柴油机缸盖应变和单缸缸内压力的关系研究∗

李梦杰 王悦民 曾 权

（海军工程大学动力工程学院 武汉 430000）

1 引言

柴油机是一种以柴油为燃料的内燃机，燃油经高压油泵以雾状喷入气缸中，缸内活塞运动将吸入缸内的空气压缩，燃油与高温高压空气的混合气体点火燃烧，瞬间温度可达500°以上。燃烧时释放的能量推动活塞做功，进一步带动曲轴连杆运动使热能转化为机械能。

柴油机自问世以来，就因能明显提高热效率而得到广泛应用。特别是涡轮增压技术出现以后，柴油机无可争议地成为当代动力机械中最重要的一部分，应用范围遍布工业、农业、国防建设等各行各业。从船舶的实际使用情况来看，无论是远洋巨轮还是内河小艇，柴油机作为发电原动机占了绝对的主导地位。

我军绝大多数的船只都以柴油机作为动力或者作为副机发电。而柴油机缸内压力，是对柴油机工作状态和常规故障诊断最重要的两大指标之一，开展舰艇柴油机缸内压力测试方法及其分析研究对提高战斗力标准十分必要。在以往的柴油机缸内压力的识别检测工作中，一般是在柴油机上安装示功阀来对柴油机的缸内工作压力进行监测和分析，但是示功阀通常只是安装在吨位比较大型舰船上，相对中小型舰艇却没有安装条件。随着现代新型舰艇的大量下水，为了保证高转速、高负荷的运行工况下柴油机及其系统的安全可靠性，柴油机压力参数的动态实时监测的需求已经紧迫非常，而且，缸内压力作为一项重要指示参数，对柴油机气缸压力测量的创新发展提出了新的需求。开展针对中小舰艇柴油机缸内压力的实时监测研究势在必行。

在此之前，已有一些过缸盖振动研究柴油机缸内压力的一些研究［1～5］，本文将从缸盖所受到的应变出发，研究缸内压力与缸盖应变的关系，提出一种有效而简单的新的柴油机缸体内压力的实时监测方法。

2 柴油机缸内压力与缸盖应力的关系分析

柴油机在运转过程中受到多种激励源的作用，激励源有燃烧激励、排气门气流冲击、气阀落座冲击、其他随机激励冲击等［6］（图1）。燃烧产生的爆发压力是柴油机在运行过程中产生的高压气体对缸盖系统产生的剧烈冲击力，缸内的燃烧激励在这一过程中所带来的冲击应力波实际上主要集中在柴油机的发火上止点阶段，在做功冲程上止点位置，缸盖整体受爆发压力的冲击达到最大，使柴油机缸盖产生明显的形变，在所有激励源系统中对柴油机的缸盖形变的影响最大。排气门节流冲击是高压气体冲击气门和气门座间隙产生的较小冲击力；气阀落座冲击和其他冲击力就更小了。

图1 缸盖应变激励源

燃烧冲击所产生的冲击力是引起缸盖产生应变的主要原因。柴油机缸盖这种固体介质的一切质点之间都是通过内聚力彼此联系着的，在柴油机工作过程中，当气缸内部压力上升时，高压气体会直接冲击柴油机缸盖底部，缸盖相关部分将会有明显的应变效应。结构如图1所示，本文的关键就是研究缸盖所产生的应变与缸内压力的内在关系。

3 缸盖应变研究方案

3.1 方案设计

柴油机运转情况复杂，涉及到多种参量，包括缸盖应变信号、缸压信号、相位对应情况和时间同步等。研究方案设计了图2所示的测试系统，其中主要包括6缸柴油机、应变片、应变片桥盒、压力传感器、接近开关传感器、相位传感器和多通道采集设备等。通过对柴油机进行参数调整，取得柴油机不同工况下的各传感器的数值，采集设备将测得的数据传送到电脑的采集软件，通过采集软件处理和Matlab进行数据处理，得到需要的测试结果。

图2 缸压测试系统结构图

3.2 实验台架设计

柴油机实验台架设计中，柴油机给出缸内压力、缸盖应变等各种信号等，数据采集设备采用了专门为振动噪声、模态分析研发的uT34动态信号采集器，应变片桥路和数据采集设备组成数据采集系统，共同组成图3所示的柴油机缸盖应变与缸内压力关系研究的测试系统。

3.3 缸盖应变采集

3.3.1 应变片粘贴位置的选择

金属丝式应变片的粘贴方式和粘贴位置十分重要，它直接影响到测到的应变量是否实际反映了缸内压力的变化。根据缸盖Mises应力分布（图4）可知，缸盖壁附近颜色为青色，表明缸盖顶部应力分部主要集中在气缸壁。当缸内压力对缸盖底部产生冲击时，每个对应缸盖壁处的应变最大［7］，选择将应变片粘贴在每个汽缸中间的缸盖壁上（图5所示），在应变相同的测量方向粘贴两个相同的应变片，配合通用应变采集桥盒组成半桥应变测试电路，解决温度补偿问题的目的。由于柴油机缸盖的对称性，该应变片的粘贴方式不仅可以消除温度对桥路输出的影响，还可以抵消大部分振动引起的噪声，最终获得能够正确地发映出缸内压力与缸盖应变关系的信号。

图4 缸盖Mises应力分布

图5 应变片实际粘贴位置

3.3.2 应变片检测电路

R1和R2为金属丝式应变片，实际应变片R1和R2的粘贴位置如图5所示。由于两缸发火次序不一样，R1处和R2处的缸盖应变趋势是相反的，当R1处应变增大时，R2处应变减小，输出U0为正；反之，R1处应变减小时，R2处应变增大，输出U0为负。针对6135D-3柴油机特性，使用该应变采集电路如图6所示，图6中的R3和R4为采集系统配套桥盒内电阻。

图6 应变量采集桥路设计

3.4 缸内压力信号采集

测试系统采用了PTG701b耐高温压力传感器。通过柴油机缸盖底部向上打孔缸压信号，再从气缸盖侧面打孔进入柴油机内部，在缸盖内形成L形通道，在缸盖侧面接打孔处引压管，将柴油机缸内压力引出缸盖外。打孔的位置选择很重要，缸盖上油气水通道错综复杂，要避开油路、水路、气路，才能确保实验正常进行。此外，引压管各处温度很高，系统设计了一个冷却水管达到压力传感器物理降温的效果（图7所示）。

图7 压力传感器安装位置点及冷却水管

4 信号处理与分析

4.1 信号分析

为了解柴油机在不同转速下缸盖应变与缸内压力的关系，分别提取柴油机750r/min、850r/min、950r/min、1050r/min转速下的应变测量数据，测量结果如图8所示。随着转速的加大变化，应变峰值出现的频率增加，通过对应变信号周期的计算可知，应变片信号周期与柴油机气缸内爆发压力的产生周期完全一致。

由于桥路输出的信号是两个气缸对应缸盖所受应变的综合信号，为了研究这个信号与每个缸内压力之间的关系，本文应用Matlab将得到的信号分离，并将各缸的压力-应变放在同一个坐标轴下对比，得到如图9、图10波形图。可以看到，将一个通道内的3号、4号缸盖应变信号分离后与缸内压力信号对比，无论是3号缸还是4号缸，应变信号总是跟随柴油机缸内压力保持同步变化，可见缸盖应变信号与缸内压力信号具有明确的对应函数关系。通过对缸盖应变信号与缸内压力信号进行数学分析，找出两者对应的函数关系。

图9 不同转速下的3号缸盖应变与缸内压力曲线

图10 不同转速下的4号缸盖应变与缸内压力曲线

4.2 缸盖应变与缸内压力之间的函数关系

Matlab具有多种数据处理分析的能力，其中非线性曲线拟合功能应用于科学技术的各个领域中，不同变量之间的相互关系通常用函数关系描述，有些函数关系可由经典理论分析推导得出［8］，不仅为进一步的分析研究工作提供理论基础，也可以方便解决实际工程问题。但是在很多工程问题中，并不能直接推导出变量之间的函数关系，或者即使能得到表达式，公式也十分复杂，不利于进一步的分析计算。由于研究需要希望得到这些变量之间的函数关系，这时就可以利用曲线拟合的方法［9～12］，最终找出这些离散数据的变化趋势，并想尽办法让它的误差平方和最小，力求结论精确，并得到自变量x和因变量y的一个函数近似解析表达式y=f(x)。

图11 850 r/min缸盖应力与缸内压力拟合效果

采用多项式拟合函数Polyfit对数据进行曲线拟合是一种较为简便的方法。在编程环境下，它的调用格式为 p=polyfit（x，y，n）。其中 x，y为参与曲线拟合的实验数据，也分别是自变量与因变量，n为拟合多项式的次数。调取3号缸内压力信号和缸盖应变信号数据，记应变信号为自变量xs，缸内压力信号为因变量yp。得到如图11的函数关系式。

当转速为850r/min时，拟合曲线完美反映了离散点的变化趋势。取n=3，这是一个三阶函数。它的函数表达式为

其中系数P1、P2、P3、P4分别为2.269*10^-5、0.0002335、0.05417、-0.05113。

同理，可以求得在其他转速下，气缸的压力与缸盖应变曲线与函数关系表达式：

图12 750 r/min缸盖应力与缸内压力拟合效果

当转速为750r/min时其中系数P1、P2、P3、P4分 别 为 -8.948*10^-5、0.007014、-0.07315、0.6068。

图13 950 r/min缸盖应力与缸内压力拟合效果

其中系数P1、P2、P3、P4分别为-3.262*10^-5、0.003531、-0.009859、0.3072。

图14 1050 r/min缸盖应力与缸内压力拟合效果

其中系数P1、P2、P3、P4分别为-2.9712*10^-5、0.005465、-0.01229、0.5346。

4.3 柴油机转速与“ε-P函数”的关系

柴油机不同转速对缸盖应变与缸内压力的函数关系表达式的影响，需要验证不同转速下所得函数的一致性，y=f(x)在不同转速下所得函数的偏离程度越小，则函数相似程度越高，也即函数就具有代表性。应用Matlab将不同转速下的压力应力关系曲线放在同一个坐标系内比较分析，可以看到低压区的应变量较小，传感器的零漂不可忽视，形成了低压区不同转速的曲线有一定的分离。由于气缸在低压情况下安全没有问题，所以考虑使用高速运转下的函数关系式作为缸盖应变信号反演气缸内压力的“ε-P函数”比较合适，即f(x)=+++P4。

图15 不同转速下压力应力关系一致性对比效果

5 结语

为了有效间接测量柴油机缸内压力，提出了一种通过测量柴油机缸盖所受到的应变来得知柴油机缸内压力的方法。通过柴油机缸盖应力结构仿真，分析了缸盖收到的应变分布情况，确定了应变采集的具体位置；选择合适的高温压力传感器和采集系统，采集柴油机单缸缸内压力数据和缸盖对应的应变信号，证实了缸盖应变信号测量法的正确性。通过Matlab数学软件对两组信号进行数据分析，给出了缸盖应变与缸内压力之间的“ε-P函数”关系。