生物質氣體燃料發(fā)動機開發(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。"

– 東京大學大學院 工學系研究科・機械工學専攻・金子研究室, 戸松 豪氏

The Challenge:
    分析和評估氣體燃料成分的差異對生物質燃料發(fā)動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)動機和模擬生物質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
    東京大學大學院 工學系研究科・機械工學専攻・金子研究室 - 戸松 豪氏

有機物質通過發(fā)酵和熱解產(chǎn)生生物質氣體，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氣體燃料的燃燒分析，作為生物質氣體燃料發(fā)動機開發(fā)的第一步，使用的模擬生物質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，模擬生物質氣體燃料生成器為發(fā)動機提供模擬生物質氣體燃料，數(shù)據(jù)采集設備采集實驗數(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，我們每一度曲軸轉角采樣一次（標定轉速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)動機運轉過程中，我們必須利用執(zhí)行機構（如氣門、質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)提前設定的實驗條件。在實驗中同時操作多臺設備并監(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。

生成模擬生物質氣體
    七個生物質流量控制器獨立監(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氣體，這是一個復雜的過程。

系統(tǒng)結構
    為同時操控七個控制器，我們在發(fā)動機測量設備和模擬生物質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)動機測量控制系統(tǒng)和模擬生物質氣體燃料生成系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)我們都采用LabVIEW來進行軟件開發(fā)。

圖2. 為同時操控七個控制器，我們在發(fā)動機測量設備和模擬生物質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以旋轉編碼器的信號為基準在每一個曲軸轉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，如離合器、自啟動電機、節(jié)氣門和質量流量控制器；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同步控制七個質量流量控制器，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。

結果
    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。由于不需要進行多種語言混合編程，因而進一步節(jié)省了時間。

圖3(a). 發(fā)動機測量控制

圖3(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。

圖3(b). 設置模擬生物質氣體燃料混合比程序的前面板

圖3(b) 是設置模擬生物質氣體燃料混合比程序的前面板，可以分別設置和監(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4所示。

圖4. 分析

結論
    采用LabVIEW，我們成功地為一臺生物質氣體燃料發(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，當我們在實驗基礎上制造生物質氣體燃料發(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。