潘鎖柱，韓志強(qiáng)

(西華大學(xué)　汽車與交通學(xué)院，成都　610039)

?

熱能與動(dòng)力工程專業(yè)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探索

潘鎖柱，韓志強(qiáng)

(西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，成都610039)

摘要針對(duì)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，設(shè)計(jì)了一個(gè)車用發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)采集與分析實(shí)驗(yàn)。介紹了實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件和軟件及實(shí)驗(yàn)過程，分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及虛擬儀器技術(shù)的運(yùn)用，提高了科技實(shí)踐技能、拓展了思維和分析解決實(shí)際問題的能力，綜合素質(zhì)得到了培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；發(fā)動(dòng)機(jī)；數(shù)據(jù)采集；缸內(nèi)壓力

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育中培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、分析問題、解決問題的重要手段之一，在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力方面具有至關(guān)重要的作用[1-2]。熱能與動(dòng)力工程專業(yè)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)旨在培養(yǎng)本科學(xué)生的綜合能力、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，是深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)具有知識(shí)型、創(chuàng)新型和復(fù)合型人才的重要措施之一[3]。綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)作為開設(shè)在熱能與動(dòng)力工程專業(yè)多門專業(yè)基礎(chǔ)課之后的綜合性實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容著力于體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的綜合性，將學(xué)生前期所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)知識(shí)、測(cè)試手段以及儀器使用等實(shí)現(xiàn)綜合應(yīng)用，從而使學(xué)生的科學(xué)思維能力、綜合能力和創(chuàng)新意識(shí)得到進(jìn)一步地提高[4-5]。針對(duì)這一目標(biāo)，結(jié)合本校熱能與動(dòng)力工程(汽車發(fā)動(dòng)機(jī)方向)專業(yè)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作以及本課題組的相關(guān)研究成果，本文提出了一個(gè)適合于熱能與動(dòng)力工程專業(yè)的“車用發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)采集與分析”綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1)掌握車用發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成及相關(guān)硬件；

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

4)了解車用發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)的處理與分析。

2實(shí)驗(yàn)原理

數(shù)據(jù)采集是指利用傳感器技術(shù)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(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理設(shè)備處理后傳輸至上位機(jī)中，進(jìn)而在上位機(jī)中通過采集軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理分析、圖形顯示和存儲(chǔ)的過程；與之相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一個(gè)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(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的車用發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，采用安裝于內(nèi)燃機(jī)氣缸上的壓電式缸壓傳感器對(duì)缸內(nèi)壓力進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)得信號(hào)傳輸至電荷放大器，經(jīng)過信號(hào)放大處理后再傳送給A/D數(shù)據(jù)采集卡。同時(shí)，由與內(nèi)燃機(jī)曲軸同軸安裝的角標(biāo)儀產(chǎn)生上止點(diǎn)信號(hào)和曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)，信號(hào)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(hào)和時(shí)鐘信號(hào)。在數(shù)據(jù)采集過程中，當(dāng)A/D數(shù)據(jù)采集卡檢測(cè)到上止點(diǎn)信號(hào)的上升沿或者下降沿時(shí)，便實(shí)現(xiàn)外部觸發(fā)，開始對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并且在每一次檢測(cè)到曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)上升沿或者下降沿時(shí)均對(duì)采集得到的缸壓信號(hào)進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換、讀取和存儲(chǔ)，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(jī)保持實(shí)時(shí)通信并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和分析等，進(jìn)而獲得內(nèi)燃機(jī)的工作過程信息。

圖1　內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)壓力采集原理圖

3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟

3.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件主要包括實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)功機(jī)、角標(biāo)儀、缸壓傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為綿陽新晨動(dòng)力機(jī)械有限公司生產(chǎn)的DK4A型柴油機(jī)；測(cè)功機(jī)為四川誠(chéng)邦測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的YVP280m型電力測(cè)功機(jī)，用于實(shí)驗(yàn)柴油機(jī)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(cè)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(cè)量范圍為±1×10-10～±1×10-7C；數(shù)據(jù)采集卡為美國(guó)NI公司的USB-6259高速數(shù)據(jù)采集卡，主要用于信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換，具有32路模擬輸入，4路模擬輸出，采樣頻率達(dá)1.25 kS/s；角標(biāo)儀選用Kex 40S6-720P5VE型增量式光電編碼器，可分別輸出上止點(diǎn)信號(hào)和曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)。

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(shè)計(jì)思想進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的，軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(gòu)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)設(shè)置，主要包括程序運(yùn)行過程中各種變量設(shè)置與賦值、發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)的錄入、采集通道的設(shè)置、程序的輸出與保存路徑設(shè)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(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力的實(shí)時(shí)采集，并對(duì)獲得的缸壓數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分析，通過計(jì)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(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角等反映發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的詳細(xì)信息，同時(shí)可進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以便對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3) 數(shù)據(jù)分析：主要對(duì)獲得的缸壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以獲得反映發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的相關(guān)性能指標(biāo)以及相關(guān)曲線，并具有批處理功能，主要對(duì)示功圖、壓升率、最大爆發(fā)壓力、壓升率的峰值等指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.3實(shí)驗(yàn)過程及步驟

1)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件進(jìn)行連接與調(diào)試，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)功機(jī)、缸壓傳感器、電荷放大器、角標(biāo)儀、采集卡等的機(jī)械連接與電氣連接，并對(duì)相關(guān)儀器設(shè)備進(jìn)行調(diào)試保證其正常工作。

2)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行例行檢查，檢查其冷卻水量和機(jī)油量是否符合要求。

3)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并進(jìn)行暖機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫和機(jī)油溫度分別預(yù)熱至(85±1)℃和(90±1)℃。

4)通過測(cè)功機(jī)的控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行于實(shí)驗(yàn)要求的轉(zhuǎn)速與負(fù)荷條件下，待工況穩(wěn)定后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

5)運(yùn)行采集系統(tǒng)軟件，對(duì)實(shí)驗(yàn)工況下的缸內(nèi)壓力進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并應(yīng)用軟件對(duì)相關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5為發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)驗(yàn)測(cè)得的缸內(nèi)壓力和壓升率曲線。

1)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shì)，均出現(xiàn)了雙峰。缸內(nèi)壓力出現(xiàn)雙峰主要是由于實(shí)驗(yàn)過程中采用了“預(yù)噴+主噴”的兩次燃油噴射方式。預(yù)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(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。該噴油方式能夠有效地促進(jìn)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(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性，并導(dǎo)致缸內(nèi)壓力呈現(xiàn)雙峰。圖5形象生動(dòng)地向?qū)W生展示了發(fā)動(dòng)機(jī)工作指標(biāo)的變化歷程，有助于學(xué)生對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的認(rèn)識(shí)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(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力和壓升率曲線

2)由兩組測(cè)量曲線可知，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)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(shì)，并且隨著轉(zhuǎn)速的增加，最大值出現(xiàn)時(shí)刻越早。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，可以啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行上述類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，并且教師給予適當(dāng)?shù)闹v解，可對(duì)理論課中的某些知識(shí)點(diǎn)給予有力的補(bǔ)充。

3)實(shí)驗(yàn)過程中，可啟發(fā)學(xué)生對(duì)曲線中的特征參數(shù)進(jìn)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(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，能夠有效地增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)理論課中較抽象基礎(chǔ)知識(shí)的理解。

5結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力的采集，能

夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地分析發(fā)動(dòng)機(jī)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(xué)生對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的理解，幫助學(xué)生更好地掌握發(fā)動(dòng)機(jī)原理等課程中較為抽象的內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)、實(shí)際循環(huán)、燃燒過程等基礎(chǔ)理論知識(shí)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)還涉及軟件設(shè)計(jì)、采集技術(shù)、信號(hào)處理等知識(shí)以及多種硬件設(shè)備，有助于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能。此外，本實(shí)驗(yàn)具有較好的擴(kuò)展空間，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要開發(fā)其他新的測(cè)試項(xiàng)目，如瞬時(shí)轉(zhuǎn)速采集、高壓共軌壓力采集等，并可使學(xué)生參與其中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，通過本綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的訓(xùn)練，可達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和綜合能力的目的。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李德平.高校創(chuàng)新人才的培養(yǎng)與實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)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(gòu)完善機(jī)制建設(shè)高素質(zhì)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)隊(duì)伍[J].實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，24(7)：94-96.

[4]曲金澤.綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005，24(S2)：68-69．

[5]施鼎方，徐竟成，朱毓秀，等.開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目促進(jìn)創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410623001)；四川省教育廳項(xiàng)目(14ZB0128)。

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

中圖分類號(hào)TK4；G424.31

文獻(xiàn)標(biāo)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