柴油机示功图测试分析仪虚拟仪器开发

马洪涛 郭文勇 程道周 王涛

摘要：内燃机示功图提供着能够监测和改善发动机状态的重要信息。柴油机示功图测试分析仪向人们直观展示柴油机运行状态的综合参数，是柴油机研究分析的必备工具，广泛应用于从发动机开发运行到维护整个生命周期内的各个阶段。本文开发了一套基于LabVIEW的柴油机示功图测试分析系统。该系统由传感器、信号调理设备、数据采集卡、计算机及采集与分析软件组成。

ABSTRAC：In-cylinder engine performance indicated by in-cylinder pressure data yields important information which can improve and quicken engine development. A data acquisition and analysis system of diesel engine diagram display directly the running status of diesel engine and is an essential tool for research and analysis of the diesel engine， therefore it is widely used throughout the life cycle of the diesel engine from designing and running to maintaining stages. A data acquisition and analysis system consisting of sensors， signal conditioning equipment， data acquisition card， and computer and acquisition program has been developed with limited prior data acquisition knowledge using LabVIEW.

1.1 研究背景

伴随着全球能源、环境形势的恶化，节能减排迫在眉睫。内燃机是将能源转化为机械功的媒介，也是较大的污染源。其中柴油机以低油耗、功率范围广的特点广泛应用于工业、农业、军事和交通等各个行业，在能源动力装置中占据极为重要的地位。开发出低能耗、排放少的绿色高效柴油机是广大内燃机行业从业者的目标与使命。节能减排反映到内燃机上就是降低燃油消耗率、提高热效率和降低有害排放，这需要对内燃机的燃烧过程和排放状况进行深入的分析。

示功图直观反映气缸压力与气缸容积间的对应关系，是研究和判断柴油机工作状态、基本性能参数计算、强度计算及放热规律分析的重要依据[ ]，是研究内燃机的循环变动、摩擦损失、泵气损失的参照，是实现柴油机优化控制的基础也是实现内燃机状态监测和故障诊断的重要途径之一[3]。同时，示功图也是反应燃烧过程数学模型精确程度的评价标准[2]，是排放预测的基础。因此，发动机燃烧室内压力特征可视化对于发动机的研究分析尤为重要。

2.1示功图测试系统原理

柴油机示功图测试分析系统的硬件主要由传感器、信号调理设备、数据釆集设备和计算机组成。柴油机气缸压力信号通过安装在示功阀通道上的压力传感器釆集，气缸压力传感器输出的电荷量经过电荷放大器处理后转变为可直接被系统釆集的电压量并输入至数据采集卡的模拟量输入端。曲轴转角传感器通常安装在发动机曲轴的自由端，随发动机曲轴的转动输出上止点信号及曲轴转角信号，上止点及曲轴转角信号经过信号调理设备处理后，接入数据采集卡的数字量输入端。被采集的气缸压力和曲轴转角信号在计算机中进行处理分析及计算显示后得到发动机相关的信息参数。

2.2硬件选型

精确高速采集气缸压力、曲轴转角和上止点信号是正确分析判断内燃机工作状态的基础。硬件系统的精准度和可靠性决定着数据釆集的质量，进而直接影响着示功图测试分析结果的精确性。柴油机测试实验实时性强，测试实验环境恶劣，因此所选硬件需具备响应快速、稳定性及可靠性強等特点，在一定的温度、振动和干扰环境下正常工作。并且通常柴油机测试试验配置有测功机等测试设备，因此所选硬件还需具备一定程度的抗干扰能力，在实验室中的电磁干扰环境中可以正常工作。以上对影响测试精准度原因的分析表明，柴油机示功图测试分析系统需要满足较高的要求。在硬件选型过程中主要考虑硬件技术参数选取的合理性，以保证实时、快速和准确采样。除技术参数和性能要求外，成本低、模块化、可扩充性强的设备也是优先选择的对象。

示功图测试主要包括气缸压力测量、曲轴转角及上止点信号测量。气缸压力信号采用频带宽、高灵敏度、高信噪比、结构简单、工作可靠的压电式传感器测量。转角及上止点信号常采用曲轴位置传感器（又称角标仪）测量。因此需要的硬件包括：1、气缸压力传感器；2、电荷放大器；3、曲轴转角传感器；4、数据采集设备。

3.1示功图测试分析系统

虚拟仪器概念的提出目的是将传统的专业仪器融入到广泛应用、通用性强计算机中，它是一种采用通过计算机开发的软件来实现仪器功能的先进测试测量系统。采用虚拟仪器技术的测试人员只需要通过软件编程采用相应的数值算法，就能实时、便捷地对测取的信号值进行分析与处理，完全可以根据需要个性化地操作仪器硬件，能够极为便捷的实现模块化仪器的构建，进而代替传统的专业测试仪器。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、Acvex等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。

3.2示功图分析程序流程

本文的示功图分析程序设计流程如图3-4所示：

4.1示功图测试分析仪试验验证

为验证本次设计开发的柴油机示功图测试分析仪能够满足设计要求，本文对Z6170LC—1柴油机试验台架进行了校核试验。以下是1000rpm-220kW（100%负荷）工况试验结果：

图4.1 1000rpm-220kW（100%负荷）工况试验结果

由图4-5，100%负荷工况下柴油机燃烧最高爆发压力角在上止点后8°～9°，分布集中。同时压升率曲线也变现的较为平滑，且峰值仅为8.5，可认为仅有轻微的爆燃现象。因此，高负荷工况下Z6170LC-1柴油机燃烧情况相对稳定。计算得到的放热规律曲线为典型的双韦伯曲线，其他特征参数的计算结果也均较理想。

4.2实验小结

分析本次实验的系统误差可知，通道效应也是可能导致本次实验误差的一个重要原因。由于缸压信号通过测压通道传递到传感器，压力波的传递以一定的速度进行，在通道内会产生反射和叠加，导致压力信号在测压通道内产生压力波高频振荡，使得缸压信号产生相位滞后和图形失真。为了避免这两种误差，最好的方法就是不经过测压通道直接测量缸内压力，即压力传感器安装得与气缸内表面平齐，但在本次试验中没有来平齐安装缸压传感器的通道，缸压传感器只能安装在示功通道。而且传感器的热冲击也会导致较大的测量误差。

参考文献

[1] 周龙保.内燃机学（第3版）.机械工业出版社，2011.01 1.

[2] 赵军，赵质良. 基于Labview技术的柴油机示功图采集系统设计[J]. 内燃机与动力装置， 2011， （1）： 25-27.

[3] 张瀛.基于虚拟仪器的通用小型汽油机缸压采集分析系统的设计[D]. 天津大学， 2007.