压力测量与示功图测录.doc

压力测量与示功图测录一、训练目的 1. 掌握最大爆炸压力和压缩压力的测量方法； 2. 正确测录柴油机示功图并分析； 3. 了解电子示功装置的使用。二、评估要素 1.指出仪表的测量范围、分度值、精度等级等指标； 2.正确调整柴油机到规定负荷下运转； 3.正确选取所需量具； 4.正确安装和取下测量仪表、测量操作正确； 5.正确对仪表进行保养； 6.读数准确，能正确对测量过程中出现的误差进行分析； 7.正确对仪表进行保养。三、操作指南（一）、最大爆炸压力测量 操作步骤; 1、检查爆压表状态。 2、检查确认柴油机在设定工况下稳定运行。 3、短暂开启示功阀，吹除管路中杂质后，关闭示功阀。 4、正确安装爆压表，全开示功阀，测取最大爆炸压力并记录。 5、关闭示功阀，打开爆压表上卸放阀，卸放表内残余压力后取下爆压表。 6、测量完毕后，清洁保养爆压表。（二）、压缩压力测量 操作步骤; 1、检查爆压表状态。 2、正确调整柴油机在空载工况下稳定运行。 3、短暂开启示功阀，吹除管路中杂质后，关闭示功阀。 4、正确安装爆压表，停止被测缸高压油泵供油；全开示功阀，测取压缩压力并记录。5、 关闭示功阀，打开爆压表上卸放阀，卸放表内残余压力后取下爆压表。 6、恢复被测缸高压油泵供油。 7、测量完毕后，清洁保养爆压表。 （三）、柴油机示功图测录与分析一、示功器简介测取气缸示功图的仪器统称为示功器。根据其工作原理不同，示功器可分为机械式、气电式和电子式三种。船上常用的是机械式示功器。但随着电子技术的应用与发展，电子式示功器的使用也在不断增多。示功图的测录取决于船舶柴油机所配置的示功器类型。机械式示功器是一种使用较早的示功器，目前在低速和部分中速柴油机上仍在使用。它是利用机械位移的方法测量缸内压力和活塞的位移。1、结构和工作原理图2.2.1为螺旋弹簧式机械示功器结构原理简图。它由传感机构、转筒机构和记录机构三部分组成。传感机构包括活塞7、活塞杆6及螺旋形示功弹簧4等，用以感受缸内压力变化并以小活塞的位移输出；转筒机构包括绳索3、转筒2及转筒弹簧1，用以反映柴油机活塞的位移；记录机构由传动杠杆8及画笔杆5组成，该机构可将小活塞的位移在画笔杆端部平行放大，画笔杆端部装设有铜笔尖。 图2.2.1 机械示功器结构图1-示功弹簧；2-转筒；3-绳索；4-弹簧；5-记录笔；6-活塞杆；7-活塞；8-传动杠杆 测量示功图时，示功器活塞7在缸内气体压力作用下上移，通过活塞杆压缩示功弹簧4，并与弹簧弹力平衡。小活塞的上下移动反映缸内的压力变化，其位移量与柴油机气缸内气体压力的变化量成正比。小活塞的运动通过活塞杆带动记录机构的传动杆和画笔运动，由记录机构反映其位移量，即按一定比例反映柴油机气缸内变化的气体压力。夹有记录纸的转筒2通过绳索3，由柴油机曲轴或凸轮轴通过专设的示功器传动机构带动，绕其自身轴偏转，其偏转角位移量正比于柴油机活塞位移，即转筒转动的弧长代表按比例缩小的活塞行程的长度。由于示功器小活塞的位移与柴油机气缸内气体压力的变化成比例，而转筒的转动与柴油机活塞的位移成比例变化，所以记录画笔尖就可以在转筒的记录纸上绘出气缸内压力随活塞位移变化的图形，即压力容积示功图（p-V示功图）。2、机械示功器小活塞和弹簧的选择机械式示功器的压力感应元件由弹簧系统组成，该系统的平衡由作用在小活塞上的气体力与弹簧弹力实现。若弹簧刚度大、小活塞的面积小，活塞对缸内压力的微小变化的感应就弱，活塞输出的位移也小，不利于观察压力的微小变化，故仅适合于测取高压和大的压力变化。反之若弹簧弹力弱、小活塞面积大，活塞就能感应到缸内压力的微小变化，但在测取到高压部分时，小活塞的位移受到示功器结构的限制而失去作用，故仅适合于测取低压的变化。为了使机械示功器具有较宽泛的压力使用范围，一般它备有三套活塞（连同相应的小气缸）及一套刚度不同的示功弹簧。使用时根据柴油机最高燃烧压力pz值进行选择，以便获取合适高度的示功图。三套活塞分别用以下标号表示：1/1（标准活塞直径为20.27mm）；1/2（其面积为1/1活塞的1/2，活塞直径为14. 35mm）；1/5（其面积为1/1活塞的1/5，活塞直径为9.06mm）。为便于识别，在各自小气缸的凸缘上分别用钢印注明1/1、1/2、1/5字样。在测取pV示功图时均采用1/5小活塞，当测取反映进、排气过程的弱弹簧示功图时采用1/1小活塞。示功弹簧用弹簧比例M标记。弹簧比例M表示缸内压力每变化1MPa时弹簧的变形量（mm），其单位为mmMPa。弹簧比例M应根据小活塞标号和柴油机缸内最高爆发压力pz值来选择（见表0.1），使所测取的示功图的最大高度接近于示功图纸高度（50毫米），以保证示功图的精确度。通常，使用1/5小活塞测取p-V示功图时，根据最高爆发压力pz可参考下表选择弹簧比例。表0.1 爆压与弹簧比例对照表 最高爆压pz（MPa）4.05.06.07.08.010.012.515弹簧比例M（mmMPa）1210876543 二、示功图的测录示功图形状受多种因素影响，如示功器使用和维护不当，天气与海况的变化等。因而示功图测取时应按正确方法进行。1测前准备工作 （1）测前通知驾驶台尽量减少操舵动作，保持航向稳定。 （2）测前通知驾驶台记录海况、船舶装载状况、航速等，以供分析示功图时参考。测量时的气象和海况条件应适宜。 （3）确保被测的柴油机负荷稳定，即各运行参数正常并保持稳定。若属一般性运行检查，柴油机应稳定工况下运转1小时后测示功图；若要测取标定功率示功图，最好船舶航行在较平静的海域柴油机连续稳定运行6小时后。 （4）示功器准备。依测量目的按前述方法先选择好小活塞和弹簧。示功器拆开，小气缸清洁后涂油，小活塞相对小气缸作重力下滑实验，小活塞应缓慢均匀下滑。检查无误后将示功器组装好预热待用。2示功图测取 （1）短暂开启待测缸示功阀，吹净通路中的杂质等，然后关闭。 （2）将示功器装紧在示功阀上，转筒上夹好记录纸。调整笔尖使其能在纸上轻轻划出痕迹。 （3）接上拉绳或传动机构，拉动转筒作往复回转运动，按下笔尖在转筒记录纸上画出大气压力线。（测量压缩压力需停止待测缸高压油泵供油。） （4）全开示功阀按下笔尖画出示功图，随后关闭示功阀。为保证准确，最好每缸测取2个示功图。 （5）测取满意的示功图后，拆下示功器，取下记录纸，在纸上标明缸号、日期、排温、喷油泵齿条格数、弹簧比例、转速等参数。 （6）下个待测缸重复上述过程。每测取56个示功图后应拆下示功器使之冷却。图2.2.2 正常示功图1-p-v示功图；2-pz梳形图；3-pc梳形图；4-p-v转角示功图1234b45 （7）在示功纸上量取示功图高度，并按弹簧比例算出爆炸压力或压缩压力。（也可用专用量尺量出） （8）示功器使用后应进行清洁保养。三、示功图的分析示功图分析就是把所测示功图与正常示功图进行比较，找出差别，并判断产生差别的原因，从而进行必要的调整，使柴油保持在良好的技术状态下运行。1正常示功图的特征正常示功图在柴油机技术状态良好测取，通常由船舶试航报告或柴油机说明书提供。图2.2.2表示的是二冲程柴油机正常示功图的基本形状，它指示了各特征点在各种示功图中的相互关系。图中b表示在不同负荷下示功图的“肥”、“瘦”，因此宽度b可大致反映本缸指示功率的大小。它主要有以下特征：（1）工作过程曲线圆滑，曲线过渡处无锐角或突变形状；（2）工作过程各主要特征值，如最高爆发压力pz、压缩压力pc等符合试航报告的规定值；（3）工作过程曲线无异常波动现象；（4）示功图尾部形状应符合不同扫气形式的正常轨迹。在缺乏正常示功图情况下，可根据上述各点并参照试航报告或说明书所规定值进行比较，并按要求进行调整。使各缸有关热力参数的不均匀度符合规定。表0.2 各缸参数不均匀度规定值 工作参数压缩压力pc最高爆发压力pz平均指示压力pi排气温度Tr规定值（100）3555(高速增压机8)凡测取的示功图与正常示功图比较有差异的示功图为畸形示功图。对待畸形示功图应进行具体分析，找出引起畸形的原因。因为它们可能是由柴油机工作过程不正常引起，也可能由示功器使用不当或传动机构不正常等原因引起。图2.2.3图2.2.42示功器使用不当或传动机构不正常引起的畸形示功图示功器传动机构因安装不正确、零件磨损等原因会造成示功器转筒的运动规律与柴油机活塞运动规律不相应，测取示功图压力与行程的相应关系被破坏，产生了畸形。（1）示功器传动机构超前或滞后传动机构超前是指柴油机活塞在上止点前某一角度时，传动机构带着转筒已到达了上止点位置。因而画笔把活塞在上止点前某一角度的缸内压力值记录在示功图的上止点位置，故压缩线较正常线偏低。同理，在上止点后，由于示功图上某点所记录的压力值是其前一曲轴转角的缸内压力值，因而其膨胀线偏高于正常膨胀内线。由此使所测示功图变胖。如图2.2.3所示实线图形即为传动机构超前5时的畸形示功图（虚线为正常示功图）。同理，传动机构滞后的畸形图较正常示功图变瘦，如图2.2.4所示，实线图形为传动机构滞后5，虚线为正常图。实验表明，传动机构超前或滞后对示功图形状影响极大。一般情况是每相差1CA，则平均指示压力pi相差5.5。为了判断此种畸形图形是否因传动机构的不正常所引起，可采用测纯压缩图的方法加以判别。图2.2.5 纯压缩图采用单缸停油的方法测纯压缩图。在正常情况下，停油后该缸的压缩线与膨胀线基本重合，如图2.2.5a）所示，此时表示传动机构与柴油机活塞位移同步。若膨胀线在上压缩线在下，则为传动机构超前如图2.2.5b）所示。若膨胀线在下压缩线在上，则为传动机构滞后如图2.2.5c）所示。图2.2.6示功器转筒绳索太长时的畸形示功图图3.22图2.2.7示功器转筒绳索太短时的畸形示功图（2）示功器转筒绳索太长或太短如果示功器的传动方向是在膨胀行程使转筒弹簧拉紧，而在压缩行程时使转筒弹簧放松，则绳索太长或太短时示功图会出现下列情况：如绳索太长，在传动机构上行至离上止点尚有一定角度时，转筒已到达其极端位置不再转动，绳索开始松动，一直到当传动机构由上止点下行某一角度绳索张紧时，转筒才开始转动。在绳索松动期间转筒不转动，画针仅上下运动，画出的图形是一条上下直线，致使把示功图头部切去一部分，示功图变短，如图2.2.6所示。反之如绳索太短，传动机构在下止点前就将转筒弹簧拉紧，在传动机构继续下行时转筒已经不动，只是画针上下运动画出一条直线，把示功图尾部切去一部分，示功图长度变短。如图2.2.7所示。在严重情况下还可能将绳索拉断或将转筒拉坏。如果改变示功器的传动方向，则由绳索大长或太短所产生的畸形圆的形状与上述相反。因此当发现示功图头部或尾部被切掉后，应根据具体情况加以判断和调整。3示功器故障引起的畸形示功图1）示功图变长图2.2.9示功器小活塞卡紧时的畸形太长示功图图2.2.8示功图太长示功图变长的畸形图如图2.2.8所示。图中虚线示为正常图。此种故障由转筒弹簧太软，转筒惯性作用和示功器机构中间隙太大等原因造成。2）示功器小活塞卡紧当示功器的气缸润滑不良或有结炭时，小活塞容易产生卡紧现象，使小活塞运动阻力增加。此时，在压缩过程中因小活塞卡紧，阻力增加，使画笔画出的压力线比正常压力线低，在膨胀过程因小活塞阻力方向改变，则画笔画出的膨胀线比正常膨胀线高。由于卡紧阻力的不规则变化，此时画笔画出的示功图均出现波动。其畸形图如图2.2.9所示（图中虚线为正常图）。此时所测的手拉图也有类似波动现象。4气缸内工作过程不正常引起的畸形示功图需要明确的是，测取的示功图首先应保证测量仪器的性能良好。若测取的示功图出现畸形，在排除由于示功器本身和传动机构引起的原因之外，肯定就是因为柴油机缸内工作不正常引起的。引起柴油机工作过程不正常的因素很多，无法一一列举，下面仅就柴油机运行管理中常见的畸形示功图的特点予以介绍。考虑到柴油机气缸工作情况与其运行参数（如油门开度、转速、排气温度、冷却水温度、滑油温度等）有密切的关系，因此测取、分析示功图时必须参照其运行参数，否则与正常示功图没有可比性。图2.2.10燃烧太早时引起的畸形示功图（1）燃烧太早的畸形示功图此类示功图如图2.2.10所示，图中虚线表示正常示功图。它与正常示功图比较主要有以下特点： 图形高度即最高爆发压力pz增大，压力上升曲线陡削，示功图头部尖瘦； 燃烧曲线过早脱离压缩曲线，着火点提前； 膨胀曲线降低，排气温度降低。造成燃烧太早的原因，一般有喷油正时提前，喷油器启阀压力降低，或由劣质燃油改用优质燃油而未减小喷油提前角等。燃烧太早将增加柴油机的机械负荷，严重情况下将会引起爆燃，产生敲缸现象，影响柴油机的工作可靠性，需及时加以调整。（2）燃烧太晚的畸形示功图燃烧太晚的畸形图如图2.2.11所示。与虚线所示的正常示功图相比，它有以下特点： 最高爆发压力pz明显降低，即图形高度下降； 示功图头部圆滑，着火点明显后移，表示燃烧后移； 膨胀线升高，排气温度升高。造成燃烧太晚的原因通常有喷油正时滞后、喷油器启阀压力过高、改用劣质燃油而未调大喷油提前角、喷油器或喷油泵漏油、喷油器的缝隙式滤器堵塞等。这些因素均使燃烧变晚，但又有差异。图2.2.11燃烧太晚时引起的畸形示功图图2.2.12喷油器漏油时的畸形示功图（3）喷油器阀座漏油的畸形示功图喷油器阀座漏油时，由于燃油压力低，使燃油雾化不良，油气混合不佳，造成燃烧延后，排气温度升高。这种示功图的最高爆发压力下降并又重复上升多次，如图2.2.12所示。膨胀线高，且呈锯齿形，锯齿向上。这种锯齿形与示功器小活塞运动受阻时的畸形示功图看起来似乎有些相似，其实有区别。示功图小活塞运动受阻时示功图面积增大，膨胀线较高，而且是不规则地下降并呈阶梯形波动。喷油器漏油则示功图呈向上锯齿形波动，示功图面积减小。（4) 喷油泵漏油的畸形示功图图2.2.13喷油泵漏油时的畸形示功图图2.2.14 喷油器喷孔部分堵塞时的畸形示功图 如喷油泵的柱塞因过度磨损或者喷油泵的阀与阀座偶件密封性下降而漏油时，一方面会使泵油压力下降，从而导致喷油定时滞后，造成后燃现象严重，并会使排气温度升高。另一方面由于泵油期间漏油，使得喷入气缸中的油量也减少，会造成功率明显下降，排气温度亦降低。实践证明，上述两方面综合起来，后者影响大，最终使得排气温度降低。如图2.2.13所示。（5）喷油器喷孔部分堵塞的畸形示功图图2.2.15 气缸漏气时的畸形示功图此类示功图如图2.2.14所示。喷孔部分堵塞时，因喷孔流通面积减少，流阻增大，单位时间的喷油量减少，总的喷油时间拖长（高压油管的压力加大，喷油器开启时间拖长），出现后燃现象。由图可知其主要特点与燃烧太晚大致相同，但存在以下不同：一是，其着火点基本不变（因喷油正时不变）；二是，其头部和膨胀线中通常会出现压力波动（因喷油压力升高，波动加剧，甚至发生重复喷射）。尤其前者可作为区别于燃烧太晚的主要依据。另外，在此种情况下，可感觉出喷油泵泵油时有明显的冲击、振动，高压油管脉动过强并伴有发热等现象。（6）缸内空气不足的畸形示功图此种示功图如图2.2.15所示。它与正常图形（虚线所示）相比有以下特点： 最高爆发压力pz与压缩压力pc均降低； 膨胀线与压缩线均降低并可能出现波动（因燃油雾化、混合、燃烧变差）； 示功图面积减小，指示功率降低，但排气温度升高。气缸内空气量不足的原因一般是：气缸漏气（如活塞环漏气、排气阀漏气）；扫气空气供应不足（如气口堵塞、增压器进气滤器堵塞、空冷器堵塞、增压器污堵等）；排气系统受阻；环境状态变化（如大气压力降低、环境温度升高）等。 需要说明的是，以上分析的是一些常见、典型的畸形示功图，因其引起畸形的原因单一、特点鲜明，比较容易判断。而在实际工作中，实测的示功图线形往往受各种因素的综合影响而显得不够典型，加之测得的图形尺寸又较小，因此分析和判断的难度较大。所以在分析示功图时不要轻易下结论，而应针对具体情况并参考其他测试参数进行综合分析，抓住主要影响因素、去伪存真，才能得到正确的结论。 四、电子示功装置 随着电子技术的迅猛发展，电子示功器的运用逐渐普及，尤其在现代柴油机的监控技术中均采用电子示功器来研究分析柴油机缸内的工作过程。电子式示功器由传感器、测量电路和记录显示装置等三大部分组成。它利用电子技术，通过适当的传感器把柴油机气缸内的气体压力、曲轴转角等非电量按一定比例转换成相应的电量输出，经放大器等中间环节输送到记录显示装置进行显示或打印。在电子示功器中，压力传感器是核心环节。不同的压力传感器决定着不同的测量电路，因此通常习惯上以压力传感器的类别来命名示功器。压力传感器的类别有电阻应变式、压电式、电容式和电感式等，故电子示功器亦分为电阻应变式示功器、压电式示功器、电容式示功器和电感式示功器等。图2.2.16为压电石英压力传感器结构图。 6-引出片；7-套筒 1、2-绝缘体；3-晶体 4-膜片 图2.2.17 ZCP-1型电子示功器 5-导线；6-引出片；7-套筒 图2.2.16 压电石英压力传感器 ZCP-1型电子示功器（如图2.2.17）简介： ZCP-1型电子示功器采用便携式设计，由手持式电子示功器主机（ZCP-1）、气缸压力传感器、燃油喷射压力传感器、曲轴转角传感器等组成； ZCP-1型电子示功器采用逐缸采集示功图的方式，把采集到的示功图存放在主机的Flash中，待所有气缸的示功图测试完成之后，通过USB数据通讯将示功图上传至计算机的数据库，由MIP_System_2009软件完成数据管理、燃烧分析、报表打印等工作；主机的Flash最多可以存储90个数据记录，每个数据记录最多包含20个气缸的示功图测量与分析系统 ZCP-1型电子示功器示功图测量方式有三种：（1）精确模式。当电子示功器连接ZCA-2型曲轴转角传感器时，实现示功图的精确测量。 ZCA-2型曲轴转角传感器内包含一个测量上止点信号的霍尔传感器和一个测量盘车齿轮齿数的齿轮传感器。上止点传感器获得第一缸上止点位置，齿轮传感器测量飞轮的齿脉冲，两个传感器的配合工作，有效消除瞬时转速变化带来的示功图测量误差，实现曲轴转角位置的精确定位。该模式特别适用于低速柴油机。 （2）一般模式。电子示功器采用ZCA-1型曲轴转角传感器， ZCA-1型转速传感器是一个测量上止点信号的霍尔传感器。 （3) 简易模式。电子示功器不使用曲轴转角传感器，实现示功图的测量。此时，假设柴油机的转速是均匀的，仪器以适当的采样速率获得柴油机气缸压力的时域曲线，通过示功图测量与分析系统对该曲线的处理，获得示功图，再利用MIP System 2