1、內(nèi)燃機(jī)氣缸動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量方法 內(nèi)燃機(jī)氣缸動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量的方法較多，目前機(jī)械方法測(cè)量示功圖已經(jīng)基本上不再采用，普遍采用的是用電測(cè)方法測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力。把氣缸壓力、曲軸轉(zhuǎn)角等非電量通過(guò)適當(dāng)?shù)膫鞲衅鬓D(zhuǎn)換為電量，經(jīng)放大器放大和信號(hào)處理后，由信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集，再由顯示記錄裝置進(jìn)行顯示。在這種測(cè)量方法中，運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量和位移很小，自振頻率很高，因而能滿(mǎn)足高速內(nèi)燃機(jī)測(cè)量的要求。在內(nèi)燃機(jī)氣缸動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量中，上止點(diǎn)位置和曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)是缸內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量的另外兩個(gè)非常重要的信號(hào)。內(nèi)燃機(jī)示功圖是一條連續(xù)的曲線，但在測(cè)量中測(cè)錄過(guò)程是離散進(jìn)行的，即所謂采樣集點(diǎn)法。具體有兩種方法：一種是對(duì)應(yīng)某些確定的壓力值，采集氣缸壓力與之相

2、平衡時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角，這種方法稱(chēng)為橫向集點(diǎn)法；另一種方法是在確定的曲軸轉(zhuǎn)角下采集相應(yīng)的缸內(nèi)氣體壓力值，稱(chēng)為縱向集點(diǎn)法。縱向集點(diǎn)法通過(guò)迅速采集內(nèi)燃機(jī)各相應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角下的動(dòng)態(tài)壓力值取得示功圖。當(dāng)采樣轉(zhuǎn)角間隔足夠小時(shí)，壓力變化點(diǎn)就近似連續(xù)。來(lái)自壓力傳感器并經(jīng)放大的信號(hào)用作縱向集點(diǎn)法的壓力信號(hào)源，壓力信號(hào)是連續(xù)的。這種連續(xù)信號(hào)進(jìn)入示波器后，利用示波器本身的同步掃頻功能顯示波形，也可以進(jìn)人磁帶記儀或計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)。若采用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)采集，必須由轉(zhuǎn)角脈沖信號(hào)來(lái)觸發(fā)采樣，將連續(xù)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)個(gè)相應(yīng)的階梯形信號(hào)，即將連續(xù)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)。系統(tǒng)中采用光電傳感器獲得曲軸

3、轉(zhuǎn)角信號(hào)和上止點(diǎn)信號(hào)，采用石英壓電傳感器和電荷放大器獲得氣缸壓力信號(hào)。采樣單元由采樣保持器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成，采樣保持器在曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)觸發(fā)下對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，并使采樣值在模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中保持不變。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)采樣單元進(jìn)行控制并且對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和分析處理。 上止點(diǎn)位置和曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)的確定 活塞在氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)極端位置稱(chēng)為止點(diǎn)，活塞離曲軸旋轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)的位置稱(chēng)為上止點(diǎn)。測(cè)量示功圖時(shí)，確定上止點(diǎn)的位置是十分重要的，它是對(duì)內(nèi)燃機(jī)的工作過(guò)程進(jìn)行分析和計(jì)算有關(guān)參數(shù)的依據(jù)。曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)是示功圖采集系統(tǒng)的觸發(fā)信號(hào)，它的準(zhǔn)確性和可靠性在采集系統(tǒng)中也十分重要。（一）上止點(diǎn)位置的確定 雖然

4、內(nèi)燃機(jī)靜態(tài)幾何上止點(diǎn)有一個(gè)固定的位置，但在運(yùn)轉(zhuǎn)的內(nèi)燃機(jī)中，由于活塞與曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力變形、活塞受熱膨脹以及軸承間隙的變化等的影響，使得實(shí)際動(dòng)態(tài)上止點(diǎn)位置與靜態(tài)幾何上止點(diǎn)位置有一定差異，而且由于影響因素復(fù)雜，往往難以準(zhǔn)確定位。在內(nèi)燃機(jī)測(cè)試中，常用以下方法確定上止點(diǎn)。1磁電法 繞有線圈的永久磁鐵固定在機(jī)體上某一位置，在飛輪圓周裝一個(gè)用導(dǎo)磁材料制成的凸尖。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)工作、飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于凸尖與磁鐵間隙處磁通的變化，線圈兩端將輸出一個(gè)變化的電動(dòng)勢(shì)。若上止點(diǎn)位置對(duì)正時(shí)，即凸尖正好對(duì)準(zhǔn)磁鐵中心線，電動(dòng)勢(shì)曲線中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)即為上止點(diǎn)。這種方法測(cè)得的上止點(diǎn)實(shí)際為靜態(tài)上止點(diǎn)。2氣缸壓縮線法 在倒拖和滅缸的情況下，測(cè)得

5、氣缸內(nèi)的壓縮壓力曲線。在壓縮曲線的上部，作若干條平行于大氣壓力的直線，連接這些直線的中點(diǎn)即可得到上止點(diǎn)的位置。由于氣缸內(nèi)的壓縮空氣和缸壁存在熱交換，而這種熱交換在壓縮過(guò)程與膨脹過(guò)程中并不相同，同時(shí)還由于缸內(nèi)工質(zhì)不可避免地存在少量的泄漏，所以實(shí)際上這條壓縮壓力曲線并不是對(duì)稱(chēng)的。因此，按上述方法獲得的上止點(diǎn)線可能與大氣壓力線不垂直。由于用這種方法求得的上止點(diǎn)比較接近工作狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)上止點(diǎn)，因此被廣泛采用。3電容法將傳感器的電極2和活塞5分別作為電容的兩極。電極與絕緣套3以及傳感器殼體4固定在氣缸蓋1上，它們都是靜止的。當(dāng)活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電容傳感器的電容量發(fā)生變化。當(dāng)電容量出現(xiàn)最大值時(shí)，即認(rèn)為活塞

6、處于上止點(diǎn)位置，這樣就可將最大電容量出現(xiàn)時(shí)的位置信號(hào)作為動(dòng)態(tài)上止點(diǎn)的信號(hào)。由于活塞和連桿受力變形以及溫度變化的影響，對(duì)于四沖程內(nèi)燃機(jī)而言，在壓縮沖程和排氣沖程中，分別利用電容法測(cè)得的動(dòng)態(tài)上止點(diǎn)相位是有差異的，一般壓縮終了時(shí)所測(cè)得的上止點(diǎn)相位比排氣沖程終了時(shí)所測(cè)得的上止點(diǎn)相位領(lǐng)先，而后者更接近靜態(tài)上止點(diǎn)的相位。 由于在試驗(yàn)中難以準(zhǔn)確測(cè)定實(shí)際動(dòng)態(tài)上止點(diǎn)位置，因此在進(jìn)行電容法定動(dòng)態(tài)示功圖精確分析時(shí)，往往需要進(jìn)行上止點(diǎn)的熱力學(xué)修正。（二）曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)的測(cè)定 在示功圖采集系統(tǒng)中，通常以曲轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角作為示功圖的時(shí)間坐標(biāo)，測(cè)量時(shí)用于觸發(fā)采樣過(guò)程，曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)常用以下方法測(cè)定。1.光電法 利用光電式傳感器原理，在

7、光柵盤(pán)的外圈按所要求的角分辨率加工一定數(shù)目的轉(zhuǎn)角光柵，在光柵盤(pán)的內(nèi)圈加工一條光柵對(duì)應(yīng)上止點(diǎn)位置信號(hào)。當(dāng)光源通過(guò)光柵到達(dá)另一側(cè)由兩個(gè)光電元件組成的接受器時(shí)，分別產(chǎn)生曲軸轉(zhuǎn)角和上止點(diǎn)兩組信號(hào)。2磁電法 磁電法基于磁電式傳感器原理，在曲軸上安裝一個(gè)齒盤(pán)，磁電式傳感器固定不動(dòng)。當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)、齒盤(pán)上的每個(gè)齒經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)脈沖，齒盤(pán)的齒數(shù)決定了曲軸每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)，以此來(lái)確定曲軸轉(zhuǎn)角的度數(shù)。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以要把不斷產(chǎn)生的上止點(diǎn)信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)來(lái)求得曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)。 利用光電法和磁電法確定曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)時(shí)，由于光柵盤(pán)的光柵數(shù)和齒輪盤(pán)齒數(shù)受到尺寸和加藝的限制，角分辨

8、率一般只能做到1。若采用第四章所的光電式編碼器，角分辨率可以做到0.5甚至更小的曲軸轉(zhuǎn)角。采用上止點(diǎn)基準(zhǔn)法時(shí)，轉(zhuǎn)角的分辨率可以通過(guò)計(jì)算大幅度提高，但這只是在發(fā)動(dòng)機(jī)等速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)才能保持較高的測(cè)量精度。 示功圖采集過(guò)程的誤差分析示功圖的采集實(shí)際上是測(cè)量氣缸中的壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的關(guān)系，因此凡是影響壓力測(cè)量和曲軸轉(zhuǎn)角測(cè)量精度的因素，都會(huì)給示功圖的測(cè)量帶來(lái)誤差。如何提高示功圖的測(cè)量精度，是當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)測(cè)試技術(shù)中的一個(gè)重要研究課題。（一）測(cè)壓通道引起的誤差在示功圖采集過(guò)程中，壓力傳感器一般均安裝在氣缸蓋上，傳感器端部與氣缸蓋底面，即與燃燒室之間有一段通道，氣缸內(nèi)壓力經(jīng)此通道傳到傳感器膜片上，此外由于加工工藝

9、等原因，還存在空腔，由此會(huì)由于前述的容腔效應(yīng)產(chǎn)生下述誤差：1改變了發(fā)動(dòng)機(jī)原有工作狀態(tài) 由于測(cè)壓通道和空腔的存在，增加了內(nèi)燃機(jī)氣缸的余隙容積，使內(nèi)燃機(jī)壓縮比相應(yīng)減小，壓縮終點(diǎn)壓力降低，氣缸內(nèi)的工作狀態(tài)發(fā)生變化，從而使氣缸動(dòng)態(tài)壓力本身發(fā)生變化。2滯后和腔振氣缸內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓力通過(guò)測(cè)壓通道內(nèi)的彈性氣體傳遞給壓力傳感器，氣體的彈性和阻尼作用使傳遞到壓力傳感器的壓力相位滯后，尤其在氣缸壓力突變時(shí)，其脈沖壓力波在通道中交替?zhèn)鬟f與反射，形成通道內(nèi)氣體的自振，即所謂“腔振（這時(shí)在示功圖膨脹線上出現(xiàn)明顯的鋸齒波）。為減少“腔振的影響，應(yīng)盡量縮短通道的長(zhǎng)度并減小空腔的容積，要求通道的自振頻率至少要大于被測(cè)信號(hào)上限頻率

10、的兩倍以上。為了減少測(cè)壓通道引起的誤差，理論上最好使傳感器與燃燒室壁面齊平安裝，而在實(shí)際使用中，很多結(jié)構(gòu)緊湊的內(nèi)燃機(jī)沒(méi)有足夠的空間來(lái)齊平安裝傳感器。而且齊平安裝會(huì)使傳感器直接暴露在燃燒室內(nèi)，使傳感器受到熱沖擊，影響其測(cè)量精度和使用壽命。所以測(cè)壓通道是客觀存在的，測(cè)量時(shí)需要進(jìn)行修正，關(guān)于這方面的研究可參考有關(guān)專(zhuān)題研究。（二）上止點(diǎn)位置引起的誤差上止點(diǎn)位置是根據(jù)示功圖進(jìn)行放熱率、平均指示壓力等計(jì)算的依據(jù)。上止點(diǎn)偏差曲軸轉(zhuǎn)角，就可能使平均指示壓力計(jì)算產(chǎn)生約5.5%的誤差，放熱率峰值計(jì)算產(chǎn)生約5%的誤差。反之，若要保證平均指示壓力的誤差小于1%，則要求上止點(diǎn)相位偏差不超過(guò)0.2曲軸轉(zhuǎn)角。為提高上止點(diǎn)位置精度，除了硬件方面的考慮外，還可以用軟件方法進(jìn)行修正，熱力學(xué)修正是常用的修正方法。在氣缸壓縮線法確定上止點(diǎn)位置時(shí)所采用的倒拖壓縮示功圖上，上止點(diǎn)附近較小區(qū)段內(nèi)多變指數(shù)接近常數(shù)，而膨脹多變指數(shù)大于壓縮多變指數(shù)。假設(shè)上止點(diǎn)位置正確，則在對(duì)數(shù)坐標(biāo)的示功圖上，壓縮線高于膨脹線，且在上止點(diǎn)附近兩條線呈近似直線分開(kāi)。如果上止點(diǎn)位置不準(zhǔn)確，壓縮過(guò)程線和膨脹過(guò)程線能呈直線，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)膨脹過(guò)程線高于壓縮過(guò)程線的情況。利用這一原理對(duì)上止點(diǎn)的位置進(jìn)行修正，可以獲得較高的精度。（三）溫度變化引起的誤差壓力傳感器對(duì)溫度的變化很敏感，尤其是壓電元件的壓電常數(shù)因溫度的變化而改變，使測(cè)量系統(tǒng)的輸出發(fā)