利用微机测量过渡工况下活塞温度的变化规律

1、利用微机测量过渡工况下活塞温度的变化规律第1O卷1989年第3期内燃机工程?67?利用微机测量过渡工况下活塞温度的变化规律,一李人宪(附近照)谈兼氤(西南交通大学)PistonTemperatureanditsVa-iatlonMeasurementsinEngineTransientRegimesbytheAidofMicrocomputerLiRenxlan(withthelatestphoto)TanYongwang(Southwe-jiaotongulliveity)Abstra州Thepist6ntransienttemperaturemeasurementsbytheaidofmi

2、cro-computerareintroducedinthispaper.Thetemperaturepick-upsdectionJeniperaturesignalreadingout,collectionapparatusandcollectionspeedded-onarealsoreviewed.Thepistontemperaturevariationinenginetransientregimesbasedonex-pcrimentsissuggested,andabasisisestablishedforfurtherpistontemperaturecalcula-tion.

3、摘要拳文介绍利用微机进行活塞动态温度的测量.文中计论7测温元件的选取，信号引出，采样装置以及采样速度的确定等同题根据实洲结果，提出7过渡工况下柴油机活塞温度的变化规律，寿进一步计算求解提供7依据.关麓诃活塞，温度，柴油机，散机Keywords:Piston,Die-lEngine,Microcomputer随着柴油机强化程度的不断提高,其受热零件的热负荷r+H题越来越受到人们的关注研究表明，热负荷问题主要是材料的高温蠕变和低周热疲劳问题它主要的原因是山于柴油机在负荷循环时产生的温度变化和温度梯度所导致的热应力和热应变较稳定工况时大因此，要深入研究柴油机的热疲劳问题，必须首先研究在过渡工况下受热

4、零件温度及其变化规律.本文的工作是借助一台直喷式295型柴油机，测量了活塞在过渡工况下的温度变化历程，并讨论了利用微机采样中的一些问题.,测温元件的选取和标定根据动态温度测量的特点，选用了国产铠装瞬态热电偶.套管直径LOmm,偶丝直径0.09ram.这种热电偶强度高，挠性好，耐振动，有较好的动态响应特性,国产铠装执八电偶有三种类型:接地型，绝缘型和露头型作者选用的是绝缘型，困它对数字采样装置的A/D板耍求较低为保证精度对所选热电偶进行了静态标定和动态标定.甩动态标定方法测定结果表明，内燃机工程第10卷1989年笫3期所选热电偶的动态响应时间，当温度升高75。（2时在10ms20ms之间，响应曲

5、线如图1所示,对应热电偶的时间常数约为7m14nls.这一反应速度对测量话塞低周温度变化已足够.围】热电偶动态响应皿拜蔑屯S塞图2热电偶安装图二,热电偶的安装与导线的引出根据活塞的结构和，作状况，采用在活塞上钻直径为l.2mm的小孔，热电偶山活塞内腔穿出，其头部与测温表面齐平，然后用小冲头沿孔口打34个小坑，利用活塞金属铝的延展性将铠装热电偶套管头部挤住，再用砂纸打光，活塞内腔用704胶涂覆固化以固定执/、图3热电偶安装位置图电偶，如图2所示,实践证明这样的安装是可靠的重要的是它保证了热电偶安装后与未安装询有相同的动态响应特性,且热电偶热节点处与待测点有最小的温差.在活塞上共布置19个测点，其

6、位置如图3所示.为减小误差,采用与热电偶偶丝材料相同的补偿导线(NiOr-NiSi)以接长热电偶，使之可以引到柴油机以外的.二次仪表上,山于活塞是运动的，而要救的动态测量要求将信号连续I出，所以导线的可靠引出是活塞测温成功的关键.为此，设讣了一套专用四连杆引线机构,装在柴油机连杆与机体之间,将热电偶的补偿导线由活塞内腔集中弓f到柴油机连杆小头处，经过杆身，大头I到四连杆机构上,从而将信号引出？三，信号的采集系统动态温度信号的获得，除了要求温度传感器有一定的动态响应速度外,对数据采集装置也要求有一定的采样速度，否则不能真实地反映温度随时间的变化规律.文献1在K150E型柴油机气缸盖上所做起动，况

7、试验指出；”壁温最大温升率为3.8.C/S.文献2在195型柴油机气缸盖上所傲试验指出t突变工况下，最大温升率可第10卷1989年第3期内燃机工程?69?达94cls,而活塞则缺乏这方面的数据.不妨先假定其最大温升速率在3lO.c/s之间，以此来决定采样速度例如取最大温升率z6.c/s,若想在一个点上每隔1。（2采一个数据，记一Lc/次，对单点测量来说，则采样速度至少必须为/5次/8若布置20个点，对单点扫描的采集装置来说,需要每秒扫描5遍,其采样速度为一20Zv=20Z6100点,8也就是说采样装置要有OQis/点的采样速度,显然，常规的钏温装置是达不到这一要求的.例如国产巡检仪，最快扫描速

8、度为0.28/点,若布置20个点，扫描同一个点的时间间隔就是48,按上面的假设,4秒钟有些点上温度可能已变化20。C因此它不能精确反映过渡工况下低周温度变化.为此，采用以T1S-80为芯片的8位微机来采样.白热电偶来的信号通过100倍的多通道放大器，经过A/D转换进入计算机,采样速度山软件控制，可在2点/s-6800点之闽分16级任意选择.采样速度的选择陈上面考虑的待澳4零件温度变化速率因素外，还必须考虑计算机内存容量的限制和采样总时间的限制,因计算机内存容量有限，若采样速度过快,单位时间内进入内存的数据就多，则采样总时间就要缩短所用的计算机(CESEC),其名义内存为64K,采样数据可用内存

9、28医.鉴于以上原因，今采取了按计算机内存容量在保证采样总时间的前提下,采样速度尽可能快的选择采样速度的原则,当然也不能过快，否则会受到高周渡的影响采样总时间应山实验工况条件来定,即过渡工况下活塞温度需多少时间才能从一个稳定状态变化到另一个稳定状态,文献1指出K150E型柴油机气缸盖在整个起动过程至壁温稳定时间约120s.文献C3给出了一些柴油机受热零件的温升统计曲线，对应活塞顶温度稳定时间约45分钟.根据上述文献及作者的经验，决定采样总时间至少应保证4分钟.后来的实践证明4分钟足以使96型柴油机的活塞温度从过渡状态达到稳定状态.这样，采样速度就可以山下式估算：V28X1024一119.6,S

10、Auu因此，根据采样速度的档次，选择了100点，自的采样速度，即每0.01s扫描一个点,0.19s扫描一遍实验表明，这一采样速度对反映过渡工况下活塞的低周温度变化来说绰绰有余.四，工况选择与实验结果选择以下兰种实验工况：(1)起动工况一一冷机起动到怠速(OOOr/rain),零负荷.突加转速与负荷的工况山怠速将转速突增至lOOOr/min.同时负荷突增至7.85LW,加载加速由手工控制，整个过程约20s.(3)突然卸载荷停车工况一一由k)00r/min,7.36kw突然卸载停车.温度变化的部分测点实测结果如图4和图5所示.差.五，实验误差分析整个实验系统的误差不外来自以下两个方面：(1)测温系

11、统的误差1(2)采样系统的误内燃机工程第10卷1989年第3期图419号测温点宴例温度变化曲线I一起动工况2突加转速与负载工况，一宴然停车工况图511号飒n臣点实钏温度变化曲线1一起动工况2一突加转速与负载工况测温系统包括热电偶，补偿导线和冷端补偿,热电偶经过标定，其相对误差小于3,补偿导线与偶丝材料相同，冷端补偿采用冰瓶，一般不会引起什么误差重要的是热电偶采用无覆盖安装，其热节点处与待测点有较好的温度吻合,因此，可以说测温系统的误差不会大于3.采样系统包括放大器,A/D转换器和微机.一般来讲，放大器误差很小,A/D转换器在转换过程中会出现量化误差，微机的误差则取决于微机的位教，对8位机,最大

12、相对误差如文献E43中所述为II土言音loo%±0.196%显然，这一误差与所测温度值无关，园此，所测温度越高，其相对误差也越小.总之，分析表明，整个实验系统的测温误差在工程允许误差范用之内.六，实验结果分析与结论1从图4和图5中可以看出活塞上各实测点的温度变化历程趋势太体一致，即开始时变化快，随着时间的推移，变化减慢,最后趋于稳定利用曲线一拟合技术，可得出实测活塞温度的变化历程与指数曲线极为接近用数学表达式表示可写为一+（一）（1一et,b）式中：一一初始稳定态温度J终了稳定态温度,f时间fa时间常数，即温度变化了整个过程值的63.2%时所对应的时间,这样，即可近似地认为过渡工况下

13、活塞温度按指数规律变化.2时间常数1IH的确定可以从实测活塞温度变化历程曲线图中读出.按询述物理意义，在某点温度历程图中，温度变化了总值的83.2所对应的时间即为该点的值.3的大小定量地反映了活塞温度的变化速率t越小，温度变化率越大.利用可第1O卷1989年第3期内燃机工程以估算恬塞上某点温度的最大变化率K:>0.632（一）/f;.e/s式中:r:和一一分别为i点的起始温度和稳态温良.f;该点的时间常数？4 .过渡工况下活塞温度从一个稳定状态变化到另一个稳定状态的时间可能会因活塞大小，工况变化幅度，冷却情况等的不同而有所不同本文台架试验的295型柴油机有良好冷却（循环水），稳定

14、时间约为三分钟.5 活塞温度变化率在起动工况下较突然停车工况要太一倍左右，实测表明，起动工况下测点的晟小时间常数2伪左右，（测点35等），而突然停车工况的摄小时间常数40s左右.对于突然加载加速工况，山于加载方式和时间对各种机器或各种使用条件不同，其,0值介于起动与停机工况之间，摄小f。值约为3035s一般来讲，起动工况有最大的度变化率，本试验起动工况下最大温度变化率迭5.elS以上.6 .无论哪种过渡工况，温度变化率最大的点都发生于活塞顶面，温度变化率最小的点都发生于下裙部.仔细分析下裙部测点的实测温度变化过程,可发现在工况突然变化的最初儿秒钟，该处温度变化有一个时间滞后，这是由于活塞材料的热惯性弓I起的.因此当活塞较大或较厚时，前述温度变化规律表达式对下裙部的点应有一个修正，以更全面地反映过渡工况下活塞温度变化规律.7 .按照前述温度变化规律及实测结果,对过渡工况下活塞三维温度场进行了有限元计算”.程序为自编程序T皿P，汁算时将1/4活塞剖分成96个立体单元（SO个20节点六而体，16个15节点五面体），692个节点，计算是在VAX/11-50计算机上进行的.部舟测点的实捌和讣算结果示于图8和7中,可以很明显地看到，实澳I和讣算结果吻和得很好？圈611号鹊温点实钏度与讣算温度比较有限元计算采用101号节点1起动工况2安然停车工况计