摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比測量技術(shù)現(xiàn)狀及改進(jìn)

摘 要：本文在分析國內(nèi)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)測量壓縮比技術(shù)的現(xiàn)狀及缺陷的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的壓縮比測量方法——液體測量。文章詳細(xì)論述了液體測量方法的原理、關(guān)鍵問題以及液體的選擇，同時(shí)研制了一套壓縮比測量系統(tǒng)，該裝置操作簡單，安裝方便，目前已應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中，使用情況良好。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);壓縮比;液體測量

中圖分類號(hào)：TP274 U464.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

Present Situation and Mending Method for Measurement

Technology of Motorcycle Engine Compression Ratio

Zhao Shu-juan1，YU Yong-hui2，HE Xiao-rong2， Qiu liu-dong3，

(1.Department of Automation， Chongqing Industry Polytechnic College， Chongqing， 400050，China;

2.College of electronic Information Automation， Chongqing Institute of Technology，

Chongqing， 400050，China; 3. College of Automation， Chongqing University， 400050， China)

Abstract:In this paper a mending method for motorcycle engine compression ratio is set up based on the analysis of local motorcycle engine's measuring method. This paper introduces the generic concept of system project holistic design， collects and compares the displacement signals of supply valve， exhaust valve and crank by using raster displacement coder and photoelectric angle coder， finds out the relevant relation， exactly measures the parameters of valve phase， and also explains why use the liquid measure in our design. Finally we studied and found the measure system for motorcycle engine compression ratio. It easily operates and now has gained better efficiency in practice.

Key words:motorcycle engine， compression ratio， liquid measure

由于環(huán)境保護(hù)和人類可持續(xù)發(fā)展的要求，低能耗和低污染已成為摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展目標(biāo)， 要求發(fā)動(dòng)機(jī)既要保證良好的動(dòng)力性又要低油耗，摩托車的壓縮比直接與發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、扭矩、油耗、排放密切相關(guān)，是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)［1］。目前國內(nèi)摩托車企業(yè)測量壓縮比的方法主要是液體容積測量法［2］，該方法操作復(fù)雜，精確度不高，因此應(yīng)對其測量方法進(jìn)行改進(jìn)。文章指出容積測量的方法大多采用液體或者氣體測量，由于氣體受壓力和溫度的作用對體積影響比較大，所以提出了液體測量的方法。并對本系統(tǒng)液體測量的方法和如何選擇測量液體進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，研制了一套壓縮比測量系統(tǒng)，該裝置操作簡單，安裝方便，目前已應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中，并取得了較好的測試效率。

1 摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比測量技術(shù)現(xiàn)狀及缺陷

目前我國摩托車企業(yè)測量壓縮比的方法主要是液體容積測量法。如圖 1所示。將發(fā)動(dòng)機(jī)的火花塞取下，先用百分表，通過火花塞孔，將百分表的測桿置于活塞的頂部，轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸，通過百分表的示值轉(zhuǎn)折點(diǎn)，找準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)的上止點(diǎn)和下止點(diǎn)。在上止點(diǎn)時(shí)將曲軸止住，用滴管將液體慢慢滴入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室內(nèi)，同時(shí)要注意排出其中的空氣，當(dāng)液體液面與火花塞孔口部平齊時(shí)，記錄下滴管的前、后刻度值H H2、，這就可以得出發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的余隙容積Vc：

Vc=H1-H2-Vl（Vl為火花塞伸入燃燒室部分的體積）(1)

再將發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，同時(shí)一邊不斷地用滴管向燃燒室內(nèi)注入液體，直到通過火花塞孔可以清楚地看到其中的液體，然后關(guān)閉滴管的開關(guān)。同時(shí)正反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)曲軸，找出液體液面的最低點(diǎn)，此為活塞運(yùn)動(dòng)的下止點(diǎn)，這時(shí)再打開滴管的開關(guān)，繼續(xù)向燃燒室內(nèi)緩慢地滴入液體。當(dāng)液體液面與火花塞孔口部平齊時(shí)，記錄下滴管液面的高度H3。再用液體容積法測出火花塞L部位的體積Vl。這樣就可以得出汽缸最大容積Va：

Va=H1-H3-Vl(2)

測出了Vc、Va就可以計(jì)算出壓縮比E：

E=Va/Vc(3)

從上面的敘述中可以看出，目前這種測量方法對操作人員的熟練程度要求高、操作較為復(fù)雜、測量的準(zhǔn)確性也主要取決于操作人員的熟練程度。有必要進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。

2 摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比測量方法的改進(jìn)

容積測量的方法大多采用液體或者氣體測量。由于氣體受壓力和溫度的作用對其體積影響比較大，所以我們采用液體測量的方法。

2.1 液體測量方法的研究

2.1.1 液體測量方法的關(guān)鍵

液體測量方法就是用液體代替燃?xì)?，?jīng)過火花塞孔灌入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒工作室。通過測量灌入的液體容積來分別測出汽缸余隙容積Vc、汽缸最大容積Va。從而根據(jù)公式計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比。液體測量方法的關(guān)鍵是：

1）由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒工作室通過火花塞孔形成的是一個(gè)單孔容器，在向其中灌入液體時(shí)，其中的空氣必須排出干凈。否則測出的容積不等于實(shí)際容積。

2）用于測量的液體必須滿足兩個(gè)必備的要求：首先，為了防止液體從缸體、活塞環(huán)、活塞形成的密封面泄露，要求液體有一定的粘度。在考慮這一問題時(shí)，由于在這幾個(gè)密封面中，間隙最大的就是活塞環(huán)的開口間隙，所以在選擇測量液體粘度時(shí)，以活塞環(huán)的開口間隙為依據(jù)。其次，為了使測量液體能充滿整個(gè)燃燒室，液體還必須具有一定的流動(dòng)性。

2.1.2 液體測量方法的原理

由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒工作室通過火花塞孔形成的是一個(gè)單孔容器，如果只往容器中灌入液體，就無法形成一個(gè)液體流動(dòng)的通道。［1］當(dāng)活塞在其中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，不宜測量液體容積的變化。我們考慮應(yīng)當(dāng)想辦法讓單孔容器變成雙孔容器。如圖 2所示。

圖1 液體容積測量法測量壓縮比

圖2 壓縮比測量系統(tǒng)示意圖

為了把燃燒室中的空氣排干凈，我們在液體通過的路徑上增加了一個(gè)泵，以加大液體灌入燃燒工作室的壓力，這有利于空氣的排除。整個(gè)液體經(jīng)過的路徑是:

量杯2泵火花塞孔處的管1

量杯1火花塞孔處的管2燃燒工作室

加壓泵就像一個(gè)單向閥，當(dāng)泵入燃燒室液體后，液體就不能回流。這時(shí)液體的流動(dòng)只能因活塞的移動(dòng)而流動(dòng)。量杯1的液面在測量的過程中必須高過發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室部位，并要預(yù)留一定的容積，以便保證當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，從燃燒室中排出的液體容積能用量杯 1 進(jìn)行計(jì)量。

汽缸余隙容積Vc的測量計(jì)算：

設(shè)管1的容積為V1；火花塞孔L部位的體積為V′l；管2的容積為V2；量杯1的儲(chǔ)液部分容積為Vb。測量開始時(shí)，液體通過泵向發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒工作室輸出測量液，這時(shí)液體一方面灌入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒工作室，一方面排除發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒工作室的空氣。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒工作室的液體灌滿時(shí)，液體就從管 2 流出，液體沿著管 2 進(jìn)入量杯 1。當(dāng)量杯 1 中的計(jì)量柱液面達(dá)到適當(dāng)?shù)奈恢煤?，切斷泵的電源，停止泵液。這時(shí)由于泵本身是一個(gè)單向閥，所以液體不會(huì)回流。泵出的液體就被截在了液體流道中的管 1 之后。泵出的液體量可以從量杯 2 的計(jì)量柱上讀得。設(shè)泵出的液體量為V總。這時(shí)我們旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，活塞要做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒工作室的容積就要發(fā)生相應(yīng)的變化，這個(gè)變化就會(huì)通過液體流經(jīng)的通道反應(yīng)在量杯 1 的計(jì)量柱液面變化上。當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，這時(shí)量杯 1 的計(jì)量柱中的液面最高，當(dāng)活塞到達(dá)下止點(diǎn)時(shí)，這時(shí)量杯 1 中的計(jì)量柱的液面高度最低。

設(shè)量杯1中的計(jì)量柱的液面最高時(shí)的讀數(shù)為Vc，液面最低時(shí)的讀數(shù)為Hmin。泵的容積為V總，則有：

Vc=V總-V1-V2-Vb-Hmax+Vl-Vl(4)

（Vl：發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞伸入燃燒工作室內(nèi)的那部分體積）

汽缸工作容積Vs的計(jì)算：Vs=Hmax-Hmax(5)

汽缸最大容積的計(jì)算：Va=Vc+Vs(6)

Va=V總-V1-V2-Vb-Hmin+V′l-Vl(7)

發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比E的計(jì)算：

E=VaV總=V總-V1-V2-Vb-Hmin+V′l-VlV總-V1-V2-Vb-Hmax+V′l-Vl(8)

?。篏=V總-V1-V2-Vb+V′1-V1(9)

則：E=G-HminG-Hmax(10)

對于一個(gè)固定的已知測量系統(tǒng)來說，G值是不變的。但我們可以從（10）式看出，G值越小，由其誤差量（假設(shè)是固定范圍內(nèi)）引起的E的變化就越大，即E的誤差也就越大。所以說在系統(tǒng)制作中，要盡量減小管1、管2，量杯1儲(chǔ)液部分的容積。量杯的計(jì)量柱的讀數(shù)應(yīng)分度較小，這樣對液面變化的反應(yīng)更為靈敏一些。

2.1.3 液體粘度的研究及測量液體的選擇

液體在外力作用下流動(dòng)時(shí)，液體分子間的內(nèi)聚力會(huì)阻礙其分子間的相對運(yùn)動(dòng)，因而產(chǎn)生一種內(nèi)摩擦力，這一特性稱為液體的粘性。我們在研究中利用液體的粘性，防止液體從汽缸和活塞環(huán)的結(jié)合部位及活塞環(huán)開口處漏出；同時(shí)，測量液體的粘性也不能太高，以免粘結(jié)在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)腔里面，客觀上造成了測量誤差，影響測量精度。選擇合適粘度的測量液體，對本系統(tǒng)的測量十分重要。但有時(shí)產(chǎn)品液油粘度并不合適我們的要求，這是可把兩種不同的液油混合起來使用，這稱為調(diào)合油。

采用的是發(fā)動(dòng)機(jī)的潤滑機(jī)油和煤油的混合物作為測量液體。要保證測量液不泄漏，有兩個(gè)方面的因素：液體的粘度和量杯液面高度。第一點(diǎn)上面已經(jīng)解釋過，第二點(diǎn)可以從活塞環(huán)的密封原理進(jìn)行解釋。當(dāng)量杯１的液面保持一定高度時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒工作室相應(yīng)也就保持一定的液體壓力，這樣就有利于活塞環(huán)的第一密封面和第二密封面的形成。但由于是在冷機(jī)狀態(tài)下，所以活塞環(huán)的開口間隙，比在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的小，所以密封性又不如熱機(jī)狀態(tài)，這就需要用測量液的粘度來彌補(bǔ)。為了找到一個(gè)合適的測量液粘度和量杯1的高度，我們采取了如下的試驗(yàn)方法：先用發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑機(jī)油與煤油按1:1的比例調(diào)和成測量用液體，放入量杯2中；再將油泵開啟，向燃燒工作室加油；這時(shí)要將曲軸旋至活塞的下止點(diǎn)；灌入的測量液量以達(dá)到量杯１的計(jì)量柱的三分二為準(zhǔn)。量杯１的高度以計(jì)量柱高出發(fā)動(dòng)機(jī)為準(zhǔn)。靜置量杯１兩小時(shí)。靜置前記錄下測量液的粘度°Ex、量杯1液面距擱置面的高度Hx。兩小時(shí)后若量杯1的計(jì)量柱液面變化值小于計(jì)量柱最小刻度的二分之一，那么這時(shí)所得到的°Ex、Hx是適合測量的。如果這時(shí)計(jì)量柱的液面變化大于最小刻度的二分之一，則需要調(diào)整°Ex、Hx以便滿足要求。

2.2 液體測量方法裝置的設(shè)計(jì)制作

2.2.1 火花塞孔進(jìn)出液體三通的設(shè)計(jì)制作

圖3 火花塞孔進(jìn)液三通圖

圖4 三通結(jié)構(gòu)

火花塞孔進(jìn)出液三通結(jié)構(gòu)如圖3。一般國產(chǎn)火花塞的連接螺紋尺寸（直徑×螺距）有M10×1（代號(hào)為1），M14×1.25（代號(hào)4）和M18×1.5（代號(hào)為8）等三種規(guī)格，國外還有螺紋直徑為12mm火花塞。一般講直徑在18mm以下。這就要求在制作火花塞孔處三通時(shí)，對于不同型號(hào)的摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)，直徑一般不會(huì)超過18mm。

從上面的介紹中可以看出10 mm≤D≤18 mm。

b不宜太小，一般應(yīng)控制在４mm，通常２mm≤b≤４mm。

z不宜太小，一般應(yīng)控制在４mm，通常２mm≤z≤４mm。

由圖4可以知道：d=(D-2B-Z)/2（11）

所以d的最大值：dmax∶dmax=(18-2×2-2)/2=6

d的最小值：dmim∶dmin=（10-2×4-4)/2=-1

從上面的計(jì)算可以看出，液體出入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的進(jìn)出通道，最大不能超過6 mm，同時(shí)考慮到加工的難度，和液體流動(dòng)的暢通，最小也應(yīng)不小于1.5 mm。

2.2.2 量杯、油道的選用

根據(jù)（10）式，在同一類型的發(fā)動(dòng)機(jī)氣門相位和壓縮比參數(shù)測量中，G值固定不變?yōu)榱颂岣邷y量精度，那么Hmax和Hmin應(yīng)盡量小，這樣對G值的影響就越小。所以油道和量杯非計(jì)量部分的容積應(yīng)盡量減小。由于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)腔容積一定，為了使Hmax和Hmin盡量小，那么量杯的橫截面積就應(yīng)該盡量大，但是為了觀測的方便，橫截面積又應(yīng)小一些，以便我們

觀測量杯數(shù)值時(shí)減小觀測誤差，我們在經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際工程情況選擇了一個(gè)比較滿意的橫截面積。

2.2.3 泵的選擇

在液體流程中增加一個(gè)泵，是為了增大液體灌入燃燒工作室的壓力，有利于液體的流通和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)腔中氣體的排除。由于泵主要起的是輸送液體的作用，不會(huì)對我們的測量參數(shù)增加額外的誤差。所以我們選用泵本著經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則，采用的是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上一般的油泵。

2.2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比系統(tǒng)組裝

液體測量發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比裝置組裝如圖5所示。

圖5 液體測量發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比裝置

3 測試數(shù)據(jù)及誤差分析

實(shí)際測量中，引起壓縮比測量誤差的因素是多方面的，主要是以下兩個(gè)方面：①測量液體可能泄漏的影響②量杯計(jì)量精度的影響。

該系統(tǒng)是用測量液來代替發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)膺M(jìn)行壓縮比的測量，由于是在冷機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行，肯定與發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)有一定的差異［2］。同時(shí)活塞環(huán)與活塞、汽缸形成的迷宮式密封也不可能像熱機(jī)狀態(tài)下那樣理想。在通過量杯1 的計(jì)量柱找活塞的上、下止點(diǎn)時(shí)，由于是人眼觀察液面的變化，無可避免存在一定的誤差，從而引起汽缸最大容積和汽缸余歇的誤差。［3］對于汽缸工作容積，如果保持觀察液柱的位置不變，旋轉(zhuǎn)曲軸，由于這時(shí)讀取的是液面的高度差，引起的汽缸工作容積的誤差就要比汽缸最大容積和汽缸余歇的誤差小。故在實(shí)際

測量中應(yīng)該使用汽缸工作容積。在測量順序上，如果我們先測量汽缸最大容積，再旋轉(zhuǎn)曲軸測量汽缸余歇，這時(shí)， 由于測量液體有一個(gè)向下的慣性，可能就會(huì)增加液體的泄漏趨勢，應(yīng)當(dāng)先測量汽缸余歇，再測量汽缸工作容積。

4 結(jié)束語

本文是結(jié)合嘉陵工業(yè)集團(tuán)“摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門相位、壓縮比測量裝置”這一課題，對有關(guān)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比測量方法和裝置進(jìn)行分析論述的，特別在測量方法的原理、關(guān)鍵問題、測試裝置的設(shè)計(jì)制作等方面作了較詳細(xì)的研究，目前該裝置已應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，使用情況良好，其操作簡單，安裝方便，能夠提供較高的精確度。本文的研究對摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)開發(fā)人員在品質(zhì)控制上有著重要的參考價(jià)值。

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