LabVIEW测量内燃机气缸压力

由于是燃料/空气混合物的燃烧产生的压力产生了发动机的扭矩和动力，所以在发动机研发中zui重要的检查参数就是在压缩和做功冲程中的气缸压力大小及其定时。进气歧管的台架测试是在恒流情况下记录一定压降下的气流情况。但当安装在发动机上后，进气歧管的气流就变成了受活塞运动、进气阀面积、气阀定时和重叠时间以及流道形状影响的非恒流过程。这些参数的共同作用，往往会导致多缸发动机不同气缸进气差异。

优化发动机性能的*步就是设计进气歧管和气阀系以zui大限度的给每一个气缸提供等量空气。对于给定的压缩比和进气口温度，操作者可以通过测量点火之前压缩冲程中的气缸压力来获得进气信息。因为油气混合物的燃烧是一个复杂的反应过程，牵涉到很多气缸的几何因素以及其它因素，如油气混合情况、汽油辛烷值、燃料当量比、发动机温度、空气温度和湿度，以及点火时间等—— 调整这些参数，以获得很好的性能，将是一个相当大的挑战。

通过观察气缸压力测量值以及峰值压力相对活塞顶死中心（Top-dead-center, TDC）的位置，发动机技术人员可以迅速将发动机调校到很好性能。由燃烧质量分数可见，对于大多数传统发动机而言，如果峰值压力出现在TDC之后12到15度，并且燃烧发生在TDC附近的等容阶段时，发动机将表现出很好性能。但在给定压缩比和燃油辛烷值情况下，为了达到很好性能所采取的点火提前可能会因为严重的火花爆击现象而导致气阀过热。因此，在性能优化过程中，发动机技术人员需要检测TDC之后的10和40度之间火花爆击的气缸压力。如果检测到爆震，点火提前必须取消，以避免活塞受损。

系统描述

我们选择LabVIEW开发OPTIMIZER，是因为它在整合数据采集和分析功能方面的灵活性，*无需其它支持软件。我们设计该系统用于测量气缸压力，并以图形形式展示气缸压力测量值，从而使发动机技术人员可以评估发动机在不同运行速度和载荷情况下，设计改进和运行条件的变化对于其性能的影响。每一个气缸的压力分布可以在多个发动机转速和任意数量的发动机周期中平均获得。上一页的图显示了一个经100个周期平均而来的压力体积对数图。压力分析所得的参数将被记作曲柄角度的函数，并与其标准差一起记录在表格中。技术人员可以在其中一个低速通道中记录测功机的扭矩，并和压力测量计算出的制动马力进行比较。其差值就是摩擦和泵气的损失值。

为了开发一种低成本的基于PC的数据采集（DAQ）系统用于气缸压力测量，我们选择Optrand光纤压力传感器。这种相对廉价的传感器已被成功运用于很多监测系统的开发中。在发动机运行和控制应用中，单个传感器累计会进行800多万个周期的数据 采集。除了提供5 V的满程电压以外，该传感器还有一个可用于监测的指示信号，以确保压力信号有效。我们使用NI的数据采集卡测量压力传感器信号，并使用一个分辨率为0.36度的光电编码器来触发信号采集。为了保证编码器索引脉冲与发动机的TDC正确对齐，我们还使用了Philtec光纤位移传感器在发动机测试中准确判断TDC位置。使用这种技术测量TDC将不再需要引入索引轮和标记。

系统架构

在基于LabVIEW的测量系统里，发动机技术人员将使用一系列子程序设定发动机参数和传感器参数、确定TDC、采集随发动机转速变化的数据，并以各种形式展示测量和计算结果。发动机启动屏幕则在相邻的图中显示。

结论

为了优化发动机的性能，我们利用DAQ板卡和LabVIEW采集并分析内燃机气缸的压力，开发了一款低成本的基于PC的数据采集分析系统。我们使用低廉的光纤压力传感器和光纤位移传感器来确定TDC。光学编码器则用于触发DAQ板卡和计时。目前我们已经开发出了针对汽油和柴油发动机的不同版本系统。以后我们将进一步升级系统，以求在非常高的转速下完成同步采集以及准确的泵平均有效压力（Mean effective pressure, MEP）测量工作。

在基于LabVIEW的测量系统里，发动机技术人员将使用一系列子程序设定发动机参数和传感器参数、确定TDC、采集随发动机转速变化的数据，并以各种形式展示测量和计算结果。发动机启动屏幕则在相邻的图中显示。

LabVIEW测量内燃机气缸压力