内燃机气缸动态压力测量

内燃机气缸动态压力测量方法内燃机气缸动态压力测量的方法较多，目前机械方法测量示功图已经基本上不再采用，普遍采用的是用电测方法测量动态压力。把气缸压力、曲轴转角等非电量通过适当的传感器转换为电量，经放大器放大和信号处理后，由信号采集系统进行采集，再由显示记录装置进行显示。在这种测量方法中，运动部件的质量和位移很小，自振频率很高，因而能满足高速内燃机测量的要求。在内燃机气缸动态压力测量中，上止点位置和曲轴转角信号是缸内动态压力测量的另外两个非常重要的信号。内燃机示功图是一条连续的曲线，但在测量中测录过程是离散进行的，即所谓采样集点法。具体有两种方法：一种是对应某些确定的压力值，采集气缸压力与之相平衡时的曲轴转角，这种方法称为横向集点法；另一种方法是在确定的曲轴转角下采集相应的缸内气体压力值，称为纵向集点法。纵向集点法通过迅速采集内燃机各相应曲轴转角下的动态压力值取得示功图。当采样转角间隔足够小时，压力变化点就近似连续。来自压力传感器并经放大的信号用作纵向集点法的压力信号源，压力信号是连续的。这种连续信号进入示波器后，利用示波器本身的同步扫频功能显示波形，也可以进人磁带记仪或计算机数据采集系统记录动态压力信号。若采用计算机数据采集系统进行信号采集，必须由转角脉冲信号来触发采样，将连续的压力信号转变为一个个相应的阶梯形信号，即将连续的信号转换为离散的数字信号。系统中采用光电传感器获得曲轴转角信号和上止点信号，采用石英压电传感器和电荷放大器获得气缸压力信号。采样单元由采样保持器和模数转换器组成，采样保持器在曲轴转角信号触发下对电压信号进行采样，并使采样值在模数转换器进行模数转换的过程中保持不变。计算机系统对采样单元进行控制并且对采集的数据进行显示和分析处理。上止点位置和曲轴转角信号的确定活塞在气缸内作往复运动的两个极端位置称为止点，活塞离曲轴旋转中心最远的位置称为上止点。测量示功图时，确定上止点的位置是十分重要的，它是对内燃机的工作过程进行分析和计算有关参数的依据。曲轴转角信号是示功图采集系统的触发信号，它的准确性和可靠性在采集系统中也十分重要。（一）上止点位置的确定虽然内燃机静态几何上止点有一个固定的位置，但在运转的内燃机中，由于活塞与曲柄连杆机构受力变形、活塞受热膨胀以及轴承间隙的变化等的影响，使得实际动态上止点位置与静态几何上止点位置有一定差异，而且由于影响因素复杂，往往难以准确定位。在内燃机测试中，常用以下方法确定上止点。1．磁电法绕有线圈的永久磁铁固定在机体上某一位置，在飞轮圆周装一个用导磁材料制成的凸尖。当内燃机工作、飞轮转动时，由于凸尖与磁铁间隙处磁通的变化，线圈两端将输出一个变化的电动势。若上止点位置对正时，即凸尖正好对准磁铁中心线，电动势曲线中的对应点即为上止点。这种方法测得的上止点实际为静态上止点。2．气缸压缩线法在倒拖和灭缸的情况下，测得气缸内的压缩压力曲线。在压缩曲线的上部，作若干条平行于大气压力的直线，连接这些直线的中点即可得到上止点的位置。由于气缸内的压缩空气和缸壁存在热交换，而这种热交换在压缩过程与膨胀过程中并不相同，同时还由于缸内工质不可避免地存在少量的泄漏，所以实际上这条压缩压力曲线并不是对称的。因此，按上述方法获得的上止点线可能与大气压力线不垂直。由于用这种方法求得的上止点比较接近工作状态下的动态上止点，因此被广泛采用。3．电容法将传感器的电极2和活塞5分别作为电容的两极。电极与绝缘套3以及传感器壳体4固定在气缸盖1上，它们都是静止的。当活塞作往复运动时，电容传感器的电容量发生变化。当电容量出现最大值时，即认为活塞处于上止点位置，这样就可将最大电容量出现时的位置信号作为动态上止点的信号。由于活塞和连杆受力变形以及温度变化的影响，对于四冲程内燃机而言，在压缩冲程和排气冲程中，分别利用电容法测得的动态上止点相位是有差异的，一般压缩终了时所测得的上止点相位比排气冲程终了时所测得的上止点相位领先，而后者更接近静态上止点的相位。由于在试验中难以准确测定实际动态上止点位置，因此在进行电容法定动态示功图精确分析时，往往需要进行上止点的热力学修正。（二）曲轴转角信号的测定在示功图采集系统中，通常以曲转转角作为示功图的时间坐标，测量时用于触发采样过程，曲轴转角信号常用以下方法测定。1.光电法利用光电式传感器原理，在光栅盘的外圈按所要求的角分辨率加工一定数目的转角光栅，在光栅盘的内圈加工一条光栅对应上止点位置信号。当光源通过光栅到达另一侧由两个光电元件组成的接受器时，分别产生曲轴转角和上止点两组信号。2．磁电法磁电法基于磁电式传感器原理，在曲轴上安装一个齿盘，磁电式传感器固定不动。当曲轴旋转、齿盘上的每个齿经过传感器时，都会产生一个感应电动势脉冲，齿盘的齿数决定了曲轴每转产生的脉冲数，以此来确定曲轴转角的度数。当内燃机运转时，可以要把不断产生的上止点信号和发动机转速，利用计算机数据处理系统来求得曲轴转角信号。利用光电法和磁电法确定曲轴转角信号时，由于光栅盘的光栅数和齿轮盘齿数受到尺寸和加艺的限制，角分辨率一般只能做到1°。若采用第四章所的光电式编码器，角分辨率可以做到0.5°甚至更小的曲轴转角。采用上止点基准法时，转角的分辨率可以通过计算大幅度提高，但这只是在发动机等速运转时才能保持较高的测量精度。示功图采集过程的误差分析示功图的采集实际上是测量气缸中的压力随曲轴转角变化的关系，因此凡是影响压力测量和曲轴转角测量精度的因素，都会给示功图的测量带来误差。如何提高示功图的测量精度，是当前内燃机测试技术中的一个重要研究课题。（一）测压通道引起的误差在示功图采集过程中，压力传感器一般均安装在气缸盖上，传感器端部与气缸盖底面，即与燃烧室之间有一段通道，气缸内压力经此通道传到传感器膜片上，此外由于加工工艺等原因，还存在空腔，由此会由于前述的容腔效应产生下述误差：1．改变了发动机原有工作状态由于测压通道和空腔的存在，增加了内燃机气缸的余隙容积，使内燃机压缩比相应减小，压缩终点压力降低，气缸内的工作状态发生变化，从而使气缸动态压力本身发生变化。2．滞后和腔振气缸内的动态压力通过测压通道内的弹性气体传递给压力传感器，气体的弹性和阻尼作用使传递到压力传感器的压力相位滞后，尤其在气缸压力突变时，其脉冲压力波在通道中交替传递与反射，形成通道内气体的自振，即所谓“腔振（这时在示功图膨胀线上出现明显的锯齿波）。为减少“腔振的影响，应尽量缩短通道的长度并减小空腔的容积，要求通道的自振频率至少要大于被测信号上限频率的两倍以上。为了减少测压通道引起的误差，理论上最好使传感器与燃烧室壁面齐平安装，而在实际使用中，很多结构紧凑的内燃机没有足够的空间来齐平安装传感器。而且齐平安装会使传感器直接暴露在燃烧室内，使传感器受到热冲击，影响其测量精度和使用寿命。所以测压通道是客观存在的，测量时需要进行修正，关于这方面的研究可参考有关专题研究。（二）上止点位置引起的误差上止点位置是根据示功图进行放热率、平均指示压力等计算的依据。上止点偏差曲轴转角，就可能使平均指示压力计算产生约5.5%的误差，放热率峰值计算产生约5%的误差。反之，若要保证平均指示压力的误差小于1%，则要求上止点相位偏差不超过0.2°曲轴转角。为提高上止点位置精度，除了硬件方面的考虑外，还可以用软件方法进行修正，热力学修正是常用的修正方法。在气缸压缩线法确定上止点位置时所采用的倒拖压缩示功图上，上止点附近较小区段内多变指数接近常数，而膨胀多变指数大于压缩多变指数。假设上止点位置正确，则在对数坐标的示功图上，压缩线高于膨胀线，且在上止点附近两条线呈近似直线分开。如果上止点位置不准确，压缩过程线和膨胀过程线能呈直线，有时甚至会出现膨胀过程线高于压缩过程线的情况。利用这一原理对上止点的位置进行修正，可以获得较高的精度。（三）温度变化引起的误差压力传感器对温度的变化很敏感，尤其是压电元件的压电常数因温度的变化而改变，使测量系统的输出发生漂移。为减小温度变化对传感器的影响，应十分注意传感器在测试时的冷却条件，也可采用带温度补偿片的压电传感器，以消除气缸内燃气高温带来的影响。在采集示功图的过程中，除了上述因素引起的误差外，传感器和测量线路的绝缘性能、环境的振动和噪声、电磁场的干扰、安装操作不当等，都会带来测量误差。文献来源：《热能与动力工程测试技术》机械工业出版社严兆大主编第2版