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压力传感器案例分析——气缸压缩波形深度分析

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发表于 2016-4-12 15:48:45 | 显示全部楼层 |阅读模式
   ——Bernie Thompson
    内燃机的压缩变化波形是判断气缸的机械状况是否正常的关键。

    压缩波形要分成多个区间才能方便地分析气缸的机械状况。在图1(使用300psi的压力传感器采集)和图2(使用30英寸汞柱的传感器以增加排气“平顶”的分辨率)显示的是从点火正常的发动机怠速下测得的的压缩波形,并且在波形关键的地方做了标记。在波形的波峰处标记了字母A,这个点就是活塞运行到上止点的时刻。波峰的压力值就是从K点的气体压缩到A点时的值。压力值的大小取决于活塞到气缸盖的容积,活塞到达上止点时气缸内的压力达到最大值。在A点出处活塞停止向上运动,并准备向下止点运动。这个最大压力值会随着发动机运行的工况的不同而改变。

compression-waveform-300psi.jpg
图1

compression-waveform-30hg.jpg
图2

    点燃式发动机在起动过程中的气缸压缩的压力为130psi(约9bar)。当这个起动压缩压力下降到90psi(约6.2bar)以下,就表明气缸内的压力不足以支持烃链的燃烧。发动机在怠速状态下的压缩压力应为70psi(约4.8bar),如果降到40psi(约2.8bar)以下就会造成气缸失火,即气缸内的压力不足以支持烃链的燃烧。

    在怠速状态下,猛踩油门测得的压缩压力应该会增加大约3倍。随着曲轴转过上止点,活塞开始远离气缸盖向下止点运动,活塞与气缸盖之间的容积就会逐渐增大。这时缸内的压力也会逐步降低。

    如果在压缩尖峰上的最高点A和最低点D之间从中间处(如图中的B点)分成两等分,那么上止点到B点之间曲轴转过30°,压力从最大值减小到一半。然后活塞会继续向下运动,并且下降速度会持续加大直到曲轴运动到90°的位置并达到最大速度。随后从90°向下止点运动过程中,活塞速度逐渐减慢,直到到达下止点并停止。现在活塞运行到了90°的中间位置。

    在活塞下降了的90°时,可以看到气缸压力已经完全的下降了,并且进入到了负压或者真空压力的工况。随着活塞继续下降,缸内压力继续降低。在达到D点处排气门打开,虽然这时活塞继续向下运动,但是压力却在增加。这是因为排气通道的压力要高于缸内的气压,所以缸内的气压会继续上升,直到与排气压力的气压相等,如图中的F点。排气压力的改变应该发生在活塞减速停止或到达下止点的时刻。从D点到F点的上升的这段压力区被称为“排气斜坡”。180°下止点应该处于“排气斜坡”的中点处,如图3,这就表示排气凸轮轴与曲轴相对的相位是正确的。如果180°下止点位于“排气斜坡”中点-10°到+15°范围内的位置,凸轮轴的正时属于正常的范围内。

exhaust-ramp.jpg
图3

    在一些基于性能的发动机上,180°下止点会比“排气斜坡”中点提前20°,凸轮轴的正时也是正常的。活塞在到达下止点时是静止不动的。然后在曲轴的带动下,活塞向上运动,气缸开始进入排气冲程,废气通过排气门排出气缸。活塞到达排气冲程中点时,即曲轴转过270°的位置,达到了最大速度,然后开始减速,并最终在到达360°上止点时停止运动。活塞在到达360°上止点前30°到前15°之间进气门会开启,就是上图中的G点。在不同的发动机上可能这个点的压力变化看上去不明显。

    当活塞在向上止点运动,并且速度非常慢时,进气门打开,排气门此刻也依然开着,使得缸内压力与排气压力保持一致。当活塞到达360°的上止点并且开始向下运动时,缸内压力开始下降直到与进气歧管的压力相等。进气歧管的气压处于负压或者真空压力状态。进气压力的改变会产生一个“进气斜坡”,即图中的G点到I点。排气门大约会在曲轴I点处关闭。“进气斜坡”会在360°上止点处开始,并在360°上止点后60°处达到与进气歧管压力相等,图中I点。如果将G点到I点的“进气斜坡”等分为两等份,那么斜坡上的中点处于360°上止点后20°的位置(即380°位置),如图4。这表明凸轮轴相对于曲轴的相位是正确的。如果380°的点处在“进气斜坡”中点±10°范围内,凸轮轴的正时也是正确的。

intake-ramp.jpg
图4

    在应用了可变正时气门技术的发动机上,“进气斜坡”的中点处于360°上止点+30°处(即390°)±10°范围内。图1中J点的进气压力应该与D点的排气压力大致相等。这是因为进气歧管的气压即J点经过压缩达到峰值然后随着活塞下降又恢复成原来的压力,即D点处。

    排气高原,从D点到I点,是由进气歧管内的压力差或者真空引起的。随着进气真空的改变,排气高原也会发生相应的变化。例如,如图5,当发动机在起动时,只能产生1英寸汞柱到3英寸汞柱的进气歧管真空压力。这个进气真空压力减少也会引起排气高原压力的减少,这个改变在波形上体现出来就是高度的降低。因此只有1英寸汞柱到3英寸汞柱的排气高原的斜坡就不会通过180°下止点或者360°上止点+20°。所以进气歧管真空需要更高的压力使得“排气高原”的斜坡中点足以分别经过180°下止点和360°上止点+20°。因为在发动机起动时“进气斜坡”和“排气斜坡”无法用来判断凸轮轴的正时,取而代之的是检查气门的开启。排气门应该是180°下止点前30°到50°之间开启,进气门刚好在活塞到达360°上止点后开启。进气门应该是下止点540°后的30°到60°之间关闭。如果以上情况都满足,那么凸轮轴的正时校准得足以起动发动机,但是,曲轴正时仍有可能有一个齿的正时错位。为了知道凸轮轴的正时,发动机需要处于平稳的怠速状态。活塞向下加速运动直到达到450°的位置,此刻活塞达到最大速度。然后活塞开始减速向下运动,直到达到540°下止点位置。曲轴继续旋转,然后活塞开始从零速慢慢上升。这时进气门依然是开着的,所以气缸的压力和进气歧管的压力是相等。进气门在K点关闭,此时气缸压力开始上升。进气门关闭的时刻大约在540°下止点后50°的位置。活塞继续加速上升,直到到达630°的位置并达到最大速度。这时就能看到压力非常明显的上升。活塞从630°位置继续上升,同时速度开始减慢,经过了60°到达690°位置,即该压缩波形的中间压力值点,如图中M点。压缩压力随着活塞继续上升而上升并最终到达720°位置。有一点很重要的是,压缩尖峰的一半压力是通过压缩冲程的最后30°转角形成的。

blue-ptr-manual-crank-compression-4.jpg
图5

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