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1、示功图测量示功图测量第1页，共44页，编辑于2022年，星期一概述概述概述概述 气功压力相当于曲轴转角或气缸容积的变化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：的参数，如：第2页，共44页，编辑于2022年，星期一示功图测量的历史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，故在上世纪运动部分质量较大，频响特性差，故在上世纪40年
2、代年代后已经逐渐让位于气电式示功器和阴极射线示功器，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，因此自上高，而电子技术与计算机技术也飞跃发展，因此自上世纪世纪70年代以后，国内外已广泛采用各种微机采集处年代以后，国内外已广泛采用各种微机采集处理系统测定理系统测定 p-图。图。第3页，共44页，编辑于2022年，星期一气电示功图气电示功图第4页，共44页，编辑于2022年，星期一压电示功图测量压电示功图测量第5页，共44页，编辑于2022年，星期一传感器与放大器传感
3、器与放大器第6页，共44页，编辑于2022年，星期一压电示功图测量压电示功图测量压电示功图测量压电示功图测量第7页，共44页，编辑于2022年，星期一数字信号采样原理数字信号采样原理数字信号在时间上和幅数字信号在时间上和幅度上都是离散的，用度上都是离散的，用数字序列表示，可写数字序列表示，可写为：为：序数序数n等于整数时，等于整数时，x(n)才有一定的数值。才有一定的数值。对模拟信号对模拟信号xa(t)每隔一定每隔一定时间时间T采样一次，则可采样一次，则可得到得到xa(0)、xa(T)、xa(2T)xa(nT)。第8页，共44页，编辑于2022年，星期一内燃机数字信号采样内燃机数字信号采样内燃
4、机工作过程各热力参数都是以一定曲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，其采样过程是以某柄转角为周期的信号，其采样过程是以某一曲柄转角一曲柄转角为采样间隔进行的。为采样间隔进行的。第9页，共44页，编辑于2022年，星期一模模/数转换部分数转换部分包括采样保持器和模数转换板，有时还包括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模拟信号的放大器。它完成信号从模拟量到数字量的转换。数字量的转换。第10页，共44页，编辑于2022年，星期一A/D转换器转换器v先对待测模拟电压先对待测模拟电压Ui进进行固定时间的积分，然行固定时间的积分，然后转为对标准
5、电压进行后转为对标准电压进行反向积分，直至积分输反向积分，直至积分输出返回起始值；出返回起始值；v对标准电压积分的时间对标准电压积分的时间T正比于模拟输入电压正比于模拟输入电压Ui，输入电压大，则反输入电压大，则反向积分时间长向积分时间长。第11页，共44页，编辑于2022年，星期一A/D转换器位数与数据转换精度转换器位数与数据转换精度l习惯上称转换器的分辨率为精度；习惯上称转换器的分辨率为精度；lA/D分辨率：引起分辨率：引起A/D转换器的输出码转换器的输出码D变动一个数的输入模拟量最小变化量变动一个数的输入模拟量最小变化量。l只有模拟量只有模拟量A的变化量大于的变化量大于 时，数字量时，数
6、字量才可能有大于才可能有大于1的变化，或者说数字量的的变化，或者说数字量的输出才能有反映。对一个输出才能有反映。对一个n位位A/D，其对，其对输入电压的分辨率为输入电压的分辨率为A/D满量程电压的满量程电压的 1/2n。第12页，共44页，编辑于2022年，星期一分辨率分辨率如果按满量程如果按满量程10MPa进行标进行标定，一个定，一个LSB对对应的模拟量约为应的模拟量约为2.44kPa，而柴，而柴油机进、排气过油机进、排气过程气缸压力差可程气缸压力差可达达40kPa左右左右。采集精度不等于分辨率。采集精度不等于分辨率。对于对于12位位A/D，插在微机插在微机扩展槽内的扩展槽内的A/D仅能达到
7、仅能达到1.5左右。左右。第13页，共44页，编辑于2022年，星期一角标信号发生器角标信号发生器角标信号发生器产生两组信号：曲轴每旋转角标信号发生器产生两组信号：曲轴每旋转一转产生一转产生n个角度脉冲信号，它将内燃机个角度脉冲信号，它将内燃机每转每转360 曲柄转角分成曲柄转角分成n份，每两个脉冲份，每两个脉冲之间为之间为360/n CA夹角。角标信号用以直接夹角。角标信号用以直接触发触发A/D转换器或通知计算机对模拟信号进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。号，表示数据与曲柄位置的关系。第1
8、4页，共44页，编辑于2022年，星期一角标信号发生器工作原理角标信号通过与内燃角标信号通过与内燃机曲轴或凸轮轴固连机曲轴或凸轮轴固连在一起的光电或磁电在一起的光电或磁电式脉冲编码器产生。式脉冲编码器产生。编码器由光栅、指示编码器由光栅、指示光栅、发光元件、光光栅、发光元件、光敏元件、整形电路等敏元件、整形电路等部分组成。部分组成。第15页，共44页，编辑于2022年，星期一角标分辨率的要求v要保证采样过程中不丢失信息，必须能从采样信号的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
9、频率与信号最高频率之间要满原始信号。因此，采样频率与信号最高频率之间要满足不等式足不等式 fsamp fmaxv为了能足够准确地反映出汽油机气缸压力波，采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样频率至少应当为压力波基频的75倍，最好能达倍，最好能达到到100倍；对于柴油机，含倍；对于柴油机，含150次谐波的波形与含次谐波的波形与含400次谐波的波形几乎一样，已足够表达气缸压力次谐波的波形几乎一样，已足够表达气缸压力的实际历程。的实际历程。第16页，共44页，编辑于2022年，星期一角标分辨率v将有影响的谐波最高频率记为将有影响的谐波最高频率记为 fmax式中：式
10、中：式中：式中：n n 转速转速 r/min 冲程系数，二冲程机冲程系数，二冲程机冲程系数，二冲程机冲程系数，二冲程机 1 1，四冲程，四冲程，四冲程，四冲程 2。v若每度曲柄转角采集若每度曲柄转角采集m个个点，则采样频率点，则采样频率fsamp为为 对四冲程机，每度曲对四冲程机，每度曲柄转角采样柄转角采样1或或2次，次，采样频率即可达到信采样频率即可达到信号最高频率的号最高频率的4.8或或9.6倍。倍。第17页，共44页，编辑于2022年，星期一放热计算用角标分辨率v文献推荐，计算放热规律时，计算步长在上止点文献推荐，计算放热规律时，计算步长在上止点附近以附近以0.5 CA，其他部分以其他部
11、分以1 CA为宜，在远离为宜，在远离上止点的地方，为避免放热曲线振荡，甚至可用上止点的地方，为避免放热曲线振荡，甚至可用2 CA。v因此，过高地追求采样速率实无必要。因此，过高地追求采样速率实无必要。v爆震信号的频率范围约爆震信号的频率范围约812kHz第18页，共44页，编辑于2022年，星期一P-a P-a 向向向向p-V转换转换第19页，共44页，编辑于2022年，星期一P-aP-a示功图示功图示功图示功图第20页，共44页，编辑于2022年，星期一P-V示功图示功图示功图示功图第21页，共44页，编辑于2022年，星期一logP-logV示功图示功图示功图示功图第22页，共44页，编辑
12、于2022年，星期一示功图常见误差示功图常见误差l燃烧线锯齿波燃烧线锯齿波l零漂零漂l热冲击热冲击l上止点误差上止点误差第23页，共44页，编辑于2022年，星期一在燃烧线上出现锯齿波在燃烧线上出现锯齿波l燃烧粗暴会产生锯齿波，但在多数情况下，这些锯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通道及容积VT所致。所致。l这种示功图对这种示功图对pi的计算结果影响不大。的计算结果影响不大。l对放热计算的影响很大。对放热计算的影响很大。l实际上，由于传感器和缸头形状的限制，不可能没有测实际上，由于传感
13、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。压通道，并且一定的测压通道对保护传感器有利。l如果可能尽量保证通道深如果可能尽量保证通道深=通道直径（上内所推荐），通道直径（上内所推荐），太大影响压缩比。太大影响压缩比。第24页，共44页，编辑于2022年，星期一在燃烧线上出现锯齿波在燃烧线上出现锯齿波第25页，共44页，编辑于2022年，星期一压力线漂移现象压力线漂移现象l从示功器中常发现先后测定的图不重叠，或向上或向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。下平移。这主要是传感器或放大器零点温漂所致。l其对其对 p
14、i 计算结果影响不大。计算结果影响不大。l对放热计算的影响大。对放热计算的影响大。第26页，共44页，编辑于2022年，星期一防止零漂的注意事项防止零漂的注意事项v保保持持传传感感器器、放放大大器器干干燥燥，接接头头干干净净。传传感感器器绝绝缘缘电电阻阻要要大大于于1013，否否则则会会出出现现电电荷荷泄泄漏漏，输输出出发发生生漂移。漂移。v传传感感器器平平时时应应保保存存在在干干燥燥瓶瓶中中，应应用用中中若若发发现现零零漂漂，可将接头用丙酮洗干净，然后烘干。可将接头用丙酮洗干净，然后烘干。v烘干温度（不高于）烘干温度（不高于）传感器传感器 120 C 导线导线 80 C 电荷放大器电荷放大器
15、 50 Cv烘干后随炉冷却，以免冷却过程中再次吸入潮气。烘干后随炉冷却，以免冷却过程中再次吸入潮气。第27页，共44页，编辑于2022年，星期一带自动隐零的放大器带自动隐零的放大器l这种放大器要求在相应安装传感器的缸处于上止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且放大器输出小于0.4V时（显然是在排气线上），时（显然是在排气线
16、上），其自动复位一次。复位就意味着将该时刻的压力值其自动复位一次。复位就意味着将该时刻的压力值强制为零线值。强制为零线值。l注意零线不要调得太高，高于注意零线不要调得太高，高于0.4V，自动复位失效。，自动复位失效。第28页，共44页，编辑于2022年，星期一数据零线的数值修正数据零线的数值修正 设定某一时刻的参考压力值，进气下止点后设定某一时刻的参考压力值，进气下止点后10 处压力处压力为进气管压力，采集结果按此修正。为进气管压力，采集结果按此修正。pi 实测的第实测的第i点的压力值点的压力值;pref 选区的参考点位置选区的参考点位置;pset 设定的参考压力值设定的参考压力值;pi 修正
17、后的修正后的第第i点的压力值点的压力值;第29页，共44页，编辑于2022年，星期一进气压缩线上压力值偏高、进气压缩线上压力值偏高、而膨胀排气线上压力偏低而膨胀排气线上压力偏低l主要是由于传感器热冲击性能不好所致，当然绝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。缘性不好也有可能。l对对pi、放热曲线影响都大、放热曲线影响都大l热冲击产生的原因：传感器材料受瞬变高温的作热冲击产生的原因：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，缸温度的下降，热应力消失。传感器性能恢复正热应力消失。传感器性能恢复正常
18、。常。l要消除热应力，应保持一定的测压通道以降低传要消除热应力，应保持一定的测压通道以降低传感器直接承受的高温。感器直接承受的高温。l这一点与消除示功图震荡的要求相矛盾。这一点与消除示功图震荡的要求相矛盾。第30页，共44页，编辑于2022年，星期一据图计算出的据图计算出的pi值偏高或偏低值偏高或偏低l产生在于这种现象的原因很多，其中主要原因有两产生在于这种现象的原因很多，其中主要原因有两条条p值不准值不准标定系数不准标定系数不准角度值不准角度值不准值是从上止点位置开始计算的，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，使传感器反上止点没定准或因存在连接通道，使传感器反映的压力滞
19、后缸内压力。当然，上止点位置不映的压力滞后缸内压力。当然，上止点位置不准影响更大。准影响更大。l用倍频法产生转角信号也会产生转角误差。用倍频法产生转角信号也会产生转角误差。l转角误差对转角误差对pi、放热影响都大。、放热影响都大。第31页，共44页，编辑于2022年，星期一提高示功图测试精度的措施提高示功图测试精度的措施l仪器的自振频率要高于内燃机工作频率仪器的自振频率要高于内燃机工作频率100200倍以上。倍以上。l因为气缸压力有许多不同阶压力谐波迭加而成，往往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，高阶谐量还具有较大压力幅值，汽油机可取小
20、一点，柴油机要大一点。柴油机要大一点。l传感器体积要小，易于布置安装（无冷水的传感器传感器体积要小，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，热冲击性能体积小、但抗热冲击性能差）零漂小，热冲击性能好。好。l合理安装传感器，尽量缩短连接通道，传感器冷却合理安装传感器，尽量缩短连接通道，传感器冷却性要好。性要好。第32页，共44页，编辑于2022年，星期一合理安装转角线号传感器合理安装转角线号传感器v合理安装转角线号传感器，光栅盘或分度盘装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
21、转变形与自振所引起的近码盘，以减少曲轴扭转变形与自振所引起的转角误差。转角误差。v精确确定压力值与仪器示值之间的标定系数。精确确定压力值与仪器示值之间的标定系数。v精确确定活塞上止点位置。精确确定活塞上止点位置。第33页，共44页，编辑于2022年，星期一压力传感器标定压力传感器标定v为为确确定定压压力力传传感感器器所所受受压压力力值值与与仪仪器器示示值值之之间间的的标标定定系系数数，从从原原理理里里上上可可采采用用静静态态标标定定或或标标定定的的方方法法，动动态态标标定定费费事事，精精度度也也未未必必能能够够提提高高，因因此目前主要采用静标的方法。此目前主要采用静标的方法。v静态标定常用压力
22、示标定装置。静态标定常用压力示标定装置。第34页，共44页，编辑于2022年，星期一压力传感器标定压力传感器标定v若若在在p1 1时时测测的的值值为为V1，p2时时测测的的值值为为V2，则则标标定定系数系数 K=(V2-V1)/(p2-p1)v标定过程要在整个量程内反复进行。标定过程要在整个量程内反复进行。v标定时注意：标定时注意：油要充足（蓖麻油）油要充足（蓖麻油）标定前要把油路中的气泡排净。标定前要把油路中的气泡排净。轻转承压盘消除静摩擦轻转承压盘消除静摩擦v压压电电传传感感器器用用前前注注意意检检查查，若若零零漂漂严严重重就就无无法法静标，即使勉强标定了也无法使用静标，即使勉强标定了也无
23、法使用 第35页，共44页，编辑于2022年，星期一压电式传感器与电荷放大器的归一化输出压电式传感器与电荷放大器的归一化输出 v若若传传感感器器性性能能较较好好，特特别别是是对对那那些些进进口口传传感感器器及及放放大大器器，可可调调节节放放大大器器灵灵敏敏度度旋旋钮钮值值，使使其其与与传传感感器器灵灵敏敏度度值值一一致致，以以此此实实现现归归一一化化输输出出的方法来确定标定值。的方法来确定标定值。第36页，共44页，编辑于2022年，星期一活塞上止点位置的确定活塞上止点位置的确定v虽虽然然每每台台内内燃燃机机的的飞飞轮轮上上都都刻刻有有标标志志第第一一缸缸处处于于上上止止点点是是的的标标记记，
24、但但由由于于其其制制造造误误差差，只只能能大大致致确定上止点位置，其是维修服务用的。确定上止点位置，其是维修服务用的。v研研究究表表明明：在在处处理理 p-图图时时，1 CA上上止止点点的的误误差差将将导导致致的的210%的的pi误误差差。放放热热规规律律图图形形也也将将发发生生较较大大扭扭曲曲，因因此此，测测量量 p-图图时时，一一般般要要求求其其位位置置误误差差在在 0.20.5 CA范围内。范围内。v由于部件之间的间隙及工作时，部件的变形，在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
25、法不适宜用于测量图。点有较大误差。因此静态法不适宜用于测量图。第37页，共44页，编辑于2022年，星期一标定上止点标定上止点v角标器一般都发出两个信号，角标器一般都发出两个信号，某一某一 曲轴转角发出一个的转角信号；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；曲轴每转发出一个的定点信号；v转角信号每循环有若干个，无法确定某个信号与曲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。轴转角的具体对应关系。v定点信号每周只有一个，与曲轴有对应关系，从该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，信号开始，采集数据排列次序就表
26、明了采样时刻，如测得的第如测得的第i个点相距定点信号个点相距定点信号i 度曲轴角度曲轴角v但是角标器安装是随意的但是角标器安装是随意的，因此必须找出定点信因此必须找出定点信号与所测缸上止点之间的夹角，这一过程叫确定号与所测缸上止点之间的夹角，这一过程叫确定上止点。上止点。第38页，共44页，编辑于2022年，星期一找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第39页，共44页，编辑于2022年，星期一热力学方法热力学方法 v将将发发动动机机反反拖拖或或让让所所测测缸缸停停止止工工作作（停停油油、断断火火），测测取取其其压压缩缩线线，然然后后找找出出其其最最高高压压力
27、力点点，由由于于压压缩缩过过程程中中存存在在漏漏气气和和散散热热损损失失，最最高高压压力力点点并并不出现在上止点处，而是超前于上止点一个不出现在上止点处，而是超前于上止点一个 角。角。v 角称作热力损失角，其大小与发动机的散热量、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，不同机器法准确的确定，不同机器,甚至同一机器不同时甚至同一机器不同时刻的散热及漏气量也会不一样。刻的散热及漏气量也会不一样。第40页，共44页，编
28、辑于2022年，星期一热力损失角热力损失角第41页，共44页，编辑于2022年，星期一上止点传感器上止点传感器l将感性或容性传感器安装在气缸头上，测量倒拖工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。开关，因此，它的位置需要精心调节。l这种方法确定的上止点位置与用微波传感器确定的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上止点位置相差0.1 0.2 CA。l上止点传感器象压力传感器一样，需要有安装孔。上止点传感器象压力传感器一样，需要有安装孔。lAVL646
29、配有上止点传感器，在其后的配有上止点传感器，在其后的AVL Indiskop 647、AVL Indiset 620中，都可选配上止点中，都可选配上止点传感器。传感器。第42页，共44页，编辑于2022年，星期一微波传感器微波传感器l微波传感器除了能感受反射回来的微波信号强度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
30、和膨胀冲程中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。定上止点的位置。l用这种方法确定上止点的精度可达用这种方法确定上止点的精度可达0.1 CA。l微波传感器可以利用喷油器孔、预燃室加热塞孔、微波传感器可以利用喷油器孔、预燃室加热塞孔、汽油机火花塞孔等进行安装。汽油机火花塞孔等进行安装。第43页，共44页，编辑于2022年，星期一光电位置传感器光电位置传感器l光电位置传感器包括发射和接收两束光纤，它们光电位置传感
31、器包括发射和接收两束光纤，它们的一端分别接有光源和光检测器，另一端一起接的一端分别接有光源和光检测器，另一端一起接在传感器的表面。发射束发出的光经活塞顶面发在传感器的表面。发射束发出的光经活塞顶面发生反射，由接收束接收。接收束所感受到的光的生反射，由接收束接收。接收束所感受到的光的强度，随着活塞位置的不同而变化。通过光检测强度，随着活塞位置的不同而变化。通过光检测器检测到的光量，也是以上止点为对称的，由此器检测到的光量，也是以上止点为对称的，由此可以确定上止点的位置。可以确定上止点的位置。l用这种方法确定上止点的精度也可达用这种方法确定上止点的精度也可达0.1 CA。l光电位置传感器也需要专门打孔安装。光电位置传感器也需要专门打孔安装。第44页，共44页，编辑于2022年，星期一