柴油机活塞燃烧室容积检测方法

柴油机活塞燃烧室容积检测方法
张立中,王德民,姜 涛,曹国华,赵永成
(长春理工大学,吉林长春 130021)
摘要:应用理想气体状态方程,对柴油机活塞燃烧室容积的检测方法进行了研究。

分析了系统参数选择对测试精度的影响,并完成了测试系统软件、硬件设计,研制了测试样机。

设备整个操作过程在计算机控制下自动完成。

实验证明:与传统 滴定法 相比,该方法测试结果更精确、测试速度快、自动化程度高,适于生产线使用。

关键词:燃烧室容积;智能检测;理想气体状态方程
中图分类号:TK42 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2005)03-0049-02
Measurement Method of Diesel Engine Piston Combustion Chamber Volume
ZHA NG L-i zhong,W ANG De-min,JIA NG Tao,C AO Guo-hua,ZHAO Y ong-cheng
(Changchun Institute of Science and T echnology,Changchun130021,Chi na)
Abstract:Based on ideal gas eq uation,the measurement method of diesel engine piston combustion chamber volume was re-searched.The effect to accuracy by different system parameters was analysised,the hard ware and software of measure system had been desi gned and the measure instrument was developed.The working process of this instrument was automatically controlled by compu ter.It had been proved by test that the method researched is more accurately,quickly and automotive than method of water t-i tration ,and i t is adapted for on-line detection.
Key Words:Combustion Chamber Volume;Intelligent Measurement;Ideal Gas Equation
1 引言
柴油机活塞燃烧室容积对柴油燃烧情况有着直
接影响,进而影响发动机的动力性、经济性、污染排放
等性能指标,是活塞生产过程及发动机研发中的一个
关键参数。

目前国内柴油机生产厂家采取的检测方
法多为 滴定法 ,即用滴定管向燃烧室内注入液体直
至充满,则所注液体体积即为燃烧室体积。

该方法完
全人工操作、过程复杂、速度慢,无法实现自动化操
作,且存在很大人为误差,严重影响发动机活塞生产
的质量控制。

2 气压法检测的工作原理
2.1 检则原理
理想气体的状态可用状态参数来确定,其中温度
T、压力p、体积V是3个基本状态参数。

在平衡状态
下,n mol气体充满体积为V的容器,则有:
pV=nRT(1)
式(1)为理想气体状态方程。

实际气体如空气,
在一般温度(不低于245K)、压力(不高于10MPa)条
件下,分子间距离大于10-6mm,分子间引力不再存
在,可视为理想气体。

对于两个封闭容器,(V1,V2),
设其压力、温度分别为p1,p2,T1,T2,两容器相通后压
力、温度为p3,T3,有:
V1=T3(p2T3-p3T2)
T2(p3T1-p1T3)V2(2)
应用这一原理,可对具有不规则形状但能够实现
密封的容器进行容积测量。

图1为根据这一原理设
计的活塞燃烧室容积检测系统原理简图。

图1 检测系统工作原理图
通过对电动气阀K1、K2、K3的控制,可以使标准
容积V2与被测活塞容积V1内具有不同的压力,并可
以通过压力传感器与温度传感器分别测得p1,p2,T1,
T2;再控制K3使V1与V2相通,测得p3,T3。

则由式
(2)可计算求得V2。

2.2 系统参数的确定
由于T1 T2 T3,对式(2)化简得:
V1=
(p2-p3)
(p3-p1)
V2(3)
式中V2为常数。

令p1,p2,p3的测量误差分别为 p1, p2, p3,传
感器绝对误差为 p,则对式(3)进行微分并整理有:
| V1|=
(V1+V2)2+V1|V1-V2|
(p2-p1)V2
p(4)
2005年 第3期仪表技术与传感器
Instrument Technique and Sensor
2005
No 3
收稿日期:2004-03-03 收修改稿日期:2004-10-02
由式(4)可见,为减小由于压力测量误差引起的容积检测误差,应加大p 2-p 1值,即增大p 2,但p 2取值过高虽可减小原理误差,却将对气源提出严格要求,同时增加系统密封和装夹难度,综合考虑各方面因素,p 2取值为1MPa.当p 2确定后,式(4)为一分段函数,经分析知:当V 2=V 1时, V 1最小,即:
| V 1|=4V 1
p 2-p 1 p (5)
对某一型号活塞而言,燃烧室形状基本规则,测量系统采用体积为V t 的填充块,对燃烧室进行填充,使检测误差减小,测量速度加快,即:
| V |=4(V 1-V t )
p 2-p 1 p (6)
由于V t 已知,可通过软件修正方法,对测量结果
进行补偿。

3 检测与控制系统硬件设计
检测与控制系统负责对检测仪的工作过程进行管理,对系统工作状态进行监测,对系统工作参数进行采集并处理,得到待测数据,同时提供良好的操作界面,使操作者方便地对设备工作过程进行干预。

根据系统负担任务,设计了以Pentium4工控机为核心、扩展相应接口电路的硬件系统,原理如图2
所示。

图2 检测系统硬件结构图
工控机一方面通过人机接口接受命令,另一方面通过I/O 接口卡、继电器、位置检测开关等来控制电磁阀完成活塞装夹及各检测工步动作,同时通过A/D 卡、压力传感器、温度传感器检测各工步下压力、温度参数,计算求得燃烧室容积,并根据预设的标准容积值与允差范围判断测量结果是否超差,若超差则报警,测量结果可打印。

为保证测量结果的准确性与仪器工作的可靠性,提高仪器抗干扰性能,压力与温度传感器都选择高精度、一体化变送器。

4 检测系统软件设计
系统采用VC++编程语言,应用程序采用模块化结构设计,主要由初始化、工作控制与过程监测、数据采集、运算处理、误差修正、人机界面、安全监控等模块组成。

由于系统内管路容积及填充块体积V t 的存在,按式(2)求得的V 1值并非最终被测弹体药室容积,需进行数据修正与标定,方法为:在仪器使用前,首先对系列标准容积试样进行测试,根据系列测量点
的测试结果,采用分段线性插值法对系统修正系数进
行整定。

另外,为避免长期工作传感器参数漂移及管路容积变化,设计了定期标定程序模块,对标准容积试样检测,系统会根据检测结果自动进行参数修正。

系统软件工作流程如图3所示。

5 实验分析
样机研制完成后,以110mm 柴油机活塞燃烧室容积为检测对象,进行了 气体压力法 与 滴定法 的对比检测,结果如表1所示。

由实验结果可以看出:从多次测量的统计数据看,两种方法测试结果相同, 气压法 测试数据一致性优于 滴定法 ,测量精度高1倍。

由于整个操作过程完全自动化,测试速度比原方法提高了近7倍,减轻了操作强度,使生产过程的在线检测成为可能。

表1 气体压力法 与 滴定法 的对比检测结果
测试序号滴定法
气体压力法容积/mL 时间/s 容积/mL 时间/s 127 4542027 5255227 60410
27 4655
327 5543027 4755427 4040027 5555527 5045027 4555平均值27 50422
27 4955
均方差0 0710 038极值误差
+0 1~-0 1
+0 06~-0 04
6 结束语
所研制的燃烧室容积在线检测仪经实验证明:原理简单、测量准确、自动化程度高、操作简便,完全能满足燃烧室容积在线检测的需求。

经相应改进,也可完成其它非规则容器的容积检测工作。

参 考 文 献
[1] 王庆林,刘子勇.用光切法测量球形金属罐容积.计量学报,1992,
13(1):39-44.
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Instrument Technique and Sensor
Mar 2005。