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1、-示功图分析-第 277 页第十章 示功图测录与分析示功图是气缸内工质压力随气缸容积或曲轴转角变化的图形。它通过专门的测量仪器示功器进行测量。由工程热力学可知,示功图的面积大小代表了柴油机气缸内一个工作循环的指示功的大小。它是研究柴油机气缸内工作过程完善程度的重要依据,也是用来计算柴油机指示功率的依据,同时还可作为柴油机动力计算和强度计算的资料。通过示功图可研究缸内的燃烧过程、燃烧放热规律,计算缸内温度,评估扫气过程,计算柴油机指示功率,确定柴油机最大爆发压力和压缩压力等等。由于它能以图象形式显示缸内的工作过程,而且测试仪器简单实用, 因此在柴油机的测试中,示功图的测取占有非常重要的地位。通常
2、,应定期测录运转柴油机的示功图,且对测取的示功图进行计算和分析。根据其计算和分析结果来判断柴油机的工作性能,并可对其进行适当的调整,保证柴油机能在最佳状态下运转,提高其经济性、动力性和可靠性。第一节 示功图的测录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, 示功器可分为机械示功器、气电示功器以及电子示功器三类。船上常用的是机械示功器, 随着电子技术的应用, 在现代船舶上, 电子式示功器的使用也不断增多。一、机械式示功器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, 它是利用机械位移方法测量缸内压力和活塞位移。机械示功器按使用的示功弹簧形式不同, 可以分为
3、螺旋弹簧式和柱簧式两种。两者在结构原理上相同,所不同的是前者使用螺旋形弹簧,后者使用等强度柱形弹簧。以下主要介绍螺旋弹簧式示功器。1. 结构和工作原理机械示功器的具体结构如图10-1所示, 它由压力感受机构、转筒机构和记录机构三部分组成。压力感受机构包括小活塞5、活塞杆4及示功弹簧1等用来感受缸内压力变化并以示功小活塞位移输出; 转筒机构包括绳索9、转筒8用来反映柴油机活塞位移; 记录机构包括杠杆3和画笔机构2具有平行放大作用, 画笔的自由端装有铜笔尖。当测量示功图时, 转筒8上夹有示功纸并通过绳索9由柴油机曲轴或凸轮轴通过专设的示功器传动机构带动, 绕其自身轴左右偏转, 其偏转角位移量正比于
4、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,反映柴油机活塞的行程。示功器小活塞5在缸内气体压力推动下在小气缸中上下移动, 并被弹簧力所平衡。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着的气体压力。由于示功器中小活塞的上下移动与柴油机气缸中的气体压力的变化成比例, 而转筒的转动也与柴油机活塞行程成比例变化, 所以记录笔尖在转筒记录纸上可以绘出气缸内气体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)。图10-1 机械式示功器结构图1-示功弹簧; 2-画笔杆; 3-传动杠杆; 4-活塞杆; 5
5、-小活塞; 6-小气缸; 7转筒弹簧; 8-转筒; 9-绳索2. 机械示功器小活塞和弹簧的选择为了使机械示功器能在较广泛的压力范围内使用, 一般备有三套活塞和一套不同刚度的弹簧。可根据柴油机的最高爆发压力pz值进行选择, 以便获得合适的示功图。这三套活塞和缸套分别用标号1/1(标准活塞直径为7mm)、1/2(其面积为1/1活塞的1/2,标准活塞直径为14.35mm)和1/5(其面积为1/1活塞的1/5,标准活塞直径为9.06mm)表示。为了便于识别,分别在示功气缸凸缘上用钢印注明1/1、1/2、1/5字样。在测p-V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则采用1/1
6、小活塞。示功弹簧用弹簧比例M标记。 示功弹簧的弹簧比例单位为mm/MPa, 它表示缸内压力每变化1MPa时弹簧的变形量(mm)。弹簧比例的选择应根据所选定的小活塞标号和柴油机气缸内的最高爆发压力pz大小来选择。选择弹簧时应注意使示功器具有合适的高度,就是使测取的示功图的最大高度接近于示功图纸的高度, 以保证示功图的精确度。通常, 柴油机测取p-V示功图时, 使用1/5小活塞, 可选用的弹簧比例有12、10、8、7、6、5、4、3(mm/MPa), 相应的最高压力分别为、15.0(MPa)。3. 机械示功器的传动机构为了把柴油机活塞的运动规律按比例地传给示功器转筒机构,必需设立专门的传动机构。由
7、于示功器转筒的周长只有柴油机活塞行程的1/51/20, 因此传动机构不仅要正确反映柴油机活塞运动规律,而且还要将活塞的行程按比例缩小。所以,传动机构应满足以下两个基本要求:柴油机活塞行程缩小后的长度应与转筒的周长相适应, 且略小于转筒周长;转筒的转动必须严格地与柴油机活塞的运动相对应, 以便正确反映柴油机活塞运动规律。目前在船上安装使用的大型低速柴油机的示功器传动机构有曲柄式、杠杆式和凸轮式三种。(1)曲柄式传动机构。曲柄式传动机构简图如图10-2所示。 立轴1的转动由柴油机曲轴(或凸轮轴)通过齿轮(或链条)带动, 其转速与曲轴的转速相同; 立轴的上端有圆盘2, 圆盘上的偏心销子与小连杆3相连
8、组成一单独的小型曲柄连杆机构, 模拟柴油机的曲柄连杆机构的运动规律; 小曲柄连杆机构与柴油机的曲柄连杆机构在几何尺寸上必须相似, 即R/L=r/l(R、L分别为柴油机的曲轴半径和连杆长度; r、l分别为传动机构的小曲柄半径和连杆的长度),活塞销5通过缸套上的长孔带动滑块6与小活塞一起做同步往复运动。由于滑块与连接示功器转筒的绳索7相连; ，所以滑块6既受活塞销的带动, 又受示功器转筒弹簧的拉动, 就保证了示功器转筒的运动规律。止动杆8则是在测量结束时,利用它可使滑块6脱离活塞销的控制。图10-2 曲柄式传动机构1-传动立轴; 2-小曲柄; 3-连杆; 4-小活塞; 5-活塞销; 6-滑块; 7
9、-绳索; 8-止动杆(2)凸轮式传动机构。凸轮式传动机构简图如图10-3所示。凸轮式传动机构采用专设的凸轮带动滚轮2和导杆3模拟柴油机活塞的运动规律。由于示功凸轮的外形是按柴油机活塞运动规律设计并按一定的位置安装在凸轮轴上, 因此它能反映出活塞的运动规律, 即柴油机活塞在上、下止点位置时示功凸轮也恰好把导杆推到最高、最低位置, 使导杆的运动规律与柴油机活塞的运动规律一致, 从而保证示功转筒与柴油机活塞的位移成比例和正时相一致。 弹簧4装在导杆上。导杆上有销孔6, 如果柴油机在运转过程中不需要测取示功图, 可以用插销通过壳套上的孔5插入导杆销孔6将导杆提起而使滚轮不与凸轮接触,以防两者相互磨损。
10、图10-3凸轮式传动机构1-示功凸轮; 2-滚轮; 3-导杆; 4-弹簧; 5-销孔; 6-导杆销孔(3)杠杆式传动机构。杠杆式传动机构采用一套杠杆机构铰接在柴油机活塞或十字头上,按一定比例反映活塞的运动规律。此种传动机构虽然结构简单,但无法避免铰接处磨损而造成传动失真,因而目前很少使用。4. 机械示功器的优缺点和适用范围机械示功器使用已久, 由于它具有结构简单,工作可靠,使用方便等优点, 至今仍是船上测取示功图的必备工具。机械示功器由于它利用机械位移方法进行测量,必然带来机械式测量仪器的固有缺陷,如感受缸内压力和反映活塞位移部分具有一定的质量, 会产生较大的运动惯性力, 而其弹簧刚度不能太大
11、(灵敏度要求), 致使它的自振频率很低, 不适用于高速柴油机, 只适用于低速机和部分中速机。机械示功器可以用提高弹簧刚度来提高它的自振频率,扩大其适用范围。目前机械示功器根据使用弹簧的形式可分为两种，即卷簧式和柱簧式。二者在结构原理上完全相同，不同的是前者用螺旋形卷弹簧（刚度小），适用于400 r/min以下的柴油机使用; 后者用等 强度柱形弹簧（刚度大），适用于7001000r/min的柴油机使用。目前,机械示功器在大型低速柴油机船舶上被广泛用作随机测试仪表,供监控柴油机运转使用。5. 示功图的测取方法及注意事项示功图形状是受许多因素影响的,譬如示功器使用和维护不当;传动机构安装不正确;天气
12、、海情的变化等都会影响示功图的形状。因此在测取示功图时应做好准备工作,按正确方法进行测录:使用前应对示功器进行检查和保养，使其可动部分应有良好的润滑,保证小活塞在气缸内能以自身重量均匀下滑; 当示功器与传动机构之间的距离大于时，应选用钢丝软绳。使柴油机负荷稳定, 即各运行参数达到正常值并保持稳定不变;选择适宜的海况和气象条件;安装示功器前,必须先打开示功阀把通路中的积炭及杂质吹净;示功器安装后,应先在转筒的记录纸上画出大气压力线;测取满意的示功图后,应注明日期、缸号、转速、排温、油门格数、弹簧比例等。并与驾驶台联系记录气候、风力、风向、潮流、吃水、船速等，供分析时参考。为准确起见,最好每缸测取
13、2个示功图。当测取5至6个示功图后,应拆下示功器进行冷却,示功器测量完毕,应对示功器进行彻底清洁和保养。二、电子示功器随着现代科学技术的迅速发展,利用电子示功装置已十分普遍,尤其在现代柴油机的监控技术中均采用电子示功装置来分析研究柴油机缸内的工作过程。电子示功器由传感器、测量电路和记录显示装置等三大部分组成。它是利用电子技术, 通过各种形式(如电阻应变式、压电式、电容和电感式)的的传感器把柴油机缸内的气体压力、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观察或打印。在柴油机测试中, 通常使用压电式或电阻式传感器测量 气缸内压力,使用磁电式或光电式曲
14、轴转角发生器反映曲轴转角的变化。在电子示功装置中，压力传感器是一个核心环节，不同的压力传感器决定着不同的测量电路。通常，示功装置按所采用的压力传感器不同进行分类, 而且习惯上也多以其传感器命名示功装置。压力传感器一般分为电阻应变式、压电式、电容式、电感式等。所以电子示功装置亦可分为电阻应变式示功装置、压电式示功装置、电容式示功装置和电感式示功装置等。1 电阻应变式示功装置图电阻应变式示功装置是利用电阻应变式压力传感器把被测压力转换成应变片的电阻值, 通过应变仪把电阻值的变化转换并放大成所需的电压或电流信号送到显示记录装置。柴油机曲轴转角信号可由磁电式或光电式等传感器测量。系统方框图如图10-4
15、所示。电阻应变式压力传感器应变仪显示记录装置图11-4 电阻应变式示功装置方框图电阻应变式压力传感器的结构如图10-4所示。电阻应变片粘贴在应变筒14的外壁。应变筒由薄壁0.3mm)合金钢制成,下端焊有很薄的悬链薄膜片,此膜片既薄又柔软,只传递压力而不产生弹力。当缸内压力作用到悬链薄膜片时,它仅仅把所受到的压强变为集中力传到与它接触的应变筒上,引起应变筒14发生弹性变形使应变片电阻发生变化,并经导线传至接线柱7后由屏蔽电缆8输出。冷却水管4用于对膜片和应变筒进行强制冷却,以消除燃气的高温对测量结果的不良影响。调整垫片13可保证装配时应变筒有适当的预紧力。这种压力传感器的自振频率主要由应变筒决定
16、,悬链膜的质量很小,它对应变筒的自振频率影响不大。而且,通常由应变筒的轴向压缩应变与横向拉伸应变组成电桥两臂, 使电桥的不平衡输出比只有一个应变片时增加一倍, 即传感器的灵敏度提高了一倍。同时这两个应变片起到温度自动补偿作用,提高了测量精度。图10-5 电阻应变式压力传感器1-保护螺帽; 2-受压器; 3-水管垫圈; 4-水管; 5-密封垫圈; 6-垫片; 7-接线柱; 8-屏蔽电缆; 9-上壳体;10-压线板; 11-固定螺钉; 12-定位销; 13-调整垫片; 14-应变筒; 15-垫片2 压电式示功装置压电式示功装置一般由压电式压力传感器、前置放大器、示波器等组成。其系统框图如图10-6
17、所示。前置放大器是一个高阻抗(1012)输入的放大器,它的作用是放大压电传感器的微弱信号和将传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出。它的绝缘性能对测量精度影响极大,通常多采用电荷放大器。压电式传感器前置放大器示波器图10-6 压电式示功装置系统方框图压电石英传感器是根据石英晶体的压电效应制成的。压电效应是指某些晶体在沿它的某个结晶轴方向受到外力作用时,其内部将产生极化现象:在它的表面上有电荷集结,且此电荷的大小与作用力的大小成正比;当外作用力去掉,晶体又重新回到不带电的状态。具有压电效应的晶体称为压电晶体,例如石英和钛酸钡等。在柴油机示功装置中均采用石英晶体制成压电式传感器,图10-7所示是一种压电
18、石英压力传感器的结构简图。气体压力经膜片4传递给套筒7和石英晶体3。晶体受压时产生的负电荷用电荷引出片6汇集并经导线5引出。为减少温度变化对传感图10-7 压电石英压力传感器1、2-绝缘体; 3-晶体; 4-膜片; 5-导线; 6-引出片; 7-套筒器工作的不利影响,需对传感器采用强制水冷却。有些新型传感器工作时不需冷却,称为非冷却传感器。石英压电传感器具有机械强度高,耐高温,绝缘性高的特点。3. 电子示功装置的标定为了得到满意的测量精度,应特别重视上止点位置的确定和对压力传感器的定期标定。电子示功装置的标定包括压力值标定和曲轴转角(时间坐标)标定等。压力值标定分为静态标定、动态标定和随机标定
19、。静态标定指向测量系统输入稳定的标定压力信号,通过调节电荷放大器或者应变仪的线性度,使其输出的压力信号误差满足精度要求。动态标定是对传感器输入已知频率及幅值的压力信号或者通过激波管产生一阶跃压力,记录它的输出或者根据它的输出曲线求出其频率响应特性,以便在使用时根据它的输出响应得到准确的输入压力信号。随机标定是在测量过程中,对一整套动态压力测量装置进行标定。曲轴转角标定是指给出具有一定精度的上止点记号和已知频率的时标标记或曲轴转角标记。理论与实践指出,上止点标记明显影响示功图计算的准确度。若上止点有1CA误差,则示功图计算有%的误差。因而要求上止点标记误差满足CACA的要求。上止点的确定对于运转
20、的多缸柴油机确定上止点,一般通过暂时单缸停油法测录。4. 电子示功装置的优缺点及适用范围电子示功装置的突出优点是固有频率高,即具有良好的高频特性,如电阻应变式的固有频率可达数十千赫,压电石英式可高达数百千赫。固有频率如此高的传感器与适当的测试环节匹配可获得良好的频响特性,所以它的频率特性宽,适用于低、中、高速柴油机使用,测量误差小于1%。电子示功装置灵敏度高,线性好,但它易受外界干扰影响。如电源电压波动、电磁场干扰、环境温度变化等均影响其工作稳定性。因而它对测量电路要求较高,需设补偿装置。电子示功装置既可测取单个循环示功图,又可测取多循环平均示功图。它与计算机组成一套完整的多参数综合测量系统,
21、可实现对柴油机的远距离监测、数字显示及自动控制,完成对柴油机的诊断、趋向预报等监控技术。因而,电子示功装置在近代自动化船舶上应用广泛。三、示功图的种类和用途根据热工测量的不同目的和任务，可测取不同类型的示功图。用机械示功器可以测取p-V示功图、p-V转角示功图、弱弹簧示功图、纯压缩图, 也可用手拉测取手拉示功图和梳形图等, 用气电示功器或电子示功器可测取p-示功图。示功图图10-8中, (a)为四冲程柴油机p-V示功图, (b)为二冲程柴油机p-V示功图。图10-8 p-V示功图p-V示功图可以用来计算柴油机的功率, 调整各缸负荷的均匀性, 量取最高爆炸压力和判断各缸燃烧情况以及计算缸内瞬时温
22、度等。这种示功图既能定性也能定量地显示出气缸内工作过程的实际情况, 因而成为研究内部工作过程所不可缺少的重要依据。但是，它的测量是在一个工作循环内完成的，如果因某种原因而产生误差，这种误差甚至可高达10-15%之多，那就失去了测量的意义。因此，测量时必须特别注意工况稳定，并慎重对待所测得的结果，尽量避免误差。转角示功图图10-10 手拉展开示功图图10-9 p-V转角示功图p-V转角示功图如图10-9所示。 它是用机械示功器在传动机构的小曲柄超前于所测气缸曲柄82左右的情况下测得的。此时，图形中央位置恰好是上止点位置。其目的是为了将燃烧曲线在横座标方向上放宽，以利于分析燃烧过程的情况。根据活塞
23、运动规律, 活塞在上、下止点处速度为零, 而在中部速度最大。 因此在p-V示功图上，燃烧过程处于上止点附近，此时活塞速度很低而燃烧压力变化很快。这样，在很短的活塞位移内难以清楚地反映出迅速变化的燃烧压力情况。而当传动机构的小曲柄超前82左右后, 发生在上止点附近的燃烧过程被移到了示功图 的中间部分。此时，就可用小活塞的最大速度带动转筒记录气缸内较快的压力变化, 即可将上止点附近的压力曲线放宽, 使压力的变化过程看得更明显。但此时得到的图已失去示功图原形,所以只能用来分析燃烧过程的进行情况,不能作为计算功率的依据。在杠杆式和凸轮式传动机构上较难画出转角示功图。3.手拉展开示功图图10-11 梳形
24、示功图在不能测取转角示功图的柴油机上, 为了研究燃烧过程和判断发火时刻的早晚,可用如图10-10所示的手拉展开示功图。其使用和转角示功图一样，可配合p-V示功图研究燃烧过程。4.梳形示功图用手慢慢拉动示功器转筒,可测出多条压缩压力线(在单缸停油时)或最高爆发压力线, 这种图形形似梳子, 所以称为梳形示功图。如图10-11所示。梳形示功图可用来检查压缩终点的压力pc和最高爆发压力pz。5.弱弹簧示功图在用机械示功器测取p-V示功图时, 因最高爆发压力较高, 而示功器的弹簧又是根据最高爆发压力选取的, 因此示功弹簧选得较硬(弹簧比例较小), 致使进、排气过程中的微小压力变化在示功图上反映不出来。所
25、以四冲程柴油机示功图的进、排气重合为一条线, 二冲程柴油机示功图的尾部扫气过程也重合为一条线。为了研究和检查扫气过程, 可以给示功器换上弱弹簧和1/1标准活塞(弱弹簧可根据排气压力的大小和放大程度来选择), 把p-V示功图的尾部放大测绘出来。这种图形称为弱弹簧示功图。图10-12(a)所示为四冲程柴油机的弱弹簧示功图。曲线1表示部分压缩过程。当示功器的小活塞运动到极端位置时, 示功图保持一段等高度。在膨胀过程(曲线2)中, 当气体压力等于或小于弹簧的弹力时, 弹簧才恢复其作用。排气过程(曲线3)从点开始, 排气阀已开, 气缸内的压力迅速下降, 缸内的废气大量排出 ,从而产生负压。随着活塞上行和
26、速度提高,排气压力又高于大气压力,并随废气的逐渐排空而下降。活塞到达上止点附近,进气阀开启,进气过程开始(曲线4),一直到下止点,然后又开始压缩。图10-12 弱弹簧示功图图10-12(b)为二冲程柴油机的弱弹簧示功图。当排气口开启时, 膨胀线急剧下降到扫气压力线以下。在扫气口开启后压力升高到扫气压力。由于弹簧的振动,压力出现波动,直到扫气口关闭为止。由于过后排气,气缸内压力又会下降,直到排气口关闭开始压缩。通过使用弱弹簧示功图就可以研究和检查换气过程的好坏。展开示功图图10-13 p-展开示功图用电子示功器可测取p-展开示功图。如图10-13为p-示功图。在船上可通过电子示功器测得。p为气缸
27、内气体压力, 表示曲轴转角。p-示功图可用来计算柴油机的指示功率, 评估燃烧与扫气过程, 测取缸内最高爆发压力pz和压缩压力pc, 计算放热率,测定发火角等。是分析研究柴油机过程常用的一种示功图。总之, 在船舶上通常使用机械示功器或电子示功器测取气缸示功图, 一般地讲有以下用途:确定柴油机指示功率并判断功率分配的均匀性;确定柴油机的最大爆发压力pz和压缩压力pc; 评估柴油机缸内工作过程的完善程度, 如研究其燃烧过程、换气过程, 计算缸内温度等。第二节 示功图的分析和计算一、示功图的分析示功图分析是把所测的示功图与柴油机的正常示功图进行比较, 找出它们之间的差别,判断柴油机工作过程的优劣以及产
28、生偏差的原因, 以进行必要的调整,使柴油机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是在柴油机技术状态良好时测取的, 通常由柴油机说明书或试航报告提供。正常示功图有以下特征:(1)工作过程曲线比较圆滑, 曲线过渡处无锐角或突变形状。(2)工作过程各主要特性点的数值如最高爆发压力pZ、压缩压力pc等应符合说明书或试航报告的规定。(3)工作过程曲线无异常波动现象。图10-14 正常示功图(4)示功图尾部形状应符合不同的扫气形式的正常轨迹。图10-14中绘出了二冲程柴油机正常示功图的基本形状,也指出了各特性点在各种示功图上的相互关系。图中b表示在不同负荷下示功图形状的肥瘦, 因此宽度
29、b大致反映了功率的大小。在缺少正常示功图的情况下, 可根据上述各点并参照试航报告所规定的各主要热力参数值进行比较。若发现示功图上的某些热力参数不正常,必须查明原因,根据说明书上的要求进行调整。在调整之后, 各缸有关热力参数的不均匀度应满足如下要求: 工作参数 不均匀度(%) 压缩压力pc 5 最高爆发压力pz 5 平均指示压力pi 5 排气温度Tr 5(中、高速增压机为8%)其中,在定期测取的示功图中,除正常示功图外,还会出现一些畸形示功图。这些畸形图可能因柴油机工作过程不正常引起,也可能由于示功器本身或使用不当等原因引起,所以应对畸形图进行具体分析,找出造成畸形的原因。2.示功器传动机构不正
30、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与柴油机活塞的运动不相应,歪曲了气缸内的压力与行程的相应关系,产生畸形示功图。1)示功器传动机构定时超前图10-15 传动机构定时超前引起的畸形示功图示功器传动机构定时超前是指当柴油机活塞位于上止点前的某一角度时,传动机构带着示功器转筒已到达上止点位置, 因而示功器画针把活塞在上止点前的某一角度时气缸的压力画到了示功图的上止点位置。这样就使示功图发生畸形,即使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缸内的压力值,而使膨胀线比正常线偏高,由此使示功图变胖。如图10-15所示
31、,虚线为正常示功图,实线为传动机构超前5时的示功图。此畸形图的主要特点是:压缩线低于正常示功图,膨胀线高于正常示功图,整个示功图变胖。传动机构定时超前的角度越大,示功图就越加肥胖。显然用此图计算的功率明显增大。2)示功器传动机构定时滞后传动机构定时滞后是指当柴油机活塞位于上止点后的某一角度时,传动机构才带着示功器转筒至上止点位置,因而示功器画针把活塞在上止点后的某一角度时气缸的压力画到了示功图的上止点位置,使示功图发生畸形。图10-16中虚线为正常示功图, 实线为传动机构滞后5时的示功图。从图中可知此畸形图的主要特点是:压缩线高于正常示功图,膨胀线低于正常示功图, 整个示功图变瘦。滞后角度越大
32、,畸形图越瘦。图10-16 传动机构定时滞后引起的畸形示功图实践证明, 传动机构定时超前或滞后对示功图形状影响极大。 一般每相差1CA, 气缸平均指示压力pi相差约为5.5%。 当发现示功图出现上述差异时, 应判断是否是由于传动机构定时所引起的。此时,可采用纯压缩线判断法:用单缸停油的办法测取纯压缩图。正常情况下,纯压缩线与膨胀线基本重合,如图10-17(a)所示。这表示传动机构与柴油机同步。若传动机构定时超前(或滞后),则膨胀线与压缩线分离。传动机构定时超前时膨胀线在上,压缩线在下,如图10-17(b)所示;传动机构定时滞后时膨胀线在下,压缩线在上,如图10-17(c)所示。图10-17 纯
33、压缩图当证实不同步现象出现时, 应对传动机构进行调整, 使它的运动与活塞运动完全同步。为此, 可通过盘车校正传动机构使之与活塞的上、下止点同步。如校正传动凸轮的安装位置和曲柄连杆式传动机构刻度盘的安装位置等。2.示功图故障引起的畸形示功图示功器可因如下几个原因引起畸形示功图。1)示功器转筒绳索太长或太短图10-18 示功器绳索太长时的畸形示功图如果示功器的传动方向是在膨胀行程时使转筒弹簧拉紧, 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
34、绳索张紧时,转角才开始转动。在绳索松动期间,转筒不转动,因此只是画针上下运动,画出的图形是一条直线,致使把示功图头部切去一部分,示功图变短,如图10-18所示。图10-19 示功器绳索太短时的畸形示功图如绳索太短,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,转筒已经不动了,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,示功图的长度减短。如图10-19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,则示功图的上、下止点将彼此变更。此时绳索太长则切去示功图的尾部,绳索太短则切去示功图的头部。因此,在发现示功图头部或尾部被切后,应按具体情况分析判断和
35、调整。在使用中,由此种故障产生的畸形图形有时较难判断(尤其在示功图尾部缺少一段),此时可用检查各缸示功图的长度加以判断, 应保证各缸示功图的长度一致。2)示功图太长示功图太长是由于示功器转筒弹簧太软、示功器转筒的惯性作用和示功器机构中间隙大等原因造成的。如图10-20所示。图10-20 示功图太长5)示功器小活塞卡紧图10-21 示功图小活塞卡紧时的畸形示功图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。此时,在压缩过程中,由于小活塞出现卡紧,阻力增加,使画针画出的压力比正常值低(由于阻力抵消了部分气体作用力),因而示功图压缩线降低;又由于小活塞受到的阻力是不规则的,时大时小,致使
36、压缩线出现波动现象。在膨胀过程中,由于阻力方向与压缩过程时相比方向相反,使得画针画出的压力比正常值大(由于增加了阻力相当于增大气体作用力),因而示功图膨胀线升高。同样也出现波动现象。如图10-21所示。示功器小活塞卡紧,示功图曲线波动,压缩线降低,膨胀线升高,最高爆发压力降低。压缩线的长度的相当大的一部分与大气压力线平行。此时所测取的手拉示功图也有类似波动现象。图中虚线为正常示功图。3.气缸内工作过程不正常引起的畸形示功图当出现畸形示功图时,应首先判断它是否是由示功器使用不当或其传动机构不当引起的。在通常情况下,只要将示功器及其传动机构调整好且管理维护得当,上述故障是可避免的。畸形示功图主要是
37、由于柴油机缸内工作过程不正常引起的。所以对于这种原因引起的畸形示功图进行分析与判断,是调整柴油机的重要依据。当然,柴油机的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,都不同程度地反映着气缸内的工作情况,所以分析示功图时还必须参照柴油机的运行参数。引起柴油机工作过程不正常的因素很多,无法一一列举,以下分析在运行管理中常见的畸形示功图的特点。1)燃烧太早燃烧太早的p-V示功图和转角示功图如图10-22所示。虚线表示正常示功图。这种示功图与正常示功图比较,有以下几个特点:(1)最高爆发压力pz增大,高于正常值,压力上升曲线陡削,示功图头部尖瘦。(2)燃烧曲线过早地脱离压缩曲线,发火点
38、提前。(3)膨胀曲线降低(排气温度下降)。燃烧太早的主要原因是由于大部分燃油在上止点前喷入燃烧,后燃减少之故。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等。另外,当由劣质燃油改用优质燃油而未图10-22 燃烧太早引起的示功图调整(减小)喷油正时时也会产生燃烧太早的现象。由柴油机燃烧分析可知,燃烧太早将会增加柴油机的机械负荷,严重时会使气缸内发生爆燃,引起燃烧敲缸,危及气缸正常工作,故需及时加以调整。2)燃烧太晚燃烧太晚的p-V示功图和转角示功图如图10-23所示。它与正常示功图比较有以下特点:(1)最高爆发压力pz明显降低,即示功图高度下降。(2)示功图头部圆滑,发火点后移,甚至
39、发生在上止点后,表示燃烧后移。图10-23 燃烧太晚引起的示功图(3)膨胀线较正常示功图高(图中虚线为正常示功图)。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、改用劣质燃油又未调整(增大)喷油正时、喷油泵漏油、喷油器漏泄及缝隙式滤器部分堵塞等。以上原因虽然都会使燃烧变晚,但又各有不同。图10-24 喷油器漏油时的示功图如喷油器阀座漏油时,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10-24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
40、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。图10-25 喷油泵漏油时的示功图如喷油泵柱塞因过分磨损漏油时,一方面会使泵油压力下降,从而使喷油延后造成后燃,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10-25所示。3)喷油器喷孔部分堵塞当喷孔部分堵塞时,由于喷孔流通面积减少,流阻增大,单位时间喷油量减少,使总的喷油时间拖长, 出现后燃现象。其示功图与燃烧太晚畸形示功图相似。但由于高压油管中的
41、压力急剧升高,会发生重复喷射，膨胀线会产生波动。如图10-26所示。这种示功图的特点是最高爆发压力pz降低,膨胀曲线升高,示功图头部的膨胀曲线出现波动。但由于喷油正时未变,发火点也基本未变,这是区别于燃烧太晚示功图的主要依据。在喷孔部分堵塞的情况下,有时会在喷油泵泵油初期产生冲击和振动。如果用手触摸高压油管,可感到明显的脉动过重并伴随有油管发热的现象。这些特征有助于分析示功图。图10-26 喷油器喷孔部分堵塞时的示功图4)气缸内空气量不足气缸内空气量不足时的示功图如图10-27所示。它与正常示功图比较有以下特点:(1)最高爆发压力pz和压缩压力pc都降低。(2)膨胀线与压缩线均降低,有时可能出
42、现波动。图10-27 气缸漏气时的示功图(3)示功图面积减小,指示功降低,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、排气阀漏气等;扫气空气供应不足,如气口堵塞,增压器进气滤器堵塞,中冷器堵塞,增压器污染等;排气系统受阻;环境状态如大气压力和环境温度变化。气缸漏气使压缩压力pc降低,可通过测定纯压缩图,计算压缩压力与扫气压力之比值并与试航报告标准比值比较来进行判断。5)扫气过程不正常图10-28 扫气口部分堵塞时的弱弹簧示功图图10-29 排气口部分堵塞时的弱弹簧示功图在二冲程柴油机中,气口可能由于燃烧不良而发生堵塞现象。此时将引起进排气受阻,降低了缸内的充气量,结果使新
43、气减少造成燃烧不完全,引起与燃烧太晚相似的畸形示功图。在测取p-V示功图时,由于示功弹簧的选择主要是为了满足最高爆发压力的要求,而使示功弹簧较硬(弹簧比例较小),进、排气过程几乎重合成一条线,由此图很难判断进、排气压力变化的情况。欲分析扫气过程的进行情况,需使用弱弹簧示功图。图10-28和图10-29为MAN K7Z70/120型二冲程柴油机在转速n=125r/min时测得的工作过程不正常时的弱弹簧示功图。在上述条件时, 正常的弱弹簧示功图的扫气压力为42kPa,压缩始点压力为35kPa(如图10-12(b)所示)。当扫气口开启时,缸内压力基本降至扫气压力。从图10-28中可看出,压缩始点的压
44、力过低,仅为30kPa,同时下止点时缸内压力也较低,仅为35kPa,表明扫气口部分堵塞,气缸进气量减少。从图10-29中可以看到,排气开始点滞后,扫气口开启时缸内压力高于扫气压力,而且压缩始点的压力较高(为38kPa),表明排气口部分堵塞,排气不畅。显然,根据上述压力变化的大小可以判断气口堵塞的程度。以上分析了一些常见的、典型的畸形示功图。在实际工作中,示功图的线形往往不够典型,甚至为多因素影响,况且图形尺寸较小,所以对示功图分析难度较大。因此,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它测试参数进行综合分析,抓住主要影响因素,才能得到正确结论。二、p-V示功图的计算及多缸柴油机功
45、率的计算在船上，对于运转中的柴油机，通常用机械示功器测取每个缸的p-V示功图。根据示功图计算出每个缸的平均指示压力pi值,然后代入功率的计算公式即可求出每个缸的指示功率。平均指示压力pi的计算方法计算方法通常有两种：）面积法用面积仪测出示功图的面积，以(mm 2)表示，再除以（mm），即可得到示功图的平均高度。即用平均高度hi再除以示功器的弹簧比例M(mm/MPa)则可以得到pi值.即图10-30 示功图的作图计算法(Pa)2) 十等分法如果没有面积仪,还可用如下的作图方法求得示功图的平均高度,其结果也足够准确.十等分法如图10-30所示。将示功图长分为十等分，量出各等分点上的示功图高度y1, y2, y3y9 (mm)。在上、下止点附近，距上、下止点再附加两个示功图高度y0,和 y10。示功图的平均高度可用下式求得：则平均指示压力即可求出。2.功率的计算计算出某缸的平均指示压力pi值后，即可根据指示功率的计算公式Pi=cpin 求出单缸指示功率。为气缸常数，对既定的柴油机它是一个定值，通常在说明书中给出，或者根据公式算出。例如，某国主6ESDZ76/160型柴油机的气缸常数根据公式可算出:在设计时多缸柴油机的功率计算可用简化公式求出实际柴油机各缸功率不可能完全一致,为了准确起见,整台柴油机的功率应由处出的每个缸的功率植相加, 不能简单地以某缸功率乘以缸数。