李夢杰 王悅民 曾 權(quán)

（海軍工程大學動力工程學院 武漢 430000）

1 引言

柴油機是一種以柴油為燃料的內(nèi)燃機，燃油經(jīng)高壓油泵以霧狀噴入氣缸中，缸內(nèi)活塞運動將吸入缸內(nèi)的空氣壓縮，燃油與高溫高壓空氣的混合氣體點火燃燒，瞬間溫度可達500°以上。燃燒時釋放的能量推動活塞做功，進一步帶動曲軸連桿運動使熱能轉(zhuǎn)化為機械能。

柴油機自問世以來，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，柴油機無可爭議地成為當代動力機械中最重要的一部分，應(yīng)用范圍遍布工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防建設(shè)等各行各業(yè)。從船舶的實際使用情況來看，無論是遠洋巨輪還是內(nèi)河小艇，柴油機作為發(fā)電原動機占了絕對的主導地位。

我軍絕大多數(shù)的船只都以柴油機作為動力或者作為副機發(fā)電。而柴油機缸內(nèi)壓力，是對柴油機工作狀態(tài)和常規(guī)故障診斷最重要的兩大指標之一，開展艦艇柴油機缸內(nèi)壓力測試方法及其分析研究對提高戰(zhàn)斗力標準十分必要。在以往的柴油機缸內(nèi)壓力的識別檢測工作中，一般是在柴油機上安裝示功閥來對柴油機的缸內(nèi)工作壓力進行監(jiān)測和分析，但是示功閥通常只是安裝在噸位比較大型艦船上，相對中小型艦艇卻沒有安裝條件。隨著現(xiàn)代新型艦艇的大量下水，為了保證高轉(zhuǎn)速、高負荷的運行工況下柴油機及其系統(tǒng)的安全可靠性，柴油機壓力參數(shù)的動態(tài)實時監(jiān)測的需求已經(jīng)緊迫非常，而且，缸內(nèi)壓力作為一項重要指示參數(shù)，對柴油機氣缸壓力測量的創(chuàng)新發(fā)展提出了新的需求。開展針對中小艦艇柴油機缸內(nèi)壓力的實時監(jiān)測研究勢在必行。

在此之前，已有一些過缸蓋振動研究柴油機缸內(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，提出一種有效而簡單的新的柴油機缸體內(nèi)壓力的實時監(jiān)測方法。

2 柴油機缸內(nèi)壓力與缸蓋應(yīng)力的關(guān)系分析

柴油機在運轉(zhuǎn)過程中受到多種激勵源的作用，激勵源有燃燒激勵、排氣門氣流沖擊、氣閥落座沖擊、其他隨機激勵沖擊等［6］（圖1）。燃燒產(chǎn)生的爆發(fā)壓力是柴油機在運行過程中產(chǎn)生的高壓氣體對缸蓋系統(tǒng)產(chǎn)生的劇烈沖擊力，缸內(nèi)的燃燒激勵在這一過程中所帶來的沖擊應(yīng)力波實際上主要集中在柴油機的發(fā)火上止點階段，在做功沖程上止點位置，缸蓋整體受爆發(fā)壓力的沖擊達到最大，使柴油機缸蓋產(chǎn)生明顯的形變，在所有激勵源系統(tǒng)中對柴油機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。柴油機缸蓋這種固體介質(zhì)的一切質(zhì)點之間都是通過內(nèi)聚力彼此聯(lián)系著的，在柴油機工作過程中，當氣缸內(nèi)部壓力上升時，高壓氣體會直接沖擊柴油機缸蓋底部，缸蓋相關(guān)部分將會有明顯的應(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

柴油機運轉(zhuǎn)情況復雜，涉及到多種參量，包括缸蓋應(yīng)變信號、缸壓信號、相位對應(yīng)情況和時間同步等。研究方案設(shè)計了圖2所示的測試系統(tǒng)，其中主要包括6缸柴油機、應(yīng)變片、應(yīng)變片橋盒、壓力傳感器、接近開關(guān)傳感器、相位傳感器和多通道采集設(shè)備等。通過對柴油機進行參數(shù)調(diào)整，取得柴油機不同工況下的各傳感器的數(shù)值，采集設(shè)備將測得的數(shù)據(jù)傳送到電腦的采集軟件，通過采集軟件處理和Matlab進行數(shù)據(jù)處理，得到需要的測試結(jié)果。

圖2 缸壓測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 實驗臺架設(shè)計

柴油機實驗臺架設(shè)計中，柴油機給出缸內(nèi)壓力、缸蓋應(yīng)變等各種信號等，數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用了專門為振動噪聲、模態(tài)分析研發(fā)的uT34動態(tài)信號采集器，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所示的柴油機缸蓋應(yīng)變與缸內(nèi)壓力關(guān)系研究的測試系統(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，它直接影響到測到的應(yīng)變量是否實際反映了缸內(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。當缸內(nèi)壓力對缸蓋底部產(chǎn)生沖擊時，每個對應(yīng)缸蓋壁處的應(yīng)變最大［7］，選擇將應(yīng)變片粘貼在每個汽缸中間的缸蓋壁上（圖5所示），在應(yīng)變相同的測量方向粘貼兩個相同的應(yīng)變片，配合通用應(yīng)變采集橋盒組成半橋應(yīng)變測試電路，解決溫度補償問題的目的。由于柴油機缸蓋的對稱性，該應(yīng)變片的粘貼方式不僅可以消除溫度對橋路輸出的影響，還可以抵消大部分振動引起的噪聲，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。

圖4 缸蓋Mises應(yīng)力分布

圖5 應(yīng)變片實際粘貼位置

3.3.2 應(yīng)變片檢測電路

R1和R2為金屬絲式應(yīng)變片，實際應(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)變趨勢是相反的，當R1處應(yīng)變增大時，R2處應(yīng)變減小，輸出U0為正；反之，R1處應(yīng)變減小時，R2處應(yīng)變增大，輸出U0為負。針對6135D-3柴油機特性，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

3.4 缸內(nèi)壓力信號采集

測試系統(tǒng)采用了PTG701b耐高溫壓力傳感器。通過柴油機缸蓋底部向上打孔缸壓信號，再從氣缸蓋側(cè)面打孔進入柴油機內(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綜復雜，要避開油路、水路、氣路，才能確保實驗正常進行。此外，引壓管各處溫度很高，系統(tǒng)設(shè)計了一個冷卻水管達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及冷卻水管

4 信號處理與分析

4.1 信號分析

為了解柴油機在不同轉(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750r/min、850r/min、950r/min、1050r/min轉(zhuǎn)速下的應(yīng)變測量數(shù)據(jù)，測量結(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，通過對應(yīng)變信號周期的計算可知，應(yīng)變片信號周期與柴油機氣缸內(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是兩個氣缸對應(yīng)缸蓋所受應(yīng)變的綜合信號，為了研究這個信號與每個缸內(nèi)壓力之間的關(guān)系，本文應(yīng)用Matlab將得到的信號分離，并將各缸的壓力-應(yīng)變放在同一個坐標軸下對比，得到如圖9、圖10波形圖?？梢钥吹?，將一個通道內(nèi)的3號、4號缸蓋應(yīng)變信號分離后與缸內(nèi)壓力信號對比，無論是3號缸還是4號缸，應(yīng)變信號總是跟隨柴油機缸內(nèi)壓力保持同步變化，可見缸蓋應(yīng)變信號與缸內(nèi)壓力信號具有明確的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系。通過對缸蓋應(yīng)變信號與缸內(nèi)壓力信號進行數(shù)學分析，找出兩者對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。

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

圖10 不同轉(zhuǎn)速下的4號缸蓋應(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)用于科學技術(shù)的各個領(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)典理論分析推導得出［8］，不僅為進一步的分析研究工作提供理論基礎(chǔ)，也可以方便解決實際工程問題。但是在很多工程問題中，并不能直接推導出變量之間的函數(shù)關(guān)系，或者即使能得到表達式，公式也十分復雜，不利于進一步的分析計算。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，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的一個函數(shù)近似解析表達式y(tǒng)=f(x)。

圖11 850 r/min缸蓋應(yīng)力與缸內(nèi)壓力擬合效果

采用多項式擬合函數(shù)Polyfit對數(shù)據(jù)進行曲線擬合是一種較為簡便的方法。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驗數(shù)據(jù)，也分別是自變量與因變量，n為擬合多項式的次數(shù)。調(diào)取3號缸內(nèi)壓力信號和缸蓋應(yīng)變信號數(shù)據(jù)，記應(yīng)變信號為自變量xs，缸內(nèi)壓力信號為因變量yp。得到如圖11的函數(shù)關(guān)系式。

當轉(zhuǎn)速為850r/min時，擬合曲線完美反映了離散點的變化趨勢。取n=3，這是一個三階函數(shù)。它的函數(shù)表達式為

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)系表達式：

圖12 750 r/min缸蓋應(yīng)力與缸內(nèi)壓力擬合效果

當轉(zhuǎn)速為750r/min時其中系數(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 柴油機轉(zhuǎn)速與“ε-P函數(shù)”的關(guān)系

柴油機不同轉(zhuǎn)速對缸蓋應(yīng)變與缸內(nèi)壓力的函數(shù)關(guān)系表達式的影響，需要驗證不同轉(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)系曲線放在同一個坐標系內(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有問題，所以考慮使用高速運轉(zhuǎn)下的函數(shù)關(guān)系式作為缸蓋應(yīng)變信號反演氣缸內(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)系一致性對比效果

5 結(jié)語

為了有效間接測量柴油機缸內(nèi)壓力，提出了一種通過測量柴油機缸蓋所受到的應(yīng)變來得知柴油機缸內(nèi)壓力的方法。通過柴油機缸蓋應(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)，采集柴油機單缸缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)和缸蓋對應(yīng)的應(yīng)變信號，證實了缸蓋應(yīng)變信號測量法的正確性。通過Matlab數(shù)學軟件對兩組信號進行數(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。