内燃机燃烧放热分析计算及其与燃烧分析仪的嵌入集成

1绪论1.1课题背景及意义1.2国内外研究现状1.3本文研究内容2燃烧分析的数据采集、信号分析的原理与方法2.1燃烧分析数据采集方法2.1.1示功图的概念及用途2.1.2气缸压力测量方法2.1.3压力测量精度的主要影响因素及修正方法2.2气缸压力数据预处理2.3燃烧放热计算原理2.3.1燃烧放热计算的假设条件2.3.2基本微分方程2.3.3燃烧放热率计算步骤3燃烧放热计算程序3.1内燃机燃烧放热计算的需求分析3.2程序设计平台的选择3.3程序结构和流程3.4程序的数据结构及变量说明3.5输出量3.6图形化界面4燃烧放热计算结果分析4.1实验条件4.2计算结果4.3误差分析4.4敏感参数分析4.5 MA TLAB与FORTRAN计算结果的对比5与燃烧分析仪的嵌入集成的研究5.1硬件系统5.2 LabView简介5.3算法与燃烧分析仪的嵌入集成6结论与展望6.1全文总结6.2展望1.1课题背景及意义近年来，汽车工业已成为全球最大的制造业，年生产能力已达到6500万辆，全球汽车保有量已达9亿辆。

由于内燃机是目前燃烧效率最高的热力发动机，故广泛的应用于国民经济的各个领域和国防部门，它所发出的总功率占全世界所有动力装置总功率的90％，它所排出的有害物质又是环境污染的最大源泉，全世界的汽车交通占温室气体排放的20％，全球机动车数量的高速增长给气候带来了严重的问题。

因此为了节约能源和降低污染，各工业发达国家十分重视内燃机气缸内燃烧的研究工作。

为了降低内燃机的排放，必须从缸内工作过程着手，分析污染物产生的原因，内燃机数据采集和分析已成为内燃机生产和性能研究工作中必不可少的一个环节。

随着内燃机应用的范围在不断扩大，品种和数量在不断增长，对内燃机中各系统零件的性能、使用寿命等技术指标的要求也愈来愈高。

因此，对内燃机的工作过程、燃料及扩大燃料的品种、新型结构的研究以及设计和研制合乎要求的产品并对原有产品的分析改造，以满足各种用途的需要，自然就成为内燃机动力工程技术人员的重要任务。

在内燃机试验中，除了要定性地观察一些物理和化学现象以外，更重要地是对运行过程中许多有关地物理量和化学量进行精确地定量的测定，如果没有先进的测量方法和测试设备，包括先进的数据处理方法和相应的设备，也就没有先进的内燃机检测技术。

所以，若要设计性能更加优良的内燃机，优化燃烧，提高排放的要求，就需要对内燃机各方面的性能进行深入的研究。

影响内燃机各方面性能的因素虽然是多种多样的，但燃烧过程具有举足轻重的地位。

内燃机的动力性、经济性及排放特性与燃烧过程有着密切的关系。

内燃机燃烧过程与其主要工作特性、功率、效率和排放以及部分的机械和热负荷、噪音、振动等都直接紧密地相耦合，所以要改进和完善内燃机的总体性能和某些局部特性，都必须首先在燃烧过程的改善和优化方面下功夫，对燃烧放热过程的深入分析是对发动机性能研究和改善的有效手段。

由于内燃机的燃烧过程所占的时间极短，所处的空间很小，更重要的是内燃机的燃烧反应物是很不均匀的，并且经常是流动和扰动的反应物和燃烧产物处于同一容积。

这一切就构成内燃机的燃烧过程是一个十分复杂多变的物理-化学过程。

但是现在借助微机系统高性能数据采集卡各种传感器（压力传感器、针阀升程传感器、滤波器和电荷放大器等）就能够将大量的燃烧过程物理信息测量记录处理与显示。

从这些信息和图形可以比较可靠地分析研究内燃机燃烧过程的完善程度，为进一步改善燃烧过程提供了科学的依据。

气缸压力分析是分析发动机燃烧状况的重要方法。

气缸压力携带了内燃机工作过程的大量有用信息，并且与内燃机工作过程的评价参数和性能指标有着密切的关系。

各缸的工作参数、排放指标、性能指标等的差异都全部或部分地反映在气缸压力上。

在内燃机的状态监测和故障诊断中，气缸压力是表征内燃机运行状态的最好指标之一，内燃机的工作状态及故障大都可以通过气缸压力随时间（或曲轴转角）的变化曲线反映出来。

因此采集气缸内压力并对其进行统计或热力学分析是内燃机产品设计、改进或研究的重要方法。

内燃机气缸气体压力曲线（示功图）是深入研究内燃机工作过程及动力性能指标的重要内容。

通过对示功图分析可得出工作过程的最高燃烧压力和其所在的曲轴转角位置等重要参数。

示功图既是内燃机性能参数计算和放热规律分析的依据，又是内燃机燃烧过程数学模拟精确程度的评价标准。

利用实测示功图，可以计算内燃机的燃烧放热规律，对实际内燃机的燃烧过程进行分析，可以研究内燃机的循环变动。

并且，可以借助示功图进行内燃机最佳状态调整及故障诊断，故国内外对其研究较多。

因此，内燃机数据采集与燃烧分析技术得到了迅速的发展。

1.2国内外研究现状现在，国内外己研究出许多发动机数据采集和分析用的仪器设备，并随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，仪器的精度和水平也不断提高，其构成方式也各有不同。

国外对发动机数据采集与分析技术的研究起步比较早。

上世纪80年代初至今国内许多部门先后从国外购置了各种发动机数据采集和分析系统，由于这些电脑化设备速度快，精度高，对进一步揭示发动机的工作过程起到了不可估量的促进作用。

国外著名的产品主要有：1．奥地利A VL公司系列产品，如A VL640，650，660，670系列以及A VL617，A VL620等。

2．日本小野公司系列产品，如CB366，466，467，566以及DS-9100等。

3．奥地利德维创公司生产的DEWS系列。

4．德国FEV公司生产的FEVIS系列。

5．美国PEI公司生产的DAB系列。

其中A VL公司和小野公司在中国有大量的用户。

以德维创公司的燃烧分析仪为例，其系列功能均十分强大，应用领域也非常广泛，可以胜任燃烧分析、内燃机标定、脉谱图生成、动态测试、参数化测试、快速数据获取、实时敲缸检测分析、敲击监视报警、转动分析、倾覆振动分析、燃烧噪声分析、冷启动测试（从第一次循环即可开始分析）、基于曲轴转角的多通道数据获取、时基同步多通道数据获取等工作。

其主工作界面如图1.1所示。

图1.1德维创燃烧分析仪运行界面国内自改革开放以来在使用开发国外同类产品的基础上研制出了许多仪器设备。

上世纪80至90年代国内许多单位自行研制开发了各种发动机数据采集分析系统，或专项的测试分析诊断仪，如浙江大学利用单板计算机开发的发动机示功图测量处理系统、大连海运学院的DMC 12柴油机测量分析系统、上海发动机研究所的EAS800发动机燃烧分析系统、华中理工大学的HGl208发动机分析仪、山东理工大学的DCA．1发动机燃烧分析仪以及长沙科学仪器研究所的DFY系列多通道发动机分析仪等，还有其它一些单位，如上海铁道学院也先后研制开发了发动机燃烧分析仪。

这些系统受到当时微机内存、A／D转换速率等因素的制约，硬件水平自然无法与进口专用设备抗衡，但在应用软件开发上各有特点，功能上与进口产品类似，整个系统灵活实用，基本能满足一般的研究需要。

对国内国外各种产品做了较详细的比较，以下分三个方面进行论述：1．在使用功能方面国外设备主要以针对测试和分析发动机的燃烧特性为主，因此也叫燃烧分析仪。

专业化强，适用于科学研究。

其功能单一，全英文界面，软件功能模块化、功能少，且被固化不能改变，不能加入自己的软件，再开发能力差，价格昂贵，使国内大多数发动机科研院所及学校无法承担。

国外产品的更新换代快，A VL公司基本上是5年左右换代一次，但价格不菲，使国内用户一直处于被动地位。

国内在模仿国外燃烧分析仪的基础上，自行开发研制出了一些适合我国国情的发动机数据采集分析仪。

但与国外水平相比，在硬件的先进性、可靠性和准确性上存在相当差距。

在大中型发动机工程计算分析上还需靠国外的著名软件来解决问题。

因此国内产品在应用推广上存在问题。

2．在主要性能指标方面国外产品在各项性能指标上也在不断提高，如A VL公司的A／D采样频率从250KHz 提高到2MHz，曲轴转角采样分辨率从1 deg.CA(Crank Angle)，提高到0.025 deg.CA。

采样通道数从单通道发展到8、16或32或更多，通道数可任意扩展。

数据采样的方式上从异步采样发展到同步采样，数据内存容量也在不断扩大。

并且从稳态数据采集与分析发展到可对发动机瞬态工况的数据进行实时采集、存贮、处理和分析。

国内目前发动机数据采集系统的A／D采样频率从100KHz到500KHz，曲轴转角采样分辨率从2deg．CA到I deg．CA，采样通道数4到8。

基本上是进行发动机的稳态工况实验研究，与国外先进仪器相比差距不小。

3．在系统硬件构成方面，一般可分为两大类(1)基于单片(板)机的发动机数据采集分析系统，基本框图如图1.2所示。

A VL公司使用Motorola公司的6809及68020 CPU构成数据采集系统{日本小野公司则采用Intel公司的Z80、51、96系列单片(板)构成系统。

国内大多采用Intel公司的MCS一31、5l等8位单片机及少数采用16位MCS．96系列单片机。

A VL公司的A VL617发动机数据采集分析仪利用AD210X系列的数字信号处理器构成数据采集系统，而国内在发动机测试设备研发中还没有人利用DSP芯片构成数据采集分析系统，这将是一个很好的研发方向。

图1.2基于单片(板)机的发动机数据采集分析系统(2)基于计算机的发动机数据采集分析系统，基本框图如图1.3所示A VL617，A VL620以及日本小野新一代产品DS．9100多都采用这种结构。

A／D采样板可以装在计算机中，也可放在单独构成的系统中。

目前国内许多科研人员或研究生都利用这种系统开发通用的或专门用途的数据采集分析系统。

其价格适中，再开发能力强，适合国情。

许多仪器开发基于Windows平台技术和虚机仪器技术的软件也应运而生，如NI的LabView。

图1.3基于计算机的发动机数据采集分析系统1.3本文研究内容由上述内容可知，建立一套实时性好、功能完善的柴油机实时多通道测控及燃烧分析系统，用以采集各种所需数据，分析反映柴油机燃烧的特征参数，为柴油燃烧的控制提供反馈信息，以满足试验研究的需要，具有十分重要的、现实的意义。

而随着电子技术的发展，诸如传感器等数据采集设备已经越来越向集成化、轻量化、小型化、傻瓜化发展。

现在市面上的一些数据采集卡已经可以代替以往复杂的内燃机数据采集电路。

这使得搭建一套足以胜任内燃机燃烧放热分析所需的恶劣工况耐受性和实时性等要求的燃烧分析系统的难度也越来越低。

除此以外，虚拟仪器技术的进步也使得设计制造一套基于PC机的燃烧放热分析系统的成本和门槛都较之以往大大降低。

因此，本文的研究内容，将重点集中在程序算法之上，也就是针对已经采集到的数据，如何进行恰当的处理运算和行之有效的分析，来反映内燃机的运行状况的，另外，对于如何将这样的数据处理单元嵌入燃烧分析仪的硬件形成产品也做了简单的探讨。