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1、第八章 示功图测录与分析 337第八章 示功图测录与分析示功图是气缸内工质压力随气缸容积或曲轴转角变化的图形。它通过专门的测量仪器示功器进行测量。它是研究柴油机气缸内工作过程完善程度的重要依据，也是用来计算柴油机指示功率的依据，同时还可作为柴油机动力计算和强度计算的资料。通过示功图可研究气缸内的燃烧过程、燃烧放热规律，计算缸内温度，评估扫气过程，计算柴油机指示功率，确定柴油机最大爆发压力和压缩压力等等。由于它能以图形显示气缸内的工作过程，而且测试仪器简单实用，因此在柴油机测试中，示功图的测取占有非常重要的地位。 通常，在船舶轮机管理中应定期测录运转柴油机的示功图，且对测取的示功图进行计算和分析
2、。根据其计算和分析结果，结合其它运转参数来判断柴油机的工作性能，并可对其进行适当的调整，保证柴油机在最佳状态下运转，提高其经济性、动力性和可靠性。第一节 示功图的测录 测取气缸示功图的仪器统称为示功器。根据其工作原理的不同，示功器可分为机械式示功器、气电式示功器和电子式示功器。船上常用的是机械示功器。随着电子技术的应用，在现代船舶上，电子式示功器的使用也不断增多。 一、机械式示功器 机械式示功器是一种使用较早的示功器，目前在船用低速和部分中速柴油机上仍在使用，它是利用机械位移方法测量气缸内压力和活塞位移。机械示功器按使用的示功弹簧形式不同，可以分为螺旋弹簧式和柱簧式两种。两者在结构原理上相同，
3、所不同的是前者使用螺旋形弹簧，刚度小，适合于转速为400r/min以下的柴油机使用；后者使用等强度柱形弹簧，刚度大，适合于转速在7001000r/min的柴油机使用。以下主要介绍螺旋弹簧式示功器。 1结构和工作原理 机械示功器的结构原理如图8-1-1所示，它由压力感受机构、转筒机构和记录机构三部分组成。压力感受机构包括小活塞5、活塞杆4及示功弹簧1等，用来感受气缸内压力变化并以示功器小活塞位移输出；转筒机构包括绳索9和转筒8，用来反映柴油机活塞位移；记录机构包括杠杆3和画笔机构2，具有平行放大作用，画笔的自由端装有铜笔尖10。当测量示功图时，转筒8上夹有示功纸并通过绳索9由柴油机曲轴或凸轮轴通
4、过专设的示功器传动机构带动，绕其自身轴左右偏转，其偏转角位移量正比于柴油机活塞位移，即转筒转动的弧长代表按比例缩小的活塞行程的长度，反映柴油机活塞的行程。示功器小活塞5在气缸内气体压力推动下在小气缸中上下移动，并被弹簧力所平衡。小活塞的运动通过活塞杆带动记录机构的传动杆和画笔运动，由记录机构反映其位移量，即按一定比例反映柴油机气缸内变化着的气体压力。由于示功器中小活塞的上下移动与柴油机气缸中的气体压力的变化成比例，而转筒的转动也与柴油机活塞行程成比例变化，所以记录笔尖在转筒记录纸上可以绘出气缸内气体压力随活塞位移变化的图形，即压力容积示功图（p-V示功图）。 2机械示功器小活塞和弹簧的选择 为
5、了使机械示功器能在较广泛的压力范围内使用，一般备有3套小活塞和一套不同刚度的弹簧。可根据柴油机的最高爆发压力pz值大小来选择，以便获得合适的示功图。这3套活塞和缸套分别用标号1/1（标准活塞直径为20.27mm）、1/2（其面积为1/1活塞的1/2，标准活塞直径为14.35mm）和1/5（其面积为1/1活塞的1/5，标准活塞直径为9.06mm）表示。为了便于识别，分别在示功气缸凸缘上用钢印注明1/1、1/2、1/5字样。在测取p-V示功图时均采用1/5小活塞，当测取反映进排气过程的弱弹簧示功图时则采用1/1小活塞。 示功弹簧用弹簧比例M标记。示功弹簧比例单位为mm/MPa，它表示柴油机气缸内气
6、体压力每变化1MPa时弹簧的变形量（mm）。弹簧比例的选择应根据所选定的小活塞标号和柴油机气缸内的最高爆发压力pz大小来选择。选择弹簧时应注意使示功图具有合适的高度，就是使测取的示功图的最大高度接近示功图纸的高度，以保证示功图的精确度。通常，示功弹簧上所标的弹簧比例M是对1/1标准活塞而言的，可选用的弹簧比例有12、10、8、7、6、5、4、3（mm/MPa），相应的最高爆发压力分别为4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、10.0、12.5、15.0（MPa）。如该弹簧用于1/5小活塞，因其面积减小5倍，其所受总压力降低5倍，使其弹簧变形也减小5倍，因此其相应的弹簧比例变为1/5M。 3机械
7、示功器的传动机构为了把柴油机活塞的运动规律按比例地传给示功器转筒机构，必需设立专门的传动机构。由于示功器转筒的周长只有柴油机活塞行程的1/51/20，因此传动机构不仅要正确反映柴油机活塞运动规律，而且还要将活塞的行程按比例缩小。所以，传动机构应满足以下两个基本要求：（1）柴油机活塞行程缩小后的长度应与转筒的周长相适应，且略小于转筒周长；（2）转筒的转动必须严格地与柴油机活塞的运动相适应，以便正确反映柴油机活塞运动规律。 目前，在船上大型低速柴油机安装使用的示功器传动机构有曲柄式、杠杆式和凸轮式三种。 1）曲柄式传动机构曲柄式传动机构简图如图8-1-2所示。立轴1的转动由柴油机曲轴（或凸轮轴）通
8、过齿轮（或链条）带动，其转速与曲轴的转速相同。立轴的上端有圆盘2，圆盘上的偏心销子与小连杆3相连，组成一单独的小型曲柄连杆机构，模拟柴油机的曲柄连杆机构的运动规律。小曲柄连杆机构与柴油机的曲柄连杆机构在几何尺寸上必须相似，即R/L=r/l（R、L分别为柴油机的曲柄半径和连杆长度；r、l分别为传动机构的小曲柄半径和连杆长度）。活塞销5通过缸套上的长孔带动滑块6与小活塞一起做同步往复运动。由于滑块与连接示功器转筒的绳索7相连，所以滑块6既受活塞销的带动，又受示功器转筒弹簧的拉动，保证了示功器转筒的运动规律。止动杆8则是在测量结束时，利用它可使滑块6脱离活塞销的控制。 2）凸轮式传动机构凸轮式传动机
9、构简图如图8-1-3所示。凸轮式传动机构采用专设的示功凸轮1带动滚轮2和导杆3，模拟柴油机活塞的运动规律。由于示功凸轮的外形是按柴油机活塞运动规律设计并按一定的位置安装在凸轮轴上的，因此它能反映出活塞的运动规律，即柴油机活塞在上、下止点位置时示功凸轮也恰好把导杆推到最高、最低位置，使导杆的运动规律与柴油机活塞的运动规律一致，从而保证示功器转筒与柴油机活塞的位移成比例和正时相一致。导杆上装有弹簧4 并开有销孔6，如果柴油机在运转中不需要测取示功图，可以用插销通过壳套上的孔5插入导杆销孔6将导杆提起而使滚轮不与凸轮接触，以防两者互相磨损。 3）杠杆式传动机构 杠杆式传动机构采用一套杠杆机构铰接在柴
10、油机活塞或十字头上，按一定比例反映活塞的运动规律。此种传动机构虽然结构简单，但无法避免铰接处磨损而造成传动失真，因而目前很少使用。 4机械示功器的优缺点和适用范围 机械示功器具有结构简单、工作可靠和使用方便等优点，至今仍是船上测取示功图的必备工具。 机械示功器由于它利用机械位移方法进行测量，必然带来机械式测量仪器的固有缺陷，如感受缸内压力和反映活塞位移部分因强度要求具有一定的质量，会产生较大的运动惯性力，而其弹簧刚度因灵敏度要求不能太大，致使它的自振频率很低，不适用于高速柴油机，只适用于转速400r/min以下低速机和部分中速机。 机械示功器可以通过提高弹簧刚度来提高其自振频率，扩大其适用范围
11、。目前，机械示功器在大型低速柴油机船舶上被广泛用作随机测试仪器，供监控柴油机运转使用。 5示功图的测取方法及注意事项 示功图形状是受许多因素影响的，如示功器使用和维护不当，传动机构安装不正确，天气、海况的变化等都会影响示功图的形状。因此在测取示功图时应做好准备工作，按正确方法进行测取。 （1）使用前应对示功器进行检查和保养，使其可动部分得到良好的润滑，保证小活塞在气缸内能靠自身质量均匀下滑。当示功器与传动机构的距离大于1.5 m时，应选用钢丝软绳。 （2）使柴油机负荷稳定，即各运行参数达到正常值并保持稳定不变。 （3）选择适宜的海况和气象条件。（4）安装示功器前，必须先打开示功阀把通路中积炭及
12、杂质吹净。 （5）示功器安装后，应先在转筒的记录纸上画出大气压力线。 （6）测取满意的示功图后，在示功图纸上应注明日期、缸号、转速、排气温度、油门格数、弹簧比例等，并与驾驶台联系记录气候、风力、风向、潮流、吃水、船速等，供分析时参考。 为准确起见，最好每缸测取2个示功图。在测取5至6个示功图后，应拆下示功器进行冷却。示功图测量完毕，应对示功器进行彻底清洁和保养。 二、电子示功器 随着现代科学技术的迅速发展，利用电子示功装置已十分普遍，尤其在现代柴油机的监控技术中均采用电子示功装置来分析研究柴油机缸内的工作过程。 电子示功器由传感器、测量电路和记录显示装置等三大部分组成。它是利用电子技术，通过各
13、种形式的传感器把柴油机气缸内的气体压力、曲轴转角等非电量按一定比例转换成相应的电量输出，经放大器等中间环节输送到记录显示装置进行观察或打印。电阻应变式传感器 应变仪 显示记录装置图8-1-4 电阻应变式示功装置方框图 在柴油机测试 ，通常使用压电式或电阻式传感器测量气缸内压力，使用磁电式或光电式曲轴转角发生器反映曲轴转角的变化。在电子示功装置中，压力传感器是一个核心环节，不同的压力传感器决定着不同的测量电路。通常，示功装置按所采用的压力传感器不同进行分类，而且习惯上也多以其传感器命名示功装置。压力传感器一般分为电阻应变式、压电式、电容式、电感式等，所以电子示功装置亦可分为电阻应变式示功装置、压
14、电式示功装置、电容式示功装置和电感式示功装置等。曲轴转角发生器通常装有上止点和曲轴转角两个传感器，用于曲轴转角的控制测量和分频。 1电阻应变式示功装置电阻应变式示功装置是利用电阻应变式压力传感器把被测压力转换成应变片的电阻值，通过应变仪把电阻值的变化转换并放大成所需的电压或电流信号送到显示记录装置。柴油机曲轴转角信号可由磁电式或光电式传感器测量。系统方框图如图8-1-4所示。 电阻应变式压力传感器的结构如图8-1-5所示。电阻应变片7粘贴在应变筒4的外壁。应变筒由薄壁（0.20.3mm）合金钢制成，下端焊有很薄的悬链薄膜片5，此膜片既薄又柔软，只传递压力而不产生弹力。当缸内压力作用到悬链薄膜片
15、时，它仅仅把所受到的压强变为集中力传到与它接触的应变筒上，引起应变筒4发生弹性变形使应变片7电阻发生变化，并经导线传至接线柱9后由屏蔽电缆10输出。冷却水管8引入冷却水对膜片和应变筒进行强制冷却，以消除燃气的高温对测量结果的不良影响。调整垫片3可保证装配时应变筒有适当的预紧力。这种压力传感器的自振频率主要由应变筒决定，悬链膜片的质量很小，它对应变筒的自振频率影响不大。而且，通常由应变筒的轴向压缩应变与拉伸应变组成电桥两臂，使电桥的不平衡输出比只有一个应变片时增加一倍，即传感器的灵敏度提高了一倍。同时这两个应变片起到温度自动补偿作用，提高了测量精度。 2压电式示功装置 压电式示功装置一般由压电式压力传感器、前置放大器和示波器等组成，其系统框图如图8-1-6所示。前置放大器是一个高阻抗（大于10）输入的放大器，它的作用是放大压电传感器的微弱信号和将传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出。它的绝缘性能对测量精度影响极大，通常多采用电荷放大器。 压电式传感器 前置放大器 示波器 图8-1-6 压电式示功装置系统方框图 压电石英传感器是根据石英晶体的压电效应制成的。压电效应是指某些晶体在沿它的某个结晶轴方向受到外
