存储式活塞稳态温度测量装置的研究

论文摘要

随着内燃机增压技术和燃油高压共轨系统的使用,发动机功率密度增大,组成发动机燃烧室各个部件的热负荷和机械负荷随之增加。活塞是承受热负荷和机械负荷的重要部件之一,烧蚀现象频繁出现,了解发动机运行时活塞温度分布规律是解决活塞烧蚀问题的重要手段；活塞是高速往复运动件,实测其温度非常困难。所以活塞温度测量是测试技术中的一个难点,也是发动机测试技术研究的热点课题之一本文提出并研制了一种新的存储式活塞稳态温度测量装置,它包括温度触发开关、巡弋开关模块、存储器模块的三部分。该装置体积小、重量轻,使活塞温度测量走向了实用化。温度触发开关的使用对存储式活塞温度测量装置的电源进行有效地管理,使测量装置在高、低功耗间切换,解决了存储式活塞温度测量装置能耗问题,延长了其有效工作时间。巡弋开关模块有效地减小了测量装置的体积,能够使活塞布置多个测点。集成在巡弋开关模块上的热电偶冷端补偿电路可以实时获得活塞温度测量装置的环境温度,对热电偶低温端进行温度补偿；同时,为判断存储式活塞温度测量装置工作稳定性提供了温度参考。固定座和绝热隔温盒的设计使得小型化的测试装置与活塞固定在一起,热电偶导线与温度测量装置没有相对运动,提高了热电偶测量活塞温度的可靠性；根据实测数据,绝热隔温盒可以有效地使测量装置的工作温度降至90℃以下,确保了芯片的可靠工作。存储式活塞温度测量系统在75℃,100℃,120℃,135℃四个高温环境内的误差标定结果显示,各个通道的系统误差在75℃时系统误差在1.03-1.08mV,在100℃、120℃、135℃是系统误差在0.94-1.06mV,系统误差在环境温度升高时,绝对误差大小呈下降的趋势,但总体上在1±0.08mV内变动,如果去掉系统的偏差1mV,测试系统的精度为±2℃。EQD180-20天然气发动机浴盆型燃烧室的活塞最高温度出现在活塞凹坑顶面边缘圆角处,最高平均温度温度为264℃,最高瞬时温度为272℃；燃烧室底面中心的温度比底面圆角处的温度略高,这是因为活塞裙部喷油冷却,燃烧室底面圆角靠裙部,热量更容易传导给冷却油。第一环槽温度最低有188℃,最高有224℃,达到了普通润滑油的结焦温度,应使用专用的润滑油。节气门开度最大时,浴盆形燃烧室活塞在发动机由高转速工况向低转速工况过渡时,活塞的温度会先降低,工况稳定之后又略微上升；而发动机转速由低转速工况向高转速工况过渡时,活塞的温度会先增加,达到稳定工况后活塞的温度会略微降低；在冷却水温度恒定时,活塞的温度对排气温度比较敏感,随着发动机排温升高,活塞温度上升：喷油冷却改善了活塞的温度分布,但稳定工况下润滑油温度上升8℃,各测点温度无明显变化。由经验公式得到计算边界条件用于活塞温度场计算,计算结果误差很大,温度场计算须有实测温度作为修正依据；经过实测温度修正后温度场计算值可以在测点处达到较高的计算精度,其计算结果的误差在5℃之内。温度场的计算结果表明,在发动机外特性上,浴盆形燃烧室活塞在低转速时整体温度比较低,且等温线较为稀疏；在高速运行时,活塞表面温度上升很快,从第一环槽到活塞顶面的温度梯度较大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.3 活塞温度测量技术的分析与总结
• 1.4 本文主要工作
• 2 存储式活塞稳态温度测量原理
• 2.1 存储式测试技术的应用现状
• 2.2 存储式活塞温度测量系统对测试装置的要求
• 2.3 存储式活塞温度测量原理
• 2.4 STC54C10AD单片机的输入程序应用电路图设计
• 2.5 存储器模块设计
• 2.6 本章小结
• 3 存储式活塞温度测量系统误差标定及可靠性试验
• 3.1 活塞温度测量系统可靠性试验
• 3.2 存储式活塞温度测量系统的误差标定
• 3.3 本章小结
• 4 天然气发动机存储式活塞温度测量试验研究
• 4.1 固定装置的尺寸确定
• 4.2 固定装置可靠性及测量模块冲击载荷模拟试验
• 4.3 测量点的布置
• 4.4 存储式活塞温度测量试验
• 4.5 试验结果及数据分析
• 4.6 本章小结
• 5 天然气发动机活塞三维温度场数值分析
• 5.1 求温度场的有限元法原理
• 5.2 传热边界条件常用的求解公式
• 5.3 三种工况下活塞活塞温度场计算
• 5.4 本章小结
• 6 全文工作总结及今后工作展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 今后工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文
• 附录2 攻读博士学位期间申请的国家专利
• 附录3 攻读博士学位期间参与的主要科研项目