1、柴油機氣缸燃燒峰值測量的方法設計及應用 柴油機氣缸燃燒峰值壓力測量的方法設計及應用張曉林 楊曉娜 摘要 本文描述了柴油機氣缸燃燒壓力峰值測量的方法以及此方法的相關設計，并且在內燃機臺架試驗中的實際應用。其中首先是該項測量方法的確定及設備的選型、以及測量得以進行的一系列設計：柴油機不同機型的缸蓋孔加工設計、傳感器特殊安裝配套工具設計、以及傳感器信號的捕捉顯示。在此基礎上總結了不同機型燃燒壓力峰值的測試方法，順利完成內燃機燃燒壓力峰值的實時跟蹤監測,為發動機負荷評估及燃燒分析提供可靠數據。關鍵詞: 內燃機 氣缸燃燒壓力 峰值測量 缸蓋打孔 傳感器外套 壓緊桿 設計 試驗應用一前言燃燒系統是發動機的

2、心臟，內燃機燃燒峰值壓力的測量，對柴油機開發研究有著極其重要的意義，同時也是燃燒分析測量項目的首要基礎，是評價發動機動力性、零部件機械負荷、熱負荷的一個極其重要的內容。由于燃燒壓力產生在工作氣缸內，缸體結構的復雜以及燃燒環境的瞬息萬變使燃燒壓力的測量較難控制。因此找到合理、正確的測量方法是非常重要的。二測量系統設備選型測量系統最終要達到實時準確的捕捉到缸內瞬時峰值壓力，同時真實的反映出柴油機爆震的現象。因此首先要具備一個能感應壓力的壓力傳感器，來感應并輸出氣缸內的瞬態高壓信號。由于燃燒壓力的特殊性，在壓力傳感器的選擇方面，我們必須考慮以下因素： 傳感器 電荷放大器 發動機 示波器 發動機 圖1

3、-測量系統示意圖傳感器的動態響應速度，必須能滿足發動機瞬時壓力的捕捉；傳感器對工作環境的要求，必須能滿足發動機燃燒的惡劣環境；傳感器外形尺寸，必須盡可能的小巧，從而能在不損壞發動機結構前提下，滿足正確安裝在內燃機燃燒室內。其次是信號的引出，經調理放大轉換為標準信號；最后是信號的實時顯示。構成燃燒壓力測量系統的基本儀器。整套設備能快速、準確、不失真的完成測量。1石英壓電傳感器 壓力測量的精度首先取決于傳感器的測量精度，絕對壓力的誤差會導致放熱率誤差，從而影響燃燒分析結果。由壓電晶體制作的壓力傳感器由其種種特性，受到我們的關注。通過長期的試驗應用比較，我們選用了瑞士Kistler公司生產的石英壓電

4、傳感器。其輸出信號基本是理想線性的，且無滯后現象，外形小巧、結構堅固、靈敏度高，且有較寬的測量范圍、同時由于具有無可比擬的高固有頻率，而適用發動機缸內瞬時動態力的測量。測量范圍：0-250Bar固有頻率：150KHZ線性度：±0.8%FSO工作溫度：-196-350°C絕緣阻抗1013靈敏度：14 pc/Bar2電荷放大器： 將傳感器微弱電荷信號放大并轉換為電壓信號輸出，同時將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。由于壓電傳感器其絕緣阻抗很高1013，可近似為開路，在測量回路中必須考慮電纜電容和前置放大器的輸入電容、輸入電阻對傳感器的影響。為保持壓電式傳感器的輸出值不變，除要

5、求配以高阻抗信號電纜線，同時要求前置電荷放大器的輸入電阻要高，在1011以上。這樣能減小由于漏電造成的電荷的損失，不致引起較大的測量誤差。Kistler 以其高輸入阻抗低輸出阻抗等性能與壓電傳感器組成最佳配合。測量范圍可在±10-999000PC之間連續調節微處理機控制 輸出電壓±10V 參數輸出端自動校正零點 3種可供選擇時間參數，8級低通濾波器3示波器：該示波器除具備普通示波器的性能外，其高采樣速率及帶寬能快速捕捉瞬態信號，實時跟蹤實時顯示燃燒壓力的測量信號；同時可高頻隨機捕獲高達1ns的毛刺，用于柴油機爆震情況的監測；實時數字存儲功能可對波形進行后期分析。其內部存儲8

6、K容量、外部可支持軟盤存儲。4標定系統由于傳感器頻繁工作在高負載條件下，其測量精度受到嚴峻考驗，靈敏度降低是不可避免，為保證測量系統的準確性，需要不斷的對傳感器進行動態標定。該系統配套標準傳感器，其靈敏度高達80PC/BAR，而且該系統的動態隨機標定過程模擬傳感器實際工作狀態，使靈敏度得到精確修正，從而保證測量系統的精度。三柴油機燃燒壓力測量的方法設計 包括缸蓋測量孔的設計打孔、傳感器外套的設計、傳感器壓緊桿的設計以及整個系統的安裝及調試。 動態壓力標定系統安裝示意圖1缸蓋打孔設計傳統測量孔是利用柴油機缸蓋上已有的結構孔或在原有結構上改造成爆壓測量孔，由于原有結構孔與燃燒室壁面之間通常是由一個

7、通道相連，壓力測量時產生通道效應，使最終壓力測量結果失真；而早期采用的缸蓋定位打孔，由于對缸蓋結構及測量要求考慮不全面，在缸蓋打孔過程中經常出現將缸蓋打廢或加工孔無法滿足測量要求。為此，我們根據缸蓋的結構特征，在缸蓋上設計測量孔，進行準確定位打孔。缸蓋的作用是密封氣缸，組成燃燒室。在缸蓋上布置著進排氣門和氣道、水套、噴油器孔及各安裝孔等，結構形狀很復雜。缸蓋高度一般（0.9-1.2）D，而基本壁厚一般為5-6MM，燃燒室壁面厚一般為8-10mm.這個結構條件限制了測量孔的設計隨意性，同時也決定了后面所述配套工具的設計難度。根據測量要求，測量孔的選取必須符合兩個基本條件：1 測量孔穿過缸蓋進入燃

8、燒室。也就是打通缸蓋，孔的底端必須保證在燃燒室。這是最重要的同時也是需要精確計算的條件；2 測量孔在缸蓋上端面要有合理的位置，既要留有足夠的安裝空間，同時必須保證不防礙發動機本身裝置；此限制條件使孔的選取位置難于取舍。根據以上條件，對以下三種常用機型測量孔設計如下：· 缸蓋測量孔設計用于開發的柴油機，單從實現燃燒壓力測量方面考慮，測量孔設計如下：為便于安裝及調試，測量孔位置優先選擇1缸或6缸位置，通過缸蓋實物觀測，1缸和6缸兩處均無設計空間。而相鄰兩缸之間上端面，在噴油器與缸蓋安裝螺孔間可有設計及安裝空間。測量孔的基本位置確定。測量孔的實際形位尺寸可根據CAD三維繪圖軟件進行空間尺寸

9、測量，并計算其位置到燃燒室的基本尺寸以及傾斜角度，其中必須兼顧到缸蓋內部水套、加強筋，進排氣道以及各缸蓋安裝孔等，在水套問題上我們采取穿過水套，后期進行密封，進排氣道及其它孔必須避開，否則將使缸蓋無法工作成為廢品。缸蓋測量孔設計如圖1，從圖中可看出孔的具體位置及尺寸，而且孔的軸線與缸蓋底面傾角74°±30。圖1-發動機缸蓋孔設計圖· 測量孔加工完成圖片 爆壓測量孔 爆壓測量孔 圖2XXXXX缸蓋孔上端面及燃燒室端面· 某缸蓋測量孔設計 根據缸蓋特征，測量孔設計如圖4圖4-C系列發動機缸蓋孔設計圖· 某缸蓋測量孔設計圖6發動機缸蓋孔設計圖2傳感器

10、外套的設計根據缸蓋工作結構及燃燒室工作環境考慮，傳感器直接裸露缸蓋及燃燒室內是不可取的，這樣不僅造成傳感器的易損壞，在傳感器安裝以及傳感器信號輸出方面都較難實現。為傳感器設計外套，不僅保護傳感器，同時保證更可靠的測量。針對某公司生產的柴油機機型，自行設計適用的傳感器外套。外套內部設計根據傳感器外形尺寸、傳感器受力面、傳感器工作密封性來全面考慮設計；外套的外部設計從引壓孔、缸蓋結構、水套密封、燃燒室密封等考慮設計。設計結果必須保證傳感器與外套內部的安裝配合正確，保證間隙；外套與缸蓋安裝配合正確。 圖7Kistler傳感器外套設計圖（某機型）3傳感器壓緊桿的設計與傳感器外套配合使用，完成傳感器安裝

11、要求。壓緊桿伸入傳感器外套內與傳感器上端壓緊面配合壓緊，保證傳感器工作平面受力同時承受主要燃燒壓力沖擊。其設計主要體現在配合壓緊端面設計。圖8Kistler傳感器壓緊桿設計圖（4BTAA機型） 4 安裝調試 首先將與發動機配套的傳感器外套，安裝在缸體內，確認外套底端伸入燃燒室的位置，并且外套頂端與缸體用粘膠密封，保證水套不漏水。傳感器安裝前必須對傳感器進行清洗、烘干、動態壓力標定，從而保證傳感器的靈敏度；安裝過程中考慮傳感器的密封、壓緊力矩、以及安裝完成后傳感器在燃燒室內的位置；傳感器安裝完成后連接電路部分，并檢查電氣部分是否有零點漂移及電荷飽合；發動機預熱后運轉，調試電荷放大器及示波器，測量壓力波形輸出。四結論該項測量實時準確的捕捉到缸內瞬時峰值壓力，同時也真實的反映出柴油機爆震的現象。是進行內燃機燃燒分析不可或缺的一項內容。目前已應用于多系列柴