存储式活塞温度测量系统开发

摘要

　　随着发动机强化程度的不断提高，发动机热负荷问题越来越突出，尤其是与燃气直接接触的活塞，在高温高负载下可能会出现烧蚀、开裂、变形等现象。了解发动机活塞的温度分布，可以针对出现的问题提出有效的解决措施。测量活塞温度的方法多种多样，存储式方法就是其一，它可以在保证可靠性与精度的同时进行多工况测量。

　　本文在课题组已有的存储式活塞温度测试系统的基础上，提出改进措施，重新设计。新系统减小了装置的体积，拓展了装置的应用范围；减少了装置的零部件数目，提高了装置的可靠性；统一了时钟信号，解决了原装置存在的数据缺失的问题。

　　新系统包括电源、主控制单片机、实时时钟、温度触发开关、冷端温度测量、A/D转换、存储器和通讯串口等功能模块。包括统一供电、温度触发等节能设计延长了装置的工作时间，大容量的存储芯片也为长时间测量提供了保障。

　　将新研发的存储式测量系统安装在发动机台架上，进行了活塞温度测量试验，以验证该系统以及固定装置的可靠性。与此同时，还紧靠着存储法的热电偶测点安装了硬度塞，作为一种应用最为广泛、结果能被普遍接受的温度测量手段，硬度塞验证了存储式方法的测量结果。

　　在东风康明斯 6BT 涡轮增压柴油机活塞上仅安装存储式测量系统，测量了发动机扭矩在 430N?m左右不变的情况下，转速分别为 1300r/min、1500r/min、1700r/min、2000r/min、2200r/min 时的活塞温度，分析了活塞温度随发动机转速的变化。试验结果表明，在任何转速下，都是活塞顶面的温度最高；在 2200r/min时，排气门一侧活塞顶面温度最高，达到 283℃。

　　关键词：柴油机 活塞温度 单片机 存储式测试

Abstract

　　The problems caused by thermal load are more and more prominent with the constant strengthen of the engine. Especially the pistons direct contact with the gas, under great thermal and mechanical load, which leads to serious problem such as ablation, cracking and distortion. Counter measure can be developed from learning about engine piston temperature distribution. Storage- measuring is one of varied piston temperature measurement methods. It can be used for multi- loading measurement when ensure the reliability and precision at the same time.

　　In this paper, the system was developed from the former storage piston temperature measuring equipment. The new system had reduced the volume of the device to expand the application range; reduced the number of components of the device to improve the reliability; unified the clock signal to solve the data missing problem of the former device.The new system included power supply, the main control MCU, real time clock,temperature trigger switch, cold junction compensation, A/D converter, memory, serial communication port and so on function module. The energy conservation design such as unified power supply and temperature trigger switch extended the working time of the device, and the large-capacity memory chip also provided a guarantee for long-term measurements.

　　The newly developed storage temperature measuring system was installed on the engine test bench and the piston temperature measurement experiment was carried out to verify the reliability of the system and the fastening devices. At the same time, thermal plugs were installed close to the measuring points of thermocouples of the storage- measuring method. As one of most widely used and be generally accepted methods of temperature measurement, the thermal plugs verified the result of the new system.

　　Only the storage temperature measuring system was installed on the Dongfeng Cummins 6BT turbocharged diesel engine. And the piston temperatures had been measured at five engine speeds, namely 1300rpm、1500rpm、1700rpm、2000rpm and 2200rpm when the torque was constant at about 430N?m to analysis the piston temperature varied with engine speed. The results indicate that the highest temperature of the piston is on the top surface at any speed, the temperature reaches 283 ℃ at 2200rpm on the exhaust side.

　　Keywords: Diesel engine ； Piston temperature ； Single chip microcomputer ；Storage-measuring

　　近些年来发动机的功率密度越来越高，其承受的热负荷也越来越大，随之而来的发动机因热负荷过高而失效的问题也日益凸显出来。活塞被燃烧室内燃气直接加热，却不能有效的将热量传递出去，故而承受着巨大的热负荷，在活塞顶部甚至会出现烧蚀、开裂等现象，严重危害了发动机的使用寿命。

　　首先，高强化涡轮增压柴油机燃烧室内部瞬时温度最高可达到 1800~2600℃，在活塞的表面，尤其是燃烧室喉口位置温度最高，甚至可能超过铝合金的熔点。此时可能会因为材料的熔化、蒸发或是高温、高速燃气对材料的冲刷和侵蚀而引起活塞的烧蚀[1, 2]。其次，活塞要承受最高十几兆帕的交变的燃气压力、高速往复运动产生的惯性力、侧向压力等。与此同时活塞头部因为温度过高，强度已经大为削弱，热疲劳产生的细微裂纹便会拓展开来，活塞最终因受力不均而开裂[3, 4]。再次，活塞温度过高还可能造成润滑油失效，活塞、气缸套相互接触发生干摩擦，引起活塞表面材料的熔化、粘着，进一步加剧干摩擦，如此恶性循环，最终导致发动机拉缸[5]。此外，活塞常见的失效形式还包括活塞销孔开裂、活塞裙部变形等。除了受力不均等方面的原因，这些失效现象更与活塞的温度分布息息相关，局部温度过高，温度分布不均导致活塞内应力增大、活塞变形更是活塞失效的主要原因。

　　发动机发生的重大故障多半与活塞有关，活塞的可靠性基本上决定了整台发动机的可靠性。针对发动机活塞出现的烧蚀、开裂、拉缸等问题，众多科研人员已经做出了不少的努力。早在上世纪五六十年代，人们就已经开始研究在活塞内设计冷却油腔来解决活塞热负荷过高的问题[6]，现在这种方法已经很广泛的应用在了大功率柴油机上。除了活塞结构的改进，还可以在活塞头部等热负荷较高区域电镀耐热陶瓷涂层，提高活塞的强度和耐高温性能[7]。归根结底，无论是活塞失效的原因，还是解决措施的提出，都与活塞的温度分布有关。

　　实机测量与模拟计算都可以用来研究发动机活塞的温度分布。通过各种测量手段[8-10]在台架试验中测得活塞上关键点的温度至关重要，可以找到活塞上温度过高以及温度梯度过大的区域，发现活塞设计存在的不足与缺陷，从而对活塞的结构进行改进。虽然实机测量只能得到活塞上有限数目的点的温度参数，相对于模拟计算得到的整个活塞的温度分布显得有些不足，但是通常情况下人们也更关心这些重要点的温度值，并且其准确度相对于模拟计算也更令人信服。

　　自有限元一出现，便有人将它应用到了发动机活塞的分析当中，其应用已经较为成熟。虽然模拟计算可以得到整个活塞的温度场，较台架试验能得到更多的信息，但无论是针对单个活塞的温度计算[11, 12]，还是考虑到燃气、冷却水、润滑油、缸套等的多场耦合[13]，或是包括发动机整机的一维、三维耦合仿真，最终都需要台架试验测得的实际活塞温度对其进行标定。

　　无论是针对发动机活塞出现的状况提供改进方案，还是对已有的发动机进行改装强化，或是设计一款全新的发动机，都需要对发动机活塞的温度进行测量。为了探究发动机活塞的温度分布，无数国内外的专家、学者都积极探索，将自身所处时代的各种新型测量手段应用到了活塞温度测量当中。随着材料的发展、科技的进步，各种更为有效、精确地测量方法应运而生。发展到如今，活塞温度测量的方法众多，主要可以分为电量测量法和非电量测量法两种类型。

　　硬度塞法是利用了金属回火后硬度与回火温度相关的特性。通常是将金属材料制作成 M3×4 的螺钉安装在活塞上，试验完毕后将硬度塞取下，测量硬度值，对比硬度-回火温度关系曲线，可以得到活塞测点的温度。

　　钱作勤、雷基林、LuXiqun[14-17]等人分别利用硬度塞测量了车用柴油机活塞上和某船用柴油机铰接式活塞头部关键点的温度值，并以此作为边界条件的参考，对活塞的整体温度分布做了模拟计算。由于硬度塞只能测量活塞某点所经历的最高温度，他们在实验中多是选择额定功率点或是最大扭矩点这类活塞负荷最大的工况，并布置了大量的测点。在硬度塞与热电偶的对比试验中，DanielP. Madison[18]

　　将热电偶安装在两个硬度塞之间，外侧的硬度塞接近燃烧室，内侧硬度塞接近活塞内腔，研究发现无论是在热电偶的内侧还是外侧，硬度塞所测温度普遍高于热电偶，但两者相差不大，均能可靠地反映活塞温度。

热电偶的安装

多工况活塞温度测量装置

对比工况下测温结果

同工况下多种测量结果对比

 
1300r/min 时各测点温度

1500r/min 时各测点温度

目 录

　　摘 要
　　Abstract
　　1 绪论
　　　　1.1 课题研究背景及意义
　　　　1.2 国内外研究现状
　　　　1.3 活塞温度测量方法的总结
　　　　1.4 本文的主要工作
　　2 存储式活塞温度测量系统设计
　　　　2.1 原装置存在的问题
　　　　2.2 新系统的设计要求
　　　　2.3 存储式活塞温度测量系统电路设计
　　　　2.4 系统程序设计
　　　　2.5 本章小结
　　3 存储式方法与硬度塞法的对比验证
　　　　3.1 存储法电路板固定装置
　　　　3.2 活塞温度测量系统
　　　　3.3 发动机台架试验
　　　　3.4 试验结果及分析
　　　　3.5 本章小结
　　4 活塞温度多工况测量
　　　　4.1 多工况活塞温度测量装置
　　　　4.2 发动机台架试验
　　　　4.3 测量结果分析
　　　　4.4 本章小结
　　5 全文总结及展望
　　　　5.1 全文总结
　　　　5.2 展望
　　致 谢
　　参考文献

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