摘 要

船用内燃机是船舶的心脏，内燃机的稳定工作是船舶安全航行的保障，内燃机的燃烧系统优劣对于其整体性能的好坏又发挥着重要作用。内燃机示功图测试技术在内燃机稳定运行的测试、运行监测、技术开发中发挥着至关重要的作用。通过内燃机的燃烧分析，可以明确内燃机实际工作过程中的经济性和燃烧过程的完善程度以及改进潜力。

本文对传感器、数据采集卡、电荷放大器进行选型，并开发了基于LabVIEW平台的测试软件，构成了内燃机示功图测试分析系统。系统开发过程主要围绕下述内容进行：

（1）结合船用柴油机燃烧特点、根据数据采集需要以及测试技术相关知识进行传感器、多通道数据采集卡的选型；

（2）运用LabVIEW开发平台完成软件编写，软件实现气缸压力的实时测试存储，能够实现存储信号的回放及分析等；

（3）进行台架实验。本文最后根据台架实验采集到相关数据进行了被测内燃机的运行分析，验证系统的准确性及实用性。

关键词：船用内燃机；LabVIEW；示功图；数据采集；放热率曲线

ABSTRACT

Marine diesel engine is the heart of the ship, the steady operation of marine engine is the safeguard of the safe navigation of the ship. The combustion system of internal combustion engine plays an important role in the performance of the combustion system. Indicator diagram of the marine engine plays the crucial adjective function of internal combustion engine, working condition monitoring and development of marine engine. Through the combustion analysis of marine engine, can we know more clearly about the economic of the actual working process of marine engine and the improvement of the cycle.

This paper developed a set of test and analysis software of indicator diagram of diesel engine, which is composed of sensor, charge amplifier, data acquisition card, computer and software which is based on LabVIEW. In this paper, the following contents are studied and developed:

1. Combined with the characteristics of marine diesel engine combustion, according to data acquisition requirements and test technology related knowledge , to make a selection of sensor and multi-channel data acquisition card;
2. The software development which is based on LabVIEW, the software can record the measured cylinder pressure curve in real time, and can realize the playback and analysis of the stored signal;
3. In the end of this paper, the internal combustion engine's operation analysis is carried out according to the experimental data collected, and the accuracy and practicability of the system are verified.

Key words: Marine internal combustion engine; LabVIEW; indicator diagram; data collection; heat release rate curve

目 录

1.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 3

2.测试系统硬件选型 4

2.1数据采集流程 4

2.2硬件选型 4

2.2.1传感器选型 4

2.2.2电荷放大器 5

2.2.3曲轴转角传感器 7

2.2.4数据采集卡 9

3.示功图软件开发 11

3.1软件开发平台 11

3.2软件功能设计 11

3.3数据采集模块 11

3.4示功图数据预处理 13

3.4.1上止点位置的确定 13

3.4.2循环平均化处理； 14

3.4.3光顺处理 15

3.5性能参数确定 17

3.5.1p-φ图转p-V图 17

3.5.2燃烧放热率曲线 17

3.5.3其他重要参数的计算 19

3.6示功图分析程序 22

3.7示功图采集以及分析界面 23

4.示功图测试分析仪实验验证 25

4.1发动机台架 25

4.2示功图测试分析实验 25

4.2.1 1000rpm-55kW工况试验 26

4.2.2 1000rpm-88kW工况试验 27

4.2.3 1000rpm-110kW工况试验 28

4.2.4 1000rpm-165kW工况试验 30

4.2.5 1000rpm-220kW工况试验 31

4.2.6试验小结 32

5.结论与展望 34

参考文献 35

1.绪论

1.1选题背景及意义

船舶柴油机是船舶的心脏，柴油机的稳定运行保证了船舶的安全航行，内燃机燃烧系统的优劣对内燃机整体性能的好坏发挥着重要作用。示功图测试技术在保障柴油机稳定运行中发挥着至关重要的作用。随着不可再生能源的过度使用，使社会对内燃机燃烧效率的要求要求愈发严苛。经过内燃机运行状态分析，可以在一定程度上直观的了解到一台内燃机的工作情况，其中爆发压力、压缩压力、燃烧持续角、压力升高率等重要参数更是判断柴油机运行状态的重要参考。经过数据分析，可以明确以理论循环热效率为代表的经济性和以循环压力为代表的动力性的改进方向和途径，明确柴油机实际循环过程中的工作粗暴程度和燃烧的充分程度以及改进潜力。伴随着科学技术的飞速发展，内燃机的研究方向更趋于高效率化、大功率和强载荷，但由于内燃机本身零部件众多、部件间关联性强、运动复杂、要求持续工作时间长、工作环境恶劣等特点，也使柴油机易发生故障，造成损失。因此，内燃机将要发生故障时的及时预警在保证柴油机的稳定工作和船舶的安全航行中扮演着极其重要的角色。船用内燃机示功图测试分析系统测试内燃机运行过程的重要参数，可以在一定程度上预知内燃机的故障，保障船舶的安全稳定航行，降低事故发生概率。

在示功图中可以直观了解到柴油机整个工作循环过程内不同气缸体积对应的压力数据变化，通过压力数组的计算及处理，运用相关热力学知识，得到示功图及其他重要参数并将结果与所积累的试验数据进行分析比较，可以对整个工作过程或工作过程中的某一阶段进行的完善程度作出判断^[7]。所以船用内燃机示功图测试分析仪软件开发以示功图测试技术为研究基础，利用LabVIEW开发软件，在船用内燃机中利用软件配套相关硬件完成示功图的数据采集，经过实时处理，前面板显示p-V图、指示功、最大气缸压力对应曲柄转角、压力升高率、放热率等图形，实现整个循环过程以及部分循环（例如燃烧过程）的各项性能指标的评估和分析，判断燃烧完善程度，实现优化内燃机实际工作循环尤其燃烧过程的优化。

1.2国内外研究现状

传感器是获取船用内燃机示功图的重要组成部分，在测试传感器方面，50年代前，作为测量元件的仪器大多是机械式传感器，如弹簧压力表、膨胀式温度计等，当时的柴油机测控设备也以这类设备为测试基础，以获得相对现在科学技术水平精度较低的示功图。十年后非电量测试技术和相应的二次仪表开始在可是领域中得到应用，柴油机的测试技术和系统也在这个基础上得到了进一步的提高，利用这种技术可以得到电气式示功图。70年代，计算机发展水平并不完备，在测试领域还不能够得到很好的应用，当时的内燃机研究在很大程度上依赖于数学模型的建立和数值计算。进入80年代后，计算机和智能化仪表开始在测试领域中得到应用，动态参数的测量和实时分析便成为了现实，随着计算机的广泛应用及光电测试技术的迅速发展，测试技术进入了一个新的发展阶段，内燃机的研究水平也提高到了一个崭新的阶段，外加高速数据采集技术的不断进步和在内燃机测试领域的应用，内燃机动态循环分析的测试便得到了突破性进展。从机械式示功器、电气式示功器发展到基于智能化、自动化的计算机采集技术的示功器是内燃机测试领域不断进步的缩影^[5]。