李夢(mèng)杰 王悅民 曾 權(quán)

（海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430000）

1 引言

柴油機(jī)是一種以柴油為燃料的內(nèi)燃機(jī)，燃油經(jīng)高壓油泵以霧狀噴入氣缸中，缸內(nèi)活塞運(yùn)動(dòng)將吸入缸內(nèi)的空氣壓縮，燃油與高溫高壓空氣的混合氣體點(diǎn)火燃燒，瞬間溫度可達(dá)500°以上。燃燒時(shí)釋放的能量推動(dòng)活塞做功，進(jìn)一步帶動(dòng)曲軸連桿運(yùn)動(dòng)使熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

柴油機(jī)自問(wèn)世以來(lái)，就因能明顯提高熱效率而得到廣泛應(yīng)用。特別是渦輪增壓技術(shù)出現(xiàn)以后，柴油機(jī)無(wú)可爭(zhēng)議地成為當(dāng)代動(dòng)力機(jī)械中最重要的一部分，應(yīng)用范圍遍布工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防建設(shè)等各行各業(yè)。從船舶的實(shí)際使用情況來(lái)看，無(wú)論是遠(yuǎn)洋巨輪還是內(nèi)河小艇，柴油機(jī)作為發(fā)電原動(dòng)機(jī)占了絕對(duì)的主導(dǎo)地位。

我軍絕大多數(shù)的船只都以柴油機(jī)作為動(dòng)力或者作為副機(jī)發(fā)電。而柴油機(jī)缸內(nèi)壓力，是對(duì)柴油機(jī)工作狀態(tài)和常規(guī)故障診斷最重要的兩大指標(biāo)之一，開(kāi)展艦艇柴油機(jī)缸內(nèi)壓力測(cè)試方法及其分析研究對(duì)提高戰(zhàn)斗力標(biāo)準(zhǔn)十分必要。在以往的柴油機(jī)缸內(nèi)壓力的識(shí)別檢測(cè)工作中，一般是在柴油機(jī)上安裝示功閥來(lái)對(duì)柴油機(jī)的缸內(nèi)工作壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，但是示功閥通常只是安裝在噸位比較大型艦船上，相對(duì)中小型艦艇卻沒(méi)有安裝條件。隨著現(xiàn)代新型艦艇的大量下水，為了保證高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷的運(yùn)行工況下柴油機(jī)及其系統(tǒng)的安全可靠性，柴油機(jī)壓力參數(shù)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求已經(jīng)緊迫非常，而且，缸內(nèi)壓力作為一項(xiàng)重要指示參數(shù)，對(duì)柴油機(jī)氣缸壓力測(cè)量的創(chuàng)新發(fā)展提出了新的需求。開(kāi)展針對(duì)中小艦艇柴油機(jī)缸內(nèi)壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究勢(shì)在必行。

在此之前，已有一些過(guò)缸蓋振動(dòng)研究柴油機(jī)缸內(nèi)壓力的一些研究［1～5］，本文將從缸蓋所受到的應(yīng)變出發(fā)，研究缸內(nèi)壓力與缸蓋應(yīng)變的關(guān)系，提出一種有效而簡(jiǎn)單的新的柴油機(jī)缸體內(nèi)壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法。

2 柴油機(jī)缸內(nèi)壓力與缸蓋應(yīng)力的關(guān)系分析

柴油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中受到多種激勵(lì)源的作用，激勵(lì)源有燃燒激勵(lì)、排氣門氣流沖擊、氣閥落座沖擊、其他隨機(jī)激勵(lì)沖擊等［6］（圖1）。燃燒產(chǎn)生的爆發(fā)壓力是柴油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的高壓氣體對(duì)缸蓋系統(tǒng)產(chǎn)生的劇烈沖擊力，缸內(nèi)的燃燒激勵(lì)在這一過(guò)程中所帶來(lái)的沖擊應(yīng)力波實(shí)際上主要集中在柴油機(jī)的發(fā)火上止點(diǎn)階段，在做功沖程上止點(diǎn)位置，缸蓋整體受爆發(fā)壓力的沖擊達(dá)到最大，使柴油機(jī)缸蓋產(chǎn)生明顯的形變，在所有激勵(lì)源系統(tǒng)中對(duì)柴油機(jī)的缸蓋形變的影響最大。排氣門節(jié)流沖擊是高壓氣體沖擊氣門和氣門座間隙產(chǎn)生的較小沖擊力；氣閥落座沖擊和其他沖擊力就更小了。

圖1 缸蓋應(yīng)變激勵(lì)源

燃燒沖擊所產(chǎn)生的沖擊力是引起缸蓋產(chǎn)生應(yīng)變的主要原因。柴油機(jī)缸蓋這種固體介質(zhì)的一切質(zhì)點(diǎn)之間都是通過(guò)內(nèi)聚力彼此聯(lián)系著的，在柴油機(jī)工作過(guò)程中，當(dāng)氣缸內(nèi)部壓力上升時(shí)，高壓氣體會(huì)直接沖擊柴油機(jī)缸蓋底部，缸蓋相關(guān)部分將會(huì)有明顯的應(yīng)變效應(yīng)。結(jié)構(gòu)如圖1所示，本文的關(guān)鍵就是研究缸蓋所產(chǎn)生的應(yīng)變與缸內(nèi)壓力的內(nèi)在關(guān)系。

3 缸蓋應(yīng)變研究方案

3.1 方案設(shè)計(jì)

柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況復(fù)雜，涉及到多種參量，包括缸蓋應(yīng)變信號(hào)、缸壓信號(hào)、相位對(duì)應(yīng)情況和時(shí)間同步等。研究方案設(shè)計(jì)了圖2所示的測(cè)試系統(tǒng)，其中主要包括6缸柴油機(jī)、應(yīng)變片、應(yīng)變片橋盒、壓力傳感器、接近開(kāi)關(guān)傳感器、相位傳感器和多通道采集設(shè)備等。通過(guò)對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，取得柴油機(jī)不同工況下的各傳感器的數(shù)值，采集設(shè)備將測(cè)得的數(shù)據(jù)傳送到電腦的采集軟件，通過(guò)采集軟件處理和Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到需要的測(cè)試結(jié)果。

圖2 缸壓測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)

柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)中，柴油機(jī)給出缸內(nèi)壓力、缸蓋應(yīng)變等各種信號(hào)等，數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用了專門為振動(dòng)噪聲、模態(tài)分析研發(fā)的uT34動(dòng)態(tài)信號(hào)采集器，應(yīng)變片橋路和數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，共同組成圖3所示的柴油機(jī)缸蓋應(yīng)變與缸內(nèi)壓力關(guān)系研究的測(cè)試系統(tǒng)。

3.3 缸蓋應(yīng)變采集

3.3.1 應(yīng)變片粘貼位置的選擇

金屬絲式應(yīng)變片的粘貼方式和粘貼位置十分重要，它直接影響到測(cè)到的應(yīng)變量是否實(shí)際反映了缸內(nèi)壓力的變化。根據(jù)缸蓋Mises應(yīng)力分布（圖4）可知，缸蓋壁附近顏色為青色，表明缸蓋頂部應(yīng)力分部主要集中在氣缸壁。當(dāng)缸內(nèi)壓力對(duì)缸蓋底部產(chǎn)生沖擊時(shí)，每個(gè)對(duì)應(yīng)缸蓋壁處的應(yīng)變最大［7］，選擇將應(yīng)變片粘貼在每個(gè)汽缸中間的缸蓋壁上（圖5所示），在應(yīng)變相同的測(cè)量方向粘貼兩個(gè)相同的應(yīng)變片，配合通用應(yīng)變采集橋盒組成半橋應(yīng)變測(cè)試電路，解決溫度補(bǔ)償問(wèn)題的目的。由于柴油機(jī)缸蓋的對(duì)稱性，該應(yīng)變片的粘貼方式不僅可以消除溫度對(duì)橋路輸出的影響，還可以抵消大部分振動(dòng)引起的噪聲，最終獲得能夠正確地發(fā)映出缸內(nèi)壓力與缸蓋應(yīng)變關(guān)系的信號(hào)。

圖4 缸蓋Mises應(yīng)力分布

圖5 應(yīng)變片實(shí)際粘貼位置

3.3.2 應(yīng)變片檢測(cè)電路

R1和R2為金屬絲式應(yīng)變片，實(shí)際應(yīng)變片R1和R2的粘貼位置如圖5所示。由于兩缸發(fā)火次序不一樣，R1處和R2處的缸蓋應(yīng)變趨勢(shì)是相反的，當(dāng)R1處應(yīng)變?cè)龃髸r(shí)，R2處應(yīng)變減小，輸出U0為正；反之，R1處應(yīng)變減小時(shí)，R2處應(yīng)變?cè)龃?，輸出U0為負(fù)。針對(duì)6135D-3柴油機(jī)特性，使用該應(yīng)變采集電路如圖6所示，圖6中的R3和R4為采集系統(tǒng)配套橋盒內(nèi)電阻。

圖6 應(yīng)變量采集橋路設(shè)計(jì)

3.4 缸內(nèi)壓力信號(hào)采集

測(cè)試系統(tǒng)采用了PTG701b耐高溫壓力傳感器。通過(guò)柴油機(jī)缸蓋底部向上打孔缸壓信號(hào)，再?gòu)臍飧咨w側(cè)面打孔進(jìn)入柴油機(jī)內(nèi)部，在缸蓋內(nèi)形成L形通道，在缸蓋側(cè)面接打孔處引壓管，將柴油機(jī)缸內(nèi)壓力引出缸蓋外。打孔的位置選擇很重要，缸蓋上油氣水通道錯(cuò)綜復(fù)雜，要避開(kāi)油路、水路、氣路，才能確保實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行。此外，引壓管各處溫度很高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)冷卻水管達(dá)到壓力傳感器物理降溫的效果（圖7所示）。

圖7 壓力傳感器安裝位置點(diǎn)及冷卻水管

4 信號(hào)處理與分析

4.1 信號(hào)分析

為了解柴油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下缸蓋應(yīng)變與缸內(nèi)壓力的關(guān)系，分別提取柴油機(jī)750r/min、850r/min、950r/min、1050r/min轉(zhuǎn)速下的應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果如圖8所示。隨著轉(zhuǎn)速的加大變化，應(yīng)變峰值出現(xiàn)的頻率增加，通過(guò)對(duì)應(yīng)變信號(hào)周期的計(jì)算可知，應(yīng)變片信號(hào)周期與柴油機(jī)氣缸內(nèi)爆發(fā)壓力的產(chǎn)生周期完全一致。

由于橋路輸出的信號(hào)是兩個(gè)氣缸對(duì)應(yīng)缸蓋所受應(yīng)變的綜合信號(hào)，為了研究這個(gè)信號(hào)與每個(gè)缸內(nèi)壓力之間的關(guān)系，本文應(yīng)用Matlab將得到的信號(hào)分離，并將各缸的壓力-應(yīng)變放在同一個(gè)坐標(biāo)軸下對(duì)比，得到如圖9、圖10波形圖?？梢钥吹?，將一個(gè)通道內(nèi)的3號(hào)、4號(hào)缸蓋應(yīng)變信號(hào)分離后與缸內(nèi)壓力信號(hào)對(duì)比，無(wú)論是3號(hào)缸還是4號(hào)缸，應(yīng)變信號(hào)總是跟隨柴油機(jī)缸內(nèi)壓力保持同步變化，可見(jiàn)缸蓋應(yīng)變信號(hào)與缸內(nèi)壓力信號(hào)具有明確的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系。通過(guò)對(duì)缸蓋應(yīng)變信號(hào)與缸內(nèi)壓力信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，找出兩者對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下的3號(hào)缸蓋應(yīng)變與缸內(nèi)壓力曲線

圖10 不同轉(zhuǎn)速下的4號(hào)缸蓋應(yīng)變與缸內(nèi)壓力曲線

4.2 缸蓋應(yīng)變與缸內(nèi)壓力之間的函數(shù)關(guān)系

Matlab具有多種數(shù)據(jù)處理分析的能力，其中非線性曲線擬合功能應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中，不同變量之間的相互關(guān)系通常用函數(shù)關(guān)系描述，有些函數(shù)關(guān)系可由經(jīng)典理論分析推導(dǎo)得出［8］，不僅為進(jìn)一步的分析研究工作提供理論基礎(chǔ)，也可以方便解決實(shí)際工程問(wèn)題。但是在很多工程問(wèn)題中，并不能直接推導(dǎo)出變量之間的函數(shù)關(guān)系，或者即使能得到表達(dá)式，公式也十分復(fù)雜，不利于進(jìn)一步的分析計(jì)算。由于研究需要希望得到這些變量之間的函數(shù)關(guān)系，這時(shí)就可以利用曲線擬合的方法［9～12］，最終找出這些離散數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，并想盡辦法讓它的誤差平方和最小，力求結(jié)論精確，并得到自變量x和因變量y的一個(gè)函數(shù)近似解析表達(dá)式y(tǒng)=f(x)。

圖11 850 r/min缸蓋應(yīng)力與缸內(nèi)壓力擬合效果

采用多項(xiàng)式擬合函數(shù)Polyfit對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合是一種較為簡(jiǎn)便的方法。在編程環(huán)境下，它的調(diào)用格式為 p=polyfit（x，y，n）。其中 x，y為參與曲線擬合的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也分別是自變量與因變量，n為擬合多項(xiàng)式的次數(shù)。調(diào)取3號(hào)缸內(nèi)壓力信號(hào)和缸蓋應(yīng)變信號(hào)數(shù)據(jù)，記應(yīng)變信號(hào)為自變量xs，缸內(nèi)壓力信號(hào)為因變量yp。得到如圖11的函數(shù)關(guān)系式。

當(dāng)轉(zhuǎn)速為850r/min時(shí)，擬合曲線完美反映了離散點(diǎn)的變化趨勢(shì)。取n=3，這是一個(gè)三階函數(shù)。它的函數(shù)表達(dá)式為

其中系數(shù)P1、P2、P3、P4分別為2.269*10^-5、0.0002335、0.05417、-0.05113。

同理，可以求得在其他轉(zhuǎn)速下，氣缸的壓力與缸蓋應(yīng)變曲線與函數(shù)關(guān)系表達(dá)式：

圖12 750 r/min缸蓋應(yīng)力與缸內(nèi)壓力擬合效果

當(dāng)轉(zhuǎn)速為750r/min時(shí)其中系數(shù)P1、P2、P3、P4分 別 為 -8.948*10^-5、0.007014、-0.07315、0.6068。

圖13 950 r/min缸蓋應(yīng)力與缸內(nèi)壓力擬合效果

其中系數(shù)P1、P2、P3、P4分別為-3.262*10^-5、0.003531、-0.009859、0.3072。

圖14 1050 r/min缸蓋應(yīng)力與缸內(nèi)壓力擬合效果

其中系數(shù)P1、P2、P3、P4分別為-2.9712*10^-5、0.005465、-0.01229、0.5346。

4.3 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與“ε-P函數(shù)”的關(guān)系

柴油機(jī)不同轉(zhuǎn)速對(duì)缸蓋應(yīng)變與缸內(nèi)壓力的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式的影響，需要驗(yàn)證不同轉(zhuǎn)速下所得函數(shù)的一致性，y=f(x)在不同轉(zhuǎn)速下所得函數(shù)的偏離程度越小，則函數(shù)相似程度越高，也即函數(shù)就具有代表性。應(yīng)用Matlab將不同轉(zhuǎn)速下的壓力應(yīng)力關(guān)系曲線放在同一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)比較分析，可以看到低壓區(qū)的應(yīng)變量較小，傳感器的零漂不可忽視，形成了低壓區(qū)不同轉(zhuǎn)速的曲線有一定的分離。由于氣缸在低壓情況下安全沒(méi)有問(wèn)題，所以考慮使用高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的函數(shù)關(guān)系式作為缸蓋應(yīng)變信號(hào)反演氣缸內(nèi)壓力的“ε-P函數(shù)”比較合適，即f(x)=+++P4。

圖15 不同轉(zhuǎn)速下壓力應(yīng)力關(guān)系一致性對(duì)比效果

5 結(jié)語(yǔ)

為了有效間接測(cè)量柴油機(jī)缸內(nèi)壓力，提出了一種通過(guò)測(cè)量柴油機(jī)缸蓋所受到的應(yīng)變來(lái)得知柴油機(jī)缸內(nèi)壓力的方法。通過(guò)柴油機(jī)缸蓋應(yīng)力結(jié)構(gòu)仿真，分析了缸蓋收到的應(yīng)變分布情況，確定了應(yīng)變采集的具體位置；選擇合適的高溫壓力傳感器和采集系統(tǒng)，采集柴油機(jī)單缸缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)和缸蓋對(duì)應(yīng)的應(yīng)變信號(hào)，證實(shí)了缸蓋應(yīng)變信號(hào)測(cè)量法的正確性。通過(guò)Matlab數(shù)學(xué)軟件對(duì)兩組信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，給出了缸蓋應(yīng)變與缸內(nèi)壓力之間的“ε-P函數(shù)”關(guān)系。