基于波義耳定律的活塞上止點位置查找法

黃琪 吉林 吳鵬 賀澤龍

（1-重慶科技學院機械與動力工程學院重慶4013312-中國嘉陵集團工程技術中心3-重慶海德世拉索系統集團有限公司）

基于波義耳定律的活塞上止點位置查找法

黃琪1吉林2吳鵬3賀澤龍1

（1-重慶科技學院機械與動力工程學院重慶4013312-中國嘉陵集團工程技術中心3-重慶海德世拉索系統集團有限公司）

介紹了一種基于波義耳定律來快速查找摩托車發動機活塞上止點位置的檢測方法，對不同類型的摩托車發動機采用該方法測試的有效性進行了分析研究，并在常見摩托車汽油發動機上進行了實驗驗證。實驗表明，采用該方法能夠有效降低測試時間和提高測量精度。

摩托車汽油發動機活塞上止點波義耳定律

引言

在摩托車發動機配氣相位分析和產品生產一致性檢查中，發動機活塞上止點位置的查找對檢測效率和結果的準確性都有很大影響。而目前常用的活塞上止點查找方法是將百分表用夾具固定在火花塞安裝孔中，通過觀察表針的擺動位置來查找活塞上止點位置。該結構裝夾復雜，必須確保百分表測桿完全垂直于活塞的上端面，才能保證測試數據最大程度和實際相符[1～3]。

而我國大多數摩托車發動機的火花塞安裝孔的位置并不位于活塞的正上方，而是與活塞運行軸線方向存在較大的夾角，這就導致采用傳統的百分表打表法不能查找出上止點位置，還存在折斷表針，損壞發動機的風險[4，5]。

1 測試方法介紹

1.1 波義耳定律

玻義耳定律（Boyle's law，又稱Mariotte's Law或波馬定律）：“在密閉容器中的定量氣體，在恒溫下，氣體的壓強和體積成反比關系。

其中：V是指氣體的體積，P指壓強，C為一常數。

1.2 測試原理介紹

125 mL系列（含150 mL）通用型摩托車汽油發動機活塞上有兩道密封氣環，開口間隙一般不超過0.35 mm，所圍成的空隙正投影面積遠小于0.1 mm2，因此可將其上部視為密閉空間；同時在常溫下測試，氣體溫度幾乎沒有變化，符合波義耳定律要求。按照波義耳定律可將測試裝置設計為如圖1所示結構，當活塞緩慢向上移動時，燃燒室內氣體受到壓縮，產生壓強。當指示液b受到的壓力大于摩擦力時，將向左移動，直至壓力小于摩擦力后保持平衡；當活塞緩慢向下移動時，燃燒室d內氣體產生負壓，當指示液b受到的壓力大于摩擦力時，指示液b將在指示管內向右移動，直至氣壓保持平衡。可將其原理簡化為圖2所示。

圖1 測試簡圖

圖2 上止點測試裝置簡化模型

如圖2所示，初始狀態時內外壓力平衡，氣體初始壓力約等于大氣壓力P0，當Sa向右移動△La的距離后，Sb將向右移動△Lb的距離，此時氣體內部壓力為大氣壓力P0與指示液b的摩擦力fb之和P2；

根據波義耳定律可建立如下方程：

可換算為如下形式：

如公式6所示，測試精度△Lb和活塞面積成正比、測試內徑成反比；同時測試管長度、燃燒室體積也對測試結果有重要影響。在發動機型號不變的情況下，降低指示管截面積Sa、測試管長Lb和指示液阻力fb會對檢測精度有較大幫助。

1.3 測試參數確定

綜合考慮制作材料、精度參數的影響，為防止指示管的毛細管作用產生粗大誤差，特將指示管內徑選用為2 mm的聚氯乙烯管。兼顧安裝位置等因素，測試管長應處于100～200 mm之間，特選用150 mm中間位置作為測試管長進行計算。同時為考慮指示劑的通用性，采用了純凈水作為指示劑。由于水和聚氯乙烯具有較好的浸潤性，蒸餾水會在表面張力的作用下玻璃管中形成一段密封的液體，在管內自由移動。為了簡化計算參數和步驟，對指示液按如圖3所示的受力分析進行了測算。

通過恰當的田間管理能夠促進玉米的快速生長，首先在出苗前后，必須要及時檢查玉米的發芽情況，如果發現粉種、爛芽，必須要及時的補苗。

圖3 指示液液滴阻力簡易測算示意圖

液滴滑動阻力f1=G×sin β

截取一段聚氯乙烯管，吸入一定長度的純凈水，在環境溫度為20℃條件下，將一端緩慢抬起，記錄液滴即將運動時的角度β，從而計算液滴的滑動阻力。測試結果如表1所示。

根據表1測試結果，考慮到液滴阻力、穩定性等因素，我們將采用約10 mm長的指示液滴作為指示劑。該液滴阻力約為19.6×10-5N。

1.4 測試精度分析

人眼分辨率為0.2 mm，考慮到環境因素的影響，當指示液移動1 mm作為分辨率的最低限時，對市場上摩托車主要機型的測試精度進行了分析。如表2所示。

通過對不同排量摩托車發動機測試精度進行分析，活塞位置變化量在0.003～0.007 mm以內時，在指示液上都會有將近1 mm的位置變化，能夠被人眼所察覺，也高于百分表打表法查找上止點0.02 mm的精度要求。

表1 指示液阻力測試匯總表

表2 摩托車各排量機型測試精度分析

2 測試裝置的實際應用

如圖4所示，可得到以下公式：

同時依據三角函數公式：

可得出：

經計算，采用本文設計的測試方法最小誤差（活塞位移量）為0.003～0.007 mm之間。對應的轉角為0.8°～1.0°之間，考慮到活塞在進程和回程時，轉角有重疊，所對應的曲柄轉角近似為誤差轉角的兩倍，如圖4所示。

圖4 曲柄轉角分析

對測試裝置進行加工，并對主要的摩托車發動機機型進行測試，其測試結果如下表3所示。

由于在理論計算中未考慮軸承間隙，活塞偏角等因素影響，理論誤差通過對實測數據進行分析，實測角度誤差計算值偏大，但基本與理論計算值相符。

表3 摩托車各排量機型實際測試分析

3 結論

通過對數據的比較和測試結果的分析，基于波義耳定律的活塞上止點的查找方法是有效可行的，測試精度，重復性誤差都在要求范圍內，其測試角度誤差基本能控制在±1°之間，解決了活塞側置類發動機靜上止點的查找問題，對發動機配氣相位分析，產品抽查等有重要指導意義。

由于該方法是基于波義耳定律的，在測試中要求發動機無拉缸、漏氣等異常。同時，測試速度不宜過快，發動機測試環境溫度不能產生較大波動。

1于明進，程勇.用活塞位移確定上止點相位的方法[J].山東交通學院學報，2003（3）：8～11

2文開華.如何確定發動機活塞壓縮行程上止點[J].貴州農機化.2004（3）：45

3于明進，程勇，吳波，等.用活塞位移確定上止點相位方法的探討[J].內燃機學報.2004，22（4）：373～378

4鄒喜紅，陳翀，楊英.壓縮線法求動態上止點[J].小型內燃機與摩托車，2003，32（6）：13～15

5劉浩龍，湯東，陸玲亞，等.壓縮線法確定壓縮上止點的研究[J].農機化研究，2005（3）：109～111

Search Method for Piston TDC Position Based on Boyle′s Law

Huang Qi1,Ji Ling2,Wu Peng3,He Zelong1
1-College of Mechanical and Power Engineering，Chongqing University of Science and Technology（Chongqing，401331，China）；2-Technique Center of Jialing Company 3-Chongqing HI-LEX Cable System（Group）Co.，Ltd.

This paper introduces a rapid detection method about finding out the piston TDC position of motorcycle engine based on Boyle's law.The method validity is analyzed and studied on different motorcycle engines by applying it，and the experimental verifications are carried out on common motorcycle gasoline engines.Experimental results show that this method can effectively reduce test time and improve measurement precision.

Motorcycle，Gasoline engine，Piston TDC，Boyle′s law

TK403

A

2095-8234（2014）06-0054-04

2014-09-17）

黃琪（1974-），男，正高級工程師，主要從事發動機設計、仿真分析及測試等。