摘 要

柴油机示功图采集系统可以由传统的仪表系统组成。但是，由于传统手段功能缺乏灵活性，尽管投入大量资金，但有时难以满足任务不断变化带来的多样化需求。包含与柴油机性能相关的丰富信息。它全面反映了柴油机的热转换过程和工况。结合其结构参数，可以获得重要的性能指标，如平均指示压力，指示功率和每个气缸的最大爆破压力。本文开发一套基于LabVIEW平台的测试软件，该软件支持了内燃机的示功图分析分析系统。系统开发过程主要围绕以下内容展开：

（1）根据柴油机燃烧特性，结合数据采集的要求以及测试技术，选择数据采集系统的硬件。

（2）完成基于LabVIEW的编程，构成一个高效的数据采集系统，可以实时记录测得的气缸压力曲线;它可以实现存储信号的回放和分析。

（3）对柴油机进行了测功机测试分析测试，验证测功机测试分析仪的功能，准确性和可靠性。测试分析系统性能稳定，功能齐全。它提供了用于监测柴油机性能状态的测试和分析技术。意味着达到精确测试分析测功机的技术要求。

关键词：柴油机；示功图；LabVIEW；数据采集

ABSTRACT

The diesel engine dynamometer acquisition system can be composed of traditional instrument systems. However, due to the lack of flexibility in the functions of traditional instruments, it is sometimes difficult to meet the diversified demands arising from the continuous changes in the tasks, despite the large capital investment. Contains a wealth of information related to the performance of the diesel engine. It comprehensively reflects the thermal conversion process and working conditions of the diesel engine. Combined with its structural parameters, it can obtain important performance indicators such as the average indicating pressure, indicating power, and maximum burst pressure of each cylinder. This article has developed and developed a test software based on the LabVIEW platform, which constitutes a test graph analysis and analysis system for an internal combustion engine. The system development process mainly revolves around the following contents:

(1) According to the diesel combustion characteristics, combined with the requirements of dynamometer test, the hardware of the data acquisition system is selected.

(2) Completion of programming based on LabVIEW, constitutes an efficient data acquisition system that can record the measured cylinder pressure curve in real time; it can achieve playback and analysis of stored signals.

(3) The dynamometer test analysis test was performed on the diesel engine to verify the function, accuracy and reliability of the dynamometer test analyzer. The test and analysis system was stable in performance and complete in function. It provided a test and analysis technique for monitoring the performance status of the diesel engine. Means to achieve the technical requirements of accurate test analysis dynamometer.

Keywords: diesel engine; power diagram; LabVIEW; data acquisition

目 录

第一章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文主要研究内容 2

第二章 硬件选型 3

2.1 传感器选型 3

2.2 电荷放大器 4

2.3 曲轴转角传感器 5

2.4 数据采集卡 6

第三章 示功图测试分析软件开发 8

3.1 软件开发平台 8

3.2 软件功能设计 8

3.3 数据采集模块 8

3.4示功图信号的分析与处理 9

3.4.1 上止点位置的确定 9

3.4.2多循环数据平均化处理 10

3.4.3数据光顺模块 11

3.5 性能参数确定计算 13

3.5.1示功图的转换 13

3.5.2柴油机燃烧放热规律计算 13

3.5.3柴油机性能参数计算 15

3.5.3.2压缩压力与膨胀压力计算 17

3.5.3.3平均指示压力与平均指示功计算 17

3.5.3.4燃烧起始时刻算法 17

3.5.3.5燃烧终点算法: 17

3.6示功图分析程序流程 18

3.7测试分析程序界面 18

第四章 示功图测试分析仪试验验证 20

4.1发动机台架 20

4.2示功图测试分析试验 20

4.2.1 1000rpm-55kW（25%负荷）工况试验 20

4.2.2 1000rpm-88kW（40%负荷）工况试验 22

4.2.3 1000rpm-110kW（50%负荷）工况试验 23

4.2.4 1000rpm-165kW（75%负荷）工况试验 25

4.2.5 1000rpm-220kW（100%负荷）工况试验 26

4.2.6试验小结 28

第五章 结论与展望 30

参考文献 31

致 谢 32

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

示功图图直观地反映了气缸压力与气缸容积的对应关系，是研究和判断柴油机工作状况，计算基本性能参数，强度计算和放热规律的重要依据。它是研究内燃机的周期性变化，摩擦损失和泵。提到空气损失是实现柴油机最优控制和实现内燃机状态监测和故障诊断的重要途径之一。同时，示功图也是燃烧过程数学模型准确性的评估标准，也是排放预测的基础。因此，发动机燃烧室内的压力特性的可视化对于发动机的分析特别重要。柴油机测功机采集系统可以由传统的仪表系统组成。然而，由于传统工具功能缺乏灵活性，尽管投入大量资金，但有时难以满足不断变化的任务所带来的多样化需求。虚拟仪器技术改变这种状况开创了仪器用户可以成为仪器设计师的新时代。虚拟仪器充分利用计算机的硬件和软件资源，以软件技术为核心，使计算机成为具有数据信号采集，控制和分析功能的处理中心，以电脑化取代传统电子仪器。 LabVIEW作为一个开放的虚拟仪器开发平台，为面向仪器的编程提供了强大的支持。

1.2 国内外研究现状

内燃机燃烧分析系统由高速数据采集系统和数据分析系统组成。一些生产内燃机测试系统的外国公司已经开发了基于缸内压力测量的燃烧分析系统。 20世纪80年代由日本小野监测器于20世纪80年代投放市场并于20世纪80年代推出的CB-366燃烧分析仪是专门用于研究内燃机燃烧过程的测试和分析仪器。与奥地利的AVL-646,656法国DIGITAP等专用分析仪相比，其突出的特点是体积小，操作方便，可携带到现场进行实时分析，基本可以满足一般研究需要。但是，该仪器使用磁带来记录数据。不利于快速的数据访问。 1984年，小野推出了四通道CB-466，随后引入了带有软盘驱动器的CB-467，并于1986年引入了大容量存储器CB-566，瞬态条件处理软件无法解决的高价格的事实无法根据需要改变。这是上述国外测试系统的一个致命缺陷。针对这些缺陷，许多国内单位已经开发了基于通用微型计算机的燃烧分析系统。例如，浙江大学采用单板微机开发的内燃机测功机车辆处理系统，西安交通大学开发的内燃机燃烧分析仪^[18]，上海内燃机EAS800内燃机燃烧分析系统燃烧发动机研究所^[17]，山东工业大学DCA 1内燃机燃烧分析仪^[19]，天津大学内燃机多参数测控与燃烧分析系统。上海好耐电子科技有限公司推出的HR-CA-B和P系列燃烧分析仪不仅能精确设置每度曲轴转角内采样点的个数和采集循环数，而且在采集过程中能实时计算和表征内燃机工作过程的压力升高率、平均指示压力、循环变动率、放热率等参数^[25]。系统由电荷放大器、AD采集、DA模拟量输出、燃烧分析仪软件构成。此分析仪具有全中文界面、操作简单、使用维护方便、功能便于扩充、价格合理等优点。

这些系统受诸如当时微型计算机的存储器，A / D转换速度等因素的影响。硬件级别无法与进口产品竞争。然而，软件开发具有与进口产品类似的特点和功能，可以满足一般的研究需要。

内燃机测试技术的发展是研究和判断发动机工作状态和性能的最重要依据。精确测量功率图的意义重大。近年来，随着电子计算机技术，光学技术，通信技术，遥控技术，自动化技术和模态识别技术的迅速发展和广泛应用，内燃机测试技术已经适应现代动力机械和工程，并且也正面临新的飞跃。 Russ Turley等人从国外使用LabVIEW开发内燃机测试软件^[16]，主要用于内燃机的性能测试。 Alden Cramer等人使用LabVIEW开发内燃机在线监测系统^[12]。 PMI是一套B＆W公司的柴油发动机热功率测试和检测系统。它将清单中具有分析价值的数据传递给列表，并且可以为每个气缸油泵机架VIT机架提出调整参数，以便引导柴油机动力。平衡调整有助于管理主机条件。瑞士奇石乐开发的奇石乐6152AA燃烧分析仪，便携式，适用于工作台和车载燃烧分析。它基于Windows系统，易于升级。它也可以用作高性能通用数据采集系统。产品包括：KISTLER 6125B压力传感器，KISTLER力传感器，KISTLER加速度计，KISTLER电子压头，KISTLER分析软件。奥地利AVL公司研制的AVL670燃烧分析仪，是目前国际上最先进的发动机数据采集和分析设备。与过去的同类产品相比，AVL670燃烧分析仪的一个突出特点是图形处理功能非常强大，因此AVL670的许多实际应用更加直观和方便。

内燃机检测技术的威力在中国发展迅速。大部分内燃机测试技术人员加强了对进口高级测试设备的消化吸收，加快了采用新技术的步伐，注重测试方法的研究，提高了自制仪器设备的水平。特别是国内的大学和研究机构开发了快速的测试技术。

1.3 本文主要研究内容

示功图试验分析仪软件开发的意义在于对内燃机运行状态的监测，为诊断柴油机运行状况，保证船舶安全稳定运行提供了重要依据和参考。测功机测试分析仪必须确保测试的安全性和稳定性，测试结果的准确性以及友好的人机界面。为确保上述内容，以下内容成为分析仪软件开发的重要发展方向：

（1）硬件选择：硬件选择包括压力传感器，电荷放大器，曲柄角传感器和数据采集卡的选择。在数据采集过程中，采集硬件必须能够确保在测试条件下安全稳定的运行，并确保数据。高精度和其他要求的集合。

（2）软件编制：船用内燃机示范图测试系统软件基于LabVIEW平台。编写的主要内容是数据采集模块，数据处理模块，数据分析模块和前面板人机交互界面设计。软件编程的目的是实现对内燃机运行参数的实时采集和分析，获取分析运行工况所需的图形和重要参数，实现人机界面友好的前面板编辑。

（3）台架实验：台架实验是为了验证本文实际操作中开发系统的可靠性和准确性，并调试程序以满足相应要求，记录测试采集数据，并进一步验证分析结果柴油机的运行状态。

第二章 硬件选型

2.1 传感器选型

在柴油机测试中,凡是利用压电式或电阻式传感器丈量气缸内压力,利用磁电式或光电式曲轴转角发生器反映曲轴转角的转变。在电子示功装置中，压力传感器是一个核心环节，不同的压力传感器决定着不同的测量电路^[1]。基本上，示功装配按所采取的压力传感器的分歧举行分类，并且习惯上也多以其传感器定名示功装配。压力传感器一般分为电阻应变式，压电式，电容式，电感式等。所以电子示功装置亦可分为电阻应变式示功装置，压电式示功装置，电容式示功装置和电感式示功装置等。传感器主要由压力传感器、上止点和转速传感器组成，其中压力传感器选用Kistler公司的7613C水冷式监测用压力传感器^[21]，该传感器是专门用于内燃机缸压测量的耐高温绝缘压力传感器，不需要额外的冷却装置，而且具有与地绝缘设计，以避免其与地面之间回路的电磁干扰。在飞轮端安装磁电式上止点传感器和角标传感器。

应用于内燃机的高温压力传感器一般有压阻式和压电式两种形式，本文选用的传感器类型为压电式压力传感器。压电式传感器敏感元件是安装在膜片后的压电晶体，压电晶体可输出与将作用在晶体上的力成正比的电荷，通过外电路测量电荷多少感知压力大小。压电式传感器与压阻式传感器相比，压电式传感器感受的是力而不是变形，其膜片变形小，频率响应高，使用寿命更长。

表2-1 KISTER 7613C 气缸压力传感器部分参数

图2-1Kistler 7613C压力传感器

2.2 电荷放大器

压电传感器在缸压信号采集过程中，压电晶体受力后会产生微弱的电荷信号，电荷信号需要通过电荷放大器转换成成比例的电压信号，才能经由数据采集卡采集。本文选用Kistler 公司 5118B2型单通道电荷放大器^[22]。

图2-2-1Kistler5118B2 型电荷放大器外形

表2-2Kistler50118B2电荷放大器技术参数

2.3 曲轴转角传感器

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