柴油机气缸燃烧压力峰值测量方法及应用

张晓林   杨晓娜

(东风汽车工程研究院)

【摘要】本文介绍了一种柴油机气缸燃烧压力峰值的测量方法、相关设计，及在内燃机台架试验中的实际应用。包括测量原理、设备选型、传感器安装、信号采集。采用这种方法可以实现柴油机气缸燃烧压力峰值的测量，为发动机负荷评估及燃烧分析提供可靠数据。

关键词: 柴油机   气缸燃烧压力    峰值测量   缸盖打孔   传感器外套  压紧杆  设计  试验应用

(  Dong Feng Automotive Engineering Research Institute ）

Abstract: This paper introduces a method of diesel cylinder combustion pressure peak value measurement , includes the principle of measurement , the chouse of equipment, the installation of sensors well as the capturing of single. Diesel cylinder combustion pressure peak value measurement can be realized by this way with gives a reliable data to the load evaluation and combustion analysis of engines.

一．前言

燃烧系统是发动机的心脏，内燃机燃烧峰值压力的测量，对柴油机开发研究有着极其重要的意义，同时也是燃烧分析测量项目的首要基础，是评价发动机动力性、零部件机械负荷、热负荷的一个极其重要的内容。由于燃烧压力产生在工作气缸内，缸体结构的复杂以及燃烧环境的瞬息万变使燃烧压力的测量较难控制。因此找到合理、正确的测量方法是非常重要的。

二．测量系统设备选型

测量系统最终要达到实时准确的捕捉到缸内瞬时峰值压力，同时真实的反映出柴油机爆震的现象。因此

首先要具备一个能感应压力的压力传感器，来感应并输出气缸内的瞬态高压信号。由于燃烧压力的特殊性，在压力传感器的选择方面，我们必须考虑以下因素：

传感器的动态响应速度，必须能满足发动机瞬时压力的捕捉；

传感器对工作环境的要求，必须能满足发动机燃烧的恶劣环境；

传感器外形尺寸，必须尽可能的小巧，从而能在不损坏发动机结构前提下，满足正确安装在内燃机燃烧室内。

其次是信号的引出，经调理放大转换为标准信号；最后是信号的实时显示。构成燃烧压力测量系统的基本仪器。整套设备能快速、准确、不失真的完成测量。

图1-测量系统示意图

1．石英压电传感器                                    

    压力测量的精度首先取决于传感器的测量精度，绝对压力的误差会导致放热率误差，从而影响燃烧分析结果。

由压电晶体制作的压力传感器由其种种特性，受到我们的关注。通过长期的试验应用比较，我们选用了瑞士生产的石英压电传感器。其输出信号基本是理想线性的，且无滞后现象，外形小巧、结构坚固、灵敏度高，且有较宽的测量范围、同时由于具有无可比拟的高固有频率，而适用发动机缸内瞬时动态

力的测量。

测量范围：0-250Bar

固有频率：150KHZ

线性度：≤±0.8%FSO

工作温度：-196-350°C

绝缘阻抗≥10¹³Ω

灵敏度：≥14 pc/Bar

2．信号调理放大器：              

将传感器微弱电荷信号放大并转换为电压信号输出，同时将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。由于压电传感器其绝缘阻抗很高≥10¹³Ω，可近似为开路，在测量回路中必须考虑电缆电容和前置放大器的输入电容、输入电阻对传感器的影响。为保持压电式传感器的输出值不变，除要求配以高阻抗信号电缆线，同时要求前置电荷放大器的输入电阻要高，在10¹¹Ω以上。这样能减小由于漏电造成的电荷的损失，不致引起较大的测量误差。该电荷放大器以其高输入阻抗低输出阻抗等性能与压电传感器组成最佳配合。

测量范围可在±10-999000PC之间连续调节

微处理机控制

    输出电压±10V

    参数输出端自动校正零点

    3种可供选择时间参数，8级低通滤波器

 

3．数字示波器：

该示波器除具备普通示波器的性能外，其高采样速率及带宽能快速捕捉瞬态信号，实时跟踪实时显示燃烧压力的测量信号；同时可高频随机捕获高达1ns的毛刺，用于柴油机爆震情况的监测；实时数字存储功能可对波形进行后期分析。其内部存储8K容量、外部可支持软盘存储。

4．标定系统

由于传感器频繁工作在高负载条件下，其测量精度受到严峻考验，灵敏度降低是不可避免，为保证测量系统的准确性，需要不断的对传感器进行动态标定。

   组成

1． Hydraulic High Pressure Generator

2． Calibrator

3． 标准传感器6961A250 （灵敏度高达79.05 pc/Bar）                                  

该系统配套标准传感器，其灵敏度高达80PC/BAR，而且该系统的动态随机标定过程模拟传感器实际工作状态，使灵敏度得到精确修正，从而保证测量系统的精度。

三．柴油机燃烧压力测量的方法设计

   包括缸盖测量孔的设计打孔、传感器外套的设计、传感器压紧杆的设计以及整个系统的安装及调试。        

 

缸盖打孔设计

传统测量孔是利用柴油机缸盖上已有的结构孔或在原有结构上改造成爆压测量孔，由于原有结构孔与燃烧室壁面之间通常是由一个通道相连，压力测量时产生通道效应，使最终压力测量结果失真；而早期采用的缸盖定位打孔，由于对缸盖结构及测量要求考虑不全面，在缸盖打孔过程中经常出现将缸盖打废或加工孔无法满足测量要求。为此，我们根据缸盖的结构特征，在缸盖上设计测量孔，进行准确定位打孔。

缸盖的作用是密封气缸，组成燃烧室。在缸盖上布置着进排气门和气道、水套、喷油器孔及各安装孔等，结构形状很复杂。缸盖高度一般（0.9-1.2）D，而基本壁厚一般为5-6MM，燃烧室壁面厚一般为8-10mm.这个结构条件限制了测量孔的设计随意性，同时也决定了后面所述配套工具的设计难度。   

                                                      安装示意图

根据测量要求，测量孔的选取必须符合两个基本条件：

1． 测量孔穿过缸盖进入燃烧室。也就是打通缸盖，孔的底端必须保证在燃烧室。这是最重要的同时也是需要精确计算的条件；

2． 测量孔在缸盖上端面要有合理的位置，既要留有足够的安装空间，同时必须保证不防碍发动机本身装置；此限制条件使孔的选取位置难于取舍。

根据以上条件，对以下三种常用机型测量孔设计如下：

· 东风XXXX机型测量孔设计

东风XXXX是东风公司生产开发的柴油机，单从实现燃烧压力测量方面考虑，测量孔设计如下：

为便于安装及调试，测量孔位置优先选择1缸或6缸位置，通过缸盖实物观测，1缸和6缸两处均无设计空间。而相邻两缸之间上端面，在喷油器与缸盖安装螺孔间可有设计及安装空间。测量孔的基本位置确定。

测量孔的实际形位尺寸可根据CAD三维绘图软件进行空间尺寸测量，并计算其位置到燃烧室的基本尺寸以及倾斜角度，其中必须兼顾到缸盖内部水套、加强筋，进排气道以及各缸盖安装孔等，在水套问题上我们采取穿过水套，后期进行密封，进排气道及其它孔必须避开，否则将使缸盖无法工作成为废品。

东风XXXX测量孔设计如图1，从图中可看出孔的具体位置及尺寸，而且孔的轴线与缸盖底面倾角C°±30’。

 

 

· 测量孔加工完成图片

 

 

 

· 东风康明斯XXXX发动机测量孔设计

      根据缸盖特征，测量孔设计如图4

图4--XXXX系列发动机缸盖孔设计图

· 东风XXXX测量孔设计

图6—XXXX缸盖孔设计图

 

 

2．传感器外套的设计

根据缸盖工作结构及燃烧室工作环境考虑，传感器直接裸露缸盖及燃烧室内是不可取的，这样不仅造成传感器的易损坏，在传感器安装以及传感器信号输出方面都较难实现。为传感器设计外套，不仅保护传感器，同时保证更可靠的测量。

针对公司生产的柴油机机型，自行设计适用的传感器外套。外套内部设计根据传感器外形尺寸、传感器受力面、传感器工作密封性来全面考虑设计；外套的外部设计从引压孔、缸盖结构、水套密封、燃烧室密封等考虑设计。

设计结果必须保证传感器与外套内部的安装配合正确，保证间隙；外套与缸盖安装配合正确。

             

 

 图7—传感器外套设计图（XXXX机型）

 

3．传感器压紧杆的设计

与传感器外套配合使用，完成传感器安装要求。压紧杆伸入传感器外套内与传感器上端压紧面配合压紧，保证传感器工作平面受力同时承受主要燃烧压力冲击。其设计主要体现在配合压紧端面设计。

图8—传感器压紧杆设计图（XXXX机型）

 

 

4． 安装调试

首先将与发动机配套的传感器外套，安装在缸体内，确认外套底端伸入燃烧室的位置，并且外套顶端与缸体用粘胶密封，保证水套不漏水。传感器安装前必须对传感器进行清洗、烘干、动态压力标定，从而保证传感器的灵敏度；安装过程中考虑传感器的密封、压紧力矩、以及安装完成后传感器在燃烧室内的位置；传感器安装完成后连接电路部分，并检查电气部分是否有零点漂移及电荷饱合；发动机预热后运转，调试电荷放大器及示波器，测量压力波形输出。

5. 上止点的测量

 

  要获得正确反映气缸内部实际情况的试验数据，仅测得缸内的压力曲线是不够的，同时需观察或记录随气缸内工质压力的变化，活塞所处的位置或曲轴转角数据。作者利用上止点传感器测得上止点信号，并将信号引入压力曲线中，以观察不同活塞位置的缸内压力变化。

四．结论

该项测量实时准确的捕捉到缸内瞬时峰值压力，同时也真实的反映出柴油机爆震的现象。是进行内燃机燃烧分析不可或缺的一项内容。目前已应用于多系列柴油机试验中，如4BTAA、6BT及EQ6105、6CT等。测量结果的准确及可靠被试验设计人员所验证，其结果参与多项试验开发及性能评定分析。同时从内燃机测试技术的发展角度来看，该测量方法作为燃烧分析的基础，为将来先进的燃烧分析系统的引进奠定基础。