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基于反拖扭矩检测汽缸压缩压力研究 |
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作者：陈友谊 苏建 |
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摘要：汽缸压缩压力是检验发动机修理质量的重要指标。从理论上分析了发动机反拖扭矩与气缸压缩压力关系，并做了试验，利用一元线性回归分析处理的方法处理试验数据，得到反拖扭矩与压缩压力的关系公式。在此基础上对大修后发动机做了大量试验，结果证明，提出的检测方法检测精度高、简单且提高了检测效率。
关键词：反拖扭矩；检测；气缸压缩压力
引言
汽缸压缩压力一直是发动机一个重要的综合性能指标，是制造和修理过程中零部件尺寸精度、表面质量和装配质量的体现，国家有关部门对此也颁布相应的标准（GB3799 —83），把汽缸压缩压力作为发动机修理作业竣工验收标准之一，即发动机大修后，汽油机汽缸压缩压力不应低于原厂规定标准值的90%，各缸压力差不应超过平均压力的，柴油机汽缸压缩压力不应低于原厂规定标准值的80%，各缸压力差不应超过平均压力，因此，检测汽缸压缩压力对检验大修后发动机修理质量具有重要意义。
1 常用汽缸压缩压力检测方法
1.1 汽缸压力表法
测量时，卸掉各缸的喷油嘴或火花塞，通过管道将压力表与气缸相连，反拖发动机，分别测出各缸的压缩压力。该方法简单、可靠，是目前发动机用户最常用的一种方法，但是由于汽缸压缩过程中，缸内温度较高，无法将压力表直接与汽缸连接，往往通过管路连接，管路存在一定的容积，压力表所测得压力值小于汽缸实际压缩压力，测量结果存在一定误差，且测量时必须拆卸喷油嘴或火花塞，操作复杂，耗时长。
1.2 示功图法
这种方法可很准确地确定发动机汽缸内压力值及其变化规律，也能确定压缩性指标，但要取得发动机示功图，需要昂贵的仪器设备，并在发动机内设置传感器，试验费用高，工作量大。
1.3 启动电流法
该方法是通过测量并记录起动工况下起动机电流波形，依据电流波形与各缸冲程的对应关系确定各缸的相对压缩性。但该方法无法确定各缸压缩压力的绝对值。
1.4 瞬时转速法
发动机机瞬时转速的变化与发动机曲轴所受合力矩的变化有确定的对应关系，一个循环内瞬时转速变化曲线的波峰或波谷的个数与发动机的缸数相对应，通常比较各缸对应的波形的差异，可定性判别各缸工作性能差异，但是操作时必须安装瞬时转速传感器，要求测量精度高。
2 反拖力矩与压缩压力关系分析
2.1 发动机反拖过程分析
在台架上对发动机反拖时，反拖扭矩的大小取决于发动机作用于拖动电机的反扭矩。以曲轴轴线为研究对象，盖上缸盖反拖时，反拖阻力矩主要包括机械损失力矩和气体压缩损失力矩，而卸去缸盖反拖时的阻力矩主要由机械损失力矩构成。如图1所示。
图1 某柴油机反拖损失压力与转速关系
从图中可以看出，盖上缸盖反拖时损失力矩比不盖缸盖反拖时损失力矩大得多，即气体压缩损失力矩占反拖总力矩的比例相对较大。
1）机械损失力矩
拖动发动机时，机械损失功率主要消耗在各摩擦副摩擦功、驱动各附件的耗功及各缸往复运动质量惯性力矩。其摩擦副摩擦功、驱动附件耗功只与转速和温度有关，当转速和温度恒定时，它对拖动力矩影响不变，即在每缸压缩过程中，其产生影响是相同的，形成相同的规律性变化阻力矩波形。而往复运动件的惯性力只影响扭矩曲线的形状而并不耗功，产生的阻力矩与转速有关，且在转速低时，力矩不大，在某一转速反拖时，它对拖动阻力矩的影响不变，即在每缸压缩过程中，其产生影响是相同的，形成相同的规律性变化阻力矩波形。
2）气体压缩损失力矩
在汽缸压缩过程中，拖动电机的电能转变成缸内气体的压力能。如果汽缸不存在漏气和传热情况，这部分能量会在汽缸的膨胀过程中释放出来。实际情况则存在漏气和向汽缸壁的传热损失，这就造成膨胀过程释放的能量小于压缩过程消耗于空气压缩的功，其产生的力矩就形成气体压缩损失阻力矩。与漏气损失能量相比，传热造成的损失相对较大，这是因为压缩终了时汽缸内部压力和温度较高，与发动机水套内冷却水温差较大，散热多，造成能量损失较大。压缩终了的压力和温度可由下式计算
式中，Pc为压缩终了压力，Pa为进气终了压力，Tc为压缩终了温度，Ta为进气终了温度，ε为压缩比，n为平均压缩多变指数。汽油机取值范围为7-10，柴油机取值范围为14-22，增压柴油机取值范围为12-15，汽油机取值范围为1.32-1.38，柴油机取值范围为1.38-1.4，增压柴油机取值范围为1.35-1.37。当汽缸密闭性较差时，高温高压气体泄露，使得压缩终了温度和压力较低，与水套内冷却水温差小，散热少，能量损失小，使得气体压缩损失力矩减小，反拖力矩变小。
2.2 反拖力矩与汽缸压缩压力关系
从上面对发动机反拖阻力矩的分析可以看出，气体压缩损失阻力矩在反拖力矩中占的比例较大，机械损失力矩在某一转速下对每缸反拖产生的阻力矩影响是相同的，且成规律性变化，影响各缸压缩过程反拖力矩不同的原因主要是汽缸压缩损失力矩，而汽缸的密闭性直接影响的气体压缩损失力矩的大小。对发动机来说，汽缸压缩压力直接体现汽缸密闭性，因此，只要找出汽缸压缩压力与反拖力矩的关系，就可以由反拖力矩间接确定汽缸压缩压力，从而实现对汽缸压缩压力检测的目的。
3 反拖力矩与压缩压力关系试验
3.1 试验设备
在本课题组设计研制的发动机冷磨热试试验台进行了发动机汽缸压缩压力与反拖扭矩关系的试验。试验台如图2所示。
发动机固定在台架上，通过联接盘和弹性联轴器与扭矩仪传感器相联接，扭矩仪传感器通过联轴器与测功机相联接，测功机通过电磁离合器与变频调速电机相联。当测功机不工作时，接通电磁离合器电源，通过变频调速器控制变频调速电机定转速拖动发动机旋转。通过压力传感器采集汽缸压缩压力数据，通过扭矩仪传感器采集反拖扭矩数据。
图2 发动机冷磨热试试验台
3.2 试验发动机主要性能参数
在试验台上对大修后的斯太尔柴油机WD615.64/74进行了完成冷热磨合及测功后做了试验。斯太尔柴油机WD615.64/74性能参数见表1。
3.3 试验转速确定、试验准备及数据采集
3.3.1 试验转速的确定
为了能够准确检测汽缸密闭性，应尽量提高缸内压缩终了气体压力，从式（1）中可以看出，当增加时，汽缸压缩终了压力增大，而随着转速的增加而增加，这是因为当发动机转速提高时，热交换时间缩短，向缸壁散热量减少。然而转速也不能过高，因为随着转速的提高，各缸往复运动质量惯性也迅速增加，虽然对各缸压缩过程影响是相同的，但是增加阻力矩数值相对汽缸压缩损失扭矩变化量较大，不能凸显各缸压缩压力变化，同时转速的增加，充气系数下降，转速过高，反而使汽缸终了压缩压力下降。因此，在提高缸内压缩压力的同时，尽量减小各缸往复运动质量惯性力矩对拖动力矩及充气系数对缸内终了压缩压力的影响，将试验转速定为450r/m，此转速时，往复运动质量惯性力矩不大，且对充气系数影响小。
3.3.2 试验准备
根据国家标准规定，大修发动机磨合后，必须满足最大功率及最大扭矩不低于原设计的90%，只有发动机达到功率检测要求后，才能进行试验，同时，测功后的冷却水温度完全满足试验要求（冷却水温度在75-85℃） 。在此基础上，切断发动机供油管路，通过变频调速器对调速电动机进行控制，对发动机进行反拖动。
3.3.3 数据采集设备及数据采集
为了能够准确检测发动机汽缸压缩压力，在喷油器安装孔内通过自制联接套直接安装北京星空传感器公司的耐高温压力传感器（最高工作温度550℃），同时采用秦皇岛信恒电子科技有限公司制作压力信号采集仪及分析软件，设定采集通道为6通道，采集频率为10kHz，数据采集的数量及密度满足分析需要。
图3 压力信号采集软件
为了使采集的扭矩数据能够反映每缸压缩过程反拖扭矩变化，采集瞬间扭矩，选用湘仪动力测试仪器有限公司JW-3微机扭矩仪及配套软件，根据仪器性能，设定采集方式为瞬间采集，采集间隔为2ms，数据数量及密度完全满足分析的需要。为了区分每缸压缩压力及其对应的反拖扭矩数据，反拖前，在发动机输出端通过接触传感器对汽缸进行了定位，即将某一缸活塞压缩过程即将达到上死点时所采集到反拖扭矩波形最大扭矩点作为此汽缸压缩时对应的最大反拖扭矩。
3.4 试验及数据相关性分析
课题组对一台斯太尔发动机WD615.64/74压缩压力和反拖扭矩数据进行采集，在满足试验条件的前提下，随机截取部分数据如表2。表2 实车测得压缩压力与反拖扭矩
 根据最小二乘原理，将平均汽缸压缩压力和平均反拖扭矩数据在坐标纸上绘出，其数据分布几何形状近似直线，因此进行一次曲线线性回归，得到回归方程
P=0.0236N+0.8398 (3)
利用得到的非线性回归方程和实际测得反拖扭矩计算汽缸压缩压力。表3是按回归方程计算的汽缸压缩压力及与实际测量汽缸压缩压力的误差。表3 实车测得压缩压力与计算压缩压力
 从表中可以看出，最大离差为0.1346MPa，最大相对误差为2.679%，这个精度完全满足检测汽缸压缩压力要求。同时，各缸压缩压力与平均压缩压力差均在10%以内，因此可以判定该大修后发动机达到发动机修理标准。
4 试验验证
为了检验回归方程准确及适用性，在大修后同种型号发动机进行了试验，结果如表4所示。表4 实车测得压缩压力与计算压缩压力
 从表中可以看出，由回归方程计算得到的数据与实车测得数据误差不大，能够满足对汽缸压缩压力检测的要求。
5 结论
本文是采用一元线性回归的方法对反拖扭矩和压缩压力数据进行处理的，从而得到经验公式。从经验公式的应用可以看出检测精度相对较高，经验公式除了检测大修后发动机汽缸压缩压力外，还可以广泛应用于同种型号非大修发动机在能够对反拖扭矩测量的前提下对汽缸压缩压力的检测。检测方法简单，精度高，对快速不解体检测发动机汽缸压缩压力，提高发动机修理效率，保证发动机修理质量具有重要意义。(end)
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(5/11/2010) |
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