基于LabVIEW的发动机气门运动规律实验台的开发*

姜北平，解方喜，苏岩，许允

(吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室, 长春 130025)

0 引 言

目前，应用虚拟仪器技术建立的虚拟仪器测试系统替代传统仪器已经广泛应用于生产及科研领域[1]。基于LabVIEW虚拟仪器开发平台的发动机气门运动规律测试(《内燃机设计》的实验课)实验台是针对发动机配气机构动力学的研究所开发的实验台。通过简便的实验手段及测试分析、数据处理将复杂的实验原理简单化，可以作为发动机附件实验台研究配气机构的设计是否合理，该试验台具有先进的技术性及一定的科研价值。目前已经成功应用于本科生实践教学。使学生在实践过程中能够接触和掌握新技术，而且可以根据专业课程上学到的知识，自己选择实验内容设计实验方案进行自己感兴趣的实验。这样既能生动直观地展示发动机配气机构的运动规律，使它们更易于理解，达到课堂讲授所不能起到的作用[2]。并且能满足发动机配气机构转速很高，需要采集大量的瞬态数据并进行复杂的数据处理的要求，为学生更好的理解配气机构动力学的设计问题，实现动态、可操作性强、直观的实验教学，同时为学生的数据处理能力的提高提供了很好的平台，是实验教学改革的创新点。

1 理论基础

在发动机运转过程中发动机配气机构也随之高速运动，使得系统存在惯性力和弹性变形。因此气门的运动规律与理想的运动有很大的畸变。各种因素导致气门升程曲线差异(见图1)，可以看出三条气门升程曲线存在很大差异。曲线1为理论设计的气门升程曲线，曲线2为消除气门间隙和抵消弹簧预紧力后的气门位移曲线，曲线1,2之间的差异称为静变形，曲线3为实际气门升程曲线， 在不同的发动机工况，配气机构的运动速度会有所变化，所以实际的运动规律较为复杂，1,3曲线之间的差异称为动变形，不同工况的动变形会不同。动变形较大时会出现不正常现象，如图1所示曲线3在45度曲轴转角后出现的四个小升程曲线为气门反跳的结果，还有气门飞脱现象等等，动变形严重时会造成机构的损坏。因此需要研究气门的运动规律，合理设计配气机构，避免不合理现象的发生，延长机构的使用寿命[3]。

图1 各种因素气门升程曲线的差异[3]

气门运动规律实验台的开发的目的是测量配气机构中气门的运动规律。而对于运动规律，一般用位移、速度和加速度三个物理量的时间函数描述。而位移、速度和加速度存在着一定的关系[4]。只要测定三个物理量之中的任意一个,就可以微积分求出其他两个物理量[5]。气门运动规律实验台主要测试气门运动的加速度，从而积分得到气门运动速度，再次积分求得实际气门运动的升程。第二测试气门摇臂应变量，观察气门飞脱现象的波形。实验数据显示部分使用LabVIEW虚拟仪器来构建。通过实际测量参数的数据结果分析，来判断配气机构设计是否合理，最终解决配气机构的设计问题。

2 测试系统的总体设计

实验台的设计包括总体方案设计，硬件设计及软件设计，根据实验原理和实验目的确定设计方案。测量气门加速度选用加速度传感器，测量摇臂的应变量选用电阻应变片，电荷放大器、电阻应变仪、电桥等配合使用。为了提高实验的安全系数，需要用调速电机驱动发动机，所用发动机需要改造。数据采集部分以数据采集卡为核心部件。试验所用的仪器设备及型号规格如表1所示。

表1 仪器设备列表

系统硬件的选用和连接设计直接关系到测试系统性能的好坏[6]。实验平台的总体构造、系统硬件的连接设计图(见图2)。首先汽油机经过改造去掉曲轴及活塞连杆，最后留下缸体及油底壳支撑缸盖。由电机驱动凸轮轴及设定转速，加速度传感器安装在气门弹簧座上，测试系统以计算机为控制中心，加速度传感器及应变片的信号由电荷放大器，电阻应变仪进行处理然后输送到计算机。实验台局部放大图，即应变片和传感器的安装位置示意图(见图3)。

图2 气门运动规律测试实验台架

图3 应变片和传感器安装位置

3 测试系统的软件设计

LabVIEW语言作为一种开发语言和其他语言相比具有其独特的优点：程序设计采用图形化数据流结构的形式，逻辑关系直观清晰，容易被设计者采纳成为开发平台[7]。作者首先设计程序流程图，在LabVIEW中找到相应的模块进行程序的编译，制定所需的虚拟仪器，然后生成计算机可执行的程序[8-11]。具体步骤如下：按照程序流程图找到相应的控件和指示器，然后按照各种逻辑计算进行连接[12-13]，最后测试并调试程序。

如程序流程图4所示，设计气门运动规律的前面板。前面板应包括读取采集卡采集到的数据，数据采集参数设定部分、数据图形显示部分、数据文件存储设定部分等，选择与之相对应的控件。在这些部分中，其中采集参数包括采样时间，采集频率，采集通道设定，数据保存，文件名设定，曲线放大倍数设定，消除趋势项等由使用者指定命令，数据图形显示部分包括采集数据的时域图。合理布局各控件的位置，使前面板整体结构直观简洁，易于操作。

图4 程序设计流程图

程序完成的目标为根据前面板设定的采样时间，采集频率，采集通道，在指定通道获取实际波形，其中加速度和应变波形直接显示，加速度波形通过积分成速度信号并且消除趋势项同样显示在波形图上。振动信号处理中由于多种因素引起的系统误差,使得测量的实际信号偏离真实信号，主要体现在积分环节上,所以需要消除趋势项。实验数据保存在之前按照需要设定路径的采样文件名中，程序框图如图5所示。

图5 程序设计框图

4 实验结果分析

测试并调试设定的程序，发现数据流能按照既定的流程图运行，表明程序测试初步完成。然后对实验台进行验证。调整电荷放大器，进行加速度传感器的灵敏度设置，标定电阻应变仪，得出应变与电压值的对应关系，用于数据处理。启动电机设定转速并测量各个转速下的气门运动规律，图为实验过程中采集到的波形图如图6所示。

图6 正常波形图

观察气门飞脱现象，低速时摇臂驱动气门开启需要克服弹簧的弹力使得气门和摇臂紧密贴合，随着转速的升高到达某点时系统的惯性力超过弹簧的弹力，此时气门不需要摇臂驱动，气门与摇臂之间产生间隙，直观表现为应变量为零，此时波形如图7所示标记点的电压值为零，由公式(1)得出此点的应变值也为零，说明此时气门飞脱。

图7 飞脱波形图

ε=v1×c

(1)

式(1)中v1为应变仪输出的摇臂应变量对应的电压值；c为标定应变仪时得到的应变与电压的对应关系系数；ε为实际的应变量。使用数据处理软件根据实验数据计算得到的气门实际运动的加速度曲线如图8所示。积分计算得到的气门最大升程与实际气门最大升程基本一致，验证了测试手段的可执行性。同时学生也可以用其他的数据处理软件绘制曲线，使得学生们在充分理解实验原理的基础上锻炼了数据处理能力，从而综合素质得到提升。

图8 气门实际运动的加速度曲线

5 结束语

虚拟仪器由于其灵活性、经济型和较强的操作性取代了部分传统仪器。在各个领域都有广泛的应用，是现阶段服务科研和生产生活的重要手段[14-15]。基于LabVIEW虚拟仪器开发的气门运动规律测试平台与利用传统仪器开发测试平台相比，形象化的操作界面直观的显示了气门的运动规律，简化了实验过程并且使操作者更加直观的理解实验原理，同时测试平台具有的很强的灵活性，摆脱了功能单一的传统测试仪器的束缚[16]，可以在测试结束后直接进行数据处理，具备技术的先进性，同时实验台的实用性较强可以作为各个科研单位的发动机附件实验台。通过以上的讨论得到实验平台具有以下特点：

(1)实验平台基于自己设计的软件算法实现数据采集；

(2)与以往开发的测试系统相比，这套虚拟仪器系统将测量的自动化程度提到了很高；

(3)系统平台允许操作者更改测试条件，并且有选择性的对测量结果进行保存；

(4)简单易懂的操作界面使得操作者更能深入的理解实验原理，并且提高了学生的数据处理能力。