示功图分析

第十章示功图测录及分析

示功图是气缸内工质压力随气缸容积或曲轴转角变化图形。它通过专门测量仪器——示功器进行测量。由工程热力学可知,示功图面积大小代表了柴油机气缸内一个工作循环指示功大小。它是研究柴油机气缸内工作过程完善程度重要依据,也是用来计算柴油机指示功率依据,同时还可作为柴油机动力计算和强度计算资料。通过示功图可研究缸内燃烧过程、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工作过程,而且测试仪器简单实用, 因此在柴油机测试中,示功图测取占有非常重要地位。

通常,应定期测录运转柴油机示功图,且对测取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工作性能,并可对其进行适当调整,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。

第一节示功图测录

测取气缸示功图仪器统称为示功器。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。船上常用是机械示功器, 随着电子技术应用, 在现代船舶上, 电子式示功器使用也不断增多。

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, 即转筒转动弧长代表按比例缩小活塞行程长度,反映柴油机活塞行程。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。小活塞运动通过活塞杆带动记录机构传动杆和画笔运动, 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气体压力。

由于示功器中小活塞上下移动及柴油机气缸中气体压力变化成比例, 而转筒转动也及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选择

为了使机械示功器能在较广泛压力范围内使用,

一般备有三套活塞和一套不同刚度弹簧。可根据柴油

机最高爆发压力p z 值进行选择, 以便获得合适示功

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1/2,标准活塞直

径为14.35mm)和1/5(其面积为1/1活塞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。 示功弹簧弹簧比例单位为mm/MPa, 它表示缸内压力每变化1MPa

时弹簧变形量(mm)。弹簧比例选择应根据所选定小

活塞标号和柴油机气缸内最高爆发压力p z 大小来选择。选择弹簧时应注意使示功器具有合适高度,就是使测取示功图最大高度接近于示功图纸高度, 以保证示功图精确度。通常, 柴油机测取p-V 示功图时, 使用1/5小活塞, 可选用弹簧比例有12、10、8、7、6、5、4、3(mm/MPa), 相应最高压力分别为4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、10.0、12.5、15.0(MPa)。

3. 机械示功器传动机构

为了把柴油机活塞运动规律按比例地传给示功器转筒机构,必需设立专门传动机构。由于示功器转筒周长只有柴油机活塞行程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,而且还要将活塞行程按比例缩小。所以,传动机构应满足以下两个基本要求:

①柴油机活塞行程缩小后长度应及转筒周长相适应, 且略小于转筒周长;

②转筒转动必须严格地及柴油机活塞运动相对应, 以便正确反映柴油机活塞运动规律。 目前在船上安装使用大型低速柴油机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转动由柴油机曲轴(或凸轮轴)通过齿轮(或链条)带动, 其转速及曲轴转速相同; 立轴上端有圆盘2, 圆盘上偏心销子及小连杆3相连组成一单独小型曲柄连杆机构, 模拟柴油机曲柄连杆机构运动规律; 小曲柄连杆机构及柴油机曲柄连杆机构在几何尺寸上必须相似, 即R/L=r/l(R 、L 分别为柴油机曲轴半径和连杆长度; r 、l 分别为传动机构小曲柄半径和连杆长度),活塞销5通过缸套上长孔带动滑块6及小活塞一起做同步往复运动。由于滑块及连接示功器转筒绳索7相连; ，所以滑块6既受活塞销带动, 又受示功器转筒弹簧拉动, 就保证了示功器转筒运动规律。止动杆8则是在测量结束时,利用它可使滑块6脱离活塞销控制。 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; 7转筒弹

簧; 8-转筒; 9-绳索

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(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

凸轮带动滚轮2和导杆3模拟柴油机活塞运

动规律。由于示功凸轮外形是按柴油机活塞

运动规律设计并按一定位置安装在凸轮轴上,

因此它能反映出活塞运动规律, 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, 使导杆运动规律及

柴油机活塞运动规律一致, 从而保证示功转

筒及柴油机活塞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

用插销通过壳套上孔5插入导杆销孔6将导

杆提起而使滚轮不及凸轮接触,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

来机械式测量仪器固有缺陷,如感受缸内压力和反映活塞位移

部分具有一定质量, 会产生较大运动惯性力, 而其弹簧刚度

不能太大(灵敏度要求), 致使它自振频率很低, 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自振频率,扩

大其适用范围。目前机械示功器根据使用弹簧形式可分为两

种，即卷簧式和柱簧式。二者在结构原理上完全相同，不同

是前者用螺旋形卷弹簧（刚度小），适用于400 r/min 以下柴

油机使用; 后者用等 强度柱形弹簧（刚度大），适用于

700~1000r/min 柴油机使用。

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。 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; 8-止动杆 图10-3凸轮式传动机构 1-示功凸轮; 2-滚轮; 3-导杆; 4-弹簧; 5-销孔; 6-导杆销孔