袁 健

（南通航運職業(yè)技術學院輪機工程系，江蘇南通 226010）

電子示功器運用于柴油機運行工況監(jiān)測及燃燒分析研究

袁 健

（南通航運職業(yè)技術學院輪機工程系，江蘇南通 226010）

簡述了電子示功圖運用于柴油機缸內過程監(jiān)測的原理，結合實際船舶，運用便攜式電子示功器開展了柴油機運行工況監(jiān)測工作及燃燒分析研究，在營運船舶主機的工況監(jiān)測方面進行了有效的探索。

柴油機；工況監(jiān)測；電子示功器；示功圖

示功圖可用于監(jiān)測柴油機的爆壓、發(fā)火點等基本參數，還可以用于計算功率、放熱量、熱效率以及分析柴油機各缸燃燒過程［1］。運用示功圖對柴油機某一運行工況進行各缸功率比較，評價各缸機械負荷及動力負荷平衡性，為負荷調整提供依據；還可通過對柴油機在不同工況下的示功圖進行分析，推算出燃燒釋放的熱量與釋放速度，具體地揭示燃燒的演變過程，為準確預測柴油機的工況積累必要的數據資料。數據積累得越多就越有把握預測柴油機運行性能的變化［2］。

電子示功器因其測量精度高，功能強大，可進行示功圖分析并結合計算機軟件進行柴油機運行工況檢測及燃燒分析，其優(yōu)點遠勝于傳統(tǒng)的機械式示功器，尤其適合大型低速柴油機工作過程日常監(jiān)測、故障診斷與趨勢預測，為降低油耗、延長壽命、控制維修成本提供依據。

本文結合實際船舶，運用便攜式電子示功器開展柴油機運行工況監(jiān)測工作及燃燒分析研究。

1 電子示功圖的測量

1．1 ZCP型便攜式電子示功器組件及技術指標

ZCP型便攜式電子示功器由氣缸壓力探頭（傳感器）、曲軸轉角探頭（傳感器）、主機（數據采集）及配套的分析軟件等組成。氣缸壓力探頭采用ZCY－25型超高溫動態(tài)壓力傳感器，核心部件為超級壓電晶體，無需水冷，可長期在高溫下工作，性能穩(wěn)定，滿足柴油機示功圖長期監(jiān)測要求。安裝于柴油機的示功閥接收壓力信號。曲軸轉角探頭采用ZCA－1型，由一個霍爾傳感器組成，安裝在柴油機飛輪處，測量柴油機第一缸上止點信號。主機采用便攜式ZCP型，內置數據采集模塊，與氣缸壓力探頭和曲軸轉角探頭配套使用，將采集到的柴油機各個氣缸示功圖進行顯示圖形、分析結果并儲存，還可以通過USB接口上傳計算機進一步分析。

分析軟件（MIP SYSTEM 2009型）用于示功圖采集和分析的計算機軟件，在計算機上安裝后，可對采集的數據進行燃燒分析、參數趨勢預測及超限報警、油耗分析等。

ZCP型便攜式電子示功器適用范圍：氣缸壓力為0～25MPa，誤差為±1%，轉速為60～1 500r／min，誤差為±1r／min。適用環(huán)境要求見表1。

表1 ZCP型電子示功器適用環(huán)境

1．2 測量主機示功圖

監(jiān)測對象為2010年造17萬噸散貨船舶主機，型號為HYUNDAI MAN B＆W 6S70MC6大型低速柴油機，其結構參數見表2。該主機工況良好，性能優(yōu)異。目前考慮降低營運成本，工作轉速采用82r／min，選擇在此工況下測取示功圖。

表2 HYUNDAI MAN B＆W 6S70MC6型主機結構參數

電子示功器數據采集接線如圖1所示。保持第一缸在上止點位置；將ZCY－25型氣缸壓力探頭連接至所測缸的示功閥上；用支架將ZCA－1型曲軸轉角探頭對準飛輪端，使霍爾傳感器與飛輪表面相對應，將配套的一塊磁鋼（磁鋼S極向上）用強力膠粘結在清潔的飛輪表面，調整磁鋼與霍爾傳感器之間距離在2～4mm之間；在通電狀態(tài)下，當探頭對準磁鋼時，指示燈應亮，否則反轉磁鋼。注意：ZCA－1型曲軸轉角探頭過分緊固于支架上易使傳感器損壞。曲軸轉角探頭安裝見圖2。

1．3 上止點的誤差修正

上止點正確與否對示功圖功率計算的準確性起到決定作用。雖然安裝了曲軸轉角探頭測取上止點，但是在柴油機工作時，由于軸承間隙的變化、零部件的變形、柴油機轉速不穩(wěn)等因素，使示功圖熱力上止點發(fā)生偏移。為此可通過純壓縮壓力線法，即測量柴油機氣缸純壓縮壓力曲線來修正這一偏移量。

圖1 電子示功器數據采集接線

圖2 曲軸轉角探頭安裝

測量方法如下：調整柴油機在測試轉速下運行，被測缸短時停油，用ZCP型電子示功器測量示功圖，用分析軟件打開示功圖，示功圖上的最高壓力點就是實際的上止點，或在示功圖曲線上端作若干條平行于大氣壓力的直線，上止點線就是這些直線的中點連線［3］。

2 示功圖測量結果與分析

2．1 測量結果

表3和圖3分別為通過分析實測的各缸電子示功圖獲取的主要參數和各缸疊加p－φ示功圖（p為氣缸內氣壓，φ為曲柄轉角）。利用分析軟件可將所測的各缸電子示功圖數據上傳到電腦中進行燃燒分析，以獲得各個氣缸熱功轉換的詳細信息［4］。圖4是電子示功器實測各缸示功圖的燃燒分析曲線。

表3 實測各缸示功圖主要參數

圖3 實測各缸疊加p－φ示功圖

2．2 數據分析

2．2．1 負荷平衡分析

3號缸循環(huán)功（見表3）為1 829．6kJ，稍高于其他各缸；1號缸最低，為1809．1kJ，兩缸相差20．5kJ，而兩者爆壓則相差不大。

柴油機管理中的主要內容之一是保持各缸負荷的平衡，柴油機負荷與柴油機的熱負荷、機械負荷、油耗密切相關［5］。表3中數據表明：盡管柴油機各缸的爆壓相差無幾，但單缸循環(huán)功相差較大，因而各缸負荷相差較大。通過測量各缸示功圖，計算各缸示功圖的單缸循環(huán)功，可知各缸負荷是否平衡及相差的大小，為各缸負荷調整提供依據。

2．2．2 壓力分析

在柴油機的管理中，壓力升高率是反映柴油機工作粗暴程度的指標，最高爆炸壓力是柴油機機械負荷的指標［6］。通過對比分析各缸的這2個參數，能夠準確判斷各缸工作是否異常。表3中數據表明，3號缸最高爆炸壓力（13．0MPa）和壓力升高率（0．210 MPa／（°））偏高，據此可推斷出該缸機械負荷和工作粗暴程度較高，易導致機件過早磨損，是檢修時要重點關注的對象。

2．2．3 定時分析

著火點及爆壓位置可用于分析柴油機的定時是否準確，是反映柴油機熱功轉換效率的間接性指標［7］。3號缸的著火點為－9．6°和最高燃燒壓力位置（爆壓位置）為11．4°，較其他缸提前，同時指示功率（2500．5 kW）偏高，可判斷該缸噴油提前。這在后來的檢修中得到證實。

通過對圖3實測各缸疊加p－φ示功圖進行比照分析，可看出各缸定時是否準確和差異性。3號缸的著火點和噴油定時提前在該圖中得到了印證。

2．2．4 示功圖的燃燒分析

燃燒分析方法：建立以能量守恒定律為依據的柴油機氣缸內工質能量平衡方程，將示功圖代入，以表格或圖形的形式來表征氣缸內工質能量變化規(guī)律［8］。

燃燒過程工質內能U的變化：

式中：mz為工質質量，uz為單位質量工質比熱力學能。

氣體對氣缸周壁的散熱率［9］為

式中：Qw為散熱量；α為換熱系數；Aw為換熱壁面面積；T為工質溫度；Tw1為活塞表面溫度；Tw2為氣缸蓋底面溫度；Tw為氣缸套表面溫度；D為氣缸直徑；V為工質體積；φ為曲柄轉角；

Twi按經驗公式確定［10］，即：

式中pe為平均有效壓力。

工質對外做功：

式中：P為工質作用在活塞上的力。

可燃混合氣燃燒放熱dθ［11］：

燃燒放熱率：

由分析軟件按上述方程計算的瞬時放熱率、累積放熱百分比曲線形式（見圖4），結果表明，其具有較好的吻合性和較高的精度。從圖4中的曲線1可以直接找出瞬時放熱率的最大值約為67kJ／（°），相應的曲柄轉角大約出現在上止點后13°位置。

利用圖4還可以直觀顯示的燃燒參數有：燃燒始點、燃燒終點和最高燃燒溫度等；可進行區(qū)分比較的燃燒過程有：燃燒4階段（滯燃期、急燃期、穩(wěn)燃期、后燃期）及燃燒持續(xù)期。由圖4看出：在該工況下，燃燒始點約為－8°，燃燒終點約為40°，燃燒持續(xù)期約為48°；最高爆壓出現在大約上止點后18°處，最大爆壓值約為13MPa（130bar）。由燃燒始點及缸內爆壓出現點可知，急燃期約為26°；缸內最高溫度出現在上止點后約25°處，最高溫度約為1 700K，由缸內爆壓出現點及最高溫度點可知穩(wěn)燃期為7°。

另外，還可從圖4中看出：后燃期及后燃期放熱量的大小；減少后燃、減小后燃期放熱量，可有效降低燃油消耗［12］。

3 結論

（1）通過測量各缸示功圖及計算單缸循環(huán)功、指示功率，可知各缸負荷是否平衡及相差的大小，為各缸負荷調整提供依據。有時柴油機各缸的爆壓相差不大，而循環(huán)功相差較大，則各缸負荷相差較大。

（2）借助示功圖及最高爆炸壓力、壓力升高率比較，可推斷出某些汽缸的機械負荷高低和工作粗暴程度，以便及時采取措施避免機件過早磨損。

（3）通過疊加示功圖可以較精確地判斷柴油機各缸定時是否準確及各缸的差異。

（4）用電子示功器分析軟件得到的燃燒分析曲線可以較直觀顯示各缸瞬時放熱率、累計放熱百分比、燃燒溫度及各燃燒參數，揭示燃燒的演變過程，結果表明其具有較好的吻合性和較高的精度。

（5）建議曲軸轉角探頭（傳感器）采用由霍爾傳感器和齒輪傳感器共同組成的ZCA－2型，用齒輪傳感器測量飛輪上的齒輪脈沖信號，對曲軸轉角進行精確分度，可以消除低速柴油機曲軸轉速瞬時波動造成的示功圖測量誤差。

（References）

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Study on diesel engine operational condition monitoring and combustion analysis by using electronic indicator

Yuan Jian
（Department of Marine Engineering，Nantong Shipping College，Nantong 226010，China）

The principles and characteristics for condition monitoring and diagnosis of marine diesel engine incylinder processes are introduced based on indicator diagram．Combining with the real ship，using portable electronic indicator to monitor the machine operational condition and analyse the diesel engine combustion has been discussed．Effective condition monitoring in the operation of the ship host is explored．

diesel；condition monitoring；electronic indicator；indicator diagram

TK42－33

A

1002－4956（2015）3－0093－04

2014－09－09

袁健（1966－），男，江蘇南通，工學碩士，副教授，南通航運職業(yè)技術學院輪機工程系副主任，遠洋輪機長，主要從事輪機工程技術與管理研究．

E－mail：yuanjian＠ntsc．edu．cn