基于波义耳定律的活塞上止点位置查找法

黄琪 吉林 吴鹏 贺泽龙

（1-重庆科技学院机械与动力工程学院重庆4013312-中国嘉陵集团工程技术中心3-重庆海德世拉索系统集团有限公司）

基于波义耳定律的活塞上止点位置查找法

黄琪1吉林2吴鹏3贺泽龙1

（1-重庆科技学院机械与动力工程学院重庆4013312-中国嘉陵集团工程技术中心3-重庆海德世拉索系统集团有限公司）

介绍了一种基于波义耳定律来快速查找摩托车发动机活塞上止点位置的检测方法，对不同类型的摩托车发动机采用该方法测试的有效性进行了分析研究，并在常见摩托车汽油发动机上进行了实验验证。实验表明，采用该方法能够有效降低测试时间和提高测量精度。

摩托车汽油发动机活塞上止点波义耳定律

引言

在摩托车发动机配气相位分析和产品生产一致性检查中，发动机活塞上止点位置的查找对检测效率和结果的准确性都有很大影响。而目前常用的活塞上止点查找方法是将百分表用夹具固定在火花塞安装孔中，通过观察表针的摆动位置来查找活塞上止点位置。该结构装夹复杂，必须确保百分表测杆完全垂直于活塞的上端面，才能保证测试数据最大程度和实际相符[1～3]。

而我国大多数摩托车发动机的火花塞安装孔的位置并不位于活塞的正上方，而是与活塞运行轴线方向存在较大的夹角，这就导致采用传统的百分表打表法不能查找出上止点位置，还存在折断表针，损坏发动机的风险[4，5]。

1 测试方法介绍

1.1 波义耳定律

玻义耳定律（Boyle's law，又称Mariotte's Law或波马定律）：“在密闭容器中的定量气体，在恒温下，气体的压强和体积成反比关系。

其中：V是指气体的体积，P指压强，C为一常数。

1.2 测试原理介绍

125 mL系列（含150 mL）通用型摩托车汽油发动机活塞上有两道密封气环，开口间隙一般不超过0.35 mm，所围成的空隙正投影面积远小于0.1 mm2，因此可将其上部视为密闭空间；同时在常温下测试，气体温度几乎没有变化，符合波义耳定律要求。按照波义耳定律可将测试装置设计为如图1所示结构，当活塞缓慢向上移动时，燃烧室内气体受到压缩，产生压强。当指示液b受到的压力大于摩擦力时，将向左移动，直至压力小于摩擦力后保持平衡；当活塞缓慢向下移动时，燃烧室d内气体产生负压，当指示液b受到的压力大于摩擦力时，指示液b将在指示管内向右移动，直至气压保持平衡。可将其原理简化为图2所示。

图1 测试简图

图2 上止点测试装置简化模型

如图2所示，初始状态时内外压力平衡，气体初始压力约等于大气压力P0，当Sa向右移动△La的距离后，Sb将向右移动△Lb的距离，此时气体内部压力为大气压力P0与指示液b的摩擦力fb之和P2；

根据波义耳定律可建立如下方程：

可换算为如下形式：

如公式6所示，测试精度△Lb和活塞面积成正比、测试内径成反比；同时测试管长度、燃烧室体积也对测试结果有重要影响。在发动机型号不变的情况下，降低指示管截面积Sa、测试管长Lb和指示液阻力fb会对检测精度有较大帮助。

1.3 测试参数确定

综合考虑制作材料、精度参数的影响，为防止指示管的毛细管作用产生粗大误差，特将指示管内径选用为2 mm的聚氯乙烯管。兼顾安装位置等因素，测试管长应处于100～200 mm之间，特选用150 mm中间位置作为测试管长进行计算。同时为考虑指示剂的通用性，采用了纯净水作为指示剂。由于水和聚氯乙烯具有较好的浸润性，蒸馏水会在表面张力的作用下玻璃管中形成一段密封的液体，在管内自由移动。为了简化计算参数和步骤，对指示液按如图3所示的受力分析进行了测算。

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图3 指示液液滴阻力简易测算示意图

液滴滑动阻力f1=G×sin β

截取一段聚氯乙烯管，吸入一定长度的纯净水，在环境温度为20℃条件下，将一端缓慢抬起，记录液滴即将运动时的角度β，从而计算液滴的滑动阻力。测试结果如表1所示。

根据表1测试结果，考虑到液滴阻力、稳定性等因素，我们将采用约10 mm长的指示液滴作为指示剂。该液滴阻力约为19.6×10-5N。

1.4 测试精度分析

人眼分辨率为0.2 mm，考虑到环境因素的影响，当指示液移动1 mm作为分辨率的最低限时，对市场上摩托车主要机型的测试精度进行了分析。如表2所示。

通过对不同排量摩托车发动机测试精度进行分析，活塞位置变化量在0.003～0.007 mm以内时，在指示液上都会有将近1 mm的位置变化，能够被人眼所察觉，也高于百分表打表法查找上止点0.02 mm的精度要求。

表1 指示液阻力测试汇总表

表2 摩托车各排量机型测试精度分析

2 测试装置的实际应用

如图4所示，可得到以下公式：

同时依据三角函数公式：

可得出：

经计算，采用本文设计的测试方法最小误差（活塞位移量）为0.003～0.007 mm之间。对应的转角为0.8°～1.0°之间，考虑到活塞在进程和回程时，转角有重叠，所对应的曲柄转角近似为误差转角的两倍，如图4所示。

图4 曲柄转角分析

对测试装置进行加工，并对主要的摩托车发动机机型进行测试，其测试结果如下表3所示。

由于在理论计算中未考虑轴承间隙，活塞偏角等因素影响，理论误差通过对实测数据进行分析，实测角度误差计算值偏大，但基本与理论计算值相符。

表3 摩托车各排量机型实际测试分析

3 结论

通过对数据的比较和测试结果的分析，基于波义耳定律的活塞上止点的查找方法是有效可行的，测试精度，重复性误差都在要求范围内，其测试角度误差基本能控制在±1°之间，解决了活塞侧置类发动机静上止点的查找问题，对发动机配气相位分析，产品抽查等有重要指导意义。

由于该方法是基于波义耳定律的，在测试中要求发动机无拉缸、漏气等异常。同时，测试速度不宜过快，发动机测试环境温度不能产生较大波动。

1于明进，程勇.用活塞位移确定上止点相位的方法[J].山东交通学院学报，2003（3）：8～11

2文开华.如何确定发动机活塞压缩行程上止点[J].贵州农机化.2004（3）：45

3于明进，程勇，吴波，等.用活塞位移确定上止点相位方法的探讨[J].内燃机学报.2004，22（4）：373～378

4邹喜红，陈翀，杨英.压缩线法求动态上止点[J].小型内燃机与摩托车，2003，32（6）：13～15

5刘浩龙，汤东，陆玲亚，等.压缩线法确定压缩上止点的研究[J].农机化研究，2005（3）：109～111

Search Method for Piston TDC Position Based on Boyle′s Law

Huang Qi1,Ji Ling2,Wu Peng3,He Zelong1
1-College of Mechanical and Power Engineering，Chongqing University of Science and Technology（Chongqing，401331，China）；2-Technique Center of Jialing Company 3-Chongqing HI-LEX Cable System（Group）Co.，Ltd.

This paper introduces a rapid detection method about finding out the piston TDC position of motorcycle engine based on Boyle's law.The method validity is analyzed and studied on different motorcycle engines by applying it，and the experimental verifications are carried out on common motorcycle gasoline engines.Experimental results show that this method can effectively reduce test time and improve measurement precision.

Motorcycle，Gasoline engine，Piston TDC，Boyle′s law

TK403

A

2095-8234（2014）06-0054-04

2014-09-17）

黄琪（1974-），男，正高级工程师，主要从事发动机设计、仿真分析及测试等。