8示功图

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一、机械式示功器
1．结构和工作原理
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2．小活塞和弹簧的选择
3．机械示功器的传动机构 4．机械示功器的局限性及适用范围
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1．结构和工作原理
组成：由传感机构A、转筒机构B和记录机构 C三部分组成。 传感机构A：小活塞5、活塞杆4及螺旋形示功 弹簧1等，用以感受缸内压力变化并以小活 塞的位移输出； 转筒机构B：绳索9、转筒8及转筒弹簧7，用 以反映柴油机活塞的位移； 记录机构C：由传动杠杆3及画笔杆2组成，将 小活塞的位移在画笔杆端部平行放大，画 笔杆端部装设有铜笔尖。 原理：如图所示
如选用1/5小活塞测取p-V示功图，若缸内最高爆发压力pz=8.0MPa，选用示 功弹簧标记为6.0。
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3．机械示功器的传动机构
1）作用：
• 把柴油机活塞的运动规律按比例传给示功器的转筒机构。
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2）传动机构应满足的条件：
a. 使活塞行程的缩小比例要与转筒的周长相适应（略小于周长）；
b. 转筒的运动规律与活塞的运动规律同步，以便正确反映柴油机活塞的运 动规律。
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2．小活塞和弹簧的选择
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使用1/5小活塞测取p-V示功图时，根据最高爆发压力pz可参考下表选择弹簧 比例。 爆压与弹簧比例对照表 表10-1
最高爆压pz （MPa）
弹簧比例M（mm ／MPa） 4.0 12 5.0 10 6.0 8 7.0 7 8.0 6 10.0 5 12.5 4 15 3
2）活塞面积S：S↑→ h↑。
∴可选择弹簧刚度和活塞的面积来控制测量高度
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2．小活塞和弹簧的选择
1）若k选大、S选小，对缸内压力微小变化的感应弱→活塞 输出的位移h小，不利于观察压力的微小变化，仅适合 于测取高压和大的压力变化。 2）若k选小、S选大，活塞感应到缸内压力的微小变化强， 但测取到高压部分时，小活塞的位移受到示功器结构的 限制而失去作用，故仅适合于测取低压的变化。 • 通常机械示功器备有三套活塞（连同相应的小气缸）及 一套刚度不同的示功弹簧。根据柴油机最高燃烧压力pz 值进行选择，以便获取合适高度的示功图。
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气电示功图
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二、电子示功器
1、运用： 随电子技术的发展，运用逐渐普及，在现代柴油机的监控技术中均采
用电子示功器。
压力传感器是电子示功器的核心环节，所以它形式决定了示功器的名称
1）电阻应变式 2）压电式 3）电容式 4）电感式
传感器
将气缸内的气体压力、曲轴转角等非 电量按一定比例转换成相应的电量输 出；
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2．压电式示功装臵
原理： • 一般由压电式压力传感器、前臵放大器和示波器等组成。
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• 前臵放大器是一个高阻抗（＞1012Ω）输入的放大器，作用是放大压电传 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。
压电式压力 传感器
前臵放 大器
• 凸轮式传动机构大多用于直流扫气二冲程柴油
机上。
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c.杠杆式传动机构
• 杠杆式传动机构采用一套杠杆机构铰接在柴油机活塞或十 字头上，按一定比例反映活塞的运动规律。 • 因无法避免在铰接处磨损而造成失真，目前很少使用。
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4．机械示功器的局限性及适用范围
• 利用机械位移原理测量示功图，存在机械式测量仪器固有的缺陷。主要 表现在： （1）压力感受机构自身具有质量→ 运动惯性力，影响测量精度； （2）示功弹簧刚度↑ → 灵敏度↓，即小活塞不能及时输出缸内压力变化； 而弹簧刚度↓ → 弹簧自振频率↓，若与缸内压力波动的频率（与柴油机 转速有关）接近时会引起振动过大。 • 上述缺陷在测量高速柴油机示功图时表现的尤为明显，故仅适用于低速 机和部分中速机。 示功弹簧： 螺旋卷弹簧 刚度较小，适用于转速在400 r/min以下的柴油机使用 柱簧式 刚度较大，适用于转速为700～1000 r/min的柴油机使用。 • 机械示功器的优点 • 结构简单、工作可靠和使用方便等，目前在大型低速柴油机船舶上仍被 广泛用作随船测试仪表，以便随时监控运转中的柴油机。
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3、电子示功器的优缺点及适用范围
1）固有频率高，具有良好的高频特性。
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电阻应变固有频率达数十千赫，压电石英式可高达数百千赫。固有频率 高其频率特性就宽，所以电子示功器广泛适用于低、中、高速柴油机的 测量，其测量误差小于1％。
2）灵敏度高、线性好。
但易受外界干扰影响（如电源电压波动、电磁场干扰及环境温度变化 等），影响其工作稳定性。故对测量电路要求较高，需设臵补偿装臵。
示波器
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压电示功图测量
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压电示功图测量
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传感器与放大器
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2．压电式示功装臵
压电石英传感器，由石英晶体的压电效应 制成。 压电效应：某些晶体沿其某结晶轴方向作 用外力时，内部会产生极化现象：即在其 表面有电荷集结，且电荷大小与外力成正 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。
2、组成：
测量电路
将上述电信号经放大器等中间环节放大、过滤后，输 送到记录显示装臵 通过显示器或打印机将电信号显示或打印出来。
记录显示装臵
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电阻应变式示功装臵
原理：
•
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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 录装臵。 柴油机曲轴转角信号可由磁电式或光电式等传感器测量。系统框图 如下：
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示功器类别：
船上常用的是机械式示功器，随着电子技术的应用与发展，电子式示功 器的使用也在不断增多。
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第八章 示功图的测量与分析
2. 测示功图有什么用？
用途： 1）研究气缸内燃烧过程和燃烧放热规律；评估扫气过程；确定最高爆
由工程热力学可知，示功图面积代表气缸 内一个工作循环所作的指示功。
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• 依照计算和分析的结果，判断柴油机工作性能和运转状况，
调整相关参数，确保柴油机在最佳状态下运行。
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第八章 示功图的测量与分析
§8-1 示功图测量 §8-2 示功图的分析和计算
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§8-1 示功图测量
一、机械式示功器 二、电子示功器 三、示功图的测取方法及注意事项
四、示功图的种类及用途
第八章 示功图测量与分析
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第八章 示功图的测量与分析
了解发动机工作时气缸 内部的工作情况，最常 用且方便的方法就是测 取示功图。
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1. 什么是示功图？
示功图是气缸内工质压力随气缸 容积或曲轴转角变化的图形。
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第八章 示功图的测量与分析
• 示功图用什么测取？
示功图的获得需要专门的测量仪器——示功器进行测取。 机械式 气电式 三种 电子式
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b.凸轮式传动机构
• 示功凸轮1装在凸轮轴上，示功凸轮的外形按柴 油机活塞运动规律设计并按一定的位臵安装在 凸轮轴上，因而它也能反映出活塞的运动规律， 且其高度、最低位臵也与活塞的上、下止点对 应。当测量完毕时，可用插销通过销孔5和6把
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导杆3提起使之脱离凸轮轴控制。
• 通常每个气缸都装有一套相应的凸轮式传动机 构。
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2．小活塞和弹簧的选择
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在各自小气缸的凸缘 1）小活塞标记（三套活塞用以下标号表示）： 上有钢印注明的1/1、 • 1/1（标准活塞直径为20.27mm）； 1/2、1/5字样。 • 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）。 选择： • 测p—V示功图时选用1/5小活塞；测进、排气过程时选用1/1小活塞（弱弹 簧示功图）。 2）示功弹簧的标记： • 用弹簧比例M标记。M表示缸内压力每变化1MPa，弹簧的变形量(mm)，单 位为mm／MPa。 选择： • M根据小活塞标号和柴油机缸内pz值选择，使所测取的示功图的最大高度 接近于示功图纸高度，以保证示功图的精确度。
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气电式示功器
•
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内燃机动态压力测量中采用横向集点法绘制压力-曲轴转角（p-α）示 功图曲线的仪器，也称平衡式示功器。它主要由平衡式传感器、转筒、 电火花控制器和高压气瓶等组成。装有记录纸的转筒由内燃机曲轴带动。 平衡式传感器膜片的一面与气缸内的压力连通，另一面与从气瓶来的可 以准确控制其压力值的平衡压力连通。当两面的压力平衡破坏时，膜片 即向一方移动并引起电火花控制器产生高压脉冲，在记录纸的相应位臵 上击穿成小孔。当逐步改变给定的平衡压力时，则在记录纸的相应于不 同曲轴转角的位臵上得到一系列代表不同压力的击穿孔，构成了p-α示功 图。这种示功器测录准确，适用于高速内燃机。所测录的示功曲线图形 较大，便于进行定量分析，使用广泛。这种示功器测录的p-α示功图尚可 根据曲轴转角与气缸容积的几何关系，通过作图法改绘为压力-工作容积 (p-V)示功图。
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2．小活塞和弹簧的选择
• 弹力：F＝k × h ＝ p × S
• 弹簧变形量h： 直接影响示功图绘出高度；h过大，受
转筒高度限制；过小不能精确反映缸内压力变化。 ——尽可能控制在一个合适的高度。
• 缸内压力p ：p↑→h↑，如何控制变形量？
1）弹簧刚度k：在缸内压力p和小活塞面积一定时， k↑→h↓；
•
电阻应变式 压力传感器
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应变仪
显示记 录仪器
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电阻应变式示功装臵
• 压力传感器的结构如图10-5所示。 • 电阻应变片贴于应变筒14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，该薄膜既薄又 柔软，只传递压力、不产生弹力。 • 缸内压力作用到悬链薄膜时，引起薄壁 应变筒14变形，使应变片电阻发生变化。 经导线传至接线柱7后由屏蔽电缆8输出。 • 冷却水管4用于膜片和应变筒强制冷却， 以消除燃气高温对测量结果的不良影响。 调整垫片13可保证安装时应变筒有适当 的预紧力。
3）传动机构类型：
a.曲柄式传动机构
b.凸轮式传动机构 c.杠杆式传动机构
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a. 曲柄式传动机构
• 立轴1由柴油机曲轴（或凸轮轴）带动 （转速等于曲轴转速），由小活塞4、连杆3 和小曲柄（圆盘2上的偏心销）组成一单独 的小曲柄连杆机构，模拟柴油机的曲 柄连杆机构的运动。 • 在结构上使小曲柄2的半径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），则小曲柄连杆 机构的运动规律即与柴油机活塞运动 规律同步。 • 由小活塞销5带动的滑块6的运动规律 反映了柴油机活塞的运动规律。当测 试结束时可用止动杆8推动滑块6使其 脱离活塞销5的控制。 • 曲柄式传动机构用于Sulzer型柴油机。
3）既可测取单个循环示功图，又可测取多循环平均示功图。
可与计算机组成完整的多参数综合测量系统，实现远距离检测、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。
所以，电子示功装臵在近代自动化船舶上得到了广泛应用。
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三、示功图的测取方法及注意事项
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• 示功图形状受多种因素（如示功器使用和维护不当，天气与海况的变化 等）影响。因而示功图测取时应按正确方法进行。 1）测示功图前，应对示功器进行必要的检查和标定； 2）测取示功图，应确保被测的柴油机负荷稳定，即各运行参数正常并保持 稳定； 3）测量时的气象和海况条件适宜； 4）示功器安装前，应开一下示功阀吹净通路中的杂质等； 5）示功器安装后，应先在转筒记录纸上画出大气压力线； 6）测量时轻按画笔尖以防划破记录纸（机械式示功器）； 7）测取满意的示功图后，应标明缸号、日期、排温、喷油泵齿条格数、弹 簧比例、转速等参数； 8）为保证准确，最好每缸测取2个示功图。 9）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 行清洁保养。
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结构简图：缸内气体压力经膜片4传递到套 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。
6 3 7 4 图 10-7 压电石英压力传感器
为减少温度变化对传感器工作的不利影响，1、2-绝缘体；3-晶体；4-膜片；5-导线； 一般需对传感器采用强制水冷却。新型传 6-引出片；7-套筒 感器也有非冷却型。
发压力和压缩压力等；
2）计算指示功率和缸内温度等，还可作为柴油机动力计算和强度计
算的资料。
示功图测录以图像形式显示缸内的工作过程，且测量仪器简单实用，故 在柴油机的测试中占有非常重要的地位。
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小结
• 为提高柴油机运转的经济性、动力性和可靠性，应定期测 取运转柴油机的示功图，并对其进行计算和分析。