基于波义耳定律的活塞上止点位置查找法.pdf

基于波义耳定律的活塞上止点位置查找法 黄琪 1 吉林 2 吴鹏 3 贺泽龙 1 1 重庆科技学院机械与动力工程学院重庆4013312 中国嘉陵集团工程技术中心 3 重庆海德世拉索系统集团有限公司 摘要 介绍了一种基于波义耳定律来快速查找摩托车发动机活塞上止点位置的检测方法 对不同 类型的摩托车发动机采用该方法测试的有效性进行了分析研究 并在常见摩托车汽油发动机上进行 了实验验证 实验表明 采用该方法能够有效降低测试时间和提高测量精度 关键词 摩托车汽油发动机活塞上止点波义耳定律 中图分类号 TK403文献标识码 A文章编号 2095 8234 2014 06 0054 04 作者简介 黄琪 1974 男 正高级工程师 主要从事发动机设计 仿真分析及测试等 Search Method for Piston TDC Position Based on Boyle忆s Law Huang Qi1 Ji Ling2 Wu Peng3 He Zelong1 1 College of Mechanical and Power Engineering Chongqing University of Science and Technology Chongqing 401331 China 2 Technique Center of Jialing Company 3 Chongqing HI LEX Cable System Group Co Ltd Abstract This paper introduces a rapid detection method about finding out the piston TDC position of motorcycle engine based on Boyle s law The method validity is analyzed and studied on different motorcycle engines by applying it and the experimental verifications are carried out on common motorcycle gasoline engines Experimental results show that this method can effectively reduce test time and improve measurement precision Keywords Motorcycle Gasoline engine Piston TDC Boyle忆s law 引言 在摩托车发动机配气相位分析和产品生产一致 性检查中 发动机活塞上止点位置的查找对检测效 率和结果的准确性都有很大影响 而目前常用的活 塞上止点查找方法是将百分表用夹具固定在火花塞 安装孔中 通过观察表针的摆动位置来查找活塞上 止点位置 该结构装夹复杂 必须确保百分表测杆完 全垂直于活塞的上端面 才能保证测试数据最大程 度和实际相符 1耀3 而我国大多数摩托车发动机的火花塞安装孔的 位置并不位于活塞的正上方 而是与活塞运行轴线 方向存在较大的夹角 这就导致采用传统的百分表 打表法不能查找出上止点位置 还存在折断表针 损 坏发动机的风险 4 5 1测试方法介绍 1 1 波义耳定律 玻义耳定律 Boyle s law 又称 Mariotte s Law 或 波马定律 在密闭容器中的定量气体 在恒温下 气体的压强和体积成反比关系 V C P 1 其中 V 是指气体的体积 P指压强 C 为一常数 当如果在温度相同的状态下 A B 两种状态下 的气体关系式可表示成 小 型 内 燃 机 与 车 辆 技 术 SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND VEHICLE TECHNIQUE 第 43 卷第 6 期 圆园14 年 12 月 Vol 43 No 6 Dec 2014 第 6 期 PAVA PBVB 2 1 2 测试原理介绍 125 mL 系列 含 150 mL 通用型摩托车汽油发 动机活塞上有两道密封气环 开口间隙一般不超过 0 35 mm 所围成的空隙正投影面积远小于 0 1 mm2 因此可将其上部视为密闭空间 同时在常温下测试 气体温度几乎没有变化 符合波义耳定律要求 按照 波义耳定律可将测试装置设计为如图 1 所示结构 当活塞缓慢向上移动时 燃烧室内气体受到压缩 产 生压强 当指示液 b 受到的压力大于摩擦力时 将向 左移动 直至压力小于摩擦力后保持平衡 当活塞缓 慢向下移动时 燃烧室 d 内气体产生负压 当指示液 b 受到的压力大于摩擦力时 指示液 b 将在指示管 内向右移动 直至气压保持平衡 可将其原理简化为 图 2 所示 如图 2 所示 初始状态时内外压力平衡 气体初 始压力约等于大气压力 P0 当 Sa向右移动 驻La的距 离后 Sb将向右移动 驻Lb的距离 此时气体内部压力 为大气压力 P0与指示液 b 的摩擦力 fb之和 P2 P2 P0 fd Sb 3 根据波义耳定律可建立如下方程 P0 Sb伊 Lb Sa伊 La P0 fd Sb 伊 Sb伊 Lb 驻Lb Sa伊 La 驻La 4 可换算为如下形式 驻La fd Sa伊 Sb伊 P0 Sa伊 fb S b伊 Lb Sa伊 La Sb Sa 伊 驻Lb 5 驻Lb Sb Sa 伊 驻Lb fd Sb伊 P0 fb L b Sa伊 La Sb 6 如公式 6 所示 测试精度 驻Lb和活塞面积成正 比 测试内径成反比 同时测试管长度 燃烧室体积 也对测试结果有重要影响 在发动机型号不变的情 况下 降低指示管截面积 Sa 测试管长 Lb和指示液 阻力 fb会对检测精度有较大帮助 1 3 测试参数确定 综合考虑制作材料 精度参数的影响 为防止指 示管的毛细管作用产生粗大误差 特将指示管内径 选用为 2 mm 的聚氯乙烯管 兼顾安装位置等因素 测试管长应处于 100耀200 mm 之间 特选用 150 mm 中间位置作为测试管长进行计算 同时为考虑指示 剂的通用性 采用了纯净水作为指示剂 由于水和聚 氯乙烯具有较好的浸润性 蒸馏水会在表面张力的 作用下玻璃管中形成一段密封的液体 在管内自由 移动 为了简化计算参数和步骤 对指示液按如图 3 所示的受力分析进行了测算 液滴滑动阻力 f1 G 伊 sin 茁 截取一段聚氯乙烯管 吸入一定长度的纯净水 在环境温度为 20 益条件下 将一端缓慢抬起 记录 液滴即将运动时的角度 茁 从而计算液滴的滑动阻 力 测试结果如表 1 所示 图 2上止点测试装置简化模型 Sa A BSb Lb La e d c b a a 透明玻璃管 b 指示液 c 转接测头 d 燃烧室 e 活塞 图 1测试简图 Sa 活塞面积 A 燃烧室容积 La 移动距离 Sb 指示液直径 B 指示液至燃烧室容积 Lb 指示液至燃烧室长度 图 3指示液液滴阻力简易测算示意图 茁 G 黄琪等 基于波义耳定律的活塞上止点位置查找法55 小型内燃机与车辆技术第 43 卷 兹 琢 图 4曲柄转角分析 表 1指示液阻力测试汇总表 注 水的密度约为 998 kg m3 管内径为 2 mm 根据表 1 测试结果 考虑到液滴阻力 稳定性等 因素 我们将采用约 10 mm 长的指示液滴作为指示 剂 该液滴阻力约为 19 6伊10 5N 1 4测试精度分析 人眼分辨率为 0 2 mm 考虑到环境因素的影响 当指示液移动 1 mm 作为分辨率的最低限时 对市场 上摩托车主要机型的测试精度进行了分析 如表 2 所示 通过对不同排量摩托车发动机测试精度进行分 析 活塞位置变化量在 0 003耀0 007 mm 以内时 在指 序号液体长度 伊10 2m 测试角度 毅质量 g阻力 伊9 8N 16 06 30 1880 021 23 610 00 1130 020 31 918 00 0600 018 41 230 00 0380 019 50 848 00 0250 018 60 579 00 0160 015 表 2摩托车各排量机型测试精度分析 项目符号 排量 70 mL110 mL150 mL600 mL 燃烧室容积 伊103mm Sa伊La9 213 617 367 7 缸径 伊10 mm Sa4 75 06 359 4 测试管截面积 伊102mm Sb0 03142 测试管长度 伊10 mm Lb15 0 标准大气压 PaP01 0332275 指示液阻力 伊9 8 N fb2 0伊10 5 指示液长度 mmLb10 活塞位移 mm吟La0 00360 00450 00350 0061 示液上都会有将近 1 mm 的位置变化 能够被人眼所 察觉 也高于百分表打表法查找上止点 0 02 mm 的精 度要求 2测试装置的实际应用 如图 4 所示 可得到以下公式 L1伊 sin琢 L2伊 sin兹 L1伊 cos琢 L2伊 sin兹 L1 L2 驻La 嗓 7 同时依据三角函数公式 sin2琢 1 cos2琢 8 可得出 cos兹 L22 L12 L1 L2 驻La 2 2L2 L1 L2 驻La 9 经计算 采用本文设计的测试方法最小误差 活 塞位移量 为 0 003耀0 007 mm 之间 对应的转角为 0 8毅耀1 0毅之间 考虑到活塞在进程和回程时 转角有 重叠 所对应的曲柄转角近似为误差转角的两倍 如 图 4 所示 56 第 6 期 表 3摩托车各排量机型实际测试分析 项目符号 排量 70 mL110 mL150 mL600 mL 缸径 mmSa47506 359 4 活塞位移 mm吟La0 00360 00450 00350 0061 连杆长度 mmL194100105 5136 5 旋转中心距 mmL220 7027 7527 7542 50 最小转角 毅CA兹0 970 920 810 85 理论静态转角 毅CA 1 941 841 621 7 实测静态转角 毅CA 2 22 11 82 1 对测试装置进行加工 并对主要的摩托车发动 机机型进行测试 其测试结果如下表 3 所示 由于在理论计算中未考虑轴承间隙 活塞偏 角等因素影响 理论误差通过对实测数据进行分 析 实测角度误差计算值偏大 但基本与理论计算 值相符 黄琪等 基于波义耳定律的活塞上止点位置查找法 3结论 通过对数据的比较和测试结果的分析 基于波 义耳定律的活塞上止点的查找方法是有效可行的 测试精度 重复性误差都在要求范围内 其测试角度 误差基本能控制在依1毅之间 解决了活塞侧置类发动 机静上止点的查找问题 对发动机配气相位分析 产 品抽查等有重要指导意义 由于该方法是基于波义耳定律的 在测试中要 求发动机无拉缸 漏气等异常 同时 测试速度不宜 过快 发动机测试环境温度不能产生较大波动 参考文献 1于明进 程勇 用活塞位移确定上止点相位的方法 J 山