[发明专利]基于光纤探针的发动机缸盖参数测量仪器及方法

说明书

技术领域

本发明具体公开了一种基于光纤探针的发动机缸盖参数测量仪器及方法。

背景技术

发动机气缸盖作为发动机的重要部件之一，其强度和可靠性为发动机强度和可靠性问题的重要部分。气缸盖主要由气缸盖体、进气道、排气道，油嘴、摇臂机构等几部分组成，被压在气缸套上的凸缘平面上，通过螺栓与缸体紧密连接，主要作用是密封气缸，并与活塞顶及气缸内壁共同组成发动机的燃烧空间。发动机缸盖长期在高温下工作将会导致缸盖材料强度的降低,而材料强度的降低又意味着缸盖长期工作会出现永久变形。此外,由于缸盖火力里面直接与高温燃气接触,其水套壁面与冷却液接触,这引起缸盖整体温度分布的不均匀,导致了缸盖变形的不均匀,在缸盖内部将产生很大的热应力，缸盖在此热应力的反复作用下容易形成热疲劳裂纹,严重时造成发动机缸盖的工作失效。由此可见,缸盖底板的工作温度及其分布状况是衡量缸盖火力面裂损的主要因素,是衡量缸盖能否保持正常可靠工作的一个重要参数,也是缸盖热负荷大小的重要标志。因此，对缸盖冷却水腔以及火力面等关键处的温度场进行研究，通过实测的温度场来评价其工作的可靠性是十分有效和必要的。

目前的研究中，传感器采用的多是热电偶。较早的是1981年重庆重型汽车研究所的罗新民、乔惠英利用多点和移动式热电偶测量缸盖温度的分布，测量对象是12V150Z型柴油机的第一轮和第三轮两种气缸盖，热电偶使用直径为1毫米的镍铬—铐铜(XK)套管热电偶。

1986年武汉水运工程学院的蔡军、陆瑞松、秦毅研究柴油机过渡工况下气缸盖非稳定热负荷的测试技术。用高温电阻应变片和露头型恺装热电偶测取该机气缸盖的温度历程,并在材料应力发生最大变化的区域中测取最危险点上的应变曲线。

1997年天津大学内燃机研究所朱维真、李志宏等采用热电偶作为缸盖温度传感器,制做了发动机缸盖温度监测仪。

2001年洛阳工学院汽车工程系的姬芬竹、杜发荣、司东宏也是在在汽缸盖上共布置热电偶,测试及分析了过渡工况下汽车发动机汽缸盖温度。汽缸盖底面热电偶选用TCS-K型镍铬-镍硅(NiCr-NiSi)双线型结构的薄膜热电偶,汽缸盖外表面选用普通套管铠装热电偶。2009年江苏大学能源与动力工程学院潘剑锋、赵金刚、李德桃等以直喷式6缸柴油机为研究对象,采用一种具有银焊接点的热电偶,将其直接安装在被测零件表面上,进行了多缸柴油机气缸盖温度场的试验研究。

2011年南京航空航天大学金城学院的卞利云以汽油机为研究对象，设计和制作了一种基于CAN总线和J型热电偶的缸盖温度数字测试装置，用于水冷发动机的汽缸盖温度测定。以单片机为核心，采用J型热电偶，并辅以温度信号放大电路AD594等来实现对缸盖表层温度的测量。山东大学丁大伟对226B发动机缸盖进行了试验研究，在缸盖火力面以及冷却水腔壁面布置了测点，分别采用硬度塞法和热电偶法对额定工况下火力面17测点以及多工况下冷却水腔lO个测点的温度进行了测量，并对数值计算结果和试验结果进行了对比。中北大学张瑜、裴东兴、祖静以某柴油机气缸盖和气缸套温度场分布规律为研究对象，采用k型镍铬-镍硅热电偶，进行了存储式测试。

从国外发表的文献来看，也尚无使用光纤光栅传感器测量发动机缸盖温度的研究。1977年日本田中茂男利用应变片和热电偶分别测定汽缸盖热应力和温度。日本Yasuhiro Nozue等在1986年又利用箔式热电偶和高温应变仪进行了类似的实验并分析了汽缸上的热应力。1991年美国的H.Zhao、N.Collings、T.Ma研制了一个通过红外线发射监视和记录内燃机缸盖表面温度的热成像系统。该系统包括一个红外扫描仪、图像处理设备和安装在活塞内的红外线发射窗口。2009年美国威斯康星大学的Dennis M.Ward利用嵌入活塞表面的光纤光栅温度传感器对发动机活塞温度进行了研究，介绍了传感器的安装及测试中可能出现的问题。

之前的各项研究，不论方法如何，均是采用的热电偶作为传感器测量缸盖温度场。而热电偶作为传感器检测温度，速度慢，测量误差大，安装调试复杂，且不便于远距离传输。