柴油机示功图的测试

1、 一、示功图测试的背景及意义 提高发动机燃烧效率和降低排放需要对其 性能进行深入研究。内燃机的动力性、经济 性及排放特性与其燃烧过程有着密切的关系。 柴油机的结构复杂、零部件多且相互关联、 气缸内的工作环境十分复杂。 气缸压力示功图是描述柴油机动力 性能的基本手段，它综合反映了柴 油机输出机械功的热力转换过程。 测量气缸压力示功图的实质是测量 气缸中气体压力随时间(或曲轴转角、 气缸容积)变化的信号。 气缸压力示功图的面积代表柴油 机气缸内一个工作循环所作的指 示功，利用气缸压力示功图可研 究柴油机缸内的燃烧过程、燃烧 放热率、气体与缸壁传热过程、 进排气过程以及提取故障信息用 于诊断。 示功

2、图也是计算柴油机指示功率、 负荷调整和分析、确定最高爆发 压力和压缩压力和计算缸内温度 等的重要依据，示功图既是柴油 机性能参数计算和放热规律分析 的依据，又是柴油机燃烧过程数 学模拟精确程度的评价标准。 从示功图中可获得40多种信息量。准确提 取示功图，有效除去示功图中的各种误 差，是获得准确信息的根本保证。 内燃机示功图的测量包括信号采集 和预处理两个环节，预处理的作用 是去除采集过程中混入的各种干扰 信号。 近些年，国内外的内燃机工作者在 内燃机示功图的采集、处理方面作 了大量的研究工作，取得了一系列 的成果。特别是国内高等院校和科 研院所对于缸内燃烧现象的测试技 术的研究发展很快，测试

3、仪器方面 也日趋成熟。 如大连海事大学研制的柴油机示功 图自动测取装置，西安交通大学开 发的内燃机燃烧分析仪、上海交通 大学研制的基于实时同步数据采集 的内燃机燃烧分析系统、海军工程 大学运用虚拟技术开发的柴油机燃 烧分析仪、浙江大学研制的高速汽 油机示功图计算机测量系统、天津 大学开发的电控缸内直喷发动机燃 烧分析系统等 这些系统都是集数据采集与燃烧特 性分析为一体的测量系统，但在应 用软件开发上各有特点，功能比较 全面，能满足一般放热规律研究。 二、示功图测试系统 示功图测量系统由硬件和软件构成。 系统整体结构示意图如2-1图所示。 测量系统主要由传感器、信号调理 电路、单片机系统和上位机

4、数据处 理模块组成。 测试系统 系统的三个组成部分的功能如下: 1. 信号调理电路:主要对柴油机上止点、曲轴转 角信号进行相应处理，增强系统对不同类型 的上止点和曲柄转角传感器（磁电式或光电 式）的适用能力，提高系统的抗干扰能力和 稳定性，并与单片机系统进行可靠接口。 2. 单片机系统:是示功图测量系统的核心。与信 号调理电路的输出信号进行接口，并提供人 机交互界面，完成柴油机缸内压力模拟信号 的数据采集，并与上位机处理模块进行通信， 将采集到的数据传送到上位机。 3、上位机数据处理软件:接收、存储 单片机模块发送的气缸压力数据， 并对数据进行处理，完成示功图的 绘制和计算相关参数，进行结果显

5、 示等。 系统测量原理 如图2-2所示，将上止点和曲柄转角 信号接入单片机的中断0和中断1引 脚，气缸压力信号接入A/D转换器芯 片。为了使每次采集的压力信号同 步且与曲柄转角信号成一一对应关 系，将上止点信号作为信号采集的 同步触发信号。 当单片机检测到上止点脉冲信号时，开 始对气缸压力信号进行数据采集，当单 片机检测到一个曲柄转角脉冲信号，就 启动一次数据转换并读取、存储数据。 然后等待下一个曲柄转角信号，如此周 而复始。 直至一个或多个柴油机工作循环。数据 首先暂时储存在单片机系统的外部数据 存储器中。采集数据结束后发送到上位 机或优盘进行数据存储或处理。 由图可以看出，转速条件一定时，

6、在压 缩冲程前期、膨胀做功冲程后期，不同 负荷条件下缸内压力大小差异不明显， 但在膨胀做功阶段，高负荷时的缸内压 力明显要高于低负荷时的缸内压力。 从图中可以看出，在同种大小负荷程 度下，随着转速的增加，缸内最大爆 发压力的变化不是很明显。 同一转速下，缸内最大爆发压力随着 发动机负荷的升高明显增加，最大增 值接近3 MPa.增幅达75% 三、示功图的分析及处理技术 在实际示功图的测录过程中，常有一系 列因素影响着示功图本身的准确性，例 如上止点的偏差、测压通道的腔振等。 cooled / Connector 20 / C Measuring element 40 / C Diaphragm

7、100 / C External Influences on Pressure Sensors 3-1 上止点的修正 上止点的精确测定是极为重要的。上止 点定位误差是影响放热率计算精度的重 要因素，它使气缸瞬时容积及容积变化 量计算产生误差，从而对放热率曲线， 特别是上止点附近的放热率曲线有明显 的影响。 如何准确地确定热力损失角是热力学方 法的关键。 式中， 为修正后上止点， 为实际上止 点， 为热力损失角。研究结果表明， 上止点精度约在士（0.10.2）之间。 3-2 测压通道效应的消除 测压通道的通道效应也是影响示功图测 量精度的重要因素之一。 为了避免通道效应，理论上建议将传感 器与燃

8、烧室平齐安装，但是由于气缸盖 结构上的原因，给传感器的布置带来了 困难，热冲击对传感器的影响也相当严 重。直接暴露在高温燃气中的传感器在 内燃机每一个工作循环中，交替接触热 火焰和冷气体，引起传感器膜片产生周 期性热感应应变，同时影响传感器的使 用寿命，因此，往往通过测压通道测取 缸内压力。 四、参考文献 1何学良,李疏松.内燃机燃烧学M.北京:机械工业出版社,1990:372- 396. 2魏海军,王德春.示功图自动测取与功率计算软件的研制J.世界海 运,2000,(5):48-49. 3胡军军,阎小俊,周龙保,等.内燃机燃烧分析仪的开发与应用J.西安 交通大学学报,2000,35(3):2

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