及燃料生成器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，生物质气体含有的热值较低的气体（H2 和 CO）和不可燃气体（CO2 和N2），因此其热值低于市场上销售的气体燃料，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，我们必须清楚燃料热值和气体成分的差异如何影响发动机的运行条件。我们对一台实验发动机完成了模拟生物质气体燃料的燃烧分析，作为生物质气体燃料发动机开发的第一步，使用的模拟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，模拟生物质气体燃料生成器为发动机提供模拟生物质气体燃料，数据采集设备采集实验数据。

图1. 实验装置示意图

使用这些装置进行发动机运行实验，同步测量信号和提高机械运行效率是实验的两个主要的难题。

测量
    为了分析和评估燃料气体成分的差异对发动机运行必要条件的影响，我们测量了大量数据，如发动机运行时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以方便后续分析。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1500rpm的发动机需要9000Hz的采样率），温度变化相对较慢，曲轴每转一圈采样一次。此外，输出电压信号因传感器放大器不同而有所差异；因此，我们对每一通道进行设置以获得精确的测量。

发动机运行控制
    启动发动机时，我们必须连接离合器，转动自启动电机，当燃料供给建立时断开离合器。进一步，发动机运转过程中，我们必须利用执行机构（如气门、质量流量控制器和火花塞）调整空气和燃料流量和点火定时以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。

生成模拟生物质气体
    七个生物质流量控制器独立监测和控制六类气体（CH4, C2H4, H2, CO, CO2和 N2）以及一罐市售13A气体的流量。因此，我们必须同时控制七个控制器以生成任意混合比的模拟生物质气体，这是一个复杂的过程。

系统结构
    为同时操控七个控制器，我们在发动机测量设备和模拟生物质气体燃料生成器的各个输入输出接口统一使用NI的产品，并搭建发动机测量控制系统和模拟生物质气体燃料生成系统。两套系统我们都采用LabVIEW来进行软件开发。

图2. 为同时操控七个控制器，我们在发动机测量设备和模拟生物质气体燃料生成器的各个输入输出接口统一使用NI的产品。

发动机测量控制系统我们使用了一个NI PXI-8176控制器，PXI-6071E模拟输入多功能数据采集（DAQ）模块，一个PXI-6733高速模拟输出模块，以及PXI-6602定时和数字I/O模块。测量方面，我们采用PXI-6071E以旋转编码器的信号为基准在每一个曲轴转角对传感器的输出进行采样。运行控制方面，我们采用PXI-6733模块操作各执行器，如离合器、自启动电机、节气门和质量流量控制器；采用PXI-6602生成点火信号。NI硬件统一了运行发动机时需要操作的各个设备I/O的信号。我们采用PC搭建的系统能够运行发动机并进行各种测量。

为了开发模拟生物质气体燃料生成系统，我们采用了商用桌面PC和PXI机箱，一套PXI-6031E模拟输入多功能DAQ模块，以及一套PXI-6733模块。从PXI-6733输入的电压控制各气体成分的流量，PXI-6031E测量实际流量。PC同步控制七个质量流量控制器，使得系统可以控制其中气体成分以产生任意的混合比。

结果
    测量方面，我们成功实现了对发动机曲轴运动的同步采样。另外，利用软件可以轻松的设置每通道的采样率和测量范围。只需使用PC我们就完成了测试，这简化了测试操作。

我们还采用LabVIEW来分析数据。从实验到分析整个过程中的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。

图3(a). 发动机测量控制

图3(a) 是发动机测量控制程序，它具有自动处理发动机启动程序、手动控制和调节执行器至实验条件以及测量实验数据的功能。

图3(b). 设置模拟生物质气体燃料混合比程序的前面板

图3(b) 是设置模拟生物质气体燃料混合比程序的前面板，可以分别设置和监测七种气体的流量。我们利用这些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起始时刻和燃烧持续期，所用的分析程序如图4所示。

图4. 分析

结论
    采用LabVIEW，我们成功地为一台生物质气体燃料发动机搭建了一套测量控制系统。我们搭建系统使用的软件提供了灵活的设置并能处理大量的I/O信号，这大大缩减了实验时间。另外，从测量到分析的整个过程都采用了LabVIEW，这提高了我们的效率。最后，当我们在实验基础上制造生物质气体燃料发动机控制系统时，我们只需要改动软件就可以实现新的系统，从而提高进一步开发的效率。