熱電偶在發動機臺架標定的應用

鄒小松，何貝貝

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州545005）

發動機在做臺架標定時，很多地方需要用到熱電偶來監測溫度，比如需要用到熱電偶測量進氣溫度來修正進氣模型，測排氣溫度和三元催化溫度來標定排溫保護模型。如果熱電偶使用不當，不但會使試驗數據失真，影響工程師的正確分析判斷，使發動機無法得到最優的性能標定，嚴重的話還會導致發動機在試驗過程中發生安全事故。

1 熱電偶的工作原理

熱電偶的工作原理是：兩種不同成分的導體兩端經過焊接、形成回路，直接測溫端叫測量端，接線端子端叫參比端。當測量端和參比端存在溫差時，就會在回路產生熱電動勢，接上顯示儀表，儀表上就顯示出熱電偶所產生的熱電動勢的對應溫度值。熱電偶的熱電動勢將隨著測量端溫度升高而增長，熱電動勢的大小只和熱電偶導體材質以及兩端溫度有關，和熱電極的長度、直徑無關（如圖1所示）。

圖1 熱電偶工作原理圖

2 熱電偶的選擇

熱電偶的種類和大小很多，需要根據試驗要求選擇熱電偶。對于熱電偶的精度和類型，一般選擇K型I精度的熱電偶，基本上能夠滿足所有發動機臺架標定的測量要求。熱電偶的粗細也需要注意，一般來說熱電偶越粗響應時間越慢，越細響應時間越快，另外還考慮到熱電偶的安裝可能影響到氣體流量變化，原則上安裝的熱電偶越細越好。一般來說，在發動機進氣系統上面布置直徑1mm的熱電偶，而在排氣系統上面可根據需要布置直徑1.5 mm~3 mm的熱電偶。

3 熱電偶的安裝

安裝位置的選擇應具有代表性，必須根據試驗目的，準確選擇測溫點，才能給試驗提供準確的測量值。例如測量發動機的排氣溫度，如果僅僅需要標定發動機的排溫模型或者監控排溫是否超過限制，那測溫點就應該選擇各缸排氣歧管結合后三元催化器前的位置；如果我們需要測量發動機各缸排溫的均勻性，那測溫點就應該選擇在各缸排氣歧管結合前的位置，但是需要注意各缸測量點到匯總處的距離均一致。下表是一臺帶EGR閥自然吸氣發動機做臺架標定時需要加裝的溫度傳感器的測溫點位置選擇。

表1 熱電偶在發動機上的測溫點

在熱電偶安裝時，測量端應處于能夠真正代表被測介質溫度的位置。在發動機試驗中，主要以測量管道內的氣體或者液體為主，應使熱電偶測量點盡可能靠近其中心位置，以減少測量誤差。一般情況下，熱電偶的安裝應盡量與管道保持垂直，如圖2.但在流速較快的情況下，熱電偶必須傾斜安裝，傾斜45°最佳，且與介質流動方向相逆，如圖3；在條件允許的情況下，應盡量安裝在管道的彎曲處，如圖4[1]。為了保證測量結果的真實可靠，熱電偶應有足夠的插入深度。最少不小于熱電偶保護管外徑的10倍[1]。為了防止熱損失，熱電偶保護管露在外部要盡可能短。

圖2 正交安裝

圖3 傾斜安裝

圖4 彎頭處安裝

在一次發動機臺架標定試驗中，發動機在全轉速全負荷的情況下，排氣溫度不到700℃，調整發動機空燃比，排氣溫度變化不明顯，但是此時從監控攝像頭中可以明顯看到排氣歧管已經通紅，于是判定為熱電偶安裝不當，立刻停機檢查。檢查發現熱電偶安裝時插入深度不足，熱電偶測點在排氣管道中的邊緣位置。將熱電偶插到中心位置后，將發動機處于原來同樣的工況下運行，排氣溫度達到850℃.熱電偶安裝不當，對發動機臺架試驗將造成極大的不良影響，甚至會造成安全事故。

4 熱電偶的干擾問題

發動機工作時，點火線圈、OCV閥和EGR閥等都是主要的電磁干擾源，會對熱電偶產生不同程度的干擾。因此，在使用熱電偶時要做好防干擾處理，以免影響熱電偶測量的準確性。防干擾處理一般有以下三種方法[2]：

（1）熱電偶導線遠離發動機線束，就是將熱電偶導線懸空布置，盡可能的遠離發動機線束。熱電偶導線不能盤繞，要盡量拉直，盡可能不要和發動機的線束平行。這種做法不能完全杜絕干擾，但是能將干擾降低到最小，基本能滿足發動機的試驗誤差要求。

（2）屏蔽法，屏蔽法就是將熱電偶的補償導線，穿在鐵管或其他金屬屏蔽物內進行屏蔽，使用此種方法時應該將鐵管和屏蔽物進行良好接地，并且將補償導線絞起來。

（3）接地法，這種方法是將測量回路進行接地處理，把干擾引入大地從而保證儀表的測量準確性。這種方法有兩種地形式:第一是熱電偶參考端接地，第二種是熱電偶測量端接地。采用參考端接地法時，是將熱電偶（或補償導線）輸出端的一端，通過一個足夠大的電容接地（條件許可時電容越大越好）。測量端接地法是將熱電偶測量端接地，就是從熱電偶的測量端引出一根金屬絲接地。這種方法對高溫漏電干擾有很好的預防效果。選用金屬絲時應該選用耐高溫且對熱電偶電極無害的金屬絲。

在一次發動機臺架標定試驗中，做充氣模型標定時，發現節氣門前四個氣缸的進氣溫度小于室內溫度，見下表2，由于發動機工作時會發出大量的熱，這很明顯，測得的進氣溫度都是錯誤的。于是立即停機檢查。經過檢查設備，未發現測量設備和傳感器故障，于是斷定為熱電偶受到干擾所致。檢查熱電偶的安裝發現，某員工在熱電偶安裝時，由于熱電偶導線過長，便將導線盤繞起來并綁在發動機的線束上，熱電偶必然受到極大的干擾。于是按照防干擾處理方法（1），將熱電偶導線拉直、架空并遠離發動機線束。處理完后再運行發動機，按照原來的標定工況進行檢查，故障消失，見下表3。從前后測量的試驗數據中可以看出，在發動機臺架試驗中，熱電偶如果未進行防干擾處理，均有可能因受到干擾而得不到準確的測量結果，并且測量誤差將無法估計。

表2 受干擾的測試結果

表3 防干擾的測試結果

5 結束語

熱電偶在發動機標定中，為了得到準確可靠的測量值，需要根據要求選擇好熱電偶的粗細和精度，在發動機上選擇最具代表性的測溫點，還需要正確安裝熱電偶并防干擾處理。

[1]李忠虎.熱電偶應用問題綜述.工業計量，2007，17（2）：35-37.

[2]韋永凡.淺談熱電偶測量溫度的抗干擾問題[J].機電信息，2011，（6）：12-13.