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，應用范圍遍布工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防建設等各行各業(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變出發(fā)，研究缸內(nèi)壓力與缸蓋應變的關(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變效應。結(jié)構(gòu)如圖1所示，本文的關(guān)鍵就是研究缸蓋所產(chǎn)生的應變與缸內(nèi)壓力的內(nèi)在關(guān)系。

3 缸蓋應變研究方案

3.1 方案設計

柴油機運轉(zhuǎn)情況復雜，涉及到多種參量，包括缸蓋應變信號、缸壓信號、相位對應情況和時間同步等。研究方案設計了圖2所示的測試系統(tǒng)，其中主要包括6缸柴油機、應變片、應變片橋盒、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 實驗臺架設計

柴油機實驗臺架設計中，柴油機給出缸內(nèi)壓力、缸蓋應變等各種信號等，數(shù)據(jù)采集設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，應變片橋路和數(shù)據(jù)采集設備組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，共同組成圖3所示的柴油機缸蓋應變與缸內(nèi)壓力關(guān)系研究的測試系統(tǒng)。

3.3 缸蓋應變采集

3.3.1 應變片粘貼位置的選擇

金屬絲式應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變量是否實際反映了缸內(nèi)壓力的變化。根據(jù)缸蓋Mises應力分布（圖4）可知，缸蓋壁附近顏色為青色，表明缸蓋頂部應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，每個對應缸蓋壁處的應變最大［7］，選擇將應變片粘貼在每個汽缸中間的缸蓋壁上（圖5所示），在應變相同的測量方向粘貼兩個相同的應變片，配合通用應變采集橋盒組成半橋應變測試電路，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)壓力與缸蓋應變關(guān)系的信號。

圖4 缸蓋Mises應力分布

圖5 應變片實際粘貼位置

3.3.2 應變片檢測電路

R1和R2為金屬絲式應變片，實際應變片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處的缸蓋應變趨勢是相反的，當R1處應變增大時，R2處應變減小，輸出U0為正；反之，R1處應變減小時，R2處應變增大，輸出U0為負。針對6135D-3柴油機特性，使用該應變采集電路如圖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 應變量采集橋路設計

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，應變峰值出現(xiàn)的頻率增加，通過對應變信號周期的計算可知，應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缸蓋所受應變的綜合信號，為了研究這個信號與每個缸內(nèi)壓力之間的關(guān)系，本文應用Matlab將得到的信號分離，并將各缸的壓力-應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，可見缸蓋應變信號與缸內(nèi)壓力信號具有明確的對應函數(shù)關(guān)系。通過對缸蓋應變信號與缸內(nèi)壓力信號進行數(shù)學分析，找出兩者對應的函數(shù)關(guān)系。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下的3號缸蓋應變與缸內(nèi)壓力曲線

圖10 不同轉(zhuǎn)速下的4號缸蓋應變與缸內(nèi)壓力曲線

4.2 缸蓋應變與缸內(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，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)壓力信號和缸蓋應變信號數(shù)據(jù)，記應變信號為自變量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變曲線與函數(shù)關(guān)系表達式：

圖12 750 r/min缸蓋應力與缸內(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。應用Matlab將不同轉(zhuǎn)速下的壓力應力關(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變來得知柴油機缸內(nèi)壓力的方法。通過柴油機缸蓋應力結(jié)構(gòu)仿真，分析了缸蓋收到的應變分布情況，確定了應變采集的具體位置；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)和缸蓋對應的應變信號，證實了缸蓋應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，給出了缸蓋應變與缸內(nèi)壓力之間的“ε-P函數(shù)”關(guān)系。