采用遥测方法测量内燃机中的活塞温度外文翻译资料

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摘要

目前，燃油经济性的提高成为汽车发动机发展中的重要问题。为了改善燃油经济性，通过获得更大的热效率，提高的压缩比和因为冷却热损失的减少已被广泛关注。这些提高热效率的努力增加了热负荷在活塞上。确保活塞的可靠性和发动机的抗爆震能力要求更好通过在各种发动机操作条件下的精确测量来了解活塞温度分布。。

因此，已经发展直接和间接测量方法以估计实际活塞温度。直接方法，例如连接类型测量，通常不是适用于较高的发动机转速，因为连接耐久性差。间接方法，如材料硬度型测量，既不能实时测量活塞温度，也不能测量薄壁活塞裙的温度。因此，常规测量系统不再满足在各种发动机操作条件下的测量要求。在这项工作中，我们开发了一种遥测型方法，其中薄直径热电偶安装在每个活塞六个点处。

这种使用无线传输电磁感应方法使在下死点测量信息成为可能。这种方法能够在转速达6500rpm四缸汽油发动机中实时的和间断测量。另外，通过1维分析比较实验和计算结果来验证我们的方法的准确性。

简介

因为关系到全球变暖，当然减少CO 2排放是必要的，同时未来可能会增加更加严格的排放法规。需要改进发动机热效率，因为更高的压缩比，这将导致活塞上的更大的热负荷。 同时，工程师正在减少每个活塞部分的厚度来减轻重量和摩擦。因此，需要提高活塞的耐久性。为了能够实现具有良好耐久性和高性能的活塞的优化设计，需要建立能够在实际发动机操作条件下以高精度测量活塞温度并且允许通过模拟进行估计计算的技术。

基于材料的间接测量方法硬度和基于连接的直接方法通常用于测量活塞温度。

硬度型测量涉及使用材料其温度电阻特性是已知的。这个方法仅需要测量温度历史在稳态发动机工况下。以前研究表明这种方法不能测量活塞温度在瞬态工况下。此外，需要长时间来执行活塞温度在每组条件下的测量。

联动型直接测量方法在高发动机的长冲程发动机中的测量系统速度，由于有损坏的可能性所以在我们的工作中不实用。因此，我们开发了遥测类型温度测量系统用无线收集数据。供应电力测量点之间通过电磁感应。该系统不需要电池;此外，它是轻量级，并允许在高速条件下的连续测量的可能性。

在这里报告的发动机点火检查中，我们确认我们的基于遥测的系统的耐用性超过20小时。 使用这种具有薄直径的测量系统，热电偶安装在活塞上的六个点，我们测量发动机转速高达6500时的活塞温度实时转速并阐明活塞中温度分布的趋势 。 我们使用1维分析（GT-Power）在发动机满负荷的工况下，对比我们实验和计算结果，观察到计算模型与实验结果呈现出强烈的相关性; 计算和实验的差异温度在plusmn;5％内。

在严苛条件下的活塞温度测量，例如在热 - 冷循环期间的即刻加速运行。 测量活塞温度，测量系统在这些实验过程中没有损坏。 此外，我们设置了实验来了解发动机运行参数的影响，如燃料喷射量，活塞温度。

在本文中，我们提出我们的遥测型活塞温度测量技术，我们活塞温度的测量结果和模拟结果。

实验装置

总体结构

图1显示了整个测量系统——遥测法。该系统包括四个组件：温度测量单元，数据接收单元，数据处理器单元和数据采集PC。

如图2所示，温度测量单元包括热电偶，传感器信号放大器，转子天线和支架。 该单元用螺丝固定在活塞上。图3显示了传感器的引脚分配信号放大器，其用于活塞温度测量有六个通道。 该转换器将放大的电压值数字化，然后调制此数据信号以产生高频信号的反射波。组合信号暂时传输到转子天线。

接收器单元包括定子天线，支架，传输电缆和适配器盒。图4显示在实际的发动机中定子天线的安装位置。该天线通过支架固定在气缸体上。它接收来自转子天线的组合信号。它从转子天线接收组合信号。 传输在下死点（BDC）处进行而不接触。

图5示出了数据处理器单元的示意图。 这个单元提取由实际组成的原始数据来自组合信号的温度值。它在将输出提供给数据采集PC之前沿着时间轴处理这些数据。同时其配备有向放大器和用于数据传输的电载波提供电功率的高频电源。

图6示出了数据采集PC的数据记录PC程序的图像。在测试期间，此PC接收原始数据作为来自数据处理器单元的数字信号然后将该数据转换为实际温度值。因此，我们可以实时确认实际温度或者几乎接近实时。

总的来说，测量系统有一些独特的功能，例如其通过一对天线提供电力和发送数据的能力。 此外，低重量的系统由于缺乏电池使它能够在较高的发动机转速下使用常规测量系统。下面详细的描述组件。

图1.测量系统示意图 图2.活塞温度测量系统的装配

图3.传感器信号放大器 图4.气缸体上的天线布局

图5.数据处理器单元 图6.数据记录PC程序的屏幕截图

温度测量单元

图2显示了温度测量单元实现在实际的活塞上。热电偶为类型K（NiCr-Ni），非研磨型，尖端直径为0.5mm;它们的精度为plusmn;1.5K。传感器信号放大器如图3所示，其放大了电动势达6个温度测量通道。此外，它通过执行集成A / D进行模数转换。转子天线形为中空圆柱体，并且其外周缠绕有感应线圈。在此外，我们使用3D CAD软件来优化该单元相对于最大允许温度（高达450 K）和活塞的工作条件的布置。结果，我们能够安装在活塞底部。使用树脂保持器作为中间层在该单元和活塞之间抑制传导热和电。此外，为了防止液体和发动机油渗入电路，用放大器盖覆盖并密封放大器，耐热树脂。树脂也用作胶将热电偶固定在活塞上。

数据接收单元

如图4所示，定子天线呈棒状形状并且缠绕有感应线圈。 它作为一个当转子天线接近BDC时的电感耦合。同时，转子天线通过定子天线接收电力并提供所需的功率传感器信号放大器。 信号发射器和电源使用相同的高频电源数据处理器单元。适配器盒是用于调节传输状态的LC电路，该电路连接到传输电缆上。

数据处理器单元

图5所示的数据处理器单元配备有一个13.56 MHz高频电源，其功率高达10 W。电源功率必须可调，因为所需的功率取决于每个的持续时间电感耦合。 因此，在较高的发动机转速下，持续时间短，需要增加需要的功率。此外，该单元具有放置在其中心的旋钮。 这个旋钮用于在监视电源的同时调整电源指示符。在感应耦合期间，将大量的功率提供给放大器; 然而，由于数据传输，一部分的高频信号被变成为反射波。

数据采集 PC

数据采集PC通过USB电缆通过数据处理器单元接收作为实际温度的原始数据的数字信号。图6显示了参考案例的数据记录PC程序的图像。电脑共有10个通道，包括活塞的6个温度通道和各个放大器温度通道，放大器电压（用于监视），触发信号和定时器。因为转换误差D / A转换器是可忽略的，所以数据采集技术有高精度的优势。

汽车发动机规格和活塞温度测量点

表1显示了安装该测量系统的发动机的规格。它是一个直列式四缸汽油发动机。该系统测量2缸的活塞温度。活塞直径为78mm。 在活塞上选择6个测量点，包括三个点在活塞头表面和一个点在顶部环形槽，销孔内部和裙部。测量点如图7,8和9所示标记在表2中。所有点位于距离活塞表面0.5mm深处。此外，使用放电加工通过活塞的下表面形成通道（直径约0.6mm）。通道允许热电偶的末端固定在测量点。

图7.活塞的顶视图 图8. X-X横截面中显示的测量点

图9. Y-Y横截面中显示的测量点

表1. 发动机规格

表2.活塞温度测量点

发动机试验台结果

满载时的活塞温度

进行实验以确认热负荷，活塞中的温度分布，以及满负荷高速运行后续性能。测试确定发动机出口侧的水温363plusmn;3 K内，发动机油温度范围为363至403K，发动机油压力200至400kPa，进气空气温度控制在298K左右。对于点火正时和喷射的燃料量，使用从发动机控制单元修改的值。在进行每次测量的发动机速度之后的稳定状态保持10分钟进行测量。测量时间为10秒，测量平均值用作实验数据。

图10示出了作为发动机速度的函数的温度转变。发动机转速从1500变化到6500rpm，间隔为500或1000rpm。 结果表明所有测量点的温度都随发动机转速的增加而增加。这些测量点的温度不同。温度较高的点是活塞头表面（点1-3），其受燃烧状况的影响; 最高记录温度为571 K，此时发动机转速为6500 rpm，在活塞头的中心即（点2）。然而，最低温度的点是活塞裙（点6），其中最高温度为420K，甚至装速达6500rpm。关于高速跟踪性能，遥测测量系统没有分解或故障，即在6500rpm，热电偶没有损坏和在天线之间没有发生传输故障。

图11显示了对于每个测量点测量数据的标准偏差; 这些点是用直线连接的。测量系统是高度稳定的，如标准偏差在plusmn;1.5％以内。因此，我们的遥测测量系统能够在实际发动机工况下，包括高速运行，在所有测量点可靠地采集测量数据。

图12显示了发动机运行速度1500〜6500rpm之间时每个温度的变化测量点以及最高温度的测量点是活塞头的表面，其次是销座（点4），顶环槽（点5）和活塞裙部（点6）。点5受到热电偶和冷却水之间的热传导的强烈影响，导致点5处的温度低于点4处的温度。因为油冷却以及热传导，在点6处的温度变化被显著抑制。

图10.主机转速-活塞温度 图11.活塞温度的标准偏差

图12.在满负荷下主机转速在1500-6500之间时的温度差异

冷热循环测试中的活塞温度

活塞需要具有很强的耐久性，甚至在很极端的环境条件下。我们进行了热冷循环测

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