示功图分析讲解

弹簧比例M：表示缸内压力每 变 化 1MPa 时 弹 簧 的 变 形 量 （mm），单位为mm／MPa。
弹簧比例M选择：根据小活塞 标号和柴油机缸内最高爆发 压接近力示pz，功使图所纸测高取度的的示最功大高图 度。
示功纸规格：高度50mm/60mm
如测p-V示功图可选用1/5小活 塞，并根据缸内最高爆发压 力pz=8.0MPa，可选用
4、梳形图
如需较准确的测 取缸内最高爆 发 压 力 （ pz ） 和压缩压力 （ pc ） 可 测 取 梳形图。此时 可慢慢拉动示 功器转筒绳索， 测 出 多 条 pz 线 和 pc 线 （ 单 缸 停油）。
5、弱弹簧示功图
研究和检查换气过程的情况，则应测取弱弹簧示功图。示 功器应换用1／1标准活塞和软弹簧。
主要优点：
结构简单，使用方便，工作 可靠而广泛地作为低速柴油机的随机供
应仪表，供监控柴油机使用。
主要缺点：
各感应元件均由弹簧系统组 成，必须具有一定质量（因 强度要求），运动惯性力较 大，而其弹簧刚度不能太大 （灵敏度要求），致使它的 自振频率较低，不适用于高、 中速机使用。
使用范围：400rpm以下低速机 （螺旋弹簧）和部分中速机 （柱形弹簧）。
M=6mm／MPa的示功弹簧。
弹簧比例与最高爆发压力关系（1/5活塞）：
M（mm/Mpa） 12 10 8 7 6 5 4 3
Pz（Mpa） 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 10 12.5 15.0
（1）弹簧比例越小，标准小活塞直径越小，最高爆发压 力越高，所用弹簧越硬；
（2）测P-V示功图和爆发压力时，用1/5小活塞、硬弹簧 及低弹簧比例；
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，其高度、最低位置
也与活塞的上、下止点对应。
当测量完毕时，可用插销通过销孔5和6把导杆3 提起使之脱离凸轮轴控制。
3）杠杆式传动机构
采用一套杠杆机构铰接在活塞或 十字头上，按比例反映活塞运 动规律。因铰接点易磨损造成 失真，很少使用。
4、机械示功器的主要优缺点及 适用范围
5、示功图的测取方法及注意事项
（1）使用前示功器的检查·清洁·润滑； （2）柴油机负荷应稳定，即各运行参数正常并保持稳定； （3）选择气象和海况条件适宜； （4）示功器安装前开一下示功阀，吹净通路中杂质等； （5）示功器安装后应先在转筒记录纸上画出大气压线； （6）测量时轻按画笔尖以防划破记录纸； （7）测取满意的示功图后应标明缸号、日期、排温、喷
工作参数
不均匀度（％）
压缩压力pc
≤±5
最高燃烧压力pz ≤±5
平均指示压力pi ≤±5
排气温度Tr
≤±5（中、高速增压机为8％）
不均匀度= 最大（最小）值 - 各缸平均值 × 100％
各缸平均值
二、示功器传动机构不正常引起的畸形示功图
1）示功器传动机构超前 特征：压缩线降低、膨胀线升高，示功图变胖。
（2）动态标定：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。
（3）随机标定：在测量过程中，对一整套动态压力测量 装置进行标定。
2）曲轴转角标定：
指给出具有一定精度的上止点记号和已知频率的时 间座标标记或曲轴转角标记。
2、p-V转角示功图
传动机构的小曲柄超前所 测气缸曲柄82˚。
利用小活塞的最大运动速 度带动转筒快速转动， 以记录气缸内上止点附 近的压力变化，即将上 止点附近缸内压力，曲 线横坐标放宽。
功用：定性分析研究缸内 燃烧过程。但图形已失 去示功图原形。
3、手拉展开示功图
在 不 能 测 取 p-V 转 角 示功图的柴油机上， 为了能研究缸内燃 烧过程情况。如发 火时刻等，可测取 手拉展开图。此时 转筒机构的绳索用 手工快速拉动。
3、示功器小活塞卡紧: 原因：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，使小活塞 运动阻力增加。
特征：
（1）压缩线低于正常 值且出现波动；
（2）膨胀线高于正常 值且波动；
（3）Pz降低。
（2）灵敏度高、线性好，但它易受外界干扰影响， 如电源压力波动、电磁场干扰以及环境温度变化 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。
（3）它与计算机组成一套完整的多参数综合测量 系统，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。
6、p-φ示功图（用电子示功器测取）
功用：计算指示功率，评估燃烧与换气过程，测量 最 定发高火爆角发等压。力pz和压缩压力pc、计算放热率、测
第二节 示功图的分析与计算
示功图分析就是把所测示功图与正常示功图进行比较，判 断柴油机工作过程的优劣并进行必要的调整。
一、正常示功图的特征（船舶试航报告提供）
示功图功用：
（1）研究气缸内工作过程的重 要依据：燃烧过程、燃烧放热 率、气体与缸壁传热过程、进 排气过程等。
（2）计算柴油机指示功率、负 荷调整和分析、确定最高爆发 压力和压缩压力，计算缸内温 度等的依据。
示功器：测取示功图的仪器。根据其工作原理不同，可分 为机械式、气电式和电子式（电阻应变式、压电式）。
2） 结构 ：应变片7粘贴在应 变筒4外壁，应变筒由薄壁 （0.2～0.3mm）合金钢制成， 下端焊有很薄的悬链薄膜5。 此薄膜既薄又柔软，只传递 压力而不产生弹力。
丁烯橡胶套管6保证应变片良 好绝缘，同时也起到阻尼作 用，消减应变筒的高频振动。
调整垫片3可保证安装时应变 筒有适当的预紧力。
应变筒轴向压缩应变和横向拉 伸应变组成电桥两臂，两个 应变片组成测量臂并起温度 补偿作用，使测量精度提高。
一、机械示功器
1、结构与工作原理
组成及作用：
压力感受机构：小活 塞及活塞杆、示功 弹簧；感受气缸气 体力变化并以位移 输出。
转筒机构：绳索、转 筒；反映气缸内活 塞位移。
记录机构：杠杆、记 录机构；平行放大 小活塞的位移并记 录在示功纸上。
示功弹簧：螺旋弹簧式、柱形弹簧式（中速机）。
工作原理：机械位移方法测量缸内压力及活塞位移，绘出 气缸内压力随活塞位移变化图形，即p-V示功图。
油泵齿条格数、弹簧比例、转速等参数；气候、风力、 风向、潮流、吃水、船速
（8）为保证准确，最好每缸测取2个示功图。每测取5～6 个示功图后应拆下示功器使之冷却。示功器使用完毕应 进行彻底的清洁保养。
二、电子式示功器
组成：传感器、测量电路、记录显示装置。
工作原理：通过传感器把气缸内的气体压力、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显示或打印，测取pφ示功图。
压电效应是指某些晶体在 沿其某个结晶轴方向受 到外力作用时，其内部 将产生极化现象：在其 表ห้องสมุดไป่ตู้上有电荷集结，且 此电荷的大小与外力成 正比，当外力消失，晶 体又恢复至不带电状态。
具有压电效应的晶体称压 电晶体。
5）结构
缸内气体压力经膜片4传递 给套筒7和石英晶体3 （二片），晶体受压时 产生的负电荷由电荷引 出片6汇集并经导线5引 出。
三、示功图的种类与用途
机械示功器可测取p-V示功图、p-V转角示功图、 弱弹簧示功图、纯压缩图、手拉展开图及梳形图 等；
气电示功器及电子示功器可测取p-φ示功图。
1、p-V示功图
1）形状：a）和b）分别为四冲程柴油机与二冲程柴油机 的p-V示功图。主要区别：尾部形状不同。
2）功用：计算指示功率、调整各缸负荷均匀性、量取最 高爆发压力、判断各缸燃烧情况以及计算缸内瞬时温度 等。既能定量也能定性分析工作工作。
2、压电石英式示功装置
1）组成：压电式压力传感器、 前置放大器和示波器。
2）工作原理
压电式压力传感器 前置放 大器 示波器
3）前置放大器作用：放大压 电传感器的微弱信号并将 传感器的高阻抗输入变为 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。
4）压电石英传感器——根 据石英晶体的压电效应 制成的。
（3）测弱弹簧示功图和换气压力时，用1/1小活塞、软弹 簧及高弹簧比例；
（4）当弹簧不变时，将1/1标准小活塞换为1/5标准小活塞 时，意味着由测低换气压力改为测高爆发压力，弹簧比 例应小、减小为原来的1/5。
3、传动机构
作用：把活塞的运动规 律按比例传给示功器 转筒机构。
两个基本要求：
（1）使活塞行程的缩小 比例要与转筒的周长 相适应；
三、示功器故障引起的畸形示功图
1、示功器转筒绳索太长或太短
示功器传动方向：膨胀行程使转筒弹簧拉紧，而在压缩行 程时使转筒弹簧放松，绳索太长：切头，绳索太短：切 尾，示功图长度变短。严重时将绳索拉断或将转筒拉坏。
2、示功图变长:
（1）转筒弹簧太 软
（2）转筒惯性作 用
（3）示功器机构 中间隙太大等。
（1）工作过程曲线圆滑，曲线过渡处无锐角或突变形状； （2）工作过程各主要特征值，如最高爆发压力pz、压缩
压力pc等符合试航报告的规定值； （3）工作过程曲线无异常波动现象； （4）示功图尾部形状应符合不同扫气形式的正常轨迹。
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：
2、小活塞和弹簧的选择
1）小活塞：三套活塞（连 同相应的小气缸）及一 套刚度不同的示功弹簧。
活塞标号：
1／1（标准活塞直径为 20.27mm）；
1／2（其面积为1／1活塞 的1／2，活塞直径为
14. 35mm）；
1／5（其面积为1／1活塞 的1／5，活塞直径为 9.06mm）。
2）示功弹簧：
用弹簧比例M标记的多根弹簧
分类：
压力传感器：电阻应变式、压电石英式、电容式、电感式。
曲轴转角传感器：磁电式、光电式。
1、电阻应变式示功装置 1）工作原理：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往显示记录装置。
电阻应变式压力传感器 应变仪 显示记录装置。
为减少温度变化对传感器 工作的不利影响，一般 需对传感器采用强制水 冷却。某些新型传感器 工作时可不需冷却。
3、电子示功装置的标定
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。
1）压力值标定
（1）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。
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1ºCA误差，则示功图计算 有±5.5％的误差，因而要求上止点标记误差满 足0.2～0.5ºCA的要求。
上止点的确定对于运转的多缸柴油机，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
（1）固有频率高，即具有良好的高频特性，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，适合于低、中、高速柴油机使 用，测量误差小于1％。
2、示功器传动机构定时滞后 特征：压缩线升高、膨胀线降低，示功图变瘦。
实践表明，传动机构超前或滞后对示功图形状影响极大。 一般每相差1˚CA，则平均指示压力pi相差5.5％。
纯压缩图：判断畸形图形是否因传动机构的不正常 所引起。
压缩线与膨胀线基本重合，则表示传动机构与柴油 机活塞位移同步。若膨胀线在上压缩线在下，则 为传动机构超前。若膨胀线在下压缩线在上，则 为传动机构滞后。
示功图测录与分析 借助测试工具测录柴油机气缸内工作参数[Pz、Pc、 Tr等]，获取气体力变化规律曲线，与说明书试航 报告测取的曲线比较，作为柴油机负荷均匀性调整、 以及故障诊断维修的依据。
第一节 示功图的测录
示功图：气缸内工质压力随气缸 容积或曲轴转角变化的图形。 示功图的面积代表柴油机气缸 内一个工作循环所作的指示。
（2）转筒的运动规律与 活塞的运动规律同步。
传动机构类型：
（1）曲柄式 （2）凸轮式 （3）杠杆式
1）曲柄式传动机构
小曲柄连杆机构的运 动规律与柴油机活 塞运动规律同步条 件：
小曲柄半径r与连杆3 长度l之比：
r/l=R/L
（R－柴油机曲柄半径， L－柴油机连杆长 度）。
2）凸轮式传动机构：
示功凸轮装在凸轮轴上，示功凸轮的