开发用于生物质气体燃料发动机的测量控制系统

作者：

Go Tomatsu - 东京大学机械工程系
東京大学大学院 工学系研究科・機械工学専攻・金子研究室 - 戸松 豪氏

生物质气体由有机物质的发酵或热解产生，​其中​的​可燃​气体​（如​甲烷​[CH4]和​氢气​[H2]以及​一氧化碳[CO]）​与​非​可燃​气体​（如​二氧化碳​[CO2]和​氮气[N2]）​相互​混合。​所用​原材料​的​生​物质​资源​种类​、气化​方法​的​不同​以及气化炉​内​温度​波动​而​引起​的​改变，​都会​使​气体​混合​比​产生​变化。​此外，​生​物质​气体包含​低热值气体（H2和CO）​和​不可​燃​气体​（CO2和​N2），​因此​其​热​值​低于市政燃气，​这​可能​会​在​发动​机​运行​时​引起​很多​问题。

为了开发生物质气体燃料发动机，我们必须了解燃料热值和气体成分的差异对发动机运行条件的影响。我们开发​生​物质​气体​燃料​发动​机​的​第​一步是，对​一台​实验​发动​机​完成​了​仿真​生​物质​气体​燃料​的​燃烧​分析，所​使用​的​仿真​生​物质​气体​燃料​是​由​多种​气体​成分​以​任意​比例​混合​而​成​的。 

在​发动​机​运行​实验​中，​仿真​生​物质​气体​燃料​发生器为​发动​机​提供仿真​生​物质​气体​燃料，而​数据​采集​设备负责​采集​实验​数据。

在使用这些装置进行发动机运行实验时，同步测量信号和提高机械操作效率是实验的两大主要问题。

测量

为了分析和评估燃料气体成分的差异对发动机​必要​运行条件的影响，我们​测量​了​大量​数据，例如发动机运行时的燃料和空气流量，以及发动机各点的温度和压力。此时​，必须​保证​测量​与​发动​机​曲轴​的​运动​同步，便于后​续​分析。采样​率​需要​具有​灵活​性，​压力​信号​变化​剧烈，​我们​每一​度​曲轴​转​角​采样​一次​（标定​转​速​1,500 rpm​的​发动​机​需要​9,000 Hz​的​采样​率），​温度​变化​相对​较​慢，​曲轴​每​转​一圈​采样​一次。​此外，​输出​电压范围​因​传感器​放大器而异；​因此，​我们​对​每个通道都设定了范围，​以​获得更准确​的​测量。

发动机运行控制

起动​发动​机​时，​我们​必须​连接​离合​器，​转动​自起动​电机，​并在燃料​供给​建立​时​断开​离合​器。此外，​发动​机​运转​过程​中，​我们​必须​利用​执行​机构​（如​节气门、​质量​流量​控制器​和​火花塞）​调整​空气​和​燃料​流量​及​点火​定​时​，从而​实现​提前​设定​的​实验​条件。​在​实验​中​同时​操作​多台​设备​并​监测​发动​机​运行​状况​是​实验​人员​的​一大​麻烦，​提高​效率​十分​必要。  

生成仿真生物质气体

七个​质量流量​控制器​独立​监测​和​控制​六类​气体​（CH4、C2H4、H2、CO、CO2​和N2）​以及由汽缸供应的​市政燃气​13A​​的​流量。因此，​我们必须生成以任意比例混合的仿真生物质气体，并同时操作七个控制器，这个过程非常复杂。

系统结构

为​了同时​操​控​七个​控制器，​我们​在​发动​机​测量​设备​和​仿真生​物质​气体​燃料​生成​器​的​各个​输入​或输出​接口​统一​使用​NI​的​产品，​并​搭建用于​发动​机​测量​控制​和​仿真​生​物质​气体​燃料​生成的系统。针对这两​套​系统​，我们​​均采用LabVIEW来开发软件。

对于发动机测量控制系统，我们采用NI PXI-8176控制器、PXI-6071E模拟输入多功能数据采集(DAQ)模块、PXI-6733高速模拟输出模块以及PXI-6602定时和数字I/O模块。对于测量，我们采用PXI-6071E，以​旋转编码器​的​信号​为​基准，​在​每​个​曲轴​转​角​对​传感器​的​输出​进行​采样。​对于运行控制，我们​采用PXI-6733模块来操作执行​机构​（例如离合器、自起动电机、节​气门​和质量流量控制器），并采用PXI-6602来生成点火信号。NI硬件可整合在发动机运行时需要操作的各个​设备​发出的I/O信号。我们构建了一个系统来运行发动机，并使用PC来进行测量。

为了开发仿真生物质气体燃料生成系统，我们​采用了商用台式计算机和PXI机箱、PXI-6031E模拟输入多功能DAQ模块以及PXI-6733模块。PXI-6733的电压输入可控制每种气体成分的流量，PXI-6031E则用于测量实际流量。PC同时操控七个质量流量控制器，从而使系统做好准备，可以控制七种​以任意比例混合​的气体成分。

结果

在测量方面，我们成功实现了​对发动机曲轴运动的同步采样。此外，我们通过软件轻松设置了每通道的采样率以及测量范围。我们仅使用PC就完成了测试，​这​无疑简化​了​测试​操作。

我们​还采用LabVIEW来分析数据。​从​实验​到​分析​整个​过程​中，所有​工作​都可以​通过​LabVIEW​来​完成。​由于​不需要​进行​多种​语言​混合​编​程，​因而​进一步​节省​了​时间。

分别监控七种气体的流量。借助图2(b​)所​示的​分析​程序，我们​利用​​数据​对​发动​机​性能​进行​分析，​包括​输出功率、​热​效率、​输出功率​变动​系数​以及​燃烧​特性​（如​燃烧​开始​时刻​和​燃烧​持续​期）​​。

结论​

借助LabVIEW，我们成功构建了一款用于生物质气体燃料发动机的测量控制系统。我们构建系统所使用的软件可以提供灵活的设置，并可处理大量I/O信号，因此有效缩减​了​实验​时间。此外，从测量到分析的​整个​过程​均可通过LabVIEW来进行，使我们的效率得以提升。最后，​当​我们​在​实验​基础​上​制造用于​生​物质​气体​燃料​发动​机的​控制​系统​时，​我们​只需要​改​动​软件便可​获得新的​系统，​​进一步​提升了开发​效率。

作者信息：

Go Tomatsu
东京大学机械工程系