示功图分析

第十章示功图测录与分析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。

它通过专门的测量仪器——示功器进行测量。

由工程热力学可知,示功图的面积大小代表了柴油机气缸内一个工作循环的指示功的大小。

它是研究柴油机气缸内工作过程完善程度的重要依据,也是用来计算柴油机指示功率的依据,同时还可作为柴油机动力计算和强度计算的资料。

通过示功图可研究缸内的燃烧过程、燃烧放热规律,计算缸内温度,评估扫气过程,计算柴油机指示功率,确定柴油机最大爆发压力和压缩压力等等。

由于它能以图象形式显示缸内的工作过程,而且测试仪器简单实用, 因此在柴油机的测试中,示功图的测取占有非常重要的地位。

通常,应定期测录运转柴油机的示功图,且对测取的示功图进行计算和分析。

根据其计算和分析结果来判断柴油机的工作性能,并可对其进行适当的调整,保证柴油机能在最佳状态下运转,提高其经济性、动力性和可靠性。

第一节示功图的测录测取气缸示功图的仪器统称为示功器。

根据其工作原理不同, 示功器可分为机械示功器、气电示功器以及电子示功器三类。

船上常用的是机械示功器, 随着电子技术的应用, 在现代船舶上, 电子式示功器的使用也不断增多。

一、机械式示功器机械式示功器是一种使用较早的示功器, 目前在低速和部分中速柴油机上仍在使用, 它是利用机械位移方法测量缸内压力和活塞位移。

机械示功器按使用的示功弹簧形式不同, 可以分为螺旋弹簧式和柱簧式两种。

两者在结构原理上相同,所不同的是前者使用螺旋形弹簧,后者使用等强度柱形弹簧。

以下主要介绍螺旋弹簧式示功器。

1. 结构和工作原理机械示功器的具体结构如图10-1所示, 它由压力感受机构、转筒机构和记录机构三部分组成。

压力感受机构包括小活塞5、活塞杆4及示功弹簧1等用来感受缸内压力变化并以示功小活塞位移输出; 转筒机构包括绳索9、转筒8用来反映柴油机活塞位移; 记录机构包括杠杆3和画笔机构2具有平行放大作用, 画笔的自由端装有铜笔尖。

当测量示功图时, 转筒8上夹有示功纸并通过绳索9由柴油机曲轴或凸轮轴通过专设的示功器传动机构带动, 绕其自身轴左右偏转, 其偏转角位移量正比于柴油机活塞位移, 即转筒转动的弧长代表按比例缩小的活塞行程的长度,反映柴油机活塞的行程。

示功器小活塞5在缸内气体压力推动下在小气缸中上下移动, 并被弹簧力所平衡。

小活塞的运动通过活塞杆带动记录机构的传动杆和画笔运动, 由记录机构反映其位移量, 即按一定比例反映柴油机气缸内变化着的气体压力。

由于示功器中小活塞的上下移动与柴油机气缸中的气体压力的变化成比例, 而转筒的转动也与柴油机活塞行程成比例变化, 所以记录笔尖在转筒记录纸上可以绘出气缸内气体压力随活塞位移变化的图形, 即压力—容积示功图(p-V 示功图)。

2. 机械示功器小活塞和弹簧的选择为了使机械示功器能在较广泛的压力范围内使用, 一般备有三套活塞和一套不同刚度的弹簧。

可根据柴油机的最高爆发压力p z 值进行选择, 以便获得合适的示功图。

这三套活塞和缸套分别用标号1/1(标准活塞直径为20.27mm)、1/2(其面积为1/1活塞的1/2,标准活塞直径为14.35mm)和1/5(其面积为1/1活塞的1/5,标准活塞直径为9.06mm)表示。

为了便于识别,分别在示功气缸凸缘上用钢印注明1/1、1/2、1/5字样。

在测p-V 示功图时均采用1/5小活塞, 当测取反映进排气过程的弱弹簧示功图时则采用1/1小活塞。

示功弹簧用弹簧比例M 标记。

示功弹簧的弹簧比例单位为mm/MPa, 它表示缸内压力每变化1MPa 时弹簧的变形量(mm)。

弹簧比例的选择应根据所选定的小活塞标号和柴油机气缸内的最高爆发压力p z 大小来选择。

选择弹簧时应注意使示功器具有合适的高度,就是使测取的示功图的最大高度接近于示功图纸的高度, 以保证示功图的精确度。

通常, 柴油机测取p-V 示功图时, 使用1/5小活塞, 可选用的弹簧比例有12、10、8、7、6、5、4、3(mm/MPa), 相应的最高压力分别为4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、10.0、12.5、15.0(MPa)。

3. 机械示功器的传动机构为了把柴油机活塞的运动规律按比例地传给示功器转筒机构,必需设立专门的传动机构。

由于示功器转筒的周长只有柴油机活塞行程的1/5～1/20, 因此传动机构不仅要正确反映柴油机活塞运动规律,而且还要将活塞的行程按比例缩小。

所以,传动机构应满足以下两个基本要求:柴油机活塞行程缩小后的长度应与转筒的周长相适应, 且略小于转筒周长;转筒的转动必须严格地与柴油机活塞的运动相对应, 以便正确反映柴油机活塞运动规律。

目前在船上安装使用的大型低速柴油机的示功器传动机构有曲柄式、杠杆式和凸轮式三种。

(1)曲柄式传动机构。

曲柄式传动机构简图如图10-2所示。

立轴1的转动由柴油机曲轴(或凸轮轴)通过齿轮(或链条)带动, 其转速与曲轴的转速相同; 立轴的上端有圆盘2, 圆盘上的偏心销子与小连杆3相连组成一单独的小型曲柄连杆机构, 模拟柴油机的曲柄连杆机构的运动规律; 小曲柄连杆机构与柴油机的曲柄连杆机构在几何尺寸上必须相似, 即R/L=r/l(R 、L 分别为柴油机的曲轴半径和连杆长度; r 、l 分别为传动机构的小曲柄半径和连杆的长度),活塞销5通过缸套上的长孔带动滑块6与小活塞一起做同步往复运动。

由于滑块与连接示功器转筒的绳索7相连; ，所以滑块6既受活塞销的带动, 又受示功器转筒弹簧的拉动, 就保证了示功器图10-1 机械式示功器结构图 1-示功弹簧; 2-画笔杆; 3-传动杠杆; 4-活塞杆; 5-小活塞; 6-小气缸;转筒的运动规律。

止动杆8则是在测量结束时,利用它可使滑块6脱离活塞销的控制。

(2)凸轮式传动机构。

凸轮式传动机构简图如图10-3所示。

凸轮式传动机构采用专设的凸轮带动滚轮2和导杆3模拟柴油机活塞的运动规律。

由于示功凸轮的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, 因此它能反映出活塞的运动规律,即柴油机活塞在上、下止点位置时示功凸轮也恰好把导杆推到最高、最低位置, 使导杆的运动规律与柴油机活塞的运动规律一致,从而保证示功转筒与柴油机活塞的位移成比例和正时相一致。

弹簧4装在导杆上。

导杆上有销孔6, 如果柴油机在运转过程中不需要测取示功图, 可以用插销通过壳套上的孔5插入导杆销孔6将导杆提起而使滚轮不与凸轮接触,以防两者相互磨损。

(3)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。

此种传动机构虽然结构简单,但无法避免铰接处磨损而造成传动失真,因而目前很少使用。

4. 机械示功器的优缺点和适用范围机械示功器使用已久, 由于它具有结构简单,工作可靠,使用方便等优点, 至今仍是船上测取示功图的必备工具。

机械示功器由于它利用机械位移方法进行测量,必然带来机械式测量仪器的固有缺陷,如感受缸内压力和反映活塞位移部分具有一定的质量, 会产生较大的运动惯性力, 而其弹簧刚度不能太大(灵敏度要求), 致使它的自振频率很低, 不适用于高速柴油机, 只适用于低速机和部分中速机。

机械示功器可以用提高弹簧刚度来提高它的自振频率,扩大其适用范围。

目前机械示功器根据使用弹簧的形式可分为两种，即卷簧式和柱簧式。

二者在结构原理上完全相同，不同的是前者用螺旋形卷弹簧（刚度小），适用于400 r/min以下的柴油机使用; 后者用等 强度柱形弹簧（刚度大），适用于700~1000r/min 的柴油机使用。

图10-2 曲柄式传动机构1-传动立轴; 2-小曲柄; 3-连杆;4-小活塞; 5-活塞销; 6-滑块; 7-绳索; 图10-3凸轮式传动机构 1-示功凸轮; 2-滚轮; 3-导杆;目前,机械示功器在大型低速柴油机船舶上被广泛用作随机测试仪表,供监控柴油机运转使用。

5. 示功图的测取方法及注意事项示功图形状是受许多因素影响的,譬如示功器使用和维护不当;传动机构安装不正确;天气、海情的变化等都会影响示功图的形状。

因此在测取示功图时应做好准备工作,按正确方法进行测录:使用前应对示功器进行检查和保养，使其可动部分应有良好的润滑,保证小活塞在气缸内能以自身重量均匀下滑; 当示功器与传动机构之间的距离大于1.5m时，应选用钢丝软绳。

使柴油机负荷稳定, 即各运行参数达到正常值并保持稳定不变;选择适宜的海况和气象条件;安装示功器前,必须先打开示功阀把通路中的积炭及杂质吹净;示功器安装后,应先在转筒的记录纸上画出大气压力线;测取满意的示功图后,应注明日期、缸号、转速、排温、油门格数、弹簧比例等。

并与驾驶台联系记录气候、风力、风向、潮流、吃水、船速等，供分析时参考。

为准确起见,最好每缸测取2个示功图。

当测取5至6个示功图后,应拆下示功器进行冷却,示功器测量完毕,应对示功器进行彻底清洁和保养。

二、电子示功器随着现代科学技术的迅速发展,利用电子示功装置已十分普遍,尤其在现代柴油机的监控技术中均采用电子示功装置来分析研究柴油机缸内的工作过程。

电子示功器由传感器、测量电路和记录显示装置等三大部分组成。

它是利用电子技术, 通过各种形式(如电阻应变式、压电式、电容和电感式)的的传感器把柴油机缸内的气体压力、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观察或打印。

在柴油机测试中, 通常使用压电式或电阻式传感器测量气缸内压力,使用磁电式或光电式曲轴转角发生器反映曲轴转角的变化。

在电子示功装置中，压力传感器是一个核心环节，不同的压力传感器决定着不同的测量电路。

通常，示功装置按所采用的压力传感器不同进行分类, 而且习惯上也多以其传感器命名示功装置。

压力传感器一般分为电阻应变式、压电式、电容式、电感式等。

所以电子示功装置亦可分为电阻应变式示功装置、压电式示功装置、电容式示功装置和电感式示功装置等。

1 电阻应变式示功装置图电阻应变式示功装置是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到显示记录装置。

柴油机曲轴转角信号可由磁电式或光电式等传感器测量。

系统方框图如图10-4所示。

电阻应变式压力传→应变→显示记录装感器 仪置图11-4 电阻应变式示功装置方框图 电阻应变式压力传感器的结构如图10-4所示。

电阻应变片粘贴在应变筒14的外壁。

应变筒由薄壁(0.2mm ～0.3mm)合金钢制成,下端焊有很薄的悬链薄膜片,此膜片既薄又柔软,只传递压力而不产生弹力。

当缸内压力作用到悬链薄膜片时,它仅仅把所受到的压强变为集中力传到与它接触的应变筒上,引起应变筒14发生弹性变形使应变片电阻发生变化,并经导线传至接线柱7后由屏蔽电缆8输出。