发动机配气机构动力学测量实验教学研究
黄瑞1， 章以建2，俞小莉1，薛松1，钱柯宇1，凌珑1，陈俊玄1
（1.浙江大学 能源工程学院，浙江 杭州；2. 浙江大学 后勤集团水电保障与修建工程中心，浙江 杭州）
摘 要： 研究生阶段的教育注重能力以及综合素质的培养，而实验教学是提升在校研究生理论联系实际以及动手实践能力的有效途径之一。在热能与动力工程测试技术课程中，开设实验教学环节，系统性地训练了研究生的系统性实验思维与实践应用能力。以发动机配气机构的动力学参数测量实验为例开展力学实验，该实验不仅有利于学生对动力学参数测量的理解，也提高了学生的创新思维，独立解决问题能力以及实操能力。学生在该实验教学过程中收获的实验技能，也有助于研究生后续科研阶段实验的开展与科研研究。
关键词： 实验教学；配气机构；动力学参数
一 引言
国势之强由于人，人材之成出于学，当今高校肩负着培养高素质人才的重任[1-5]。研究生作为未来科技社会发展的主力军，社会对其实践应用能力的要求日益提升。相应地，高校在对于研究生的培养过程中，也越来越注重实践应用能力的锻炼。实验教学作为一种理论与实践相结合的教学方式，可以较好地培养学生运用理论知识解决实际问题的能力并且帮助学生建立系统的解决问题的思维模式[6-9]。在现今高校的研究生教学中，实验教学已然是非常重要的组成部分。
热能与动力工程测试技术作为一项多学科交叉技术具有极强的实践性。在热能与动力工程测试技术课程中实施传统的理论教学已无法满足现代社会对培养高素质研究生的要求[10,11]。因此自2015年起对在该课程中增设实验教学环节，旨在培养热能与动力工程专业研究生的实验能力。在热能与动力机械测试技术中，动力学测量占据着十分重要的地位。例如在热能与动力工程相关的机械设备中，受力分析以及动力学测量是保证设备正常运行的极其重要的手段。并且在热能与动力工程研究生的后续科研阶段，动力学测量是必不可少的实验内容[12,13]。因此在本课程中对动力学测量部分设置实验环节，并以热能机械中应用最为广泛的发动机为例进行教学。
“大一的时候，我们的课程是一些基础课程，包括艺术通史、文物分析等等。到了大二，我们最重要的一门课是‘展览、策展和观众’，这门课每周一节，一节课大概要上3个小时，有时候我们上课的地点就在展览现场，老师会详细地为我们讲解。”
配气机构是发动机的主要运动件之一，其作用是按照发动机的工作要求，定时开启和关闭发动机各缸的进、排气门，顺利的实现进、排气。配气机构的好坏对发动机功率的输出、燃油的消耗、污染物排放及振动噪声等都有很大的影响，而气门运动规律设计是配气机构设计中的关键[14-16]。因此在实验教学环节，对发动机配气机构进行动力学测量教学。从测试台架搭建，传感器选择，数据采集到后处理，引导学生完整地系统性地完成动力学测试实验流程。在实验教学过程中，锻炼学生独立思考以及动手实操能力，帮助学生在研究生阶段建立起良好的实验意识以及实践能力。
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二 发动机配气机构动力学参数测量实验设计
（一）实验原理
2.位移传感器
图1所示为发动机配气机构动力学参数测量实验系统结构图，在实验中，电动机通过传动轴带动曲轴转动，模拟发动机在不同转速条件下可变气门结构的运动状况。电动机控制柜的旋钮可调节电动机的转速，即曲轴的转速，曲轴的转速则由激光转速测量仪测得。激光位移传感器记录气门的动态位移，并通过控制器将数据输入到配套的软件中，并能够对位移数据进行处理同时得到速度与加速度动态特性曲线。通过编码器和NI系列硬件，以及通过LabVIEW编写控制程序，还可以得出可变气门机构气门升程与曲轴转角同步关系。
（2）安装旋转编码器。
图1 发动机配气机构动力学参数测量实验系统结构图
（二）实验装置
根据以上实验原理选用主要实验设备如表1。
（7）分别调整转速至100rpm和150rpm，重复步骤6，直至完成数据采集。
（3）掌握可变气门结构气门升程与曲轴转角的动态特性曲线绘制方法；
表1 发动机配气机构动力学参数测量实验设备
表2 6M26柴油机主要技术规格
图2 发动机及可变气门机构实物图
本实验教学结合本校配气机构试验台完成，采用电动机拖动配气机构来模拟发动机运转状况，主要测量气门位移、速度、加速度以及曲轴转速等参数，用于评估发动机配气机构的动力学特性。
本实验采用的是基恩士（KEYENCE）激光位移传感器如图3，控制器型号为LK-G5001，为独立式控制器；传感头型号为LK-H080。该套激光位移传感器还配备了LK-Navigator2程序，可以设定控制器的参数、采集并存储数据。
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图3 激光位移传感器传感头实物图
图4 激光位移传感器漫反射安装方式示意图
图5 激光位移传感器实际安装位置图
传感头的安装方式分为两种，一种是漫反射安装方式，另一种为镜面反射安装方式。由于本实验的测量对象是发动机配气机构气门的弹簧座圈，表面较为粗糙，因此采用漫反射安装方式。其安装的参照距离为80mm，测量范围是±18mm，测量精度为0.1μm ，如图4所示。安装时需要注意保证传感头固定牢靠，并且激光能够垂直打在气门弹簧座圈上，弹簧座圈上要保持干净，防止油污杂质等对激光的反射造成影响，实际安装位置如图5所示。
3.转速测量仪
本实验使用TESTO465光电转速测量仪来测量曲轴的转速，需在转动件上贴上反射标贴，通过计算两次接受来自转动件上标贴的反射光的时间，即可快速测量该点的转速。实验图如图6所示。
图6 TESTO465光电转速测量仪实验图
4.编码器
编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。本实验使用的是倍能EB38S6A-3600-3LG2增量型旋转编码器，具有多孔位安装、防护等级高、牢固抗冲击等特点。
5.数据采集系统
本实验采用了美国国仪器NI cRIO-9022嵌入式控制器，以及NI-9401双向数字模块和NI-9215模拟输入模块。通过接线将激光位移传感器控制器输出的电压信号和旋转编码器输出的电压信号同时通过NI系列硬件传输到计算机中，并使用LabVIEW写出相应的控制程序，即可实现气门升程和曲轴转角的同步，得出不同转速条件下二者的曲线变化。实物图如图7所示，LabVIEW程序界面如图8所示。
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图7 NI系列硬件实物图
三 发动机配气机构动力学参数测量实验
（一）实验功能设计
（1）熟悉发动机配气机中位移、速度、加速度等动力学测量的实验原理；
其一，自从研究小组开展英语演讲选修课程和英语演讲嵌入型课程教学实验以来，学生的英语演讲水平普遍得到了提高。访谈结果显示：学生最大的收获是增强了学习英语的自信心、自主性和学习动机；英语演讲稿的写作水平有了一定程度的提高；资料搜集、整理、归纳、提炼、加工能力有所提高；批判性思维能力得到了锻炼和提高；英语演讲技巧得到了较快提升。在2013年河西学院第九届英语演讲大赛中，实验班学生积极参赛并取得了优异成绩。英语专业组比赛中，13名同学进入决赛，占到决赛总人数的60%以上；1人获一等奖，1人获二等奖，2人获优胜奖。非英语专业组比赛中，6名同学进入决赛，占到决赛总人数的30%；2人分获一等奖、二等奖。
本实验所用的为某厂家的柴油发动机，其主要技术规格如表2所示。为了便于实验，拆卸了发动机除气缸盖、配气机构、气缸体和曲轴之外的其他结构，并且配备了可变气门机构，如图2所示。
（2）掌握各传感器安装及台架搭建方法；
（4）掌握配气机构动力学测试数据采集及处理方法。
（二）实验步骤设计
图8 LabVIEW程序界面
本实验将测量搭载可变气门机构的柴油发动机在不同曲轴转速下的某一进气门的动力学特征，即位移、速度和加速度。实验时将激光位移传感器固定在发动机上，激光垂直打在气门弹簧座圈用以测量气门的动态位移。通过数据采集程序分别对位移一次求导和二次求导，从而得到气门运动的速度和加速度。同时，通过NI系列硬件和LabVIEW程序可以测出不同转速条件下气门升程和曲轴转角的关系曲线。
（1）将激光位移传感器的传感头安装在选定的进气门上方，调节姿态，开启电源，保证激光能垂直地打在气门弹簧座圈上，同时确保传感头和气门弹簧座圈的距离在80±18mm之内，调整完毕后关闭电源。
电子标签数据由128个比特组成。标签被激活后，对数据进行编码，加同步帧头，形成数据帧信号，采用反向散射原理（ASK调制信号）将数据发送给读写器。标签的数据编码形式如图2a和b所示。同步帧头形式如图2c所示。标签返回数据速率为10 kbps；返回整个数据帧，包括帧头，需13 ms。
（3）将旋转编码器和激光位移传感器的控制器链接到NI系列硬件上，同时将激光位移传感器的控制器和NI系列硬件连接到计算机。
（4）开启电机低速运转。
（5）若配气机构运行正常，打开激光位移传感器电源，同时打开电脑的数据监控程序，检查传感器是否能够正常工作。
（6）若传感器工作正常，调节电机转速至50rpm，打开LK-Navigator2程序记录下进气门的位移、速度和加速度数据并导出，结束后运行LabVIEW程序测出气门升程与曲轴转角的关系曲线，记录数据并导出。
1.柴油发动机
（8）确认数据有效，整理实验台架和设备，关闭电源。
（9）整理、处理相关数据，并形成实验报告。
（三）实验平台应用案例
利用上述平台和实验步骤对柴油机发动机进行了50rpm、100rpm、150rpm转速下的实验，从而得出气门升程-时间、气门速度-时间、气门加速度-时间、气门升程与曲轴转角关系图。
图9 发动机配气机构动力学参数测量实验实际台架图
图10 各转速下气门升程-时间曲线
图2-3 各转速下气门速度-时间曲线
图12 各转速下气门加速度-时间曲线
从图10气门升程-时间曲线中可以看出在发动机转速分别为50rpm、100rpm、150rpm时，气门最大升程分别约为11.7mm、11.1mm、10.6mm。该实验结果并没有看出可变气门机构在较高转速情况下对气门升程的提升。而且由于实验所用的发动机没有凸轮轴，而是采用上下运动的机械结构顶压气门模拟气门开闭。但是这种垂直往复运动在高转速时震动较大，没有凸轮轴机构运动平滑，可能由此导致了气门升程的变化。从图11各转速下气门速度-时间曲线图与图12各转速下气门加速度-时间曲线中可以看出气门运动的速度与加速度均随转速升高而增大，波型较为稳定，与实际情况完全相符，验证了实验数据的可靠性。在气门升程与曲轴转角曲线中转速为50rpm、100rpm、150rpm时气门的开闭过程分别经过了约为100°、110°、120°的曲轴转角。由此可以看出，可变气门机构可以使得在转速提高的条件下，相应的周期内气门开启时间也会有所提升，进而适度增加进气量来满足高转速的运行条件。
马丽亚狠狠地说：“哼，不要高兴得太早了，我们就骑驴看唱本，走着瞧吧！”马丽亚说完，狠狠剜了竹韵一眼气冲冲而去，那一眼剜得竹韵头皮发麻。
四 结语
研究生作为未来科技社会发展的中流砥柱，其实践应用能力是社会发展的基石。在高速发展的社会背景下，高校对研究生的实践能力培养刻不容缓。实验教学是理论教学的应用升华，它不仅考察的学生理论知识掌握的夯实程度，也对学生的实践动手能力以及解决问题能力具有一定要求。在日常教学中，增设实验教学环节是提高在校研究生综合素质的有效途径。在热能与动力工程测试技术课程中开设发动机配气机构动力学参数测量实验，以提高学生的实验应用能力。从四年的教学成果以及学生反馈来看，通过该实验，学生对发动机配气机构的动力学特性有了更为深入的了解以及认识，并且独立解决实际问题的思维模式得到了拓宽，实践应用能力得到大幅度提升。由于实验能力与思维方式具有移植性，在其余热能与动力工程相关的实验中，学生的畏难情绪也得以克服，可以较为顺利以及系统性地开展实验研究。同时，实验教学也为后续研究生阶段的科研实验打下坚实基础。
随着社会经济的不断发展，人们对于生活质量提出更高要求，越加重视土木建筑工程的综合质量。故，各土木建筑工程建设单位需不断提升的工程建设水平，运用更多的现代高新技术辅助建设，一方面满足人们对土木建筑工程所提出的质量要求，一方面提升本单位在市场上的竞争力。为实现这一目标，越来越多的建设企业都引进并运用了虚拟现实技术，但由于技术应用经验不足，该技术所能发挥的重要应用效果还没有被完全发挥。
HTTP是一个客户端终端(用户)和服务器端(网站)请求和应答的标准(TCP)。通过使用Web浏览器、网络爬虫或者其他的工具，客户端发起一个HTTP请求到服务器上指定端口(默认端口为80)。该客户端被称为用户代理程序(user agent)。应答的服务器上存储着一些资源，比如HTML文件和图像。该应答服务器被称为源服务器(origin server)。在用户代理和源服务器中间可能存在多个“中间层”，比如代理、网关或者隧道(tunnel)。
综上，实验教学在热能与动力工程测试技术中取得了初步成效，大大提升了在校研究生的实践能力与社会竞争力。在后续的实验教学过程中，还将结合科技社会发展与国际先进技术，充实实验教学内容，增加实验教学深度，以进一步满足拓宽学生视野，培养具有高综合素质，强社会竞争力的研究生的社会要求。
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Experimental Teaching Research on Dynamics Measurement of Engine Valve Train
HUANG Rui1, Zhang Yi-jian2，YU Xiao-li1, XUE Song1, QIAN Ke-yu1, LING Long1，CHEN Jun-xuan1
(1.College of Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou; 2.Logistics Group Hydropower Support and Construction Engineering Center，Zhejiang University, Hangzhou)
Abstract： The postgraduate education focuses on the ability and the cultivation of comprehensive quality, and the experimental teaching is one of the effective ways to improve the practical connection and practical ability of postgraduate students. In the course of thermal energy and power engineering testing technology, the experimental teaching link was set up,and the systematic experimental thinking and practical application ability of graduate students were systematically trained.Taking the dynamic parameter measurement experiment of the engine valve train as an example, the mechanics experiment is carried out. This experiment not only helps students to understand the measurement of dynamic parameters, but also improves students’ innovative thinking, independent problem solving ability and practical ability. The experimental skills that students have gained in the course of the experimental teaching also contribute to the development and research of the postgraduate research phase.
Key words： Experimental teaching; Engine valve train; Kinetic parameters
本文引用格式： 黄瑞,等.发动机配气机构动力学测量实验教学研究[J]. 教育现代化,2019,6(68)：173-178.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.68.060
基金项目： 国家自然科学基金资助项目（基于压缩空气的车辆制动能量回收与内燃机循环工况优化，51476143）；浙江省科协育才工程，编号2018YCGC015。
作者简介： 黄瑞，男，浙江台州人，硕士，助理研究员，主要研究方向为实验教学，汽车及动力机械试验技术。
标签：实验教学论文; 配气机构论文; 动力学参数论文; 浙江大学能源工程学院论文; 浙江大学后勤集团水电保障与修建工程中心论文;