柴油機(jī)示功圖的測(cè)試

1、一、示功圖測(cè)試的背景及意義 提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率和降低排放需要對(duì)其性能進(jìn)行深入研究。內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放特性與其燃燒過(guò)程有著密切的關(guān)系。柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件多且相互關(guān)聯(lián)、氣缸內(nèi)的工作環(huán)境十分復(fù)雜。 氣缸壓力示功圖是描述柴油機(jī)動(dòng)力性能的基本手段，它綜合反映了柴油機(jī)輸出機(jī)械功的熱力轉(zhuǎn)換過(guò)程。測(cè)量氣缸壓力示功圖的實(shí)質(zhì)是測(cè)量氣缸中氣體壓力隨時(shí)間(或曲軸轉(zhuǎn)角、氣缸容積)變化的信號(hào)。 氣缸壓力示功圖的面積代表柴油機(jī)氣缸內(nèi)一個(gè)工作循環(huán)所作的指示功，利用氣缸壓力示功圖可研究柴油機(jī)缸內(nèi)的燃燒過(guò)程、燃燒放熱率、氣體與缸壁傳熱過(guò)程、進(jìn)排氣過(guò)程以及提取故障信息用于診斷。 示功圖也是計(jì)算柴油機(jī)指示功率、負(fù)荷調(diào)

2、整和分析、確定最高爆發(fā)壓力和壓縮壓力和計(jì)算缸內(nèi)溫度等的重要依據(jù)，示功圖既是柴油機(jī)性能參數(shù)計(jì)算和放熱規(guī)律分析的依據(jù)，又是柴油機(jī)燃燒過(guò)程數(shù)學(xué)模擬精確程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。從示功圖中可獲得40多種信息量。準(zhǔn)確提取示功圖，有效除去示功圖中的各種誤差，是獲得準(zhǔn)確信息的根本保證。 內(nèi)燃機(jī)示功圖的測(cè)量包括信號(hào)采集和預(yù)處理兩個(gè)環(huán)節(jié)，預(yù)處理的作用是去除采集過(guò)程中混入的各種干擾信號(hào)。 近些年，國(guó)內(nèi)外的內(nèi)燃機(jī)工作者在內(nèi)燃機(jī)示功圖的采集、處理方面作了大量的研究工作，取得了一系列的成果。特別是國(guó)內(nèi)高等院校和科研院所對(duì)于缸內(nèi)燃燒現(xiàn)象的測(cè)試技術(shù)的研究發(fā)展很快，測(cè)試儀器方面也日趨成熟。 如大連海事大學(xué)研制的柴油機(jī)示功圖自動(dòng)測(cè)取裝置

3、，西安交通大學(xué)開(kāi)發(fā)的內(nèi)燃機(jī)燃燒分析儀、上海交通大學(xué)研制的基于實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)采集的內(nèi)燃機(jī)燃燒分析系統(tǒng)、海軍工程大學(xué)運(yùn)用虛擬技術(shù)開(kāi)發(fā)的柴油機(jī)燃燒分析儀、浙江大學(xué)研制的高速汽油機(jī)示功圖計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)、天津大學(xué)開(kāi)發(fā)的電控缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒分析系統(tǒng)等 這些系統(tǒng)都是集數(shù)據(jù)采集與燃燒特性分析為一體的測(cè)量系統(tǒng)，但在應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)上各有特點(diǎn)，功能比較全面，能滿足一般放熱規(guī)律研究。二、示功圖測(cè)試系統(tǒng) 示功圖測(cè)量系統(tǒng)由硬件和軟件構(gòu)成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖如2-1圖所示。測(cè)量系統(tǒng)主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、單片機(jī)系統(tǒng)和上位機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊組成。測(cè)試系統(tǒng) 系統(tǒng)的三個(gè)組成部分的功能如下:信號(hào)調(diào)理電路:主要對(duì)柴油機(jī)上止點(diǎn)、曲軸轉(zhuǎn)角

4、信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)不同類型的上止點(diǎn)和曲柄轉(zhuǎn)角傳感器（磁電式或光電式）的適用能力，提高系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性，并與單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行可靠接口。1. 單片機(jī)系統(tǒng):是示功圖測(cè)量系統(tǒng)的核心。與信號(hào)調(diào)理電路的輸出信號(hào)進(jìn)行接口，并提供人機(jī)交互界面，完成柴油機(jī)缸內(nèi)壓力模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，并與上位機(jī)處理模塊進(jìn)行通信，將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。3、上位機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件:接收、存儲(chǔ)單片機(jī)模塊發(fā)送的氣缸壓力數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成示功圖的繪制和計(jì)算相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行結(jié)果顯示等。系統(tǒng)測(cè)量原理 如圖2-2所示，將上止點(diǎn)和曲柄轉(zhuǎn)角信號(hào)接入單片機(jī)的中斷0和中斷1引腳，氣缸壓力信號(hào)接入A/D轉(zhuǎn)換器芯片。為了使每次采集

5、的壓力信號(hào)同步且與曲柄轉(zhuǎn)角信號(hào)成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，將上止點(diǎn)信號(hào)作為信號(hào)采集的同步觸發(fā)信號(hào)。 當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到上止點(diǎn)脈沖信號(hào)時(shí)，開(kāi)始對(duì)氣缸壓力信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到一個(gè)曲柄轉(zhuǎn)角脈沖信號(hào)，就啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并讀取、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。然后等待下一個(gè)曲柄轉(zhuǎn)角信號(hào)，如此周而復(fù)始。 直至一個(gè)或多個(gè)柴油機(jī)工作循環(huán)。數(shù)據(jù)首先暫時(shí)儲(chǔ)存在單片機(jī)系統(tǒng)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。采集數(shù)據(jù)結(jié)束后發(fā)送到上位機(jī)或優(yōu)盤進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或處理。 由圖可以看出，轉(zhuǎn)速條件一定時(shí)，在壓縮沖程前期、膨脹做功沖程后期，不同負(fù)荷條件下缸內(nèi)壓力大小差異不明顯，但在膨脹做功階段，高負(fù)荷時(shí)的缸內(nèi)壓力明顯要高于低負(fù)荷時(shí)的缸內(nèi)壓力。從圖中可以看出，在同種大小負(fù)荷程

6、度下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力的變化不是很明顯。同一轉(zhuǎn)速下，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的升高明顯增加，最大增值接近3 MPa.增幅達(dá)75%三、示功圖的分析及處理技術(shù) 在實(shí)際示功圖的測(cè)錄過(guò)程中，常有一系列因素影響著示功圖本身的準(zhǔn)確性，例如上止點(diǎn)的偏差、測(cè)壓通道的腔振等。cooled / Connector20 / CMeasuring element40 / CDiaphragm100 / CExternal Influences on Pressure Sensors3-1 上止點(diǎn)的修正 上止點(diǎn)的精確測(cè)定是極為重要的。上止點(diǎn)定位誤差是影響放熱率計(jì)算精度的重要因素，它使氣缸瞬時(shí)容積及

7、容積變化量計(jì)算產(chǎn)生誤差，從而對(duì)放熱率曲線，特別是上止點(diǎn)附近的放熱率曲線有明顯的影響。 如何準(zhǔn)確地確定熱力損失角是熱力學(xué)方法的關(guān)鍵。 式中， 為修正后上止點(diǎn)， 為實(shí)際上止點(diǎn)， 為熱力損失角。研究結(jié)果表明，上止點(diǎn)精度約在士（0.10.2）之間。3-2 測(cè)壓通道效應(yīng)的消除 測(cè)壓通道的通道效應(yīng)也是影響示功圖測(cè)量精度的重要因素之一。 為了避免通道效應(yīng)，理論上建議將傳感器與燃燒室平齊安裝，但是由于氣缸蓋結(jié)構(gòu)上的原因，給傳感器的布置帶來(lái)了困難，熱沖擊對(duì)傳感器的影響也相當(dāng)嚴(yán)重。直接暴露在高溫燃?xì)庵械膫鞲衅髟趦?nèi)燃機(jī)每一個(gè)工作循環(huán)中，交替接觸熱火焰和冷氣體，引起傳感器膜片產(chǎn)生周期性熱感應(yīng)應(yīng)變，同時(shí)影響傳感器的使用

8、壽命，因此，往往通過(guò)測(cè)壓通道測(cè)取缸內(nèi)壓力。四、參考文獻(xiàn)1何學(xué)良,李疏松.內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990:372-396.2魏海軍,王德春.示功圖自動(dòng)測(cè)取與功率計(jì)算軟件的研制J.世界海運(yùn),2000,(5):48-49.3胡軍軍,閻小俊,周龍保,等.內(nèi)燃機(jī)燃燒分析儀的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用J.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2000,35(3):261-264.4吳鋒,黃琪,朱建新,等.高速汽油機(jī)示功圖計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的研制J.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2002,36 (6):690-693.5劉昌文,路緋,張平,等.用于缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒分析系統(tǒng)研究J.小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,2002,31 (2):25-27.6王艷武,安士杰,常漢寶.應(yīng)用MATLAB工具箱對(duì)柴油機(jī)示功圖測(cè)試中通道效應(yīng)的研究J.內(nèi)燃機(jī)工程, 2002,23(6):51-54.7王艷武,安士杰,張波,等.消除柴油機(jī)示功圖通道效應(yīng)的方法研究J.車用發(fā)動(dòng)機(jī),2003,143(1):30-32.8周林森,韓林山,師素娟,等.柴油機(jī)燃燒放熱規(guī)律數(shù)值計(jì)算方法研究J.小型內(nèi)燃機(jī),1998,27(5)