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硕士论文内燃直线发电集成动力系统的测试与分析 摘要 “内燃直线发电集成动力系统”主要由自由活塞发动机和直线电机两大部分组成， 具有将燃料的化学能通过燃烧推动活塞做功，再利用直线电机直接转化为电能输出的功 能。系统有望发展成为新一代的节能环保性能优良同时具有较高性价比的汽车动力装 置，作为混合动力电动车辆的动力源得到应用。 本文主要针对内燃直线发电集成动力系统中的自由活塞发动机，采用虚拟仪器技 术，对其测试以及试验数据分析进行了研究。主要完成了如下工作： l 、根据自由活塞发动机的结构特性，分析其工作过程中的参数，设计了相应的数 据采集硬件系统。 2 、利用l a b v i e w 软件，完成了数据采集模块设计，实现对缸内参数的采集和实时 显示。同时，对采集到的数据进行了数据预处理，并存储。 3 、研究了燃烧放热率计算方法，根据本课题的研究需要，选取了单区计算模型， 并分析了各性能参数的计算方法。 4 、设计了数据分析模块，利用软件实现了分析功能，分析有关的各种信息：压力 升高率、缸内燃烧温度、燃烧放热率、指示功、指示燃油消耗率等。 5 、针对实际样机，进行了初步的测试及试验数据分析工作。 关键词：自由活塞发动机，虚拟仪器，燃烧放热规律，数据采集与分析 a b s t r a c t t h em a i np a r to ft h ei n t e r n a lc o m b u s t i o nl i n e a rg e n e r a t o ri n t e g r a t e dp o w e rs y s t e m ( i c l g ) i st h ef r e ep i s t o ne n g i n ea n dl i n e a rg e n e r a t o r t h ef r e ep i s t o nw a sp u s h e db yt h e c h e m i c a le n e r g yw h i c hw a sg a t h e r e db yt h ec o m b u s t i o no fg a s o l i n e t h e nt h el i n e a rg e n e r a t o r c h a n g e dt h ee n e r g yi n t oe l e c t r i cp o w e ra n de x p o r t e di t t h es y s t e mi sh o p e f u lt ob et h en e w g e n e r a t i o np o w e ro fv e h i c l ew h i c hh a st h ec h a r a c t e ro fp o w e rs a v i n ga n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i n gw i t ht h eh i g h e rp e r f o r m a n c ep r i c er a t i o i tw i l lb eu s e da st h ep o w e rs o u r c eo ft h e h y b r i dv e h i c l e d e p e n d i n go nt h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h em e a s u r ea n d a n a l y s i so ft h ef r e ep i s t o ne n g i n ew h i c hi sp a r to ft h ei c l g t h i sp a p e rm a i n l ya c h i e v e dt h e f o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k 1 、t h es y s t e mh a r d w a r ew a sd i s c u s s e di nt h i s p a p e rw h i c hw a sd e c i d e db yt h e p a r a m e t e r sn e e d e dt om e a s u r e c o n s i d e r i n gt h es t r u c t u r eo ft h ef r e ep i s t o ne n g i n ea n dt h e c h a r a c t e r so ft h ew o r k i n gp r o c e s s ，t h eh a r d w a r ew a s o b l i g a t e t om e e tt h ec o m m a n do f e x p e r i m e n t 2 、t h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ew a s d e s i g n e db yl a b v i e w d e p e n d i n go nt h ep r o g r a m w h i c hw a sd e v e l o p e d ，t h ed a t a a c q u i s i t i o na n dr e a l t i m ec u r v ed i s p l a yw a sa c h i e v e d m e a n w h i l et h ed a t aw h i c hw a so b t a i n e df r o mt h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r dw a sp r o c e s s e da n d c o n s e r v e d 3 、t h eh e a tr e l e a s er a t ec a l c u l a t i o nm e t h o d sw e r ed i s c u s s e da n da n a i y z e d c o n s i d e r i n g t h ec o m m a n do ft h i sr e s e a r c h ，t h ez e r o d i m e n s i o n a lm o d e lw a sc h o s e t h ea n a l y s i sp r o c e s s a n dt h ef o r m u l a t i o no ft h er e l a t i v ep a r a m e t e r sw e r ec o n f i r m e d 4 、t h ed a t aa n a l y s i sm o d u l ew a sd e s i g n e d t h ea c q u i r e dd a t aw a sp r o c e s s e da n d a n a l y z e dt oc o m et os o m er e s u l t s ，s u c ha sr a t eo fp r e s s u r er i s e ，c o m b u s t i o nt e m p e r a t u r e ，h e a t r e l e a s er a t e ，i n d i c a t e dw o r k ，a n di n d i c a t e ds p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o n ，a n ds oo n 5 、t h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i sw a se x e c u t e da c c o r d i n gt ot h em o d e l e n g i n e k e yw o r d s ：f r e ep i s t o ne n g i n e ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，h e a tr e l e a s er a t e ，d a t aa c q u i s i t i o n a n da n a l y s i s i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 川年莎月形日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：至伤l 衲 刁年石月彩日 硕士论文 内燃直线发电集成动力系统的测试与分析 1 绪论 1 1 课题研究背景 随着汽车生产规模和保有量的不断增加，发动机作为汽车的动力核心，需要其提供 越来越多的动力支持。在这一发展过程中，发动机与环境和能源之间的矛盾曰益突出。 在节能和环保的双重压力之下，人们开始对发动机技术进行改进，主要体现在两个方面： 改进常规发动机结构，减少其在能量传递过程中的损失，提高燃烧效率；寻求新技术， 将其与传统的发动机技术相结合，研究新型的动力装置。在对新技术、新能源的探索与 研究中，混合动力汽车是目前新型动力汽车中最具有产业化和市场化前景的车型，将电 力驱动与常规发动机动力驱动结合起来，其兼备了纯电动和常规发动机汽车的优点，能 够实现高效、低排放、无污染等目标，具有良好技术的新型混合动力装置是发动机技术 发展的重要方向。 “内燃直线发电集成动力系统( i n t e r n a lc o m b u s t i o nl i n e a rg e n e r a t o ri n t e g r a t e d p o w e rs y s t e m ，i c l g ) ”l l j 【2 j 是国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 课题 ( 2 0 0 6 从o s z 2 3 6 ) 。这是一种新型的动力装置，是能源结构变化和环境保护对新型动 力系统召唤的结果。系统主要由四行程发动机燃烧室、直线电机、可逆电能存储子系统 以及电控单元等构成，实现从燃料输入到电能输出的能量转换与传递功能。其中的自由 活塞发动机，最突出的特点是自由活塞。在取消了曲柄连杆机构的结构下，活塞运动的 上止点和下止点不受几何结构的约束，可以自由调整发动机工作行程，最重要的是在发 动机工作过程中，可以通过控制自由活塞的运动规律，提高压缩比，从而提高燃烧放热 率，实现经济性和动力性的同步提高 3 1 。 测试与分析技术在发动机的研究和生产过程中占有很重要的地位，由于发动机本身 工作的复杂性，发动机技术的每一步改进或提高都需要通过大量的试验，通过对发动机 测试能够对理论研究进行实际论证或对改进后的性能进行评估。测试分析技术在新型发 动机的研究过程中显得尤为重要，作为新型的动力装置，不管其在理论上多成熟，都需 要通过实际的试验，对动力性、经济性、工作可靠性等方面进行试验验证。在测试的程 中，除了定性观察一些物理和化学现象外，还对运行过程中有关的物理量和化学量进行 精确测定，通过分析得出结论，在评估的同时为新技术的不断完善提供试验依据。 1 2 国内外相关研究现状 1 2 1 自由活塞发动机的研究现状 最早的自由活塞发动机的概念提出是在1 8 5 7 年4 1 ，但是因为当时的技术限制和其本 l $ ! | = 论文 身的固有缺陷，在这方面的研究曾一度停滞。但是随着近几年能源危机和环境保护力度 的日益加强，复合驱动方式的发动机开始逐渐受到重视。自由活塞发动机以其独特的设 计思想和理念，被提到了混舍动力驱动研究的前沿。目前的自由活塞发动机根据与其相 结合的技术，可以分为液压式和直线电机式，两种类型的区别只是在于能量的传递和存 储方式，在将燃烧化学能转化为机械能后，分别以液压能和电能的方式进行存储。本课 题研究的发动机是结合了直线电机的自由活塞发动机。 在自由活塞式内燃发电机研究领域，西维吉尼亚大学做出了最为突出的贡献，c l a r k 于1 9 9 8 年设计了能够稳定运行的第一代自由活塞式发电机口 1 6 1 ，该装置由两个对置的两 冲程内燃机组成，采用火花塞点火方式，原理如图11 所示。 妈 贬蕊 社 圈；r 贾贸矗 圜燃副1 鼬 童舅舅皇 蚓i1w v u 世计的自由活鐾式内燃再线发电机 l - 气觚2 - 活塞3 - 连杆4 一喷啼5 一进气口6 - 排气口 7 启动线圈8 - 直线发电机9 - 框架l o - 火花塞l l - 喉管 整个设计方案采用传统内燃机活塞，自行设计对应的气缸，活塞在气缸中的展大冲 程能达到5 0 m m 。根据两冲程内燃机的工作原理，该装置除了启动阶段外，在任意时刻 都有气体膨胀做功。通过试验研究，将直线电机耦合到该动力装置，测得样机可以输出 的虽人发电功率为3 1 6 w 。 a t k i n s o n 针对c l a r k 设计的样机进行了数值模拟t t l ，将活塞的整个工作过程分为扫 气、压缩、燃烧等几个阶段，针对每一个过程分别建立单区模型，结合试验数据对未知 量进行修正，并综台分析了连杆质量、着火持续时1 1 j 、燃烧放热量等参数对系统最大位 移、频率、速度的影响。 爨骚。 硬论文内燃- 直线发电寨成动力系统的测试与分析 幽l24 缸4 冲程自山活基式血线发f u 机不虚幽 随着研究的深入，发现两冲程的自由活塞发动机存在扫气损失严重的问题，其对自 由活塞式内燃发电机的稳定运行有关键作用，s o r i n p e t r e a n u 模拟了4 缸4 冲程自由活塞 式发电机嘲，示意图如图1 2 。通过研究，该机型的指示效率在4 0 以上，压缩比变化 范围很大，适用于各种燃料，但是对各模拟输入量相当敏感，且不易控制。 幽l3 d h f p e 系统原理剖 l 一左燃烧腔 左扫气腔3 - 左泵腔4 活塞组件 5 一右泵腔6 - 右扫气腔7 - 右燃烧腔 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室对双活塞式液压自由活塞发动机 ( d h f p e t g j l l o l ，具体原理如图13 ) 进行了大量的研究，并发表了相关论文。在文献 1 l 】 中，根据双活塞式液压自由活塞发动机样机的实际参数，建立了d h f p e 各子系统的仿 真模型：活塞组件平衡方程、工质压力仿真模型、热量变化仿真模型、扫气腔压力模型、 控制器模型等，通过在s i m u l i n k 环境下进行仿真计算，分析了双活塞式液压自由活塞发 动机与传统发动机在运动和燃烧特性上的差异。 1 绪论硕士论文 就目前而言，对自由活塞发动机的理论研究已经比较成熟，对发动机控制策略、自 由活塞动态特性、能量平衡分析等进行了大量的研究，并利用仿真等方法对理论结果进 行分析。实际的试验研究是对理论结果的检验，相对于理论分析方面的日渐成熟，针对 自由活塞发动机的测试与试验数据分析还相当少见。 1 2 2 发动机测试技术的发展现状 随着发动机技术和测试技术的发展，发动机测试技术作为发动机生产和研究中的重 要环节，在上世纪中期就成为一门相对独立的学科，促进并支撑着发动机技术的快速发 展。上世纪5 0 年代的电子管技术，6 0 年代的晶体管技术，7 0 年代以激光为代表的光学 技术，8 0 年代的微机技术，以及现在的光电、微机结合的智能化技术，推动着发动机测 试技术的不断发展和提耐1 2 】。 在发动机测试过程中，主要包含两个方面的内容：发动机参数测试和工作过程数值 计算。在传统发动机测试过程中，需要测定的参数主要有【l3 】：缸内压力、曲轴转速、气 缸内燃烧温度等。通过采集到的试验参数，根据相关计算模型和经验公式，可以分析缸 内燃烧放热率、循环热效率、指示功等性能参数。一般的发动机数据分析仪都兼备这两 方面的功能，可以在现场采集数据，并进行实时处理。 一 目前，国外的一些机构基本上都有先进的内燃机数据采集处理系统。如日本小野测 器公司生产的c b 3 6 6 ，4 6 6 ，5 6 6 等，是针对柴油机、汽油机燃烧分析的专用数字分析 仪。该仪器的测定方式有两类：柴油机燃烧分析方式，测量燃烧压力、柴油喷射压力以 及针阀升程，计算平均燃烧压力、燃烧室温度、放热率、喷射量及喷射率等；四通道燃 烧分析方式，同时对四个汽缸的压力进行采集，并分别分析每一缸的平均燃烧压力，燃 烧温度以及放热率等。奥地利李斯特内燃机及测试设备公司研制的a v l 6 3 6 ，6 4 6 ， 6 5 6 ，6 5 7 ，6 7 0 等系列产品，是带有微机处理控制、能对发动机动态参数快速采集、 分析和贮存的测量系统，能进行发动机气缸内和排气管内高低压测量、喷咀针阀和气门 升程的测量、加速过程测量等【1 4 】【1 。 我国内燃机测试技术在引进、消化、吸收后，开始研制自主创新的内燃机测试系统。 国内许多高校和科研院所开始着力于自行研究开发较为实用的内燃机燃烧分析仪，如浙 江大学利用单板微计算机开发的内燃机示功图测量处理系统、上海内燃机研究所的 e a s 8 0 0 内燃机燃烧分析系统、华中理工大学的h g l 2 0 8 发动机分析仪、长沙科学仪器 研究所的d f y 系列多通道发动机分析仪、西安交通大学开发的内燃机燃烧分析仪等 1 4 1 1 1 6 1 o 这些系统都包括高速数据采集系统( x j j 态测试仪) 和软件( 燃烧特性分析系统) 两 部分，在应用软件开发上各有特点，功能上比较齐全，能满足一般数据采集与分析的需 要。但是由于其专业化程度高、采集与数据处理软件固化、功能有限等固有的缺点，无 4 硕士论文 内燃直线发电集成动力系统的测试与分析 形中提高了研究开发的成本。 随着计算机与测试技术结合的不断深入，测试系统逐渐转向自动数据采集系统、计 算机辅助测试系统、虚拟仪器系统等，摆脱了专业测试仪器的固有缺点，在充分发掘计 算机技术的基础上，自行开发适用的发动机测试分析系统。在文献 1 7 中，采用上位机 和下位机的结构进行设计，下位机主要完成数据的采集工作，上位机则是对数据进行进 一步的分析计算，保存等处理工作。下位机的功能主要是依靠t m s 3 2 0 f 2 81 2 实现的， 通过串行通讯接口下位机与上位机完成数据通讯工作。所研发的内燃机数据采集分析系 统，具有便携式、多功能、使用方便、测量和分析精度高等特点，适用于一般性的内燃 机状况监测与故障诊断。在文献 1 8 中，设计了一种高速汽油机示功图测量系统，采用 计算机d m a 数据传输技术，配以高速高精度a d 转换器，实现在任意转速下缸内压力 的测量。在进行d m a 过程时，c p u 让出总线控制权，由d m a 控制器直接控制地址总 线、数据总线和控制总线，让存贮器和高速外部设备直接交换数据，减少了中间环节， 提高了数据传输速度。在文献 1 9 2 0 中将虚拟仪器技术与发动机的示功图采集和分析 联系起来，采用a t m i o 1 6 e 2 数据采集卡，该卡是1 2 位1 6 通道a d 数据采集卡，利 用l a b v i e w 软件设计了发动机试验自动检测和控制系统，并对油压和示功图进行了分 析，计算有发动机有关的指示性能指标和有效性能指标。 另一方面，内燃机分析理论是支撑内燃机测试技术在数据分析方面不断提高的基 础。最初的内燃机分析理论是建立在理论循环的基础上的，对实际的燃烧过程作了很大 的简化，分析的结果也比较粗糙。在许多研究者的不懈努力下，提出了更为接近缸内实 际工作过程的零维模型、准维模型、多维模型【2 1 】 2 2 】，在大量实验的基础上，对各参数的 计算公式提出了较为准确的经验公式，为以后的研究打下基础。随着计算机技术的发展， 可以建立较为接近实际燃烧过程的数学模型，更多的考虑到在实际燃烧过程中各关键参 数在时间和空间上的变化。而且，可以利用计算机实现较为繁琐的数值过程计算，提高 数据分析的精度。 发动机测试技术的不断发展，在为常规内燃机设计和研究提供技术支持的同时，其 在自由活塞发动机的测试领域也有很大的发展空间。l o u g h b o r o u g h 大学航空与自动化实 验室采用虚拟仪器技术，针对自由活塞发动机设计开发了一套专业的数据采集分析测试 系统。其白行设计制造了专有的硬件设备控制器，在提供相同的功能的基础上，价格要 比a v l 4 2 1 0 便宜很多，提高了性价比。并且采用n ip c i 6 2 3 4 的8 通道数据采集卡，对 试验数据进行同步采集。同时设计用户界面，对试验数据进行实时监控，完成燃烧过程 分析，从而优化喷油时间、点火提前角、空燃比控制等。具体的数据采集界面如图1 4 所示。 绪论 吲论文 圈14l o u g h b o r o u g h 啦训的自由活塞发动机数据采集界面 1 3 本课题的选题意义和研究内容 1 3 1 本课题的研究意义 节能与环保是目前汽车发动机研究领域的两大主题，在新能源和新技术的研究过程 中，混合动力获得了一定的发展空间并具有很大的发展潜力。车辆运用混合驱动时，燃 油经济性等性能可得到明显提高9 2 4 1 。内燃直线发电集成动力系统就是在这样的背景 f 提出的，其中的发动机是自由活塞发动机，由于取消了曲柄连杆机构，使得压缩比可 控，从而可以提高发动机的效率，降低有害气体的排放。其中的运动部件只有活塞组件， 发动机的启动和停止都比较容易，而且利用直线电机可以方便能量的回收。这些都使自 由活塞发动机在节能环保方面拥有诱人的前景。 正是由于取消了曲柄连杆机构，使得自由活塞发动机可以对缸内的燃烧过程进行虽 火程度的优化，虽然可以对燃烧过程进行仿真分析，但是理论需要通过实际的试验进行 论证，才能推动这一技术的不断完善，实际的燃烧过程分析需要通过测试技术来完成。 自由活塞发动机的燃烧放热规律和整体性能参数的获得，最为关键的是试验数据的采集 和分析。所以自由活塞发动机的参数采集需要有足够的精度和实时性，数据分析程序要 有较为合理的分析计算方法。 虚拟仪器系统是目前应用较为广阔的测试系统，在通用试验仪器的基础上，利用软 件实现仪器的主要功能，适合灵活的测试系统开发。本课题采用虚拟仪器技术，完成对 内燃直线发电集成动力系统中的自由活塞发动机的参数测试和性能分析，对其燃烧过 程和经济性进行分析。 硕士论文 内燃直线发电集成动力系统的测试与分析 1 3 2 本课题的主要研究内容 “内燃直线发电集成动力系统”作为新一代的节能环保性能优良、具有较高性价 比的汽车动力装置，有望作为混合动力电动车辆的动力源得到应用。整个系统主要由自 由活塞发动机和直线电机两大部分组成，具有将燃料的化学能通过燃烧推动活塞做功， 再利用直线电机直接转化为电能输出的功能。 本文以内燃直线发电集成动力系统的自由活塞发动机为主要研究对象，在总结前 人研究的基础上，对自由活塞发动机的测试与分析技术进行研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 测试系统硬件设计：根据自由活塞发动机的参数特点，分析相应的数据采集 方法，设计数据采集系统的硬件结构。 ( 2 ) 数据采集模块设计：利用软件对数据采集模块进行设计，需要完成数据采集 过程中的显示和保存等工作，并设计用户操作界面。 ( 3 ) 发动机工作过程数值计算分析：主要研究选取适合的放热过程计算方法，并 针对选取的计算模型，研究理论分析过程。 ( 4 ) 数据分析模块设计：在理论分析的基础上，研究各功能的软件实现方法，设 计相应的计算分析程序和界面。 ( 5 ) 试验程序调试：在整体设计完成后，进行现场试验，采集自由活塞发动机的 参数，并利用软件进行处理，得出相应的分析结果。 2 自由活塞发动测试系统规划硕士论文 2 自由活塞发动机测试系统规划 2 1 自由活塞发动机工作原理及样机参数 内燃直线发电集成动力系统基本结构如图2 1 ，主要由自由活塞发动机、直线电机、 可逆电能存储装置及控制单元等组成【3 】o 其中最显著的特点是自由活塞，其在运动方向 上没有刚性约束，运动方向、速度、加速度等直接由活塞上的受力情况决定，其行程在 工作过程中是可变的。各组成部分之间的能量转换和传递均是由自由活塞来实现的。 图2 1 内燃一直线发电集成动力系统结构 1 自由活塞发动机2 直线电机3 一电力控制单元4 可逆电能存储装置5 电控单元 自由活塞发动机是整个动力系统的核心部分，样机是一个两气门单缸四冲程汽油 机，进排气门分别采用电磁驱动方式，能够实现“柔性配气定时”。基本参数有：缸径 6 2 m m ，自由活塞的最大工作行程7 0 m m ，最大输出功率2 0 0 0 w ，单个工作循环周期时 问约8 0 m s 。 在结构方面，相对于传统发动机而言，由于取消了曲柄连杆机构，从而消除了曲轴 不平衡旋转质量所产生的离心惯性力、连杆运动所产生的惯性力、曲柄连杆机构产生的 活塞径向力等导致的摩擦损失。而且由于活塞的运动规律可控，可以通过控制自由活塞 的运动优化缸内燃烧热力循环，实现发动机的高压缩比运行，提高整体工作效率。 根据自由活塞在缸内的工作特性，对其进行受力分析。作用在自由活塞上的力主要 有燃烧时活塞的膨胀力、电磁力、弹簧力和摩擦力，自由活塞受力图如图2 2 所示。 8 0 。p a l _ f p 。+ f 栩 图2 2 自由活塞受力图 由图2 2 知，自由活塞的动力学方程为： 硕士论文内燃直线发电集成动力系统的测试与分析 加窘= o f e 一乃 ( 2 1 ) 式中： m 一活塞、活塞环、连杆和直线电机运动部分总质量； e 一电磁力； c 一缸内压力做对活塞的作用力，e = p a ； p 燃烧过程中的缸内压力； 彳一活塞面积； f 一弹簧力； e 摩擦力。 缸内气体燃烧产生的作用力、电磁力e 、弹簧力f 和摩擦力乃均是时间函数。 由式2 1 可知，在自由活塞的受力过程中存在这样一个相互耦合的关系：自由活塞 的受力决定于缸内燃烧过程中瞬时压力，而自由活塞的运动规律在很大程度上影响了缸 内燃烧过程的进行，两者相互影响。由此可见，自由活塞发动机的燃烧放热规律与自由 活塞的运动规律有很大的关系，可以通过控制自由活塞的运动优化缸内燃烧过程 2 5 1 。 内燃直线发电集成动力系统是内燃机与直线电机相结合的动力装置。在内燃机部 分，由能量守恒定律可知：单位时间内燃烧放出的热量等于单位时间内缸内工质内能变 化、通过燃烧室壁向外传播的热量、工质在充量更换中带出的能量以及工质对活塞做功 之和，即 堡；型t - d q w + y 忍亟+ p 坐 ( 2 2 ) d td td t 厶i d t l d t 式中，q 、己，、幼分别为燃烧放出的热量、缸内工质内能、工质对活塞的功和通过燃 烧室壁向外传递的热量；孕和忍分别为在充量更换中的质量流量与相应焓值；7 p 、矿 则分别为燃烧室内的压力与容积。 在内燃一直线发电集成动力系统中，自由活塞发动机的整个工作循环如下：在压缩 行程中，活塞主要受直线电机的电磁力上行，从而压缩缸内混合燃料。点火装置分析点 火时刻并点火，在短时间内缸内燃料快速燃烧并放出大量化学能。由于燃烧室内压力急 速升高，气体膨胀并推动活塞下行，对弹簧和直线电机做功，直线电机就可以将转化来 的电能进行向外输出并存储，完成能量的转换和传递。再经过排气和进气行程后，整套 系统又进入下一个工作循环。 2 2 待测参数的主要特点 根据内燃机台架试验方法( 国家标准g b l l 0 5 8 7 ) ，其中规定的大部分试验项目的参 数测量都是在稳定工况下进行的，即内燃机的油门开度一定，负荷不变，从而保证在这 9 2 自由活塞发动测试系统规划硕士论文 一组试验中发动机的输出功率稳定。在传统的内燃机测试过程中，通常根据测量目的的 不同，将需要测定的参数分为：平均值和瞬时值【2 6 j 。 在内燃机测试过程中，相关的平均值参数，如曲轴转速、输出扭矩、进气压力、冷 却水温等的测量，因为在被测量中包含有不同程度的脉动分量，采用惯性小的测量系统 和仪表，就可以在仪表的指示部分反应出由于脉动分量引起的周期性波动。而对于瞬时 值参数，其不论在稳定工况还是变工况下，一般是曲轴转角或时间的函数，如内燃机在 一个工作循环中，其缸内介质的压力随曲轴转角或时间的变化，进、排气压力波，排气 瞬时温度，燃料供给系统中管道内压力和喷油器针阀升程等，这些瞬时值参数的测量就 对数据采集系统的反应速度和非线性失真有一定的要求，即对数据采集系统的实时性提 出了需求 2 ”。 在本课题中，主要研究的是自由活塞发动机的燃烧放热规律及相关的性能指标。根 据试验目的，确定需要进行测定的参数主要有：缸内瞬时压力、自由活塞的位移值、直 线电机的瞬时电压、电流等。这些量均是随时间变化的瞬时值，需要高速的数据采集系 统进行参数采集，从而真实反映自由活塞发动机的工作过程。 在此需要说明的是，在本测试系统中并不对上止点信号进行测定，这在很大程度上 区别于传统的发动机测试过程。因为在传统发动机测试分析系统中，曲轴转角信号是一 个相对值，曲轴同步信号与真正的上止点之间存在相位差，采集到的气缸压力和曲轴转 角问的对应关系需要根据这个相位差进行校正，从而绘制较为准确的示功图。在自由活 塞发动机中，由于取消了曲柄连杆机构，采用了自由活塞，将缸内瞬时压力表述成自由 活塞位移的函数，而自由活塞的瞬时位移可以通过位移传感器测得，这是一个绝对值， 并不存在相对位置的问题。所以在本测试系统中不对上止点信号进行采集，直接测定自 由活塞的位移值，获取示功图数据。 2 3 缸内燃烧压力测量 在发动机测试过程中，示功图数据的测量是测试中的核心工作，缸内瞬时压力作为 示功图数据的重要组成部分，精确地测量缸内瞬时压力是从事内燃机测试工作人员重要 的工作任务之一。内燃机瞬态压力测量的主要目的是绘制示功图，示功图表征了在一个 工作循环内气缸的工作性能。通过测量缸内的瞬时压力值和活塞瞬时位移值，将数据进 行整理，可以获得缸内瞬时压力随工作容积的变化关系，所得到的p v 曲线图即为示 功图。这是测录内燃机动态压力的最主要目的。 2 3 1 压力传感器 压力传感器的功用是把气缸压力转换成电压信号。缸内压力传感器的选用主要考虑 以下几点因素的影响： 1 0 硕士论文内燃直线发电集成动力系统的测试与分析 ( 1 ) 静态特性，主要包括线性度、灵敏度、量程等； ( 2 ) 动态特性，主要包括瞬态响应速度、共振频率、频率响应范围等； ( 3 ) 工作环境，缸内压力传感器需要在高温高压下工作，所以其应具有一定的工 作稳定性和抗震能力； ( 4 ) 可实现性，在技术参数的因素外，需要考虑该传感器产品的成熟性和可靠性， 在一定的范围内经过实验验证。 就目前而言，在缸内压力测量方面的传感器类型主要有：压电式、电阻式、电容式 光导纤维等几种。由于压电式压力传感器的测量精度比较高，技术较为成熟，在缸内压 力测量方面获得较为广泛的应用。 在本测试样机中，缸内燃烧压力最大值能达至l j l 0 0 b a r ，而且缸内压力变化速度快， 所以对传感器的瞬变要求较高。根据本测试系统的需求，缸内燃烧压力传感器选用美国 p c b 公司的电荷型压电传感器，来实时测量气缸内的燃烧压力，所采用的压力传感器的 主要技术性能参数： 灵敏度：15 8 5 p c m p a ； 量程：2 0 6 8 5k p a ； 分辨率：0 0 6 9k p a ； 共振频率：2 0 0k h z ： 非线性：2 f s ； 上升时间：3l as 。 其安装方式是：在常用火花塞壳体内加工气体内通道，通道经过金属管与传感器相 连接，传感器接收由火花塞通道内传入的气缸压力，通过压电晶体，转换成电荷信号。 其中的金属管形状可以按照需要进行弯曲，所以只需替换现有的火花塞并安装上即可， 不需要改造发动机部件。 2 3 2 电荷放大器 在发动机缸内压力采集的过程中，由于压力传感器传出的信号一般都比较微弱，而 且工作的环境比较复杂，很有可能导致不能正常工作。同时，传感器的输出信号需要满 足a d 转换的要求。 电荷放大器是压电式传感器一种专用前置放大器，其输出电压与输入电荷成正比。 在放大压力传感器微弱信号的同时，将传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出。其最大的 优势是：在一定的条件下，电荷放大器的输出电压不受电缆电容等因素的影响，因此即 使是更换电缆或者采用不同长度的电缆，对测量精度影响不大，适合试验的要求。 电荷放大器的一些基本技术参数： 1 、零点漂移：在电荷放大器中，即使设计合理，各项性能储备充足，当输入端的 2 自由活塞发动测试系统规划硕士论文 信号为零时，其输出端仍然会有随机波动的信号输出，即零点漂移。在实际使用的过程 中，这种随机波动会混杂在有用的信号中，从而降低放大器的测量精度和分辨率。所以 在放大器的使用过程中，应注意零点漂移的影响。 2 、温度漂移：在电荷放大器的工作过程中，温度漂移会是一个比较突出的误差成 分。由于工作温度的变化，晶体管参数发生变化，从而导致放大器的工作特性改变，产 生漂移。所以在放大器的选择过程中，应根据试验条件，提前考虑温度漂移的影响。 3 、时间漂移：这个是由于仪器的制造工艺和质量等问题造成的，由于晶体管和其 他元器件的老化引起的，与电路的设计没有关系。因此，电荷放大器的元器件应该经过 适当的老化处理。 本系统选择与压力传感器相配套的电荷放大器，其放大电路【2 9 】如图2 3 所示，它能 将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷。根据原理图， k 为开环增益系数，当( 1 + k ) c ， l o ( c + e + c ；) 时，传感器输出灵敏度与电缆电容无 关。在放大器的实际应用中，考虑到被测物理量的不同量程，以及后级放大器不致因输 出信号过大而引起饱和，反馈电容c ，是可调的，范围一般在1 0 0p f 至1 0 0 0 0 p f 。同时， 并联在反馈电容两端的大电阻r ，( 1 0 8 1 0 1 0 q ) ，可以减小零漂，使放大器工作稳定。 2 4 自由活塞位移测量 图2 3 压电传感器电荷放大电路 在本测试系统中，测量自由活塞的瞬时位移，作用有两个：通过测得的活塞瞬时位 移，可以获取在整个工作过程中自由活塞的运动规律；检验在试验条件下，各参数随活 塞位移的变化情况，如缸内瞬时压力、瞬时工作容积、缸内温度等，为性能分析提供试 验数据。 位移传感器是将位移量转换成电信号输出的装置。根据传感元件的结构、材料、测 量原理及转换方式，目前常用的位移传感器主要有：精密电位器式位移传感器、电感式 位移传感器、感应同步器、电容式位移传感器、磁栅式位移传感器、光栅式位移传感器、 激光位移传感器等。 根据样机的设计和控制策略，自由活塞的最大行程能达到8 0 m m ，活塞的运动速度 受到缸内燃烧压力的影响，位移值变化较快。由于本试验样机是新型的动力装置，传感 硕士论文内燃直线发电集成动力系统的测试与分析 器的选择应该最大程度的满足测试的精度要求。 铙 图2 4 激光三角测量原理图 在此，选取用于高精度测量的激光位移传感器，基本测试原理如图2 4 所示，它具 有适应性强、速度快、精度高等特点，它克服了接触式检测中的诸多缺点，既提高了检 测速度，又保护了被测工件表面免受划伤及防止传感器变形，主要技术参数： 量程：1 0 0 m m ； 线性度：3 0um ； 分辨率：1 5um ； 采样率：2 0k h z 。 2 5 直线电机电压电流测量 在内燃一直线发电集成动力系统中，燃料的化学能由自由活塞直接连接直线电机输 出电能。通过测量直线电机的电压、电流，可以获取直线电机的功率以及整机的转换效 率等重要参数。 目前，国内外用于直线电机电压电流测试的传感器有两大类：一是基于光电效应的 光电式传感器，在环境温度不变的情况下，传感精度高、线性度好，但是光敏器件随温 度的变化较大，很难实现高精度的传送和检测；一是基于霍尔效应的霍尔传感器，是瑞 士l e m 公司在2 0 世纪8 0 年代后期研制的，这类传感器传感精度高、线性度好、温度 漂移小，应用广泛。霍尔传感器分为直检式和磁平衡式两种。直检式将铁芯检测到的信 号直接放大，磁平衡式利用次级线圈的磁场平衡原边线圈在铁芯上产生的磁场，检测次 级线圈信号获取原边的电信号。 在充分考虑试验样机需求的基础上，选择l e m 公司的磁平衡式霍尔电压、电流传 感器。如图2 5 所示，磁平衡式霍尔电流传感器是由原边电路、聚磁环、霍尔元件、次 1 3 2 自由活塞发动测试系统规划 硕士论文 级线圈、放大电路等组成p 2 3 3 1 。当电流流过时，在导线周围产生一个磁场，在被聚 磁环聚集后感应霍尔元件，产生霍尔电势。这一信号经放大n 倍后，输入到功率放大器， 获得一个补偿电流i ，其产生的磁场与电流产生的磁场方向相反，互相抵消，使霍尔 元件处于零磁通状态。 图2 5 磁平衡式电流传感器原理图 磁平衡式霍尔电压传感器【3 4 1 的原理如图2 6 ，其基本原理与电流传感器相似，被测 电压通过电阻尺卅的电流产生的磁通量与副边电流易产生的磁通量平衡。易精确 反映，精确反映。图2 7 是可调比例电路，通过调整：的阻值可以实现传送 比例的调整。 图2 6 磁平衡式电压传感器原理图 2 6 智能油耗仪 - 图2 7 可调比例电路 测量发动机在工作过程中的燃油消耗量，分析其指示燃油消耗率，是判断燃油经济 性的主要性能指标。本测试系统采用智能油耗仪，该仪器是f c 2 0 0 0 a 系列发动机自动 测控系统中的一个子系统，主要用于各种发动机的燃油消耗测量。该仪器的主要特点是： 1 4 硕士论文 内燃直线发电集成动力系统的测试与分析 采用一体化设计技术，油耗测量和显示仪表集于一体，可以独立完成发动机燃油消耗的 测量：兼有平均油耗和瞬时油耗测量的双重功能；采用先进的数字标定技术；同时保留 了r s 2 3 2 串行接口，可以与计算机或其他智能仪表组成更高级的测试系统。 2 7 测试系统硬件组成 测试系统结构是由试验台的功能、技术条件等决定的。本测试系统的硬件结构如图 2 8 所示，由自由活塞发动机、直线电机、传感器、电荷放大器、信号调理模块、数据 采集卡( d a q ) 、计算机等组成。 j 缸内压力传感器l i 电荷放大器l 1 。 。 广1 一。厂 数 信 据 自由活 活塞位移传感器号 采 j 条 集显不 塞发动例 卡 机、直线 电压传感器 模 工 ， 块 控 电机 机 存储 电流传感器 出 口 。， 1 + 智能油耗仪 图2 8 发动机测试系统硬件结构框图 需要在此说明的是，自由活塞发动机和直线电机是内燃直线发电集成动力系统的 两大组成部分，在自由活塞发动机部分，通过测得的缸内瞬时压力和自由活塞的瞬时位 移，可以准确绘制缸内工作过程的p v 图，从而通过实测示功图数据可以对燃烧放热 规律进行研究，这是本文着重分析的部分。而在直线电机部分，通过测量直线电机的瞬 时电压、电流，可以获取电能值，即由缸内燃烧的化学能通过自由活塞和直线电机转化 得到的电能，从而可以获取由化学能到电能的转化效率。还有智能油耗仪的使用，是用 来测定在一定工作循环内的耗油量，这是一个低速采集信号，在此通过串口r s 2 3 2 来间 隔读取耗油量，结合示功图数据，可以获知指示燃油消耗率。 2 8 软件开发平台 2 8 1 虚拟仪器技术 随着计算机和微电子技术的迅速发展，计算机软件和测试系统紧密地结合成了一个 有机整体。计算机技术与测试系统的结合，主要有两个方式：将计算机装入仪器，即嵌 入式系统仪器；将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件和操作系统作为依托，实现各 2 自由活塞发动测试系统规划硕士论文 种仪器功能，这就是虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 。虚拟仪器用软件来集成仪器所有的 采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，使传统仪器的某些硬件甚至整个 仪器都能被计算机软件替代。从某种意义上来说：在虚拟仪器中，软件就是仪器【3 5 1 。 虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块。其中硬件接口模 块包括插入式数据采集卡( d a t aa c q u i s i t i o n ，d a q ) 、串并1 2 1 、i e e e 4 8 8 接口( g e n e r a l p u r p o s ei n t e r f a c eb u s ，g p i b ) 卡、v x i 控制器以及其他接口卡，其基本构成框图 3 6 j 如图 2 9 。使用者利用软件将计算机资源和仪器硬件结合起来，通过用户界面操作计算机，完 成对测试信号的采集、分析、判断、显示和数据处理等功能。虚拟仪器中的硬件主要用 于解决信号的调理以及输入、输出问题。而软件主要用于实现对数据的读取、分析处理、 显示以及对硬件的控制等功能，这些在传统电子仪器中往往通过硬件来实现。 _ - 一 信号调理 h数据采集卡k _ + 一g p i b 接口仪器hg p t b 接口卡卜 测 l a b v i e w 控 串行口仪器p l c l a b w i n d o w s c v l 对 象 v x i 仪器 现场总线设备 其它计算机硬件 图2 9 虚拟仪器的基本构成 与传统仪器相比，虚拟仪器具有如下特点【3 7 】【3 8 】【3 9 】【4 0 1 ： ( 1 ) 打破了传统仪器的功能概念，将信号的分析、显示、存储、打印和其他管理 功能等都交由计算机处理，充分利用和发挥了计算机技术，使组建的系统灵活、简单。 ( 2 ) 软件在仪器中充当了以往由硬件实现的角色，由于减少了许多随时问可能漂 移、需要定期校准的硬件仪器，加上标准化总线的使用，提高了系统的测试精度和测试 速度。 ( 3 ) 虚拟仪器具有开放性和模块化的特点，用户可以将仪器的设计、试验和管理 统- - n 虚拟仪器标准，提高资源的可重复利用率，易于功能扩展，缩短开发周期降低生 产、维护和开发的费用。 ( 4 ) 虚拟仪器的功能可以由用户根据实际需要通过软件来定义，实现功能的多样 化，打破了由生产产家事先定义