潘鎖柱，韓志強

(西華大學　汽車與交通學院，成都　610039)

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熱能與動力工程專業(yè)綜合設計實驗探索

潘鎖柱，韓志強

(西華大學汽車與交通學院，成都610039)

摘要針對熱能與動力工程專業(yè)綜合設計實驗教學，設計了一個車用發(fā)動機缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)采集與分析實驗。介紹了實驗原理、實驗系統(tǒng)的硬件和軟件及實驗過程，分析了實驗結(jié)果。學生通過實驗系統(tǒng)的構建、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計以及虛擬儀器技術的運用，提高了科技實踐技能、拓展了思維和分析解決實際問題的能力，綜合素質(zhì)得到了培養(yǎng)。

關鍵詞綜合設計實驗；發(fā)動機；數(shù)據(jù)采集；缸內(nèi)壓力

實驗教學是高等教育中培養(yǎng)學生動手能力、分析問題、解決問題的重要手段之一，在培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力方面具有至關重要的作用[1-2]。熱能與動力工程專業(yè)綜合設計實驗旨在培養(yǎng)本科學生的綜合能力、工程實踐能力和創(chuàng)新意識，是深化實驗教學改革、提高實驗教學質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)具有知識型、創(chuàng)新型和復合型人才的重要措施之一[3]。綜合設計實驗作為開設在熱能與動力工程專業(yè)多門專業(yè)基礎課之后的綜合性實驗課程，實驗內(nèi)容著力于體現(xiàn)實驗訓練的綜合性，將學生前期所學的專業(yè)基礎理論知識、實驗知識、測試手段以及儀器使用等實現(xiàn)綜合應用，從而使學生的科學思維能力、綜合能力和創(chuàng)新意識得到進一步地提高[4-5]。針對這一目標，結(jié)合本校熱能與動力工程(汽車發(fā)動機方向)專業(yè)的相關實驗教學工作以及本課題組的相關研究成果，本文提出了一個適合于熱能與動力工程專業(yè)的“車用發(fā)動機缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)采集與分析”綜合設計實驗。

1實驗目的

1)掌握車用發(fā)動機缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)采集的基本原理與方法；

2)熟悉內(nèi)燃機缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構成及相關硬件；

3)熟悉虛擬儀器(LabVIEW軟件)技術在數(shù)據(jù)采集中的應用；

4)了解車用發(fā)動機缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)的處理與分析。

2實驗原理

數(shù)據(jù)采集是指利用傳感器技術將各種電量或者非電量的物理量(如溫度、壓力、電壓、電流、位移等)轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過信號調(diào)理設備處理后傳輸至上位機中，進而在上位機中通過采集軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理分析、圖形顯示和存儲的過程；與之相應的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一個完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常由硬件和軟件兩部分組成。

本實驗所設計的車用發(fā)動機缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)工作原理是：在內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)過程中，采用安裝于內(nèi)燃機氣缸上的壓電式缸壓傳感器對缸內(nèi)壓力進行測量，并將測得信號傳輸至電荷放大器，經(jīng)過信號放大處理后再傳送給A/D數(shù)據(jù)采集卡。同時，由與內(nèi)燃機曲軸同軸安裝的角標儀產(chǎn)生上止點信號和曲軸轉(zhuǎn)角信號，信號經(jīng)過調(diào)理電路的濾波和整形后，作為A/D數(shù)據(jù)采集卡的外部觸發(fā)信號和時鐘信號。在數(shù)據(jù)采集過程中，當A/D數(shù)據(jù)采集卡檢測到上止點信號的上升沿或者下降沿時，便實現(xiàn)外部觸發(fā)，開始對壓力數(shù)據(jù)進行實時采集，并且在每一次檢測到曲軸轉(zhuǎn)角信號上升沿或者下降沿時均對采集得到的缸壓信號進行一次A/D轉(zhuǎn)換、讀取和存儲，工作原理如圖1所示。此外，采集過程中，A/D數(shù)據(jù)采集卡與工控機保持實時通信并進行數(shù)據(jù)傳輸，將所獲得的數(shù)據(jù)進行存儲、顯示和分析等，進而獲得內(nèi)燃機的工作過程信息。

圖1　內(nèi)燃機缸內(nèi)壓力采集原理圖

3實驗內(nèi)容與步驟

3.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件

實驗設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件主要包括實驗發(fā)動機、測功機、角標儀、缸壓傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡和工控機，總體結(jié)構如圖2所示。實驗發(fā)動機為綿陽新晨動力機械有限公司生產(chǎn)的DK4A型柴油機；測功機為四川誠邦測控技術有限公司生產(chǎn)的YVP280m型電力測功機，用于實驗柴油機的工況控制；缸壓傳感器為瑞士Kistler公司生產(chǎn)的6125C型壓電式缸壓傳感器，測量范圍為0～3×107Pa；電荷放大器為瑞士Kistler公司的5064型電荷放大器，測量范圍為±1×10-10～±1×10-7C；數(shù)據(jù)采集卡為美國NI公司的USB-6259高速數(shù)據(jù)采集卡，主要用于信號A/D轉(zhuǎn)換，具有32路模擬輸入，4路模擬輸出，采樣頻率達1.25 kS/s；角標儀選用Kex 40S6-720P5VE型增量式光電編碼器，可分別輸出上止點信號和曲軸轉(zhuǎn)角信號。

圖2　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件示意圖

3.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件是基于LabVIEW軟件采用模塊化設計思想進行開發(fā)設計的，軟件系統(tǒng)結(jié)構和數(shù)據(jù)采集程序分別如圖3和圖4所示。該系統(tǒng)主要包括程序初始化、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析3部分。

圖3　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件結(jié)構示意圖

圖4　數(shù)據(jù)采集程序

1)初始化程序：程序的主要功能是創(chuàng)建登錄界面并進行實驗相關參數(shù)設置，主要包括程序運行過程中各種變量設置與賦值、發(fā)動機基本參數(shù)的錄入、采集通道的設置、程序的輸出與保存路徑設置等。

2)數(shù)據(jù)采集程序：主要是結(jié)合采集系統(tǒng)硬件實現(xiàn)對發(fā)動機缸內(nèi)壓力的實時采集，并對獲得的缸壓數(shù)據(jù)進行實時動態(tài)分析，通過計算可以得到示功圖、壓升率、最大爆發(fā)壓力、壓升率的峰值，及其各參數(shù)所對應的曲軸轉(zhuǎn)角等反映發(fā)動機工作過程的詳細信息，同時可進行實時顯示和數(shù)據(jù)存儲，以便對發(fā)動機的工作過程進行監(jiān)測。

3) 數(shù)據(jù)分析：主要對獲得的缸壓數(shù)據(jù)進行處理，以獲得反映發(fā)動機工作過程的相關性能指標以及相關曲線，并具有批處理功能，主要對示功圖、壓升率、最大爆發(fā)壓力、壓升率的峰值等指標進行數(shù)據(jù)處理。

3.3實驗過程及步驟

1)對實驗系統(tǒng)硬件進行連接與調(diào)試，包括發(fā)動機、測功機、缸壓傳感器、電荷放大器、角標儀、采集卡等的機械連接與電氣連接，并對相關儀器設備進行調(diào)試保證其正常工作。

2)對發(fā)動機進行例行檢查，檢查其冷卻水量和機油量是否符合要求。

3)啟動發(fā)動機并進行暖機，使發(fā)動機冷卻水溫和機油溫度分別預熱至(85±1)℃和(90±1)℃。

4)通過測功機的控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)發(fā)動機運行工況，使發(fā)動機運行于實驗要求的轉(zhuǎn)速與負荷條件下，待工況穩(wěn)定后進行實驗。

5)運行采集系統(tǒng)軟件，對實驗工況下的缸內(nèi)壓力進行數(shù)據(jù)采集，并應用軟件對相關性能指標進行實時顯示與存儲。

4實驗結(jié)果及分析

圖5為發(fā)動機轉(zhuǎn)速分別為1 400，1 800，2 000 r/min，輸出扭矩恒定為50 N·m條件下，實驗測得的缸內(nèi)壓力和壓升率曲線。

1)實驗測得的曲線充分顯示了缸內(nèi)壓力和壓升率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化趨勢，均出現(xiàn)了雙峰。缸內(nèi)壓力出現(xiàn)雙峰主要是由于實驗過程中采用了“預噴+主噴”的兩次燃油噴射方式。預噴是在壓縮行程早期噴入部分燃油使燃油提前與空氣混合，提高缸內(nèi)壓力與溫度；主噴是在壓縮行程后期噴入適量燃油，以保證發(fā)動機的動力輸出。該噴油方式能夠有效地促進柴油和空氣的混合，提高混合氣質(zhì)量，改善燃燒過程，從而改善柴油機的動力性、經(jīng)濟性和排放性，并導致缸內(nèi)壓力呈現(xiàn)雙峰。圖5形象生動地向?qū)W生展示了發(fā)動機工作指標的變化歷程，有助于學生對發(fā)動機工作過程的認識和理解。

(a) 缸內(nèi)壓力曲線

(b) 壓升率曲線　　圖5　不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機缸內(nèi)壓力和壓升率曲線

2)由兩組測量曲線可知，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高，最大爆發(fā)壓力和壓升率最大值均呈逐漸增加的趨勢，并且隨著轉(zhuǎn)速的增加，最大值出現(xiàn)時刻越早。因此，在實驗教學過程中，可以啟發(fā)學生進行上述類似的實驗結(jié)果分析，并且教師給予適當?shù)闹v解，可對理論課中的某些知識點給予有力的補充。

3)實驗過程中，可啟發(fā)學生對曲線中的特征參數(shù)進行分析，如分析不同工況下的最大爆發(fā)壓力和最大壓升率的數(shù)值及其所對應的曲軸轉(zhuǎn)角，能夠有效地增強學生的學習興趣，加深學生對理論課中較抽象基礎知識的理解。

5結(jié)束語

本實驗通過對車用發(fā)動機缸內(nèi)壓力的采集，能

夠?qū)崟r、準確地分析發(fā)動機工作過程中氣缸內(nèi)壓力等參數(shù)的變化歷程及其影響因素，有助于學生對發(fā)動機工作過程的理解，幫助學生更好地掌握發(fā)動機原理等課程中較為抽象的內(nèi)燃機理論循環(huán)、實際循環(huán)、燃燒過程等基礎理論知識。同時，實驗還涉及軟件設計、采集技術、信號處理等知識以及多種硬件設備，有助于培養(yǎng)學生的實踐技能。此外，本實驗具有較好的擴展空間，可根據(jù)實驗教學的需要開發(fā)其他新的測試項目，如瞬時轉(zhuǎn)速采集、高壓共軌壓力采集等，并可使學生參與其中，激發(fā)學生的學習興趣。因此，通過本綜合實驗項目的訓練，可達到培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和綜合能力的目的。

參 考 文 獻

[1]李德平.高校創(chuàng)新人才的培養(yǎng)與實踐教學體系的構建[J].遼寧教育研究，2007(4)：75- 77.

[2]張雙才，王友明，羅聯(lián)社.優(yōu)化結(jié)構完善機制建設高素質(zhì)的實驗技術隊伍[J].實驗室研究與探索，2007，26(6)：115-118．

[3]張小林，周美華，李茂康.綜合性、設計性實驗教學改革探索與實踐[J].實驗技術與管理，2007，24(7)：94-96.

[4]曲金澤.綜合性設計性實驗教學的實踐[J].實驗室研究與探索，2005，24(S2)：68-69．

[5]施鼎方，徐竟成，朱毓秀，等.開設綜合性實驗項目促進創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].實驗室研究與探索，2012，31(8)：85-87.

收稿日期:2015-08-18；修改日期: 2015-09-20

基金項目：國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201410623001)；四川省教育廳項目(14ZB0128)。

作者簡介：潘鎖柱(1980-)，男，博士，講師，主要從事內(nèi)燃機排氣污染物生成機理及其控制技術方面的研究。

中圖分類號TK4；G424.31

文獻標志碼A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.005

Exploration on Comprehensive Design Experiment for the Major of Thermal Energy and Power Engineering

PAN Suozhu，HAN Zhiqiang

(School of Automobile and Transportation，Xihua University，Chengdu 610039，China)

AbstractThis paper proposed a comprehensive experiment for the major of thermal energy and power engineering，which is data acquisition and analysis of in-cylinder pressure from vehicle engine.Through establishment of experiment system，design of data acquisition system and application of virtual instrument technology，the experiment can improve the students’ abilities of technology practical skills，innovative thought，analyzing and solving practical problems.The comprehensive qualities of students have been cultivated.

Key wordscomprehensive design experiment;vehicle engine;data acquisition;in-cylinder pressure