柴油機(jī)臺(tái)架漏氣量測(cè)量自動(dòng)修正方法

劉杰，陳創(chuàng)，謝俊，董紅霞，王宇，李闖

摘要： 柴油機(jī)在研發(fā)試驗(yàn)階段都會(huì)通過活塞漏氣量來評(píng)價(jià)活塞、活塞環(huán)和缸體的設(shè)計(jì)質(zhì)量。通過研究AVL442活塞漏氣儀測(cè)量機(jī)理，發(fā)現(xiàn)在臺(tái)架漏氣量的實(shí)際測(cè)量中，漏出氣體的溫度、壓力與漏氣儀測(cè)量的參考溫度、壓力有明顯差別，會(huì)在一定程度上影響漏氣量測(cè)量。為此提出一種漏氣量測(cè)量自動(dòng)修正方法，在漏出氣體進(jìn)入漏氣儀前測(cè)量其溫度和壓力，并基于臺(tái)架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的Calculation、LAM模塊配置漏氣量修正計(jì)算，在漏氣量采集過程中自動(dòng)修正測(cè)量值，從而提高臺(tái)架漏氣量測(cè)量準(zhǔn)確度，提升臺(tái)架與測(cè)試設(shè)備的關(guān)聯(lián)分析能力。

關(guān)鍵詞： 漏氣量；活塞漏氣儀；溫度測(cè)量；壓力測(cè)量；修正

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.03.014

中圖分類號(hào)： TK427文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B文章編號(hào)： 1001-２２２２（２０24）０3-００88-０5

活塞漏氣量是柴油機(jī)研發(fā)測(cè)試和耐久性試驗(yàn)階段的一項(xiàng)重要評(píng)估指標(biāo)，可以直觀描述氣缸活塞摩擦副的工作狀態(tài)。燃燒室內(nèi)高溫未燃燒或已燃燒的油氣混合物經(jīng)由漏氣通道（活塞環(huán)開口間隙、活塞環(huán)與氣缸壁間隙和活塞環(huán)與環(huán)槽間隙）進(jìn)入曲軸箱中。如果活塞、活塞環(huán)和缸套等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或加工存在缺陷，活塞環(huán)組出現(xiàn)損傷，大量油氣混合物進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱后，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，油耗增加，機(jī)油消耗量增加［1-3］。

常國(guó)峰等［4］以自主研發(fā)的快速壓縮機(jī)為研究對(duì)象，驗(yàn)證了活塞環(huán)組漏氣對(duì)缸內(nèi)壓縮壓力的明顯影響。目前，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究主要集中在活塞環(huán)組結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況參數(shù)對(duì)漏氣量的影響［5-8］。其中朱衛(wèi)華開展了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、機(jī)油溫度和最高燃燒壓力等工況參數(shù)下的漏氣量試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩是影響漏氣量的主要因素［9］。高巧、李賀柱等［10］驗(yàn)證了活塞環(huán)的設(shè)計(jì)優(yōu)化可以在一定程度上減小漏氣量，同時(shí)兼顧機(jī)油耗。張虎等［11］通過仿真確定了第二道氣環(huán)的開口間隙，降低了活塞漏氣量。但同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架漏氣量測(cè)量是否需要修正、如何自動(dòng)修正一直是漏氣量研究領(lǐng)域的空白。

目前的柴油機(jī)臺(tái)架活塞漏氣量測(cè)量方法主要是將發(fā)動(dòng)機(jī)呼吸器和臺(tái)架機(jī)油箱中的油氣混合物通過管路連接至活塞漏氣儀，最后以模擬量輸出至二次儀表。值得注意的是，漏出氣體的溫度和壓力會(huì)隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況而變化，如果漏出氣體的溫度上升到超過漏氣儀參考溫度，將導(dǎo)致漏氣儀顯示較低的值。同樣，漏出氣體的壓力降低到低于漏氣儀參考?jí)毫?，也?huì)導(dǎo)致漏氣儀顯示較低的值。因此，臺(tái)架漏氣量的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)測(cè)量需基于參考條件（AVL442漏氣儀為25 ℃，100 kPa）進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)修正，進(jìn)而使測(cè)量值準(zhǔn)確反映漏氣量變化。

1漏氣儀測(cè)量機(jī)理研究

AVL442漏氣儀是國(guó)際通用的活塞漏氣量測(cè)量?jī)x器，提供RS232串口、CAN 總線等多種通信接口和協(xié)議，便于與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架集成。作為一種差壓式流量計(jì)，其結(jié)構(gòu)主要分為壓差測(cè)量單元和信號(hào)轉(zhuǎn)換電子單元。其中壓差測(cè)量單元包括孔板測(cè)量管、阻尼器等，信號(hào)轉(zhuǎn)換電子單元包括壓力變送器、放大器、A-D轉(zhuǎn)換電路、D-A轉(zhuǎn)換電路及微處理器等?；诹黧w特性研究，由伯努利方程（能量守恒定律）和流體連續(xù)性方程可知漏氣儀的測(cè)量原理（見圖1）：當(dāng)流體通過孔板測(cè)量管內(nèi)橫截面積縮小的孔板時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與其流量平方成正比的壓力差［12］。該壓力差先由壓力變送器采集，隨后經(jīng)信號(hào)放大和一系列信號(hào)轉(zhuǎn)換，最后以模擬量形式輸出漏氣量。根據(jù)伯努利方程和流體連續(xù)性方程，假設(shè)流體密度不變，則孔板前后的壓差為［13-15］

ΔP=ρ qe22×（1A2-1A1）。

式中：ΔP為壓力差；ρ為氣體密度；qe為氣體流量；A2為孔板后氣體流通橫截面積；A1為孔板前氣體流通橫截面積。

活塞漏氣儀孔板前后氣體流通截面積已知，則由壓差可得到漏出氣體的體積流量，但在實(shí)際測(cè)量過程中，漏出氣體的密度會(huì)隨其溫度和壓力變化，進(jìn)而直接影響實(shí)際漏氣量測(cè)量。由理想氣體狀態(tài)方程可知：氣體密度與溫度成反比，與壓力成正比。即隨著溫度升高，漏出氣體密度減小，壓差ΔP減小，漏氣量測(cè)量值減??；隨著壓力減小，漏出氣體密度減小，壓差ΔP減小，漏氣量測(cè)量值減小。漏出氣體的溫度、壓力會(huì)隨環(huán)境和發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況、臺(tái)架控制參數(shù)的變化而變化，所以基于漏氣儀的參考條件進(jìn)行漏氣量實(shí)時(shí)修正很有必要。根據(jù)漏氣修正原理，可以定義漏氣量修正計(jì)算公式：

QBe=QB×TG×P0T0×PS。（1）

式中：QBe為修正漏氣量；QB為漏氣量測(cè)量值；TG為漏氣溫度；T0為漏氣儀參考溫度，T0=298 K；P0為漏氣儀參考?jí)毫Γ琍0=100 kPa；PS為漏氣絕對(duì)壓力。

采集系統(tǒng)采集的漏氣壓力為相對(duì)壓力，需轉(zhuǎn)換為絕對(duì)壓力，而氣象站采集的大氣壓力為絕對(duì)壓力，漏氣量修正原理見圖2。

漏氣絕對(duì)壓力計(jì)算公式為

PS=PT+P*0。（2）

式中：PT為漏氣相對(duì)壓力；P*0為氣象站所采集的環(huán)境壓力。

2臺(tái)架漏氣量測(cè)量方法

2.1試驗(yàn)儀器與方法

HORIBA STARS測(cè)試軟件平臺(tái)涵蓋控制、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集等方面的各種測(cè)試需求，與臺(tái)架實(shí)時(shí)控制器SPARC之間通過CAN通信連接，可以隨時(shí)根據(jù)試驗(yàn)需求互相切換，實(shí)現(xiàn)測(cè)功器控制的同時(shí)并行實(shí)時(shí)采集和分析多通道數(shù)據(jù)，具備自動(dòng)采集、顯示、存儲(chǔ)等功能。

在柴油機(jī)臺(tái)架上，活塞漏氣量測(cè)量主要是將電壓信號(hào)輸出至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，根據(jù)漏氣量與電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系（以0～600 L/min量程的AVL442漏氣儀為例，1 V對(duì)應(yīng)60 L/min）得到漏氣量值。漏氣量測(cè)量時(shí)將臺(tái)架機(jī)油箱和發(fā)動(dòng)機(jī)呼吸器的油氣通過管路匯合至穩(wěn)壓裝置中，穩(wěn)壓后的氣體通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集溫度和壓力，然后進(jìn)入漏氣儀進(jìn)行漏氣量測(cè)量，最后在采集系統(tǒng)中計(jì)算、修正。試驗(yàn)使用的主要儀器設(shè)備見表1。采集系統(tǒng)配置的氣象站主要用于環(huán)境的溫、濕度和大氣壓力測(cè)量，包含絕對(duì)壓力測(cè)量單元和溫濕度測(cè)量單元。壓力及溫濕度測(cè)量信號(hào)為4～20 mA，對(duì)應(yīng)絕對(duì)壓力測(cè)量范圍為+70～+120 kPa，溫度為-20～+60 ℃。因此修正計(jì)算前需利用STARS采集系統(tǒng)進(jìn)行漏氣溫度、漏氣相對(duì)壓力的采集，采集后完成漏氣絕對(duì)壓力的計(jì)算，將漏氣溫度與漏氣絕對(duì)壓力代入漏氣量修正計(jì)算公式，實(shí)時(shí)計(jì)算漏氣量修正值。

2.2Calculation Configuration模塊配置

STARS自動(dòng)化軟件Calculation Configuration模塊提供腳本編輯功能，所有采集參數(shù)均可作為變量參與腳本編輯，自動(dòng)計(jì)算后輸出。市場(chǎng)主流自動(dòng)化軟件均具備腳本編輯功能，可用于所定義變量的公式輸出，因此該原理及方法可以匹配絕大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架，具有普遍適用性。

2.2.1變量定義

采集的參數(shù)和計(jì)算值需預(yù)先在Stars采集系統(tǒng)中進(jìn)行Standard Names定義，包括Name、數(shù)據(jù)類型和單位等。采集的數(shù)據(jù)定義為：環(huán)境壓力Pressure_Amb（kPa），漏氣相對(duì)壓力Pressure_Blow by（kPa），漏氣溫度Temperature_Blow by（K），未修正漏氣量QB_Blow by（L/min），修正漏氣量Blow by（L/min）。顯示面板中變量與公式（1）的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

有了對(duì)應(yīng)關(guān)系之后，便可進(jìn)行顯示面板的編輯，配合Calculation Configuration可以完成漏氣量的實(shí)時(shí)自動(dòng)修正，顯示界面見圖3。

2.2.2Calculation Configuration配置

腳本編輯中，首先完成Calculation Body的編寫，需要將定義的變量用簡(jiǎn)單的字母進(jìn)行對(duì)應(yīng)，即c對(duì)應(yīng)漏氣絕對(duì)壓力，p對(duì)應(yīng)PT，q對(duì)應(yīng)P*0，那么c=p+q就完成了漏氣絕對(duì)壓力的計(jì)算；n和r對(duì)應(yīng)中間真實(shí)值，b對(duì)應(yīng)TG，那么n=（100［kPa］*b）/（298［K］*c），r=sqrt（n）。最后，a對(duì)應(yīng)QB，那么由漏氣量修正計(jì)算公式M=a*r就完成了漏氣量實(shí)時(shí)自動(dòng)修正。圖4示出漏氣量修正公式的輸入和輸出定義。

2.2.3LAM模塊匹配

模擬量輸入信號(hào)可以通過LAM模塊連接至STARS自動(dòng)化軟件中。因此，根據(jù)選定的LAM模塊通道位置和活塞漏氣儀接線定義，將活塞漏氣儀輸出的電壓信號(hào)0～10 V作為采集系統(tǒng)模擬量輸入信號(hào)，得到漏氣量采集數(shù)值，且此時(shí)的漏氣量是未修正過的，即QB。圖5示出LAM模塊匹配界面。

在臺(tái)架漏氣量測(cè)量自動(dòng)修正模擬過程中，由多功能校驗(yàn)儀（可以輸出電壓、電流、脈沖信號(hào)等）給定LAM一個(gè)輸入電壓，例如3.5 V，則QB為210 L/min。根據(jù)Calculation 模塊配置的漏氣量修正公式便可得到修正的漏氣量。

2.3漏氣量修正

漏氣量自動(dòng)修正通過臺(tái)架模擬方法來驗(yàn)證，以滿足不同環(huán)境下的臺(tái)架漏氣量試驗(yàn)研究。在某柴油機(jī)性能及耐久性試驗(yàn)臺(tái)架中，模擬氣象站采集環(huán)境壓力P*0=85 kPa，LAM模塊模擬量輸入QB=210 L/min，分別給定漏氣相對(duì)壓力、漏氣溫度進(jìn)行漏氣量的實(shí)時(shí)修正。

2.3.1漏氣相對(duì)壓力修正

當(dāng)漏氣溫度不變時(shí)，即TG=305 K，改變漏氣相對(duì)壓力，當(dāng)PT從15 kPa升高到27 kPa，修正漏氣量從212 L/min下降到201 L/min。由圖6的模擬曲線可知，在漏氣溫度不變的情況下，漏氣相對(duì)壓力作為單一變量，漏氣量修正值與未修正漏氣量值最大相差9 L/min。而在臺(tái)架漏氣量實(shí)際測(cè)量過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況、臺(tái)架控制的試驗(yàn)參數(shù)不同時(shí)，漏氣溫度和漏氣壓力會(huì)同時(shí)產(chǎn)生變化，共同影響漏氣量測(cè)量。

2.3.2漏氣溫度修正

當(dāng)漏氣相對(duì)壓力不變時(shí)，即PT=25 kPa，改變漏氣溫度，當(dāng)TG由305 K升高到329 K，修正漏氣量從203 L/min升高到210 L/min。由圖7的模擬結(jié)果可知，在漏氣相對(duì)壓力不變的情況下，漏氣溫度作為單一變量，漏氣量修正值與未修正漏氣量值相差0～7 L/min。因此臺(tái)架漏氣量測(cè)量實(shí)時(shí)自動(dòng)修正很有必要，進(jìn)而保證漏氣量測(cè)量準(zhǔn)確。

3結(jié)束語

基于AVL442活塞漏氣儀測(cè)量原理和臺(tái)架漏氣量測(cè)量實(shí)時(shí)修正機(jī)理，在臺(tái)架數(shù)采系統(tǒng)STARS上分別配置Calculation Configuration和LAM模塊，搭建了臺(tái)架漏氣量測(cè)量自動(dòng)修正系統(tǒng)。在臺(tái)架漏氣量測(cè)量自動(dòng)修正系統(tǒng)中模擬了漏氣相對(duì)壓力和漏氣溫度分別作為單一變量對(duì)漏氣量測(cè)量準(zhǔn)確度的影響，表明基于漏氣相對(duì)壓力和漏氣溫度的漏氣量實(shí)時(shí)修正很有必要。此方法可以推廣應(yīng)用于不同環(huán)境下的臺(tái)架漏氣量試驗(yàn)研究，如高原、低溫環(huán)境等，本研究?jī)H提供自動(dòng)修正方法，不進(jìn)行特定試驗(yàn)工況和試驗(yàn)環(huán)境下的漏氣量深入研究。本研究對(duì)于臺(tái)架漏氣量研究、分析以及發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義，可以有效提高臺(tái)架漏氣量測(cè)量準(zhǔn)確度，提升臺(tái)架與測(cè)試設(shè)備的關(guān)聯(lián)分析能力。

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Automatic Correction Method of Blow-By Measurement on?Diesel Engine Bench

LIU Jie1，CHEN Chuang1，XIE Jun1，DONG Hongxia2，WANG Yu1，LI Chuang1

（1.China North Engine Research Institute（Tianjin），Tianjin300406，China;2.Shanxi Diesel Engine Industry Corporation，Datong037000，China）

Abstract： During the development and testing stage of diesel engine， the matching performance of piston， piston ring and cylinder was usually evaluated by the blow-by. By studying the measurement mechanism of AVL442 blow-by meter， it was found that there was significant difference between the actual temperature and pressure and the reference ones achieved by blow-by meter measurement， which would affect the accurate measurement of blow-by to a certain extent. Automatic correction method of blow-by measurement was hence put forward. The temperature and pressure of blow-by gas were measured before passing through the meter， then blow-by correction algorithm was configured based on the LAM acquisition and formula editing of bench data acquisition system， and the automatic correction was hence conducted during the measurement of blow-by. Accordingly， the correlation between the bench and test equipment was improved， and the accuracy of blow-by measurement was also improved.

Key? words： blow-by；blow-by meter；temperature measurement；pressure measurement；correction

［編輯： 潘麗麗］