正确确定内燃机活塞上止点位置的热力学方法

总第期地西南交通大学学报!!!年第期地正确确定内燃机活塞上止点位置的热力学方法陈玉华【摘要】【关链词】本文详细介绍了利用局部曲线拟合的多变指数法修正示功图上止点位置的原理及特点,作者在数学处理上作了简化并编制了计算机程序及绘图程序,使之实际操作简单、便于应用。上止点位置的精度可达。“。“,本文最后提供了一个实例说明该方法的具体应用。内燃机,示功图,上止点,压缩线,多变指数法月目示功图是研究内燃机性能最重要的技术资料之一,从示功图上可以测到进排气压力、最高爆发压力等重要参数,从而可以判断燃烧是否正常,进排气系统设计是否合理等关键性间题。示功图亦是确定内燃机放热规律的最重要依据,所以如何正确测录和分析示功图一直为内燃机工作者所关注。测录示功图的关键主要有三个正确选择测试系统各仪器的参数,尤其是频响范围,因为示功图谐波丰富,频响范围选择不当会丢失很多信息压力传感器的正确安装,尽量减少通道的不良影响,通道选择不当会在幅值及相位上都产生很大的畸变在示功图上确定上止点的正确位置。上止点位置对示功图的数据处理影响极大,上止点位置偏差,平均指示压力的误差可达一。一次好的试验应该使的精度达到。这就要求上止点位置的精度达到。通常确定上止点位置的方法如直接测量法、压缩线平分法等的误差都较大,一般在“,精度不能满足要求,所以多年来国内外对于上止点位置的确定和修正做了大量研究工作,提出了一些测量和修正方法。用热力学多变指数法修正上止点的位置,理论上是比较完善的和先进的方法〔”〔“’,其特点是先以简易方法确定的上止点位置作为初始值,用气缸内部工质的状态信息作为依据来判断初始值是否正确,不断修正初始值,用逐步逼近的办法,最后可求得正确的上止点位置。优点是精度可以很高,缺点是计算麻烦、工作量大。作者成功地采用局部曲线拟合法,克服了数据处理上的一些困难、并编制了电算程序及绘图程序,使繁琐的计算得以简化,只需几分钟就得出满意的结果,使之简易可行。本文于年月日收到。热力学多变指数法的基本原理经典的上止点是活塞行程的最高点,或者说是气缸容积为最小时活塞的位置叫上止点。若要不揭缸盖求上止点,可用倒拖或灭缸法得到压缩一膨胀线,把压缩一膨胀线的最高压力点位置作为上止点,它是基于这样的假设,即认为整个压缩膨胀过程是绝热的。气缸容积最小点必然是压力最高点。但实际上由于缸内气体对缸壁的传热损失和漏泄损失,过程不可能是理想绝热,早在达到上止点前,由于有热损失,压力就开始下降,所以最高压力总是在上止点前发生。这样看来用压缩线最高压力点求上止点也是不够精确的,必须考虑损失而加以修正。用热力学多变指数法,修正上止点位置就是一种较好的方法。对应每个曲轴转角可求得气缸容积,并在压缩一膨胀线上求得对应此的值。压缩线方程为”二,式中。为多变指数。如果值是一个常数,则可经变量代换后用线性回归法求出。值。但整个压缩膨胀过程有热损失,所以值是变化的。为了求得。的变化规律,我们可以假设在极小的乙范围内是个不变的常数。这样,对每个△微小段就可用上法求得一个”值,于是沿整个压缩膨胀线就可分段求出”值,从而得到一条值的变化曲线叫做。一曲线。多变指数的变化是由传热及泄漏损失所引起,实际上整个压缩一膨胀过程所用时间极短,这些损失是微量的。所以值的变化也一定是很小的。一线仍应近似为一直线。从求。值的方程中可以看出,指数。对上止点的位置是很敏感的,只有在上止点正确时才能得到一条近似的直线,当上止点位置有偏差最大压力点与最小容积点不一致时,就产生相位差角这时在一图上相当于直角坐标平移,原来一坐标系中任一点坐标,,在一座标系中则为,十△,其多变指数在相位差角一定时将随曲轴转角呈近似双曲线变化〔”。位置偏差越大,值的变化也越大,甚致会出现很大的突变。利用这个特性我们可以用逐步逼近的办法求得最正确的上止点位置。事实证明要做到的精度并不困难。推导多变指数的计算公式及求值据压缩一膨胀方程推导多变指数玲的计算公式”二二一。。在乙“微小段上可认为件是常数,所以可以看成是义其中,“。。二一玲由线性回归理论可求得系数名,一义一一一不不厂宁一乙万下厂一一石一‘…。其中一一二屯了山尤工丫一一石石,上式展开并整理可得一名。一夕一戈。夕子一‘义“名‘夕刀一名大‘刀一刀作一刃戈名,一刃戈‘‘刀予一刀“将,代入式,得多变指数昨的计算公式为付公。。‘艺‘一艺〔。。‘〕一一遗—一一一一三一一一一一一三七——一—刀“。。一‘二二艺。。‘刀。。在压缩线上按乙“取值时,一定会遇到二个困难,一是因压缩线上高频分量很多,需要光顺化。二是当曲轴转角乙分度很小时,相邻的尸值读数无法区分,解决的办法是将压缩线写成函数表达式,这样可得倒精确的一一对应关系,就可用计算机自动取值。为寻找合适的函数表达式,我们比较了两种曲线拟合的方法谐波分析及最小二乘法,觉得后者计算速度快,函数表达式简明,回代检查方便,是一种简便可靠的办法,所以选定后者。有的资料中认为根本无法用最小二乘法拟合一条符合气缸压力变化的压缩线〔〕,当然要在。“范围内拟合得很好是有一定困难的,但是针对我们这里的具体情况,是为了求上止点的位置,考察上止点附近多变指数。的变化规律,所以只要将上止点附近土“的曲线表达成函数形式就足够了,也就是说只要用局部曲线拟合就完全可以了。压缩线形状是相当规则的上凸曲线,拟合是很方便的。曲轴转角的分度要细,可取。,在上止点附近更细些,可以取·“为宜。为了提高计算速度,编制了计算程序,其框图如图所示。图计算”一曲线框图上止点修正实例以上介绍的采用局部曲线拟合—多变指数法修正上止点位置的方法既适用于大型柴油扒,也适用于小型柴油机,还能有效地用在高速汽油机上。对夏以上的高速机来说,压缩线的高频成分更多,示功图的录制和处理更困难些。但是用这种方法亦能得到满意结果。下面介绍一个在高速汽油机上作上止点修正的实例。汽油机的主要参数缸径,行程,压缩比忍,功率一加。测试系统简图如图,僵必过鲍一黔压毛益翻肉嫌帆犬电传血径例合扭落枯愧,油托赴压赶免驾沁益娜图测试系统简图传感器采用一压电晶体压力传感器,自振频率。为了观察通道对示功图测试的影响,特做了五种长度不同的通道。相同工况下测试结果,最高爆发压力随通道长度的增加而直线下降,最高压力点的相位滞后也随通道长度的增加而逐步加大图及表。图形象化地展示了通道长度的影响,可以看出通道效应的影响是很大的,必须在传感器安装时加以克服。本实验是在距燃烧室壁面处安装传感器图。在传感器前留有长,功的一段通道可消除腔振并起热屏障作用。通道长最高爆发压力最高压力点相位滞后角度…‘‘。。。。。一。,,一月月七图通道长度对的影响电荷放大器的静态标定比较困难,的一型电荷放大器,用准静态标定的办法解决了标定困难的间题。记录仪采用一81盒式数据磁带机,它的频率范围为O一5KH乞,已大于基频(65Hz)70倍以上,这能保证得到不失真的压力波形。3。测试步骤及数据处理方法(l)首先求得机械上止点位置(加载情况下)作为上止点的初始值。(2)在标定工况下测取示功图及用灭缸法求压缩一膨胀线(图5,6)。为此我们选用了高频30KHz,低·频下限为{翩O岑图4传感器在缸盖上的安装位置伽科、月叫苦讲讨,社阿诫‹.咐研t讨图5标定工况下的示功图(3)将压缩一膨胀线的数据经平滑处理后输入计算机做局部曲线拟合,见图6中曲线。段,其方程为:P=1。10212x108+19867。6a一1。73435x106a2尹心斑助(a)(办)图6压缩曲线图在计算机上输入有关数据,运行“图1”的程序,在sR6602智能绘图仪上得到一条”一a曲线(图7中a线)。从十a曲线的形状是否近似直线来判定上止点的位置是否正确。本例中按加载机械上止点作为。“输入所得到·的”一a曲线(图7中a线)显然不是直线。(5)因。曲线不近似直线,所以要输入修正值,取修正值为0.1。、到接近直线时取。.05“CA。重复上面步骤再求取新的”一a曲线,这样就可得到一系列的”一a曲线(图8)。队这一组”一a曲线中找出最接近直线的那一条(图8中的b线亦即图7中的b线),用它所对应的修正值(一0.43“CA)来修正。可得到真正的上止点。b卜氏4铸,不产弋厂~犷一丁一节一下几叶创边连刀/户\\/\巡丛一矛0一5}O‘5以(.)图7输入值为0o,一0.430CA图8一组”一a曲线时的”一a曲线4。从图7中可以看到真正上止点位置与作为初始值输入的上止点位置相差一0.430CA。也就是说正确的上止点在加载机械上止点之后。.43“。本例中用这种方法达到。.050CA的精度没有什么困难,画出的图形清晰可辨,见图9中的a,b,c线。5.从以上的计算可以看出这种方法对上止点初始值要求很低。就是用出厂标记也完全可以。这样就不用揭缸盖求机械上止点位置,使精确确定上止点位置的方法简化,便于实际应用。6.采用灭缸法得到的p;值与示功图上计算得到的p;值相比较,相对误差为4%。如果与修正后得到的P;值比较,相对误差为1.128%。可见上述对上止点修正的方法基本上使尸:值的精度达到1%d(勺图9”一a线接近直线时,修正值取0。05“CA的图形的要求。4结论1.压缩一膨胀线的,一“曲线对上止点位置很敏感,只有在上止点位置正确时才能近似为一条直线,利用这个热力学特性可对粗定的上止点初始值(如采用飞轮刻度)用逐步逼近的办法,最后求得正确的上止点位置,精度迄到0,10CA毫无困难。做得精细的可达。一05’cA。压缩一膨胀线的函数化只要在上止点附近士300CA范围内即可。这可大大减少曲线拟合的工作量,可用最小二乘法做局部曲线拟合得到的函数式简单,从而使计算速度大大加快。3.本文介绍的程序包括局部曲线拟合,自动回代检查、自动绘制”一a曲线,逐步逼近求得正确的上止点。这可使精确确定上止点的方法大为简化,便于应用。参考文献〔1〕陈瑜眉,蒋德明.用热力学修正方法确定上止点位置.西安交通大学学报,1983〔2〕邓坚.用多变指数法确定上止点位置.中国内燃机测试学术年会论文集,1984AThermodynamieMethodfortheDeterminationoftheT.D.C。PositiononIndieatorDia又ramsChe儿Yu九林a【Ab,traet]tKeywor血1ThePaperje飞15withthoPrineiPlesandeharaeterist坛5ofthepOlytropicexponentmathodusingPartialeurvefittingtodeterminetheT。D。C。Positiononindieatordiagrams。AProgramwhieheandiagramautomatieally15given,makingtheoP6rat主onofthemethodmuehsimPler.ThePreeisionoft加T-D。C.Positiont加5obtainedmaybeuPto0.05。一0.IOCA。AnexamPle15Provided.Internaleombustionengi助,indieatordiagram,toPdeadeenter-eomPressionlinoPolytropicexPonontmethod