汽車發(fā)動機油路測量設備的機構設計

摘 要 柴油機供油系統(tǒng)多參數(shù)的電測量，為研究供油系統(tǒng)噴射特性提供了手段。而且，目前在評估新品開發(fā)設計的噴油泵和噴油嘴的性能時， 在產(chǎn)品改進和新品試制過程中，為了獲得良好的性能指標，往往需要對燃油噴射系統(tǒng)進行大量的調試工作 ， 也常以多參數(shù)的電測量作為考核項目之一。 柴油發(fā)動機油路壓力測量設備相關油管嘴端壓力與針閥體壓力室壓力噴油泵的參數(shù)選擇及其對柴油機性能的影響 ，以及 柴油內燃機異常噴射現(xiàn)象 和 柴油發(fā)動機油路壓力測量設備相關油管嘴端壓力與針閥體壓力室壓力 。 關鍵詞： 壓力噴油泵的參數(shù)選擇；內燃機異常噴射現(xiàn)象；相關油 管嘴端壓力 Abstract Diesel engine fuel supply system electrical multi-parameter measurement, provides the means to study the injection characteristics of the fuel supply system. Moreover, in the assessment of the performance of new product development and design of the fuel injection pump and injector, in the process of product improvement and new trial, in order to obtain good performance indicators, often require the fuel injection system debugging work, often the power of multi-parameter measurements as one of the assessment project. Diesel engine line pressure measurement equipment the related tubing pressure of the mouth end of the needle valve body pressure chamber pressure fuel pump parameters selection and its impact on diesel engine performance, as well as the abnormal jet phenomenon of the diesel engine and diesel engine line pressure measurement equipment tubing mouth end pressure and needle valve body pressure chamber pressure. Keywords: pressure fuel pump parameter selection； the abnormal internal combustion engine jet phenomenon； tubing mouth end pressure V 目 錄 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 錄 . V 1 緒論 . 1 1.1 設計目的 . 1 1.2 柴油發(fā)動機的燃料噴射裝置概述 . 1 1.3 噴油過程 . 2 1.4 幾何供油規(guī)律和噴油規(guī)律的定義 . 3 1.5 噴油器總成 . 3 2 柴油發(fā)動機油路壓力測量設備的設計 . 6 2.1 柴油發(fā)動機油路壓力測量設備控制系統(tǒng)概述 . 6 2.2 柴油發(fā)動機油路壓力測量設備的原理 . 8 2.3 柴油發(fā)動機油路壓 力測量設備相位調整 . 8 2.4 柴油發(fā)動機油路壓力測量設備測量線路 . 8 2.5 柴油發(fā)動機油路壓力測量設備試驗結果分析 . 11 2.6 柴油發(fā)動機油路壓力測量設備校驗壓電壓力傳感器 . 12 2.7 柴油發(fā)動機油路壓力測量設備相關油管嘴端壓力與針閥體壓力室壓力 . 12 3 機械傳動選用及設計計算 . 14 3.1 圓錐齒輪的計算 . 14 3.2 主傳動軸的相關概算 . 16 3. 3 花鍵聯(lián)軸器的計算 . 17 3.4 壓力波動的分析 . 18 3.5 燃油的可壓縮性 . 18 3.6 管路的容積變化 . 19 3.7 管路中的壓力波動 . 19 3.8 噴油泵的參數(shù)選擇及其對柴油機性能的影響 . 20 3.9 噴油泵的速度特性校正 . 22 3.10 可變減壓容積 . 22 3.11 可變的減壓作用 . 22 3.12 高壓油管 . 23 3.13 柴油內燃機異常噴射現(xiàn)象 . 23 3.14 二次噴射 . 24 3.15 穩(wěn)定噴射 . 25 4 測試精度 . 26 總結 . 29 致 謝 . 錯誤 !未定義書簽。 參考文獻 . 錯誤 !未定義書簽。 汽車發(fā)動機油路測量設備的機構設計 1 1 緒論 1.1 設計目的 柴油機供油系統(tǒng)多參數(shù)的電測量，為研究供油系統(tǒng)噴射特性提供了手段。而且，目前在評估 新品開發(fā)設計的噴油泵和噴油嘴的性能時，也常以多參數(shù)的電測量作為考核項目之一。因此，測量的精確性就顯得越發(fā)重要了。 在以往的電測試驗中，出現(xiàn)過油嘴已噴油的工況下，測出的油管壓力低于油嘴開啟壓力的情況。例如在二零零二年八月高速一號泵的電測試驗中，油嘴開啟壓力為 12。 5MPA，當油泵轉速為 250RPM 時，測出的嘴端最高壓力只有 11。 69MPA。還有，日本 VE 泵在二零零二年九月的試驗中，油嘴開啟壓力為 18。 13MPA（ 185kgf/cm2），在油泵轉速為 390RPM時，測出的嘴端最高壓力只有 17。 013MPA（ 173。 6 kgf/cm2）。在上述兩例試驗中，油嘴針閥均已開啟噴油。 現(xiàn)有使用的傳感器、信號轉換儀、數(shù)據(jù)處理儀、都是具有世界先進水平的儀器。精度很高，隨機誤差很小。這就要考慮是否存在較大的系統(tǒng)誤差，即要從測試方法的角度去考慮了。目前一般采用壓電式傳感器測量壓力。壓電傳感器因其機械強度高，體積小，重量輕、高頻特性良好，輸出線性好等優(yōu)點，而被廣泛采用。但當被測壓力變化頻率低，變化幅度小時，壓電晶體的電荷量變化難于反映到測量結果中，即壓電傳感器的低頻特性差。而我們測量的油路中存在這種變化頻率低、幅度小的壓力 高壓 油管中的殘留壓力。因此，壓電傳感器是測不出這種壓力的。上面提到的現(xiàn)象極可能是因為測不出殘留壓力而產(chǎn)生的。 在課題立項時，還曾考慮過壓電傳感器靈敏度變化問題，還有高壓油管嘴端壓力與針閥體內壓力室的壓力差異問題，是否會對壓力測量精度產(chǎn)生一定的影響。這些都將在下面的論文中予以闡述。 1.2 柴油發(fā)動機的燃料噴射裝置概述 燃油噴射裝置是柴油機的一個重要組成部分，在產(chǎn)品改進和新品試制過程中，為了獲得良好的性能指標，往往需要對燃油噴射系統(tǒng)進行大量的調試工作 ， 根據(jù)大量實踐表明 ，對現(xiàn)代柴油機噴射裝置的要求是 : (1) 能 精確的控制每循環(huán)的噴射量 (并要求每缸等量 )，并在規(guī)定的時間內 (噴射持續(xù)角 )噴入汽缸，換言之，即要求具有合適的噴油率。 (2) 為了優(yōu)化柴油機的性能、煙度、噪聲和排放，需要具備能隨柴油機負荷和轉速變的、精度為 1 A 的噴油提前角。 (3) 為了將柴油和空氣混合，需要高的噴射壓力，對具有強空氣渦流的直噴式或非直噴式柴油機，最大噴射壓力為 30 40MPA，對低渦流直噴式，最大噴射壓力約為 4548MPA，對無渦流直噴式，最大噴射壓力在 100MPA 以上。 近年來，得到蓬勃發(fā)展的電控噴射系統(tǒng)，在實現(xiàn)要求（ 2）方面已比 常規(guī)的機械液力式噴射裝置顯示出更大的優(yōu)越性，并開辟了將噴油系統(tǒng)控制和運輸車輛控制結合起來的可能性。 在柴油內燃機出現(xiàn)早期，燃油噴射是通過高壓空氣實現(xiàn)的。一九二七年，德國博世無錫太湖學院 學士學位論文 （ BOSH）公司開始專業(yè)生產(chǎn)以螺旋槽柱塞旋轉方式調整供油量的機械式噴油泵，這種噴油泵的工作原理至今仍用于多數(shù)柴油內燃機的燃料供給系統(tǒng)中。 圖 1.1 燃油系統(tǒng)圖 如圖 1.1 整個燃油系統(tǒng)由低壓油路（油箱、輸油泵、燃料濾請器、）（噴油泵、高壓油管、噴油器）和調節(jié)系統(tǒng)組成。其核心部分是高壓油路所組成的噴油系統(tǒng)，人們也把這種傳統(tǒng)燃料供給系 統(tǒng)稱之為泵 -管 -嘴系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，噴油泵有柱塞式噴油泵和轉子分配式噴油泵兩種。對柱塞式噴油泵，每個柱塞元件對應于一個氣缸，多缸內燃機所用的柱塞數(shù)和氣缸數(shù)相等且和為一體，構成合成式噴油泵；對小型單缸和大型多缸內燃機，常采用每個柱塞元件獨立組成一個噴油泵，稱之為單體噴油泵。轉子分配式噴油泵是用一個或一對柱塞產(chǎn)生高壓油向多缸內燃機的氣缸內噴油，這種主要用于小缸徑高速柴油內燃機上，其制造成本較低。 在上述泵 -管 -嘴燃料供給系統(tǒng)中，由于有高壓油管的存在，使噴油系統(tǒng)在內燃機上的布置比較方便靈活，加上已積累了長期制造 與匹配的理論與經(jīng)驗，因此，目前這種系統(tǒng)仍在各種柴油內燃機上得到廣泛應用。但是，也正由于高壓油管的存在，降低了整個燃油供給系統(tǒng)高壓部分的液力剛性，難于實現(xiàn)高壓噴射與理想的噴油規(guī)律，也使這種傳統(tǒng)燃料供給系統(tǒng)的應用前景受到一定的限制。為了滿足柴油內燃機不斷強化及日益嚴格的排放與噪聲法規(guī)的要求，目前正在大力發(fā)展各種高壓、電控的燃料噴射系統(tǒng)，如采用短油管的單體泵系統(tǒng)、泵噴嘴與 PT 系統(tǒng)、蓄壓式或共軌系統(tǒng)等等。 在目前對于上述各種噴射裝置的研制中，對噴射裝置系統(tǒng)壓力性能有著很高的要求，而油管的殘留壓力，在整個壓力系統(tǒng)中占 有十分重要的地位，因此對殘留壓力裝置的研究對整個燃油噴射裝置性能的提高有著十分重要的作用。 1.3 噴油過程 柴油內燃機工作時，曲軸通過定時齒輪驅動噴油泵旋轉，燃油從油箱經(jīng)濾清、輸油泵汽車發(fā)動機油路測量設備的機構設計 3 加壓（約 0。 1 0。 15MPA）到噴油泵的低壓油腔。當挺柱體總成的滾輪在凸輪基圓時，柱塞腔與低壓油腔通過進、回油孔聯(lián)通，向柱塞腔供油，噴油泵凸輪軸運轉，凸輪推動挺柱體總成克服柱塞彈簧力向上運動。當柱塞頂面上升到與進、回油孔上邊緣平齊，進、回油孔關閉，柱塞腔與低壓油腔隔離。當柱塞再向上運動時，柱塞腔內的燃油被壓縮，壓力升高。當 壓力上升到大于出油閥開啟壓力與高壓油管內殘壓之和時，出油閥開啟，燃油流入出油閥緊帽進到高壓油管、噴油器體內油路及針閥體盛油槽內。柱塞繼續(xù)上升，油壓升高，當噴油器針閥體盛油槽內的油壓達到并超過針閥開啟壓力時，針閥打開，向氣缸內噴油。由于柱塞頂面積大，噴油器的噴孔面積小，故噴射過程中壓力繼續(xù)升高。當柱塞上升到其斜槽上邊緣與回油孔的下邊緣相聯(lián)通時，柱塞再上升，柱塞腔與低壓油腔相通，燃油流經(jīng)回油孔開啟截面進入低壓油腔，柱塞腔壓力下降。隨后出油閥在彈簧力和兩端油壓的綜合作用下開始下行，當減壓凸緣進入出油閥座孔后，出油 閥緊帽腔與柱塞腔隔離，使緊帽腔到噴油器所組成的高壓油路內保持一定量燃油，出油閥仍繼續(xù)下行到落座。出油閥在落座過程中，由于減壓容積的作用，使高壓油路（出油閥緊帽腔、高壓油管、噴油器體內油道、盛油槽容積的總和）中燃油壓力迅速下降。當盛油槽內的燃油壓力小于針閥關閉壓力時，針閥落座，噴油停止。 由于燃油的可壓縮性與慣性，壓力的傳播與反射，高壓油管內的燃油將產(chǎn)生一定的壓力波，壓力波在出油閥緊帽腔到針閥體的盛油槽內不斷衰減，趨于一定壓力定值即殘留壓力。上述噴油過程是可用壓力傳感器及位移傳感器和相應儀器測出，考慮到測量的 方便性和可行性，通常噴油過程試驗僅測出泵端壓力、嘴端壓力、針閥升程和噴油速率隨凸輪軸轉角變化關系。隨后，出油閥落座時，柱塞在凸輪驅動下繼續(xù)上行到最大行程后，在柱塞彈簧力作用下，沿凸輪下降段下行，在下行過程中，噴油泵不產(chǎn)生泵油作用，至此，完成了一個泵油循環(huán)。在柱塞上升過程中，柱塞從下止點上升到進、回油孔關閉時所經(jīng)過的距離，稱之為噴油泵柱塞的預行程，它的大小決定了柱塞在壓油過程中初速度的大小，將影響噴油速率；柱塞封閉進、回油孔開始壓油到柱塞斜槽上邊緣與回油孔相通開始回油所經(jīng)歷的升程，稱之為噴油泵柱塞的有效行程， 它的大小與循環(huán)供油量有關，決定了噴油器循環(huán)噴油量的大小。 從上述噴油過程的概述可知，噴油試驗過程涉及了泵端壓力嘴端壓力。而為了真實獲得這兩個壓力必須與油管的殘留壓力結合起來。因此油管的殘留壓力是整個噴油過程的一個組成部分，對整個噴射過程有著十分重要的作用。 1.4 幾何供油規(guī)律和噴油規(guī)律的定義 幾何供油規(guī)律是指從幾何關系上求出的油泵凸輪每轉一度（或每妙）噴油泵供入高壓系統(tǒng)的燃油量（ mm3/（ ）泵軸或 mm3/s）隨凸輪軸轉角 （或時間 t）的變化關系。由于它純粹是幾何關系決定的，因此只要知道柱塞的運動特性即 可。 噴油規(guī)律是指在噴油過程中，每秒或每度泵軸轉角從噴油器噴出的燃油量隨時間或泵軸轉角的變化關系。 1.5 噴油器總成 噴油器總成對于柴油機來說，有著非常重要的作用。噴油器總成在發(fā)動機上的安裝及無錫太湖學院 學士學位論文 噴油器總成的噴射性能直接影響柴油發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、使用性能及可靠性。噴油器不僅決定著噴霧質量、油束與燃燒室的配合，而且影響噴油特性（噴油時刻、噴油延續(xù)時間、噴油規(guī)律），這些都直接影響發(fā)動機的性能指標。如果噴油不良，油束和燃燒室配合不好，則混合氣形成惡化，燃燒變壞，性能下降。在新產(chǎn)品的試制過程中，往往需要對噴油 器作大量的調試，才能使柴油機達到設計指標；在使用過程中，常由于噴油器的故障使發(fā)動機性能下降，甚至不能運轉。所以噴油器是影響柴油機設計指標和使用性能的關鍵部件之一。 噴油器總成通過法蘭、壓板和螺套緊固在發(fā)動機的氣缸頭上，它的噴油嘴端深入到發(fā)動機氣缸的燃燒室內。噴油器的高壓油道通過高壓油管與噴油泵總成的出油閥接頭相連接，回油油路相互連接直接回到油箱。 噴油器總成的功用是： (1) 將一定數(shù)量的具有合適噴射壓力的燃油霧化，以促進燃油在發(fā)動機氣缸內的著火燃燒。 (2) 借助于（或者不借助于）空氣渦流將燃油噴注并力求 均勻分布到氣缸的燃燒室內，特別對于無渦流的開式燃燒室，噴油器總成的安裝精度是一個很值得重視的問題。一般噴油器總成由噴油嘴偶件、噴油器體、調壓裝置、油管接頭、緊帽等、部件組成。 當高壓燃油經(jīng)高壓油道進入噴油嘴偶件盛油槽部位而壓力積蓄到能克服調壓彈簧對針閥的壓緊力時，針閥被升起，高壓油進入嘴端的高壓腔經(jīng)噴孔霧化而噴射到氣缸的燃燒室內。當噴油泵終止泵油，油道內壓力降低，針閥受彈簧的壓力而降致針閥座面以關閉高壓腔，這時燃油不能經(jīng)過噴油孔而進入發(fā)動機氣缸的燃燒室，而燃燒室的燃點也不能進入噴油器體內。由于噴油器總成的主 要組成是噴油嘴偶件，而噴油嘴偶件又有不同的結構形式，所以噴油器總成也有不同的結構形式。 小發(fā)動機的油嘴開啟壓力較低，而大發(fā)動機的油嘴開啟壓力和關閉壓力應足夠高，以保證噴射終止后針閥能克服燃燒室高壓而落座，否則燃燒室氣體將進入油嘴，使噴孔和針閥積碳而進一步影響燃油的噴射和燃燒。 噴油器中噴油壓力的影響： 在燃油噴射過程中，燃油壓力是變化的。一般講，小型高速柴油機的噴油嘴針閥開啟壓力為 12 20MPA，最高燃油壓力是 40 60MPA，而大型柴油機噴油嘴針閥開啟壓力為21 30MPA，最高噴油壓力約為 80 100MPA 以上。噴油壓力直接影響噴油持續(xù)時間和燃油霧化質量。如果噴油壓力過低，則燃油霧化不好，而且容易引起燃氣回竄將噴油嘴燒壞。隨著噴油壓力提高，可以使油束出口速度增加，降低油滴的平均直徑，使油滴蒸發(fā)加快，加速油束在空氣中的擴散，使空氣卷入的相對速度增加，同時噴射持續(xù)期縮短，這樣就大大提高了混合氣形成速率，從而改善燃燒性能。 噴油壓力對然油消耗率的影響： 隨著噴油壓力提高，燃油消耗率下降。所以近年來在柴油機上有提高噴油壓力的趨勢，甚至采用高壓噴射。例如在大型柴油機上噴油壓力已提高到 100MPA以上， MAN公司的 58/64系列柴油機的最高噴油壓力已達 130MPA，并打算提高到 140MPA，在小型高速柴油機上，由于受到噴油泵強度的限制，最高噴油壓力通常在 70MPA 以下。應該指出，由于最高噴油汽車發(fā)動機油路測量設備的機構設計 5 壓力的出現(xiàn)是瞬時的，因此應用平均有效壓力（即在噴油持續(xù)期內通過噴孔的平均壓降）來判斷噴油過程的好壞更為合理。隨著平均有效壓力的提高，燃油消耗率和煙度都相應下降。 無錫太湖學院 學士學位論文 2 柴油發(fā)動機油路壓力測量設備的設計 2.1 柴油發(fā)動機油路壓力測量設備控制系統(tǒng)概述 信息總 是蘊涵在某些物理量之中，并依靠它們來傳輸?shù)摹＿@些物理量就是信號。就具體物理性質而言，信號有光電信號、光信號、力信號，等等。其中，電信號在變換、處理、傳輸和運用等方面，都有明顯的優(yōu)點，因而成為目前應用最廣泛的信號。各種非電信號也往往被轉換成電信號，而后傳輸、處理和運用。 在測試工作的許多場合中，并不考慮信號的具體性質，而是將其抽象為變量之間的函數(shù)關系，特別是時間函數(shù)或空間函數(shù)，從數(shù)學上加以分析研究，從中得出一些具有普遍意義的理論。這些理論極大地發(fā)展了測試技術，并成為測試技術的重要組成部分。這些理論就是信號的分 析和處理技術 如圖 1.2 圖 1.2 信號的分析和處理技術圖 一般說來，測試工作的全過程包含著許多環(huán)節(jié)：以適當?shù)姆绞郊畋粶y對象、信號的調理、分析與處理、顯示與記錄，以及必要時以電量形式輸出測量結果。因此，測試系統(tǒng)的大致框圖可以用圖 2.1 來表示： 圖 2.1 測試系統(tǒng)流程框圖 應當指出，并非所有的測試系統(tǒng)都具備圖 2.1 中所有環(huán)節(jié)，尤其是虛線連接的環(huán)節(jié)和傳輸環(huán)節(jié)。實際上，對環(huán)節(jié)與環(huán)節(jié)之間都存在著傳輸。圖 2.1 中的傳輸環(huán)節(jié)是指較遠距離的通訊傳輸?？陀^事物是多樣的。測試工作所希望獲取的信息，有可能已載于某種可檢測的信號中，也有可能尚未載于檢測的信號中。對于后者，測試工作就包含著選用合適的方式激勵被測對象，使其產(chǎn)生既能充分表征其有關信息便于檢測的信號。事實上，許多系統(tǒng)的特征參量在系統(tǒng)的某些狀態(tài)下，可能充分地顯示出來；而在另外一些狀態(tài)下確可能沒有汽車發(fā)動機油路測量設備的機構設計 7 顯示出來，或者顯示得很不明顯，以至于難于檢測出來。因此，在后一種情況下，要測量這些特征參量時，就需要激勵該系統(tǒng)，使其處于能夠充分顯示這些參量特性的狀態(tài)中，以便有效地檢測載有這些信號的信號。傳感器直接作 用于被測量。并能按一定規(guī)律將被測量轉換成同種或別種量輸出。信號調理環(huán)節(jié)。把來自傳感器的信號轉換成更適合于進一步傳輸和處理的形式。這時信號轉換，在多數(shù)情況下是電信號之間的轉換。 例如將幅值放大，將阻抗的變化轉換成電壓的變化或將阻抗的變化轉換成頻率的變化等等。信號處理環(huán)節(jié)接受來自調理環(huán)節(jié)的信號，并進行各種計算、濾波分析將結果輸至顯示記錄或控制系統(tǒng)。信號顯示、記錄環(huán)節(jié)，以檢測者易于認識的形式來顯示測量的結果，或將測量結果存貯，供必要時使用。在所有這些環(huán)節(jié)中，必須遵循的基本原則是各環(huán)節(jié)的輸出量與輸入量之間保持一 一對應和盡量不失真的關系，并必須盡可能的減小或消除各種干擾。 從以上的各測量環(huán)節(jié)的相互關系中我們可以知道 ， 任何測量儀器都是由感受件、中間件、效用件組成的 。 下面我們再對這三個元件作一下簡單的描述 。 1.信號接收部件 它直接與被測對象發(fā)生聯(lián)系 (但不一定直接接觸 )，感知被測參數(shù)的變化，同時對外界發(fā)出相應的信號。 作為儀器的感受件必須滿足下述三個條件 : (1) 它必須隨被測參數(shù)的變化而發(fā)生相應的內部變化 (這個內部變化就是傳感器的輸出信號 )。如熱電偶的一端受熱后，因金屬的熱電效應而產(chǎn)生熱電勢。 (2) 它只能隨被測參數(shù)的變化而發(fā)出信 號（即不受其它任何參數(shù)的影響）。如熱電偶產(chǎn)生電勢的大小只隨溫度而變化，其它如壓力等參數(shù)的變化不引起電勢的改變。 (3) 感受件發(fā)出的信號與被測參數(shù)之間必須是單值的函數(shù)關系（即一個確定的信號只能與參數(shù)的一個值相對應）。例如，不能用水的密度變化來測量 +4 左右的溫度，因為在這種情況下水的同一個密度大小可以代表兩個不同的溫度。 實際上，這三個條件是難以完全得到滿足的，特別是其中第（ 2）項條件。因此，任何傳感器都不可能是十全十美的，它都受一定使用條件的限制。如在使用上不加以注意，就會得出錯誤的測量結果。 2. 中間件 最簡 單的中間件是 “單純 ”起傳遞作用的元件，它將傳感器的輸出原封不動地傳遞給效用件。這種單純的傳遞件一般只有當傳感器輸出的信號較強，感受件與效用件之間的距離不大或效用件的靈敏度很高（或消耗的能量很?。r才有可能采用。 在近代的內燃機測試工作中，都要求實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中觀測、遙測和自動記錄。所以大多數(shù)測量儀器的中間件還必須完成 “放大 ”、 “變換 ”和 “運算 ”任務。 儀器的放大件有兩類：一類是感受件發(fā)出的信號較強，放大時不需外加能量，它只利用杠桿、齒輪等機械構件擴大指針和標尺之間的相對位移，使之易于觀測，如機械式示功器中的杠桿 、彈簧管壓力計中的杠桿和扇形齒輪傳動機構。 另一類放大是需要外加能量的，這在電測儀器中用得很多，例如用電子電位計測量熱電勢時，就要將電勢放大十萬倍才能足以驅動伺服電機帶動指針作出指示。這類放大在電測儀器中利用電子器件來完成。 無錫太湖學院 學士學位論文 有時，為了放大信號的需要，或改變傳感器輸出信號性質的需要，在電測儀器的測量電路中設有信號 “變換器 ”和 “運算器 ”。 3. 效用件 它直接與觀測者發(fā)生聯(lián)系，其作用是根據(jù)傳感器輸出信號的大小向檢測者顯示被測參數(shù)在數(shù)量上的大小。最簡單而常見的儀器效用件是指示件，它通過標尺和指針（或液面、光線等 ）的相對位置來反映被測參數(shù)的瞬時值，有這種效用件的儀器也就被稱作指示儀器。效用件能將被測參數(shù)變化歷程記錄下來的儀器稱為記錄式儀器。在記錄式儀器中，除了以記錄筆的運動來反映被測參數(shù)的變化外，還需要另一個作相應運動的部件，這樣才能作出函數(shù)的圖形。在現(xiàn)有的條件下此類部件已被打印機等顯示輸出設備所代替。 記錄式儀器所能反映的是被測參數(shù)在各個瞬時的變化情況，但有時需要知道被測參數(shù)對時間的積分。例如，在測定流量時，不僅要知道流量的瞬時值，而且還要知道在某個時間間隔內流過的總流量，如以 Q 表示瞬時流量（ m2/s），則 21tt tQd就是從時間 t1 到 t2 間隔內流過的總流量，但這畢竟比較麻煩，為此可以使儀器的效用件自己進行積分，這樣的測量儀器稱積分式累計儀器，如流量計、電度表等。 此外，按照效用件的功能來分類的還有：數(shù)字式儀器、信號式儀器、電接觸式儀器、調節(jié)式儀器，等等。 2.2 柴油發(fā)動機油路壓力測量設備的原理 為了精確地測定高壓油管中的殘留壓力，我們在查閱了大量資料的基礎上，并參照噴油泵的結構設計，設計了一種專門用于測量殘留壓力的測量裝置。柱塞二開有二百四十度的環(huán)槽，并通過一隊圓錐直齒輪與油泵 凸輪軸同步轉動，柱塞套上裝有壓力表和應變式傳感器。當油泵與殘留壓力測量裝置連接的那一缸即將進入供油狀態(tài)時，柱塞的密封面將測量油路與油泵高壓油路切斷。供油結束后，柱塞上的環(huán)槽使得測量油路與高壓油管相同。這樣，壓力表和傳感器就采集到了供油結束時期高壓油管中的殘留壓力?？梢詮膲毫Ρ淼谋肀P上直接讀取壓力數(shù)值，也可以以此觀察壓力的變化趨勢。由傳感器采集、信號轉換儀轉換和數(shù)據(jù)處理儀記錄下來的壓力波形，可以得到在一定工況下，一段凸輪軸轉角范圍內壓力波動的情況?？梢娺@兩種記錄方式各有所長。 2.3 柴油發(fā)動機油路壓力測量 設備相位調整 要測量與油泵某一缸連接的高壓油管的殘留壓力；需先轉動油泵凸輪軸，將該缸轉到供油始點位置；再將殘留壓力測量裝置轉到附圖 1（ b）所示的位置。然后，將油泵試驗臺動力輸出端與殘留壓力測量裝置傳動軸的一端、殘留壓力測量裝置傳動軸的另一端與油泵凸輪軸，用聯(lián)軸節(jié)連接起來。這樣，就把殘留壓力測量裝置的相位與油泵的相位對應起來了。 2.4 柴油發(fā)動機油路壓力測量設備測量線路 測量殘留壓力所作用的傳感器是應變式傳感器。導體受機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，稱為 “應變效應 ”。應變式傳感器就是用以上原理工作的。 汽車發(fā)動機油路測量設備的機構設計 9 對于 大多數(shù)作為應變片金屬絲的材料來說，其電阻絲電阻變化率 RdR 在彈性范圍內可用下式表示： kldlkRdR 式中 k 為常數(shù)，其值約在。 1.6 3.6 之間 ； ldl 為應變。 此式表示金屬電阻絲電阻變化率 與應變 成線性關系，而應變靈敏系數(shù) k 即為此直線的斜率，這就是電阻應變片測量應變的理論基礎。 半導體應變 片最突出的優(yōu)點是靈敏系數(shù)高，根據(jù)不同的半導體材料， ks=30 175，它比常用的金屬絲電阻應變片的靈敏數(shù)系（一般 k=2）大幾十倍，于是在應變片的應用上提供了很大方便。此外，如機械滯后小，橫向效應小以及它本身的體積小等優(yōu)點，擴大了它的使用范圍。 但半導體應變片目前還存在如下缺點： （ 1）溫度穩(wěn)定性差。不僅因為半導體材料的電阻溫度系數(shù)大，而且它的靈敏系數(shù)隨溫度的變化而有相當大的變化。 （ 2）在大應變作用下，靈敏系數(shù)的非線性較大，同時，由于半導體應變片的靈敏系數(shù)高，在承受應變作用時引起的電阻變化就大，如靈敏系數(shù)高 ，在承受應變作用時引起的電阻變化就大，如靈敏系數(shù)為 130 的半導體應變片，在承受 1000 的作用時，其電阻變化率 R/R 可達 13%，在這種情況下，不僅應變片靈敏系數(shù)本身失去線性，而且應變儀常用的等臂惠斯頓電橋也將達到 6%的非線性誤差，所以使用半導體應變片測量較大的應變時，對測量儀器本身亦應采取措施，以配合半導體應變片的應用，如用高阻抗恒流電源作電橋供電和采用具有高橋臂比的恒壓電橋等。 由于半導體應變片的溫度穩(wěn)定性差，使用時必須采取溫度補償措施，以消除由溫度引起的零漂或虛假信號。 應變式傳感器的溫度補償是一個 不可忽視的問題，因為應變片作為敏感元件測量構件的變形時，總是希望應變片的電阻變化與應變之間有單值函數(shù)關系，但實際上電阻的變化受溫度變化的影響很大。 在實際工作中，為了減小甚至消除這種溫度變化的影響，常采用橋路補償和應變片自補償?shù)姆椒▉磉M行溫度補償。 目前常用的應變式壓力傳感器有懸鏈膜片 -應變筒式、平膜片式和管式等。它們的共同特點是利用粘貼在彈性敏感元件上的應變片，感測其受壓后的局部應變，從而測得流體的壓力。 油管殘留壓力測量裝置采用 的 BPR-2/100 型傳感器，就是懸鏈膜片 -應變筒式應變式壓力傳感器。當傳 感器的膜片受到流體壓力作用時，圓筒受到壓縮，產(chǎn)生應變。在圓筒薄壁部分的外表面上，沿軸向粘貼工作應變片，沿橫向粘貼溫度補償片，工作片和補償片接成半橋，通過相應的測量電路，即可得到與被測壓力成正比的電壓（或電流）輸出。 這種傳感器的承壓膜片以應變筒直徑分為內、外兩部分，其徑向剖面呈懸鏈線形，膜片的抗彎剛度很小。這樣，應變筒的軸向壓應變可由下式估算： RdR無錫太湖學院 學士學位論文 式中 P被測壓力（ Pa） A應變筒的橫截面積（ m2） E應變筒材料的彈性模量（ N/ m2） A1承壓膜片的有效工作面 積（ m2） 在外殼內徑確定的情況下，應變筒外徑越大則承壓膜片的有效工作面積也越大，這對提高傳感器的靈敏度有利。但應變筒外徑增大，應變筒與膜片的接觸面積就要增加，從而使溫度影響增大。一般設計成小圓面積略小于大圓面積的三分之一，在這種情況下，承壓膜片的有效面積略小于總面積的三分之二。 懸鏈膜片壓力傳感器的線性誤差較大。包括非線性、回程誤差和蠕變再內的總線性誤差一般為 1%，較好的情況下可達 0。 5%左右。除了它有一般應變式傳感器中產(chǎn)生線性誤差的因素之外，這種傳感器承壓膜片的有效工作面積隨壓力的增大而減小，以及在壓力 作用下膜片邊緣部位出現(xiàn)相當大的局部彎曲應力，都是產(chǎn)生非線性的重要原因。當應力超過材料屈服限時，就會出現(xiàn)回程誤差、蠕變等問題。上述所有因素引起的線性誤差，都是隨著膜片直徑的增大而減小。 這種壓力傳感器的靈敏度和固有頻率都要比相同直徑的平膜片式傳感器高的多，它的固有頻率一般在 30 50kHz 的范圍內。 綜合上述內容，可以得出這樣一個結論，就是傳感器受壓力作用，產(chǎn)生微應變。由應變儀將微應變量的變化轉換為電壓的變化。將電壓信號送入數(shù)據(jù)處理儀。由模擬量 /數(shù)字量（ A / D）轉換板轉換，就得到了壓力的數(shù)字量。 測量高壓 油管泵端、嘴端壓力的傳感器是壓電式傳感器。 壓電傳感器的工作原理是以某些物質的壓電效應為基礎的。 有些結晶物質沿它的某個結晶軸受到力的作用時，其內部有極化現(xiàn)象出現(xiàn)，在它的表面上有電荷集結，其大小和作用力的大小成正比，這種效應稱為正壓電效應。反之，如果在晶體的某些表面之間加上電場，在晶體內部也產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時晶體產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應。具有壓電效應的晶體稱為壓電晶體。作為壓電傳感器材料的壓電晶體有：石英晶體、酒石酸鉀鈉、鈦酸鉛等鉛系多晶體燒結而成的陶瓷等。 在晶體切片的電軸方向對其施加壓力或拉力時 都會在垂直于該軸面上集結電荷，電荷可從緊貼于兩晶體面上的金屬極板用引線傳出，作為壓電傳感器的輸出。 為了提高輸出，在壓電傳感器中，一般很少將壓電晶體單片使用，而往往采用兩片以上組合在一起組成一個傳感器。由于壓電晶片是有極性的，所以有兩種組合方式，一種是將晶片同極性的晶面緊貼在一起作一個輸出端，兩邊的電極用導線連接后作為輸出的另一端，形成 “并聯(lián)組合 ”。另一種組合是將正負電荷集中在上下極板，而中間晶面上的電荷則互相抵消，形成 “串聯(lián)組合 ”。 從上述兩種組合方式中可以看出：并聯(lián)組合中輸出的電荷大，輸出電容大，輸出阻 抗低，時間常數(shù)大，故適于電荷作為輸出的場合。而在串聯(lián)組合中輸出電壓大，輸出電容小，阻抗高以及時間常數(shù)小，故適于以電壓作為輸出信號和測量電路輸入阻抗很高的場合。 汽車發(fā)動機油路測量設備的機構設計 11 從壓電效應來說，壓電傳感器產(chǎn)生的電荷量 Q 屬于靜電性質的現(xiàn)象。此電荷量 Q 的大小是無法用一般儀表測得的，這是因為一般儀表的輸入阻抗 有限，壓電晶片上產(chǎn)生的電荷將通過測量電路的輸入電阻泄漏掉。測量電路的輸入阻抗愈高，被測參數(shù)的變化愈快（即頻率愈高），則所測的結果就愈接近電荷的實際變化。由此可見，為了減小測量誤差，要求壓電傳感器測量電路必須是高輸入阻抗的放大 器，通常是在放大器與變換器之間加入高阻抗的前置放大器。 為了克服由于電纜長度影響傳感器的靈敏度，發(fā)揮利用壓電效應作為傳感器的優(yōu)點，壓電傳感器應與電荷放大器匹配。它是一種以輸出電壓與輸入電荷成正比的前置放大器。 在采用電荷放大器的情況下，壓電傳感器視為一個電源。電荷放大器是一個高增益的、具有反饋電容 Cf 的運算放大器。 開環(huán)增益為 A， Cf 為反饋電容。此放大器是一個電壓并聯(lián)負反饋電路，從放大器輸入端看，相當于 Cf（ 1+A）的反饋輸入阻抗和輸入端阻抗并聯(lián)。反饋電容 Cf 在輸入端的作用增加了（ 1+A）倍，這就增大了輸入 回路的時間常數(shù)，當壓電傳感器受外力作用產(chǎn)生電荷Q 時，將向所有電容充電，此時放大器輸入端的電壓為為： e Q / C p C c C i 1i A C f 當 A 遠大于 1 時 e Q / .ifCA 放大器的輸入電壓 eO 為 0 . A = - Q /ife e C 式中的負號表示本極的輸出與輸入極性相 反。此式還說明電荷放大器的輸出電壓僅和電荷量及反饋電容量有關，對于放大系數(shù) A 及電纜分布 Cc 的變化不再影響放大器的輸出，這是電荷放大器的顯著特點。一般對于長電纜時取 A Cf 大于 100C0 即可使電纜分布電容對測量的靈敏度無明顯影響。但是 Cf 值選得過大也會影響靈敏度下降。此外，當電荷放大器與壓電傳感器連接使用時，其下限頻率（時間常數(shù)）只由電荷放大器決定，目前國內生產(chǎn)的電荷放大器的下限頻率已達 1.610-6Hz，這對實際測量和準靜態(tài)標定是很重要的。 通過以上的分析，可以知道，本測量裝置所用的信號轉換儀是電荷放大器 。電荷放大器將傳感器傳輸來的電荷量信號轉換為電壓信號送入數(shù)據(jù)處理儀。 凸輪軸轉角信號是由霍爾元件始點信號傳感器產(chǎn)生的。 2.5 柴油發(fā)動機油路壓力測量設備試驗結果分析 利用高壓油管殘留壓力測量裝置和其它電測儀器，我們對日本 DDK 公司的 A 型泵進行了電測試驗。試驗項目有高壓油管泵端壓力，嘴端壓力和殘留壓力。通過試驗得到這樣的結論：我們一般將泵端、嘴端壓力波形中的最低點（一般是供油前一段壓力），當作壓力零點。事實上這一段壓力并不為零，而恰恰是殘留壓力的數(shù)值。供油開始前，殘留壓力傳感器與嘴端壓力傳感