1、第十章 示功圖測錄與分析示功圖是氣缸內(nèi)工質(zhì)壓力隨氣缸容積或曲軸轉(zhuǎn)角變化的圖形。它通過專門的測量儀器示功器進(jìn)行測量。由工程熱力學(xué)可知,示功圖的面積大小代表了柴油機(jī)氣缸內(nèi)一個工作循環(huán)的指示功的大小。它是研究柴油機(jī)氣缸內(nèi)工作過程完善程度的重要依據(jù),也是用來計(jì)算柴油機(jī)指示功率的依據(jù),同時還可作為柴油機(jī)動力計(jì)算和強(qiáng)度計(jì)算的資料。通過示功圖可研究缸內(nèi)的燃燒過程、燃燒放熱規(guī)律,計(jì)算缸內(nèi)溫度,評估掃氣過程,計(jì)算柴油機(jī)指示功率,確定柴油機(jī)最大爆發(fā)壓力和壓縮壓力等等。由于它能以圖象形式顯示缸內(nèi)的工作過程,而且測試儀器簡單實(shí)用, 因此在柴油機(jī)的測試中,示功圖的測取占有非常重要的地位。通常,應(yīng)定期測錄運(yùn)轉(zhuǎn)柴油機(jī)的示功

2、圖,且對測取的示功圖進(jìn)行計(jì)算和分析。根據(jù)其計(jì)算和分析結(jié)果來判斷柴油機(jī)的工作性能,并可對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,保證柴油機(jī)能在最佳狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn),提高其經(jīng)濟(jì)性、動力性和可靠性。第一節(jié) 示功圖的測錄測取氣缸示功圖的儀器統(tǒng)稱為示功器。根據(jù)其工作原理不同, 示功器可分為機(jī)械示功器、氣電示功器以及電子示功器三類。船上常用的是機(jī)械示功器, 隨著電子技術(shù)的應(yīng)用, 在現(xiàn)代船舶上, 電子式示功器的使用也不斷增多。一、機(jī)械式示功器機(jī)械式示功器是一種使用較早的示功器, 目前在低速和部分中速柴油機(jī)上仍在使用, 它是利用機(jī)械位移方法測量缸內(nèi)壓力和活塞位移。機(jī)械示功器按使用的示功彈簧形式不同, 可以分為螺旋彈簧式和柱簧式兩種。兩者

3、在結(jié)構(gòu)原理上相同,所不同的是前者使用螺旋形彈簧,后者使用等強(qiáng)度柱形彈簧。以下主要介紹螺旋彈簧式示功器。1. 結(jié)構(gòu)和工作原理機(jī)械示功器的具體結(jié)構(gòu)如圖10-1所示, 它由壓力感受機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)筒機(jī)構(gòu)和記錄機(jī)構(gòu)三部分組成。壓力感受機(jī)構(gòu)包括小活塞5、活塞桿4及示功彈簧1等用來感受缸內(nèi)壓力變化并以示功小活塞位移輸出; 轉(zhuǎn)筒機(jī)構(gòu)包括繩索9、轉(zhuǎn)筒8用來反映柴油機(jī)活塞位移; 記錄機(jī)構(gòu)包括杠桿3和畫筆機(jī)構(gòu)2具有平行放大作用, 畫筆的自由端裝有銅筆尖。當(dāng)測量示功圖時, 轉(zhuǎn)筒8上夾有示功紙并通過繩索9由柴油機(jī)曲軸或凸輪軸通過專設(shè)的示功器傳動機(jī)構(gòu)帶動, 繞其自身軸左右偏轉(zhuǎn), 其偏轉(zhuǎn)角位移量正比于柴油機(jī)活塞位移, 即轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動

4、的弧長代表按比例縮小的活塞行程的長度,反映柴油機(jī)活塞的行程。示功器小活塞5在缸內(nèi)氣體壓力推動下在小氣缸中上下移動, 并被彈簧力所平衡。小活塞的運(yùn)動通過活塞桿帶動記錄機(jī)構(gòu)的傳動桿和畫筆運(yùn)動, 由記錄機(jī)構(gòu)反映其位移量, 即按一定比例反映柴油機(jī)氣缸內(nèi)變化著的氣體壓力。由于示功器中小活塞的上下移動與柴油機(jī)氣缸中的氣體壓力的變化成比例, 而轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)動也與柴油機(jī)活塞行程成比例變化, 所以記錄筆尖在轉(zhuǎn)筒記錄紙上可以繪出氣缸內(nèi)氣體壓力隨活塞位移變化的圖形, 即壓力容積示功圖(p-V示功圖)。圖10-1 機(jī)械式示功器結(jié)構(gòu)圖1-示功彈簧; 2-畫筆桿; 3-傳動杠桿; 4-活塞桿; 5-小活塞; 6-小氣缸; 7

5、轉(zhuǎn)筒彈簧; 8-轉(zhuǎn)筒; 9-繩索2. 機(jī)械示功器小活塞和彈簧的選擇為了使機(jī)械示功器能在較廣泛的壓力范圍內(nèi)使用, 一般備有三套活塞和一套不同剛度的彈簧?？筛鶕?jù)柴油機(jī)的最高爆發(fā)壓力pz值進(jìn)行選擇, 以便獲得合適的示功圖。這三套活塞和缸套分別用標(biāo)號1/1(標(biāo)準(zhǔn)活塞直徑為20.27mm)、1/2(其面積為1/1活塞的1/2,標(biāo)準(zhǔn)活塞直徑為14.35mm)和1/5(其面積為1/1活塞的1/5,標(biāo)準(zhǔn)活塞直徑為9.06mm)表示。為了便于識別,分別在示功氣缸凸緣上用鋼印注明1/1、1/2、1/5字樣。在測p-V示功圖時均采用1/5小活塞, 當(dāng)測取反映進(jìn)排氣過程的弱彈簧示功圖時則采用1/1小活塞。示功彈簧用彈

6、簧比例M標(biāo)記。 示功彈簧的彈簧比例單位為mm/MPa, 它表示缸內(nèi)壓力每變化1MPa時彈簧的變形量(mm)。彈簧比例的選擇應(yīng)根據(jù)所選定的小活塞標(biāo)號和柴油機(jī)氣缸內(nèi)的最高爆發(fā)壓力pz大小來選擇。選擇彈簧時應(yīng)注意使示功器具有合適的高度,就是使測取的示功圖的最大高度接近于示功圖紙的高度, 以保證示功圖的精確度。通常, 柴油機(jī)測取p-V示功圖時, 使用1/5小活塞, 可選用的彈簧比例有12、10、8、7、6、5、4、3(mm/MPa), 相應(yīng)的最高壓力分別為4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、10.0、12.5、15.0(MPa)。3. 機(jī)械示功器的傳動機(jī)構(gòu)為了把柴油機(jī)活塞的運(yùn)動規(guī)律按比例地傳給示功

7、器轉(zhuǎn)筒機(jī)構(gòu),必需設(shè)立專門的傳動機(jī)構(gòu)。由于示功器轉(zhuǎn)筒的周長只有柴油機(jī)活塞行程的1/51/20, 因此傳動機(jī)構(gòu)不僅要正確反映柴油機(jī)活塞運(yùn)動規(guī)律,而且還要將活塞的行程按比例縮小。所以,傳動機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足以下兩個基本要求:柴油機(jī)活塞行程縮小后的長度應(yīng)與轉(zhuǎn)筒的周長相適應(yīng), 且略小于轉(zhuǎn)筒周長;轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)動必須嚴(yán)格地與柴油機(jī)活塞的運(yùn)動相對應(yīng), 以便正確反映柴油機(jī)活塞運(yùn)動規(guī)律。目前在船上安裝使用的大型低速柴油機(jī)的示功器傳動機(jī)構(gòu)有曲柄式、杠桿式和凸輪式三種。(1)曲柄式傳動機(jī)構(gòu)。曲柄式傳動機(jī)構(gòu)簡圖如圖10-2所示。 立軸1的轉(zhuǎn)動由柴油機(jī)曲軸(或凸輪軸)通過齒輪(或鏈條)帶動, 其轉(zhuǎn)速與曲軸的轉(zhuǎn)速相同; 立軸的上端有圓

8、盤2, 圓盤上的偏心銷子與小連桿3相連組成一單獨(dú)的小型曲柄連桿機(jī)構(gòu), 模擬柴油機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律; 小曲柄連桿機(jī)構(gòu)與柴油機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)在幾何尺寸上必須相似, 即R/L=r/l(R、L分別為柴油機(jī)的曲軸半徑和連桿長度; r、l分別為傳動機(jī)構(gòu)的小曲柄半徑和連桿的長度),活塞銷5通過缸套上的長孔帶動滑塊6與小活塞一起做同步往復(fù)運(yùn)動。由于滑塊與連接示功器轉(zhuǎn)筒的繩索7相連; ，所以滑塊6既受活塞銷的帶動, 又受示功器轉(zhuǎn)筒彈簧的拉動, 就保證了示功器轉(zhuǎn)筒的運(yùn)動規(guī)律。止動桿8則是在測量結(jié)束時,利用它可使滑塊6脫離活塞銷的控制。圖10-2 曲柄式傳動機(jī)構(gòu)1-傳動立軸; 2-小曲柄; 3-連桿; 4-

9、小活塞; 5-活塞銷; 6-滑塊; 7-繩索; 8-止動桿(2)凸輪式傳動機(jī)構(gòu)。凸輪式傳動機(jī)構(gòu)簡圖如圖10-3所示。凸輪式傳動機(jī)構(gòu)采用專設(shè)的凸輪帶動滾輪2和導(dǎo)桿3模擬柴油機(jī)活塞的運(yùn)動規(guī)律。由于示功凸輪的外形是按柴油機(jī)活塞運(yùn)動規(guī)律設(shè)計(jì)并按一定的位置安裝在凸輪軸上, 因此它能反映出活塞的運(yùn)動規(guī)律, 即柴油機(jī)活塞在上、下止點(diǎn)位置時示功凸輪也恰好把導(dǎo)桿推到最高、最低位置, 使導(dǎo)桿的運(yùn)動規(guī)律與柴油機(jī)活塞的運(yùn)動規(guī)律一致, 從而保證示功轉(zhuǎn)筒與柴油機(jī)活塞的位移成比例和正時相一致。 彈簧4裝在導(dǎo)桿上。導(dǎo)桿上有銷孔6, 如果柴油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不需要測取示功圖, 可以用插銷通過殼套上的孔5插入導(dǎo)桿銷孔6將導(dǎo)桿提起而

10、使?jié)L輪不與凸輪接觸,以防兩者相互磨損。圖10-3凸輪式傳動機(jī)構(gòu)1-示功凸輪; 2-滾輪; 3-導(dǎo)桿; 4-彈簧; 5-銷孔; 6-導(dǎo)桿銷孔(3)杠桿式傳動機(jī)構(gòu)。杠桿式傳動機(jī)構(gòu)采用一套杠桿機(jī)構(gòu)鉸接在柴油機(jī)活塞或十字頭上,按一定比例反映活塞的運(yùn)動規(guī)律。此種傳動機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡單,但無法避免鉸接處磨損而造成傳動失真,因而目前很少使用。4. 機(jī)械示功器的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍機(jī)械示功器使用已久, 由于它具有結(jié)構(gòu)簡單,工作可靠,使用方便等優(yōu)點(diǎn), 至今仍是船上測取示功圖的必備工具。機(jī)械示功器由于它利用機(jī)械位移方法進(jìn)行測量,必然帶來機(jī)械式測量儀器的固有缺陷,如感受缸內(nèi)壓力和反映活塞位移部分具有一定的質(zhì)量, 會產(chǎn)生較

11、大的運(yùn)動慣性力, 而其彈簧剛度不能太大(靈敏度要求), 致使它的自振頻率很低, 不適用于高速柴油機(jī), 只適用于低速機(jī)和部分中速機(jī)。機(jī)械示功器可以用提高彈簧剛度來提高它的自振頻率,擴(kuò)大其適用范圍。目前機(jī)械示功器根據(jù)使用彈簧的形式可分為兩種，即卷簧式和柱簧式。二者在結(jié)構(gòu)原理上完全相同，不同的是前者用螺旋形卷彈簧（剛度?。?，適用于400 r/min以下的柴油機(jī)使用; 后者用等 強(qiáng)度柱形彈簧（剛度大），適用于7001000r/min的柴油機(jī)使用。目前,機(jī)械示功器在大型低速柴油機(jī)船舶上被廣泛用作隨機(jī)測試儀表,供監(jiān)控柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)使用。5. 示功圖的測取方法及注意事項(xiàng)示功圖形狀是受許多因素影響的,譬如示功器使

12、用和維護(hù)不當(dāng);傳動機(jī)構(gòu)安裝不正確;天氣、海情的變化等都會影響示功圖的形狀。因此在測取示功圖時應(yīng)做好準(zhǔn)備工作,按正確方法進(jìn)行測錄:使用前應(yīng)對示功器進(jìn)行檢查和保養(yǎng)，使其可動部分應(yīng)有良好的潤滑,保證小活塞在氣缸內(nèi)能以自身重量均勻下滑; 當(dāng)示功器與傳動機(jī)構(gòu)之間的距離大于1.5m時，應(yīng)選用鋼絲軟繩。使柴油機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定, 即各運(yùn)行參數(shù)達(dá)到正常值并保持穩(wěn)定不變;選擇適宜的海況和氣象條件;安裝示功器前,必須先打開示功閥把通路中的積炭及雜質(zhì)吹凈;示功器安裝后,應(yīng)先在轉(zhuǎn)筒的記錄紙上畫出大氣壓力線;測取滿意的示功圖后,應(yīng)注明日期、缸號、轉(zhuǎn)速、排溫、油門格數(shù)、彈簧比例等。并與駕駛臺聯(lián)系記錄氣候、風(fēng)力、風(fēng)向、潮流、吃水、

13、船速等，供分析時參考。為準(zhǔn)確起見,最好每缸測取2個示功圖。當(dāng)測取5至6個示功圖后,應(yīng)拆下示功器進(jìn)行冷卻,示功器測量完畢,應(yīng)對示功器進(jìn)行徹底清潔和保養(yǎng)。二、電子示功器隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,利用電子示功裝置已十分普遍,尤其在現(xiàn)代柴油機(jī)的監(jiān)控技術(shù)中均采用電子示功裝置來分析研究柴油機(jī)缸內(nèi)的工作過程。電子示功器由傳感器、測量電路和記錄顯示裝置等三大部分組成。它是利用電子技術(shù), 通過各種形式(如電阻應(yīng)變式、壓電式、電容和電感式)的的傳感器把柴油機(jī)缸內(nèi)的氣體壓力、曲軸轉(zhuǎn)角等非電量按一定比例轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量輸出, 經(jīng)放大器等中間環(huán)節(jié)輸送到記錄顯示裝置進(jìn)行觀察或打印。在柴油機(jī)測試中, 通常使用壓電式或電阻

14、式傳感器測量 氣缸內(nèi)壓力,使用磁電式或光電式曲軸轉(zhuǎn)角發(fā)生器反映曲軸轉(zhuǎn)角的變化。在電子示功裝置中，壓力傳感器是一個核心環(huán)節(jié)，不同的壓力傳感器決定著不同的測量電路。通常，示功裝置按所采用的壓力傳感器不同進(jìn)行分類, 而且習(xí)慣上也多以其傳感器命名示功裝置。壓力傳感器一般分為電阻應(yīng)變式、壓電式、電容式、電感式等。所以電子示功裝置亦可分為電阻應(yīng)變式示功裝置、壓電式示功裝置、電容式示功裝置和電感式示功裝置等。1 電阻應(yīng)變式示功裝置圖電阻應(yīng)變式示功裝置是利用電阻應(yīng)變式壓力傳感器把被測壓力轉(zhuǎn)換成應(yīng)變片的電阻值, 通過應(yīng)變儀把電阻值的變化轉(zhuǎn)換并放大成所需的電壓或電流信號送到顯示記錄裝置。柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角信號可由磁電

15、式或光電式等傳感器測量。系統(tǒng)方框圖如圖10-4所示。電阻應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變儀顯示記錄裝置圖11-4 電阻應(yīng)變式示功裝置方框圖電阻應(yīng)變式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖10-4所示。電阻應(yīng)變片粘貼在應(yīng)變筒14的外壁。應(yīng)變筒由薄壁(0.2mm0.3mm)合金鋼制成,下端焊有很薄的懸鏈薄膜片,此膜片既薄又柔軟,只傳遞壓力而不產(chǎn)生彈力。當(dāng)缸內(nèi)壓力作用到懸鏈薄膜片時,它僅僅把所受到的壓強(qiáng)變?yōu)榧辛鞯脚c它接觸的應(yīng)變筒上,引起應(yīng)變筒14發(fā)生彈性變形使應(yīng)變片電阻發(fā)生變化,并經(jīng)導(dǎo)線傳至接線柱7后由屏蔽電纜8輸出。冷卻水管4用于對膜片和應(yīng)變筒進(jìn)行強(qiáng)制冷卻,以消除燃?xì)獾母邷貙y量結(jié)果的不良影響。調(diào)整墊片13可保證裝配時應(yīng)變

16、筒有適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力。這種壓力傳感器的自振頻率主要由應(yīng)變筒決定,懸鏈膜的質(zhì)量很小,它對應(yīng)變筒的自振頻率影響不大。而且,通常由應(yīng)變筒的軸向壓縮應(yīng)變與橫向拉伸應(yīng)變組成電橋兩臂, 使電橋的不平衡輸出比只有一個應(yīng)變片時增加一倍, 即傳感器的靈敏度提高了一倍。同時這兩個應(yīng)變片起到溫度自動補(bǔ)償作用,提高了測量精度。圖10-5 電阻應(yīng)變式壓力傳感器1-保護(hù)螺帽; 2-受壓器; 3-水管墊圈; 4-水管; 5-密封墊圈; 6-墊片; 7-接線柱; 8-屏蔽電纜; 9-上殼體;10-壓線板; 11-固定螺釘; 12-定位銷; 13-調(diào)整墊片; 14-應(yīng)變筒; 15-墊片2 壓電式示功裝置壓電式示功裝置一般由壓電式壓

17、力傳感器、前置放大器、示波器等組成。其系統(tǒng)框圖如圖10-6所示。前置放大器是一個高阻抗(1012)輸入的放大器,它的作用是放大壓電傳感器的微弱信號和將傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈妥杩馆敵觥Ｋ慕^緣性能對測量精度影響極大,通常多采用電荷放大器。壓電式傳感器前置放大器示波器圖10-6 壓電式示功裝置系統(tǒng)方框圖壓電石英傳感器是根據(jù)石英晶體的壓電效應(yīng)制成的。壓電效應(yīng)是指某些晶體在沿它的某個結(jié)晶軸方向受到外力作用時,其內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象:在它的表面上有電荷集結(jié),且此電荷的大小與作用力的大小成正比;當(dāng)外作用力去掉,晶體又重新回到不帶電的狀態(tài)。具有壓電效應(yīng)的晶體稱為壓電晶體,例如石英和鈦酸鋇等。在柴油機(jī)示功裝置

18、中均采用石英晶體制成壓電式傳感器,圖10-7所示是一種壓電石英壓力傳感器的結(jié)構(gòu)簡圖。氣體壓力經(jīng)膜片4傳遞給套筒7和石英晶體3。晶體受壓時產(chǎn)生的負(fù)電荷用電荷引出片6匯集并經(jīng)導(dǎo)線5引出。為減少溫度變化對傳感圖10-7 壓電石英壓力傳感器1、2-絕緣體; 3-晶體; 4-膜片; 5-導(dǎo)線; 6-引出片; 7-套筒器工作的不利影響,需對傳感器采用強(qiáng)制水冷卻。有些新型傳感器工作時不需冷卻,稱為非冷卻傳感器。石英壓電傳感器具有機(jī)械強(qiáng)度高,耐高溫,絕緣性高的特點(diǎn)。3. 電子示功裝置的標(biāo)定為了得到滿意的測量精度,應(yīng)特別重視上止點(diǎn)位置的確定和對壓力傳感器的定期標(biāo)定。電子示功裝置的標(biāo)定包括壓力值標(biāo)定和曲軸轉(zhuǎn)角(時

19、間坐標(biāo))標(biāo)定等。壓力值標(biāo)定分為靜態(tài)標(biāo)定、動態(tài)標(biāo)定和隨機(jī)標(biāo)定。靜態(tài)標(biāo)定指向測量系統(tǒng)輸入穩(wěn)定的標(biāo)定壓力信號,通過調(diào)節(jié)電荷放大器或者應(yīng)變儀的線性度,使其輸出的壓力信號誤差滿足精度要求。動態(tài)標(biāo)定是對傳感器輸入已知頻率及幅值的壓力信號或者通過激波管產(chǎn)生一階躍壓力,記錄它的輸出或者根據(jù)它的輸出曲線求出其頻率響應(yīng)特性,以便在使用時根據(jù)它的輸出響應(yīng)得到準(zhǔn)確的輸入壓力信號。隨機(jī)標(biāo)定是在測量過程中,對一整套動態(tài)壓力測量裝置進(jìn)行標(biāo)定。曲軸轉(zhuǎn)角標(biāo)定是指給出具有一定精度的上止點(diǎn)記號和已知頻率的時標(biāo)標(biāo)記或曲軸轉(zhuǎn)角標(biāo)記。理論與實(shí)踐指出,上止點(diǎn)標(biāo)記明顯影響示功圖計(jì)算的準(zhǔn)確度。若上止點(diǎn)有1CA誤差,則示功圖計(jì)算有5.5%的誤差

20、。因而要求上止點(diǎn)標(biāo)記誤差滿足0.2CA0.5CA的要求。上止點(diǎn)的確定對于運(yùn)轉(zhuǎn)的多缸柴油機(jī)確定上止點(diǎn),一般通過暫時單缸停油法測錄。4. 電子示功裝置的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍電子示功裝置的突出優(yōu)點(diǎn)是固有頻率高,即具有良好的高頻特性,如電阻應(yīng)變式的固有頻率可達(dá)數(shù)十千赫,壓電石英式可高達(dá)數(shù)百千赫。固有頻率如此高的傳感器與適當(dāng)?shù)臏y試環(huán)節(jié)匹配可獲得良好的頻響特性,所以它的頻率特性寬,適用于低、中、高速柴油機(jī)使用,測量誤差小于1%。電子示功裝置靈敏度高,線性好,但它易受外界干擾影響。如電源電壓波動、電磁場干擾、環(huán)境溫度變化等均影響其工作穩(wěn)定性。因而它對測量電路要求較高,需設(shè)補(bǔ)償裝置。電子示功裝置既可測取單個循環(huán)示

21、功圖,又可測取多循環(huán)平均示功圖。它與計(jì)算機(jī)組成一套完整的多參數(shù)綜合測量系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對柴油機(jī)的遠(yuǎn)距離監(jiān)測、數(shù)字顯示及自動控制,完成對柴油機(jī)的診斷、趨向預(yù)報(bào)等監(jiān)控技術(shù)。因而,電子示功裝置在近代自動化船舶上應(yīng)用廣泛。三、示功圖的種類和用途根據(jù)熱工測量的不同目的和任務(wù)，可測取不同類型的示功圖。用機(jī)械示功器可以測取p-V示功圖、p-V轉(zhuǎn)角示功圖、弱彈簧示功圖、純壓縮圖, 也可用手拉測取手拉示功圖和梳形圖等, 用氣電示功器或電子示功器可測取p-示功圖。1.p-V示功圖圖10-8中, (a)為四沖程柴油機(jī)p-V示功圖, (b)為二沖程柴油機(jī)p-V示功圖。圖10-8 p-V示功圖p-V示功圖可以用來計(jì)算柴油機(jī)

22、的功率, 調(diào)整各缸負(fù)荷的均勻性, 量取最高爆炸壓力和判斷各缸燃燒情況以及計(jì)算缸內(nèi)瞬時溫度等。這種示功圖既能定性也能定量地顯示出氣缸內(nèi)工作過程的實(shí)際情況, 因而成為研究內(nèi)部工作過程所不可缺少的重要依據(jù)。但是，它的測量是在一個工作循環(huán)內(nèi)完成的，如果因某種原因而產(chǎn)生誤差，這種誤差甚至可高達(dá)10-15%之多，那就失去了測量的意義。因此，測量時必須特別注意工況穩(wěn)定，并慎重對待所測得的結(jié)果，盡量避免誤差。2.p-V轉(zhuǎn)角示功圖圖10-10 手拉展開示功圖圖10-9 p-V轉(zhuǎn)角示功圖p-V轉(zhuǎn)角示功圖如圖10-9所示。 它是用機(jī)械示功器在傳動機(jī)構(gòu)的小曲柄超前于所測氣缸曲柄82左右的情況下測得的。此時，圖形中央位

23、置恰好是上止點(diǎn)位置。其目的是為了將燃燒曲線在橫座標(biāo)方向上放寬，以利于分析燃燒過程的情況。根據(jù)活塞運(yùn)動規(guī)律, 活塞在上、下止點(diǎn)處速度為零, 而在中部速度最大。 因此在p-V示功圖上，燃燒過程處于上止點(diǎn)附近，此時活塞速度很低而燃燒壓力變化很快。這樣，在很短的活塞位移內(nèi)難以清楚地反映出迅速變化的燃燒壓力情況。而當(dāng)傳動機(jī)構(gòu)的小曲柄超前82左右后, 發(fā)生在上止點(diǎn)附近的燃燒過程被移到了示功圖 的中間部分。此時，就可用小活塞的最大速度帶動轉(zhuǎn)筒記錄氣缸內(nèi)較快的壓力變化, 即可將上止點(diǎn)附近的壓力曲線放寬, 使壓力的變化過程看得更明顯。但此時得到的圖已失去示功圖原形,所以只能用來分析燃燒過程的進(jìn)行情況,不能作為計(jì)

24、算功率的依據(jù)。在杠桿式和凸輪式傳動機(jī)構(gòu)上較難畫出轉(zhuǎn)角示功圖。3.手拉展開示功圖圖10-11 梳形示功圖在不能測取轉(zhuǎn)角示功圖的柴油機(jī)上, 為了研究燃燒過程和判斷發(fā)火時刻的早晚,可用如圖10-10所示的手拉展開示功圖。其使用和轉(zhuǎn)角示功圖一樣，可配合p-V示功圖研究燃燒過程。4.梳形示功圖用手慢慢拉動示功器轉(zhuǎn)筒,可測出多條壓縮壓力線(在單缸停油時)或最高爆發(fā)壓力線, 這種圖形形似梳子, 所以稱為梳形示功圖。如圖10-11所示。梳形示功圖可用來檢查壓縮終點(diǎn)的壓力pc和最高爆發(fā)壓力pz。5.弱彈簧示功圖在用機(jī)械示功器測取p-V示功圖時, 因最高爆發(fā)壓力較高, 而示功器的彈簧又是根據(jù)最高爆發(fā)壓力選取的,

25、因此示功彈簧選得較硬(彈簧比例較小), 致使進(jìn)、排氣過程中的微小壓力變化在示功圖上反映不出來。所以四沖程柴油機(jī)示功圖的進(jìn)、排氣重合為一條線, 二沖程柴油機(jī)示功圖的尾部掃氣過程也重合為一條線。為了研究和檢查掃氣過程, 可以給示功器換上弱彈簧和1/1標(biāo)準(zhǔn)活塞(弱彈簧可根據(jù)排氣壓力的大小和放大程度來選擇), 把p-V示功圖的尾部放大測繪出來。這種圖形稱為弱彈簧示功圖。圖10-12(a)所示為四沖程柴油機(jī)的弱彈簧示功圖。曲線1表示部分壓縮過程。當(dāng)示功器的小活塞運(yùn)動到極端位置時, 示功圖保持一段等高度。在膨脹過程(曲線2)中, 當(dāng)氣體壓力等于或小于彈簧的彈力時, 彈簧才恢復(fù)其作用。排氣過程(曲線3)從點(diǎn)

26、開始, 排氣閥已開, 氣缸內(nèi)的壓力迅速下降, 缸內(nèi)的廢氣大量排出 ,從而產(chǎn)生負(fù)壓。隨著活塞上行和速度提高,排氣壓力又高于大氣壓力,并隨廢氣的逐漸排空而下降?；钊竭_(dá)上止點(diǎn)附近,進(jìn)氣閥開啟,進(jìn)氣過程開始(曲線4),一直到下止點(diǎn),然后又開始壓縮。圖10-12 弱彈簧示功圖圖10-12(b)為二沖程柴油機(jī)的弱彈簧示功圖。當(dāng)排氣口開啟時, 膨脹線急劇下降到掃氣壓力線以下。在掃氣口開啟后壓力升高到掃氣壓力。由于彈簧的振動,壓力出現(xiàn)波動,直到掃氣口關(guān)閉為止。由于過后排氣,氣缸內(nèi)壓力又會下降,直到排氣口關(guān)閉開始壓縮。通過使用弱彈簧示功圖就可以研究和檢查換氣過程的好壞。6.p-展開示功圖圖10-13 p-展開

27、示功圖用電子示功器可測取p-展開示功圖。如圖10-13為p-示功圖。在船上可通過電子示功器測得。p為氣缸內(nèi)氣體壓力, 表示曲軸轉(zhuǎn)角。p-示功圖可用來計(jì)算柴油機(jī)的指示功率, 評估燃燒與掃氣過程, 測取缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力pz和壓縮壓力pc, 計(jì)算放熱率,測定發(fā)火角等。是分析研究柴油機(jī)過程常用的一種示功圖?？傊? 在船舶上通常使用機(jī)械示功器或電子示功器測取氣缸示功圖, 一般地講有以下用途:確定柴油機(jī)指示功率并判斷功率分配的均勻性;確定柴油機(jī)的最大爆發(fā)壓力pz和壓縮壓力pc; 評估柴油機(jī)缸內(nèi)工作過程的完善程度, 如研究其燃燒過程、換氣過程, 計(jì)算缸內(nèi)溫度等。第二節(jié) 示功圖的分析和計(jì)算一、示功圖的分析示功

28、圖分析是把所測的示功圖與柴油機(jī)的正常示功圖進(jìn)行比較, 找出它們之間的差別,判斷柴油機(jī)工作過程的優(yōu)劣以及產(chǎn)生偏差的原因, 以進(jìn)行必要的調(diào)整,使柴油機(jī)保持在良好的技術(shù)狀態(tài)下運(yùn)行。1.正常示功圖的特征正常示功圖是在柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)良好時測取的, 通常由柴油機(jī)說明書或試航報(bào)告提供。正常示功圖有以下特征:(1)工作過程曲線比較圓滑, 曲線過渡處無銳角或突變形狀。(2)工作過程各主要特性點(diǎn)的數(shù)值如最高爆發(fā)壓力pZ、壓縮壓力pc等應(yīng)符合說明書或試航報(bào)告的規(guī)定。(3)工作過程曲線無異常波動現(xiàn)象。圖10-14 正常示功圖(4)示功圖尾部形狀應(yīng)符合不同的掃氣形式的正常軌跡。圖10-14中繪出了二沖程柴油機(jī)正常示功圖

29、的基本形狀,也指出了各特性點(diǎn)在各種示功圖上的相互關(guān)系。圖中b表示在不同負(fù)荷下示功圖形狀的肥瘦, 因此寬度b大致反映了功率的大小。在缺少正常示功圖的情況下, 可根據(jù)上述各點(diǎn)并參照試航報(bào)告所規(guī)定的各主要熱力參數(shù)值進(jìn)行比較。若發(fā)現(xiàn)示功圖上的某些熱力參數(shù)不正常,必須查明原因,根據(jù)說明書上的要求進(jìn)行調(diào)整。在調(diào)整之后, 各缸有關(guān)熱力參數(shù)的不均勻度應(yīng)滿足如下要求: 工作參數(shù) 不均勻度(%) 壓縮壓力pc 5 最高爆發(fā)壓力pz 5 平均指示壓力pi 5 排氣溫度Tr 5(中、高速增壓機(jī)為8%)其中,在定期測取的示功圖中,除正常示功圖外,還會出現(xiàn)一些畸形示功圖。這些畸形圖可能因柴油機(jī)工作過程不正常引起,也可能由

30、于示功器本身或使用不當(dāng)?shù)仍蛞?所以應(yīng)對畸形圖進(jìn)行具體分析,找出造成畸形的原因。2.示功器傳動機(jī)構(gòu)不正常引起的畸形示功圖示功器傳動機(jī)構(gòu)因安裝不正確,零件磨損等原因會造成示功器轉(zhuǎn)筒的運(yùn)動與柴油機(jī)活塞的運(yùn)動不相應(yīng),歪曲了氣缸內(nèi)的壓力與行程的相應(yīng)關(guān)系,產(chǎn)生畸形示功圖。1)示功器傳動機(jī)構(gòu)定時超前圖10-15 傳動機(jī)構(gòu)定時超前引起的畸形示功圖示功器傳動機(jī)構(gòu)定時超前是指當(dāng)柴油機(jī)活塞位于上止點(diǎn)前的某一角度時,傳動機(jī)構(gòu)帶著示功器轉(zhuǎn)筒已到達(dá)上止點(diǎn)位置, 因而示功器畫針把活塞在上止點(diǎn)前的某一角度時氣缸的壓力畫到了示功圖的上止點(diǎn)位置。這樣就使示功圖發(fā)生畸形,即使壓縮線較正常線偏低。同理,在上止點(diǎn)后由于示功圖上某點(diǎn)

31、所記錄的壓力值是其前一曲軸轉(zhuǎn)角缸內(nèi)的壓力值,而使膨脹線比正常線偏高,由此使示功圖變胖。如圖10-15所示,虛線為正常示功圖,實(shí)線為傳動機(jī)構(gòu)超前5時的示功圖。此畸形圖的主要特點(diǎn)是:壓縮線低于正常示功圖,膨脹線高于正常示功圖,整個示功圖變胖。傳動機(jī)構(gòu)定時超前的角度越大,示功圖就越加肥胖。顯然用此圖計(jì)算的功率明顯增大。2)示功器傳動機(jī)構(gòu)定時滯后傳動機(jī)構(gòu)定時滯后是指當(dāng)柴油機(jī)活塞位于上止點(diǎn)后的某一角度時,傳動機(jī)構(gòu)才帶著示功器轉(zhuǎn)筒至上止點(diǎn)位置,因而示功器畫針把活塞在上止點(diǎn)后的某一角度時氣缸的壓力畫到了示功圖的上止點(diǎn)位置,使示功圖發(fā)生畸形。圖10-16中虛線為正常示功圖, 實(shí)線為傳動機(jī)構(gòu)滯后5時的示功圖。從

32、圖中可知此畸形圖的主要特點(diǎn)是:壓縮線高于正常示功圖,膨脹線低于正常示功圖, 整個示功圖變瘦。滯后角度越大,畸形圖越瘦。圖10-16 傳動機(jī)構(gòu)定時滯后引起的畸形示功圖實(shí)踐證明, 傳動機(jī)構(gòu)定時超前或滯后對示功圖形狀影響極大。 一般每相差1CA, 氣缸平均指示壓力pi相差約為5.5%。 當(dāng)發(fā)現(xiàn)示功圖出現(xiàn)上述差異時, 應(yīng)判斷是否是由于傳動機(jī)構(gòu)定時所引起的。此時,可采用純壓縮線判斷法:用單缸停油的辦法測取純壓縮圖。正常情況下,純壓縮線與膨脹線基本重合,如圖10-17(a)所示。這表示傳動機(jī)構(gòu)與柴油機(jī)同步。若傳動機(jī)構(gòu)定時超前(或滯后),則膨脹線與壓縮線分離。傳動機(jī)構(gòu)定時超前時膨脹線在上,壓縮線在下,如圖1

33、0-17(b)所示;傳動機(jī)構(gòu)定時滯后時膨脹線在下,壓縮線在上,如圖10-17(c)所示。圖10-17 純壓縮圖當(dāng)證實(shí)不同步現(xiàn)象出現(xiàn)時, 應(yīng)對傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整, 使它的運(yùn)動與活塞運(yùn)動完全同步。為此, 可通過盤車校正傳動機(jī)構(gòu)使之與活塞的上、下止點(diǎn)同步。如校正傳動凸輪的安裝位置和曲柄連桿式傳動機(jī)構(gòu)刻度盤的安裝位置等。2.示功圖故障引起的畸形示功圖示功器可因如下幾個原因引起畸形示功圖。1)示功器轉(zhuǎn)筒繩索太長或太短圖10-18 示功器繩索太長時的畸形示功圖如果示功器的傳動方向是在膨脹行程時使轉(zhuǎn)筒彈簧拉緊, 而在壓縮行程時使轉(zhuǎn)筒彈簧放松, 則繩索太長或太短時示功圖出現(xiàn)下列情況:如繩索太長,在傳動機(jī)構(gòu)上行至

34、離上止點(diǎn)尚有一定角度時,轉(zhuǎn)筒已到達(dá)其極端位置不再轉(zhuǎn)動,繩索開始松動,一直到當(dāng)傳動機(jī)構(gòu)由上止點(diǎn)下行某一角度繩索張緊時,轉(zhuǎn)角才開始轉(zhuǎn)動。在繩索松動期間,轉(zhuǎn)筒不轉(zhuǎn)動,因此只是畫針上下運(yùn)動,畫出的圖形是一條直線,致使把示功圖頭部切去一部分,示功圖變短,如圖10-18所示。圖10-19 示功器繩索太短時的畸形示功圖如繩索太短,傳動機(jī)構(gòu)在下止點(diǎn)前就將轉(zhuǎn)筒彈簧拉緊,在傳動機(jī)構(gòu)繼續(xù)下行時,轉(zhuǎn)筒已經(jīng)不動了,只是畫針上下運(yùn)動,畫出一條直線,把示功圖尾部切去一部分,示功圖的長度減短。如圖10-19所示。在嚴(yán)重情況下還可能將繩索拉斷或?qū)⑥D(zhuǎn)筒拉壞。如果改變示功器的傳動方向,則示功圖的上、下止點(diǎn)將彼此變更。此時繩索太長則

35、切去示功圖的尾部,繩索太短則切去示功圖的頭部。因此,在發(fā)現(xiàn)示功圖頭部或尾部被切后,應(yīng)按具體情況分析判斷和調(diào)整。在使用中,由此種故障產(chǎn)生的畸形圖形有時較難判斷(尤其在示功圖尾部缺少一段),此時可用檢查各缸示功圖的長度加以判斷, 應(yīng)保證各缸示功圖的長度一致。2)示功圖太長示功圖太長是由于示功器轉(zhuǎn)筒彈簧太軟、示功器轉(zhuǎn)筒的慣性作用和示功器機(jī)構(gòu)中間隙大等原因造成的。如圖10-20所示。圖10-20 示功圖太長5)示功器小活塞卡緊圖10-21 示功圖小活塞卡緊時的畸形示功圖當(dāng)示功器的氣缸潤滑不良或有結(jié)炭時,小活塞容易產(chǎn)生卡緊現(xiàn)象。此時,在壓縮過程中,由于小活塞出現(xiàn)卡緊,阻力增加,使畫針畫出的壓力比正常值低

36、(由于阻力抵消了部分氣體作用力),因而示功圖壓縮線降低;又由于小活塞受到的阻力是不規(guī)則的,時大時小,致使壓縮線出現(xiàn)波動現(xiàn)象。在膨脹過程中,由于阻力方向與壓縮過程時相比方向相反,使得畫針畫出的壓力比正常值大(由于增加了阻力相當(dāng)于增大氣體作用力),因而示功圖膨脹線升高。同樣也出現(xiàn)波動現(xiàn)象。如圖10-21所示。示功器小活塞卡緊,示功圖曲線波動,壓縮線降低,膨脹線升高,最高爆發(fā)壓力降低。壓縮線的長度的相當(dāng)大的一部分與大氣壓力線平行。此時所測取的手拉示功圖也有類似波動現(xiàn)象。圖中虛線為正常示功圖。3.氣缸內(nèi)工作過程不正常引起的畸形示功圖當(dāng)出現(xiàn)畸形示功圖時,應(yīng)首先判斷它是否是由示功器使用不當(dāng)或其傳動機(jī)構(gòu)不當(dāng)

37、引起的。在通常情況下,只要將示功器及其傳動機(jī)構(gòu)調(diào)整好且管理維護(hù)得當(dāng),上述故障是可避免的?；问竟D主要是由于柴油機(jī)缸內(nèi)工作過程不正常引起的。所以對于這種原因引起的畸形示功圖進(jìn)行分析與判斷,是調(diào)整柴油機(jī)的重要依據(jù)。當(dāng)然,柴油機(jī)的運(yùn)行參數(shù)如油門開度、轉(zhuǎn)速、排氣溫度、冷卻水溫度、滑油溫度等,都不同程度地反映著氣缸內(nèi)的工作情況,所以分析示功圖時還必須參照柴油機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。引起柴油機(jī)工作過程不正常的因素很多,無法一一列舉,以下分析在運(yùn)行管理中常見的畸形示功圖的特點(diǎn)。1)燃燒太早燃燒太早的p-V示功圖和轉(zhuǎn)角示功圖如圖10-22所示。虛線表示正常示功圖。這種示功圖與正常示功圖比較,有以下幾個特點(diǎn):(1)最高

38、爆發(fā)壓力pz增大,高于正常值,壓力上升曲線陡削,示功圖頭部尖瘦。(2)燃燒曲線過早地脫離壓縮曲線,發(fā)火點(diǎn)提前。(3)膨脹曲線降低(排氣溫度下降)。燃燒太早的主要原因是由于大部分燃油在上止點(diǎn)前噴入燃燒,后燃減少之故。造成燃燒太早的原因一般有噴油正時提前,噴油器啟閥壓力降低等。另外,當(dāng)由劣質(zhì)燃油改用優(yōu)質(zhì)燃油而未圖10-22 燃燒太早引起的示功圖調(diào)整(減小)噴油正時時也會產(chǎn)生燃燒太早的現(xiàn)象。由柴油機(jī)燃燒分析可知,燃燒太早將會增加柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷,嚴(yán)重時會使氣缸內(nèi)發(fā)生爆燃,引起燃燒敲缸,危及氣缸正常工作,故需及時加以調(diào)整。2)燃燒太晚燃燒太晚的p-V示功圖和轉(zhuǎn)角示功圖如圖10-23所示。它與正常示功圖

39、比較有以下特點(diǎn):(1)最高爆發(fā)壓力pz明顯降低,即示功圖高度下降。(2)示功圖頭部圓滑,發(fā)火點(diǎn)后移,甚至發(fā)生在上止點(diǎn)后,表示燃燒后移。圖10-23 燃燒太晚引起的示功圖(3)膨脹線較正常示功圖高(圖中虛線為正常示功圖)。燃燒太晚的原因通常有噴油正時滯后、噴油器啟閥壓力過高、改用劣質(zhì)燃油又未調(diào)整(增大)噴油正時、噴油泵漏油、噴油器漏泄及縫隙式濾器部分堵塞等。以上原因雖然都會使燃燒變晚,但又各有不同。圖10-24 噴油器漏油時的示功圖如噴油器閥座漏油時,燃油霧化不良,油氣混合不佳,造成燃燒延后,排氣溫度升高。這種示功圖的最高爆發(fā)壓力下降并又重復(fù)上升多次,如圖10-24所示。膨脹線高,且呈鋸齒形,鋸

40、齒向上。這種鋸齒形與示功器小活塞運(yùn)動受阻時的畸形示功圖看起來似乎有些相似,其實(shí)有區(qū)別。示功圖小活塞運(yùn)動受阻時示功圖面積增大,膨脹線較高,而且是不規(guī)則地下降并呈階梯形波動。噴油器漏油則示功圖呈向上鋸齒形波動,示功圖面積減小。圖10-25 噴油泵漏油時的示功圖如噴油泵柱塞因過分磨損漏油時,一方面會使泵油壓力下降,從而使噴油延后造成后燃,會使排氣溫度升高;另一方面由于泵油期間漏油,使得噴入氣缸中的油量也減少,會造成功率明顯下降,排氣溫度亦降低。實(shí)踐證明上述兩方面綜合起來,后者影響大,最終使得排氣溫度降低。如圖10-25所示。3)噴油器噴孔部分堵塞當(dāng)噴孔部分堵塞時,由于噴孔流通面積減少,流阻增大,單位

41、時間噴油量減少,使總的噴油時間拖長, 出現(xiàn)后燃現(xiàn)象。其示功圖與燃燒太晚畸形示功圖相似。但由于高壓油管中的壓力急劇升高,會發(fā)生重復(fù)噴射，膨脹線會產(chǎn)生波動。如圖10-26所示。這種示功圖的特點(diǎn)是最高爆發(fā)壓力pz降低,膨脹曲線升高,示功圖頭部的膨脹曲線出現(xiàn)波動。但由于噴油正時未變,發(fā)火點(diǎn)也基本未變,這是區(qū)別于燃燒太晚示功圖的主要依據(jù)。在噴孔部分堵塞的情況下,有時會在噴油泵泵油初期產(chǎn)生沖擊和振動。如果用手觸摸高壓油管,可感到明顯的脈動過重并伴隨有油管發(fā)熱的現(xiàn)象。這些特征有助于分析示功圖。圖10-26 噴油器噴孔部分堵塞時的示功圖4)氣缸內(nèi)空氣量不足氣缸內(nèi)空氣量不足時的示功圖如圖10-27所示。它與正常示功圖比較有以下特點(diǎn):(1)最高爆發(fā)壓力pz和壓縮壓力pc都降低。(2)膨脹線與壓縮線均降低,有時可能出現(xiàn)波動。圖10-27 氣缸漏氣時的示功圖(3)示功圖面積減小,指示功降低,排氣溫度升高。氣缸內(nèi)空氣量不足的原因一般是氣缸漏氣,如活塞環(huán)漏氣、排氣閥漏氣等;掃氣空氣供應(yīng)不足,如氣口堵塞,增壓器進(jìn)氣濾器堵塞,中冷器堵塞,增壓器污