示功图测量.ppt

内燃机试验学讲义第十章示功图的测量 山东大学能源与动力工程学院内燃机研究所 概述 气功压力相当于曲轴转角或气缸容积的变化 p p V 曲线称示功图 在实际应用中一般是测出图 据图可获得一批表征内燃机工作进展情况的参数 如 示功图测量的历史 早期人们常用机械是示功器 由于机械式示功器机械运动部分质量较大 频响特性差 故在上世纪40年代后已经逐渐让位于气电式示功器和阴极射线示功器 其后随内燃机转速不断上升 测量精度的要求也在提高 而电子技术与计算机技术也飞跃发展 因此自上世纪70年代以后 国内外已广泛采用各种微机采集处理系统测定p 图 气电示功图 压电示功图测量 传感器与放大器 压电示功图测量 数字信号采样原理 数字信号在时间上和幅度上都是离散的 用数字序列表示 可写为 序数n等于整数时 x n 才有一定的数值 对模拟信号xa t 每隔一定时间T采样一次 则可得到xa 0 xa T xa 2T xa nT 内燃机数字信号采样 内燃机工作过程各热力参数都是以一定曲柄转角为周期的信号 其采样过程是以某一曲柄转角 为采样间隔进行的 模 数转换部分 包括采样保持器和模数转换板 有时还包括模拟信号的放大器 它完成信号从模拟量到数字量的转换 A D转换器 先对待测模拟电压Ui进行固定时间的积分 然后转为对标准电压进行反向积分 直至积分输出返回起始值 对标准电压积分的时间T正比于模拟输入电压Ui 输入电压大 则反向积分时间长 A D转换器位数与数据转换精度 习惯上称转换器的分辨率为精度 A D分辨率 引起A D转换器的输出码D变动一个数的输入模拟量最小变化量 只有模拟量A的变化量大于 时 数字量才可能有大于1的变化 或者说数字量的输出才能有反映 对一个n位A D 其对输入电压的分辨率为A D满量程电压的1 2n 分辨率 如果按满量程10MPa进行标定 一个LSB对应的模拟量约为2 44kPa 而柴油机进 排气过程气缸压力差可达40kPa左右 采集精度不等于分辨率 对于12位A D 插在微机扩展槽内的A D仅能达到1 5 左右 角标信号发生器 角标信号发生器产生两组信号 曲轴每旋转一转产生n个角度脉冲信号 它将内燃机每转360 曲柄转角分成n份 每两个脉冲之间为360 n CA夹角 角标信号用以直接触发A D转换器或通知计算机对模拟信号进行采集 曲轴旋转一转产生一个同步脉冲信号 表示数据与曲柄位置的关系 角标信号发生器工作原理 角标信号通过与内燃机曲轴或凸轮轴固连在一起的光电或磁电式脉冲编码器产生 编码器由光栅 指示光栅 发光元件 光敏元件 整形电路等部分组成 角标分辨率的要求 要保证采样过程中不丢失信息 必须能从采样信号的频谱中分离出原来的频谱函数 这样才能准确地恢复原始信号 因此 采样频率与信号最高频率之间要满足不等式fsamp fmax为了能足够准确地反映出汽油机气缸压力波 采样频率至少应当为压力波基频的75倍 最好能达到100倍 对于柴油机 含150次谐波的波形与含400次谐波的波形几乎一样 已足够表达气缸压力的实际历程 角标分辨率 将有影响的谐波最高频率记为fmax 式中 n 转速r min 冲程系数 二冲程机 1 四冲程 2 若每度曲柄转角采集m个点 则采样频率fsamp为 对四冲程机 每度曲柄转角采样1或2次 采样频率即可达到信号最高频率的4 8或9 6倍 放热计算用角标分辨率 文献推荐 计算放热规律时 计算步长在上止点附近以0 5 CA 其他部分以1 CA为宜 在远离上止点的地方 为避免放热曲线振荡 甚至可用2 CA 因此 过高地追求采样速率实无必要 爆震信号的频率范围约8 12kHz P a向p V转换 P a示功图 P V示功图 logP logV示功图 示功图常见误差 燃烧线锯齿波零漂热冲击上止点误差 在燃烧线上出现锯齿波 燃烧粗暴会产生锯齿波 但在多数情况下 这些锯齿波是由于传感器与气缸容积之间存在过长的连接通道及容积VT所致 这种示功图对pi的计算结果影响不大 对放热计算的影响很大 实际上 由于传感器和缸头形状的限制 不可能没有测压通道 并且一定的测压通道对保护传感器有利 如果可能尽量保证通道深 通道直径 上内所推荐 太大影响压缩比 在燃烧线上出现锯齿波 压力线漂移现象 从示功器中常发现先后测定的图不重叠 或向上或向下平移 这主要是传感器或放大器零点温漂所致 其对pi计算结果影响不大 对放热计算的影响大 防止零漂的注意事项 保持传感器 放大器干燥 接头干净 传感器绝缘电阻要大于1013 否则会出现电荷泄漏 输出发生漂移 传感器平时应保存在干燥瓶中 应用中若发现零漂 可将接头用丙酮洗干净 然后烘干 烘干温度 不高于 传感器120 C 导线80 C 电荷放大器50 C烘干后随炉冷却 以免冷却过程中再次吸入潮气 带自动隐零的放大器 这种放大器要求在相应安装传感器的缸处于上止点的位置安装一触发块和电磁传感器 在内燃机一个工作循环中它产生两个信号 一个在该缸的爆发上止点 一个在排气上止点 当信号出现并且放大器输出小于0 4V时 显然是在排气线上 其自动复位一次 复位就意味着将该时刻的压力值强制为零线值 注意零线不要调得太高 高于0 4V 自动复位失效 数据零线的数值修正 设定某一时刻的参考压力值 进气下止点后10 处压力为进气管压力 采集结果按此修正 p i 实测的第i点的压力值 pref 选区的参考点位置 pset 设定的参考压力值 pi 修正后的第i点的压力值 进气压缩线上压力值偏高 而膨胀排气线上压力偏低 主要是由于传感器热冲击性能不好所致 当然绝缘性不好也有可能 对pi 放热曲线影响都大热冲击产生的原因 传感器材料受瞬变高温的作用产生热应力 热应力抵消了部分压力值 随气缸温度的下降 热应力消失 传感器性能恢复正常 要消除热应力 应保持一定的测压通道以降低传感器直接承受的高温 这一点与消除示功图震荡的要求相矛盾 据图计算出的pi值偏高或偏低 产生在于这种现象的原因很多 其中主要原因有两条p值不准 标定系数不准角度值不准 值是从上止点位置开始计算的 上止点没定准或因存在连接通道 使传感器反映的压力滞后缸内压力 当然 上止点位置不准影响更大 用倍频法产生转角信号也会产生转角误差 转角误差对pi 放热影响都大 提高示功图测试精度的措施 仪器的自振频率要高于内燃机工作频率100 200倍以上 因为气缸压力有许多不同阶压力谐波迭加而成 往往高阶谐量还具有较大压力幅值 汽油机可取小一点 柴油机要大一点 传感器体积要小 易于布置安装 无冷水的传感器体积小 但抗热冲击性能差 零漂小 热冲击性能好 合理安装传感器 尽量缩短连接通道 传感器冷却性要好 合理安装转角线号传感器 合理安装转角线号传感器 光栅盘或分度盘装在曲轴扭转振动的节点附近 所测气缸尽量靠近码盘 以减少曲轴扭转变形与自振所引起的转角误差 精确确定压力值与仪器示值之间的标定系数 精确确定活塞上止点位置 压力传感器标定 为确定压力传感器所受压力值与仪器示值之间的标定系数 从原理里上可采用静态标定或标定的方法 动态标定费事 精度也未必能够提高 因此目前主要采用静标的方法 静态标定常用压力示标定装置 压力传感器标定 若在p1时测的值为V1 p2时测的值为V2 则标定系数K V2 V1 p2 p1 标定过程要在整个量程内反复进行 标定时注意 油要充足 蓖麻油 标定前要把油路中的气泡排净 轻转承压盘消除静摩擦压电传感器用前注意检查 若零漂严重就无法静标 即使勉强标定了也无法使用 压电式传感器与电荷放大器的归一化输出 若传感器性能较好 特别是对那些进口传感器及放大器 可调节放大器灵敏度旋钮值 使其与传感器灵敏度值一致 以此实现归一化输出的方法来确定标定值 活塞上止点位置的确定 虽然每台内燃机的飞轮上都刻有标志第一缸处于上止点是的标记 但由于其制造误差 只能大致确定上止点位置 其是维修服务用的 研究表明 在处理p 图时 1 CA上止点的误差将导致的2 10 的pi误差 放热规律图形也将发生较大扭曲 因此 测量p 图时 一般要求其位置误差在 0 2 0 5 CA范围内 由于部件之间的间隙及工作时 部件的变形 在静态时测的得上止点与发动机工作时的动态上止点有较大误差 因此静态法不适宜用于测量图 标定上止点 角标器一般都发出两个信号 某一 曲轴转角发出一个的转角信号 曲轴每转发出一个的定点信号 转角信号每循环有若干个 无法确定某个信号与曲轴转角的具体对应关系 定点信号每周只有一个 与曲轴有对应关系 从该信号开始 采集数据排列次序就表明了采样时刻 如测得的第i个点相距定点信号i 度曲轴角但是角标器安装是随意的 因此必须找出定点信号与所测缸上止点之间的夹角 这一过程叫确定上止点 找上止点 所谓的找上止点 就是确定同步信号和内燃机上止点之间的关系 热力学方法 将发动机反拖或让所测缸停止工作 停油 断火 测取其压缩线 然后找出其最高压力点 由于压缩过程中存在漏气和散热损失 最高压力点并不出现在上止点处 而是超前于上止点一个 角 角称作热力损失角 其大小与发动机的散热量 漏气量有关 其值大体上与散热量和漏气量成正比 但因为漏气量和散热量的确切数值目前也无法准确的确定 不同机器 甚至同一机器不同时刻的散热及漏气量也会不一样 热力损失角 上止点传感器 将感性或容性传感器安装在气缸头上 测量倒拖工况活塞的最高位置 上止点传感器相当于一个接触开关 因此 它的位置需要精心调节 这种方法确定的上止点位置与用微波传感器确定的上止点位置相差0 1 0 2 CA 上止点传感器象压力传感器一样 需要有安装孔 AVL646配有上止点传感器 在其后的AVLIndiskop647 AVLIndiset620中 都可选配上止点传感器 微波传感器 微波传感器除了能感受反射回来的微波信号强度外 它还包含有发射极用以发射微波 微波传感器 燃烧室和活塞顶面构成一个微波谐振腔 谐振腔受活塞位置的调谐 谐振腔反射的信号强度随着活塞在压缩冲程中趋近上止点和膨胀冲程中离开上止点的距离而变化 传感器接收到的信号强度关于上止点是对称的 利用这个对称性可确定上止点的位置 用这种方法确定上止点的精度可达0 1 C