為生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動機(jī)開發(fā)測量控制系統(tǒng) 2011-05-24 13:36:32來源:互聯(lián)網(wǎng)

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　　"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(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間。另外，從測量到分析的整個(gè)過程都可以采用LabVIEW來完成，從而提高了效率。"

　　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(gè)輸入輸出信號。

　　Author(s):

　　Go Tomatsu - The University of Tokyo, Department of Mechanical Engineering

　　東京大學(xué)大學(xué)院 工學(xué)系研究科機(jī)械工學(xué)専攻金子研究室 - 戸松 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?dú)猓┫嗷セ旌?。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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　　使用這些裝置進(jìn)行發(fā)動機(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，同步測量信號和提高機(jī)械運(yùn)行效率是實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)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(shí)燃料和空氣流量以及發(fā)動機(jī)各點(diǎn)的溫度和壓力。此時(shí)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(shí)，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(shí)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(diǎn)火定時(shí)以實(shí)現(xiàn)提前設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件。在實(shí)驗(yàn)中同時(shí)操作多臺設(shè)備并監(jiān)測發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀況是實(shí)驗(yàn)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(gè)生物質(zhì)流量控制器獨(dú)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(shí)控制七個(gè)控制器以生成任意混合比的模擬生物質(zhì)氣體，這是一個(gè)復(fù)雜的過程。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　為同時(shí)操控七個(gè)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(gè)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)。

　　發(fā)動機(jī)測量控制系統(tǒng)我們使用了一個(gè)NIPXI-8176控制器，PXI-6071E模擬輸入多功能數(shù)據(jù)采集（DAQ）模塊，一個(gè)PXI-6733高速模擬輸出模塊，以及PXI-6602定時(shí)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(gè)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(diǎn)火信號。NI硬件統(tǒng)一了運(yùn)行發(fā)動機(jī)時(shí)需要操作的各個(gè)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(shí)際流量。PC同步控制七個(gè)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