柴油機臺架漏氣量測量自動修正方法

劉杰，陳創(chuàng)，謝俊，董紅霞，王宇，李闖

摘要： 柴油機在研發(fā)試驗階段都會通過活塞漏氣量來評價活塞、活塞環(huán)和缸體的設計質量。通過研究AVL442活塞漏氣儀測量機理，發(fā)現(xiàn)在臺架漏氣量的實際測量中，漏出氣體的溫度、壓力與漏氣儀測量的參考溫度、壓力有明顯差別，會在一定程度上影響漏氣量測量。為此提出一種漏氣量測量自動修正方法，在漏出氣體進入漏氣儀前測量其溫度和壓力，并基于臺架數(shù)據采集系統(tǒng)的Calculation、LAM模塊配置漏氣量修正計算，在漏氣量采集過程中自動修正測量值，從而提高臺架漏氣量測量準確度，提升臺架與測試設備的關聯(lián)分析能力。

關鍵詞： 漏氣量；活塞漏氣儀；溫度測量；壓力測量；修正

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.03.014

中圖分類號： TK427文獻標志碼： B文章編號： 1001-２２２２（２０24）０3-００88-０5

活塞漏氣量是柴油機研發(fā)測試和耐久性試驗階段的一項重要評估指標，可以直觀描述氣缸活塞摩擦副的工作狀態(tài)。燃燒室內高溫未燃燒或已燃燒的油氣混合物經由漏氣通道（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）進入曲軸箱中。如果活塞、活塞環(huán)和缸套等結構設計或加工存在缺陷，活塞環(huán)組出現(xiàn)損傷，大量油氣混合物進入發(fā)動機曲軸箱后，會導致發(fā)動機功率下降，油耗增加，機油消耗量增加［1-3］。

常國峰等［4］以自主研發(fā)的快速壓縮機為研究對象，驗證了活塞環(huán)組漏氣對缸內壓縮壓力的明顯影響。目前，國內外的相關研究主要集中在活塞環(huán)組結構和發(fā)動機運轉工況參數(shù)對漏氣量的影響［5-8］。其中朱衛(wèi)華開展了發(fā)動機轉速、扭矩、機油溫度和最高燃燒壓力等工況參數(shù)下的漏氣量試驗研究，研究結果表明發(fā)動機轉速和扭矩是影響漏氣量的主要因素［9］。高巧、李賀柱等［10］驗證了活塞環(huán)的設計優(yōu)化可以在一定程度上減小漏氣量，同時兼顧機油耗。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，發(fā)動機臺架漏氣量測量是否需要修正、如何自動修正一直是漏氣量研究領域的空白。

目前的柴油機臺架活塞漏氣量測量方法主要是將發(fā)動機呼吸器和臺架機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隨發(fā)動機運轉工況而變化，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壓力，也會導致漏氣儀顯示較低的值。因此，臺架漏氣量的準確、實時測量需基于參考條件（AVL442漏氣儀為25 ℃，100 kPa）進行實時自動修正，進而使測量值準確反映漏氣量變化。

1漏氣儀測量機理研究

AVL442漏氣儀是國際通用的活塞漏氣量測量儀器，提供RS232串口、CAN 總線等多種通信接口和協(xié)議，便于與發(fā)動機臺架集成。作為一種差壓式流量計，其結構主要分為壓差測量單元和信號轉換電子單元。其中壓差測量單元包括孔板測量管、阻尼器等，信號轉換電子單元包括壓力變送器、放大器、A-D轉換電路、D-A轉換電路及微處理器等。基于流體特性研究，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量原理（見圖1）：當流體通過孔板測量管內橫截面積縮小的孔板時，會產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，隨后經信號放大和一系列信號轉換，最后以模擬量形式輸出漏氣量。根據伯努利方程和流體連續(xù)性方程，假設流體密度不變，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，但在實際測量過程中，漏出氣體的密度會隨其溫度和壓力變化，進而直接影響實際漏氣量測量。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，漏氣量測量值減小；隨著壓力減小，漏出氣體密度減小，壓差ΔP減小，漏氣量測量值減小。漏出氣體的溫度、壓力會隨環(huán)境和發(fā)動機試驗工況、臺架控制參數(shù)的變化而變化，所以基于漏氣儀的參考條件進行漏氣量實時修正很有必要。根據漏氣修正原理，可以定義漏氣量修正計算公式：

QBe=QB×TG×P0T0×PS。（1）

式中：QBe為修正漏氣量；QB為漏氣量測量值；TG為漏氣溫度；T0為漏氣儀參考溫度，T0=298 K；P0為漏氣儀參考壓力，P0=100 kPa；PS為漏氣絕對壓力。

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

漏氣絕對壓力計算公式為

PS=PT+P*0。（2）

式中：PT為漏氣相對壓力；P*0為氣象站所采集的環(huán)境壓力。

2臺架漏氣量測量方法

2.1試驗儀器與方法

HORIBA STARS測試軟件平臺涵蓋控制、監(jiān)控和數(shù)據采集等方面的各種測試需求，與臺架實時控制器SPARC之間通過CAN通信連接，可以隨時根據試驗需求互相切換，實現(xiàn)測功器控制的同時并行實時采集和分析多通道數(shù)據，具備自動采集、顯示、存儲等功能。

在柴油機臺架上，活塞漏氣量測量主要是將電壓信號輸出至數(shù)據采集系統(tǒng)中，根據漏氣量與電壓對應關系（以0～600 L/min量程的AVL442漏氣儀為例，1 V對應60 L/min）得到漏氣量值。漏氣量測量時將臺架機油箱和發(fā)動機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)據采集系統(tǒng)實時采集溫度和壓力，然后進入漏氣儀進行漏氣量測量，最后在采集系統(tǒng)中計算、修正。試驗使用的主要儀器設備見表1。采集系統(tǒng)配置的氣象站主要用于環(huán)境的溫、濕度和大氣壓力測量，包含絕對壓力測量單元和溫濕度測量單元。壓力及溫濕度測量信號為4～20 mA，對應絕對壓力測量范圍為+70～+120 kPa，溫度為-20～+60 ℃。因此修正計算前需利用STARS采集系統(tǒng)進行漏氣溫度、漏氣相對壓力的采集，采集后完成漏氣絕對壓力的計算，將漏氣溫度與漏氣絕對壓力代入漏氣量修正計算公式，實時計算漏氣量修正值。

2.2Calculation Configuration模塊配置

STARS自動化軟件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，自動計算后輸出。市場主流自動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)動機臺架，具有普遍適用性。

2.2.1變量定義

采集的參數(shù)和計算值需預先在Stars采集系統(tǒng)中進行Standard Names定義，包括Name、數(shù)據類型和單位等。采集的數(shù)據定義為：環(huán)境壓力Pressure_Amb（kPa），漏氣相對壓力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）的對應關系如表2所示。

有了對應關系之后，便可進行顯示面板的編輯，配合Calculation Configuration可以完成漏氣量的實時自動修正，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單的字母進行對應，即c對應漏氣絕對壓力，p對應PT，q對應P*0，那么c=p+q就完成了漏氣絕對壓力的計算；n和r對應中間真實值，b對應TG，那么n=（100［kPa］*b）/（298［K］*c），r=sqrt（n）。最后，a對應QB，那么由漏氣量修正計算公式M=a*r就完成了漏氣量實時自動修正。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

模擬量輸入信號可以通過LAM模塊連接至STARS自動化軟件中。因此，根據選定的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0～10 V作為采集系統(tǒng)模擬量輸入信號，得到漏氣量采集數(shù)值，且此時的漏氣量是未修正過的，即QB。圖5示出LAM模塊匹配界面。

在臺架漏氣量測量自動修正模擬過程中，由多功能校驗儀（可以輸出電壓、電流、脈沖信號等）給定LAM一個輸入電壓，例如3.5 V，則QB為210 L/min。根據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

漏氣量自動修正通過臺架模擬方法來驗證，以滿足不同環(huán)境下的臺架漏氣量試驗研究。在某柴油機性能及耐久性試驗臺架中，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，分別給定漏氣相對壓力、漏氣溫度進行漏氣量的實時修正。

2.3.1漏氣相對壓力修正

當漏氣溫度不變時，即TG=305 K，改變漏氣相對壓力，當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。而在臺架漏氣量實際測量過程中，發(fā)動機的運轉工況、臺架控制的試驗參數(shù)不同時，漏氣溫度和漏氣壓力會同時產生變化，共同影響漏氣量測量。

2.3.2漏氣溫度修正

當漏氣相對壓力不變時，即PT=25 kPa，改變漏氣溫度，當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的模擬結果可知，在漏氣相對壓力不變的情況下，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。因此臺架漏氣量測量實時自動修正很有必要，進而保證漏氣量測量準確。

3結束語

基于AVL442活塞漏氣儀測量原理和臺架漏氣量測量實時修正機理，在臺架數(shù)采系統(tǒng)STARS上分別配置Calculation Configuration和LAM模塊，搭建了臺架漏氣量測量自動修正系統(tǒng)。在臺架漏氣量測量自動修正系統(tǒng)中模擬了漏氣相對壓力和漏氣溫度分別作為單一變量對漏氣量測量準確度的影響，表明基于漏氣相對壓力和漏氣溫度的漏氣量實時修正很有必要。此方法可以推廣應用于不同環(huán)境下的臺架漏氣量試驗研究，如高原、低溫環(huán)境等，本研究僅提供自動修正方法，不進行特定試驗工況和試驗環(huán)境下的漏氣量深入研究。本研究對于臺架漏氣量研究、分析以及發(fā)動機優(yōu)化設計具有重要意義，可以有效提高臺架漏氣量測量準確度，提升臺架與測試設備的關聯(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］