生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動機測量控制系統(tǒng) - 全文

　　解決方案

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

　　有機物質(zhì)通過發(fā)酵和熱解產(chǎn)生生物質(zhì)氣體，其中的可燃氣體(例如甲烷和氫氣以及一氧化碳)與非可燃氣體(例如二氧化碳和氮氣)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(氫氣和一氧化碳)和不可燃氣體(二氧化碳和氮氣)，因此其熱值低于市場上銷售的氣體燃料，這可能會在發(fā)動機運行時引起很多問題。

　　為了開發(fā)生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動機，我們必須清楚燃料熱值和氣體成分的差異如何影響發(fā)動機的運行條件。我們對一臺實驗發(fā)動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)動機開發(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)動機運行實驗中，模擬生物質(zhì)氣體燃料生成器為發(fā)動機提供模擬生物質(zhì)氣體燃料，數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集實驗數(shù)據(jù)。

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　　圖1 實驗裝置示意圖

　　使用這些裝置進行發(fā)動機運行實驗，同步測量信號和提高機械運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)動機運行必要條件的影響，我們測量了大量數(shù)據(jù)，如發(fā)動機運行時燃料和空氣流量以及發(fā)動機各點的溫度和壓力。此時必須保證測量與發(fā)動機曲軸的運動同步以方便后續(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(標定轉(zhuǎn)速1500rpm的發(fā)動機需要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，我們對每一通道進行設(shè)置以獲得精確的測量。

　　發(fā)動機運行控制

　　啟動發(fā)動機時，我們必須連接離合器，轉(zhuǎn)動自啟動電機，當燃料供給建立時斷開離合器。進一步，發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中，我們必須利用執(zhí)行機構(gòu)(例如氣門、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)動機運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

　　7個生物質(zhì)流量控制器獨立監(jiān)測和控制6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7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公司的產(chǎn)品，并搭建發(fā)動機測量控制系統(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來進行軟件開發(fā)。

　　發(fā)動機測量控制系統(tǒng)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，采用PXI-6071E以旋轉(zhuǎn)編碼器的信號為基準在每一個曲軸轉(zhuǎn)角對傳感器的輸出進行采樣。運行控制方面，我們采用PXI-6733模塊操作各執(zhí)行器，例如離合器、自啟動電機、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)一了運行發(fā)動機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)能夠運行發(fā)動機并進行各種測量。

　　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7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

　　在測量方面，我們成功實現(xiàn)了對發(fā)動機曲軸運動的同步采樣。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。由于不需要進行多種語言混合編程，因而進一步節(jié)省了時間。

　　圖2(a)是發(fā)動機測量控制程序，它具有自動處理發(fā)動機啟動程序、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。

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　　圖2(a) 發(fā)動機測量控制

　　圖2(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7種氣體的流量。我們利用這些數(shù)據(jù)對發(fā)動機性能進行分析，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3所示。

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　　圖2(b) 設(shè)置模擬生物質(zhì)氣體燃料混合比程序的前面板

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　　圖3 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，當我們在實驗基礎(chǔ)上制造生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動機控制系統(tǒng)時，我們只需要改動軟件就可以實現(xiàn)新的系統(tǒng)，從而提高進一步開發(fā)的效率。