电子示功器运用于柴油机运行工况监测及燃烧分析研究

袁 健

（南通航运职业技术学院轮机工程系，江苏南通 226010）

电子示功器运用于柴油机运行工况监测及燃烧分析研究

袁 健

（南通航运职业技术学院轮机工程系，江苏南通 226010）

简述了电子示功图运用于柴油机缸内过程监测的原理，结合实际船舶，运用便携式电子示功器开展了柴油机运行工况监测工作及燃烧分析研究，在营运船舶主机的工况监测方面进行了有效的探索。

柴油机；工况监测；电子示功器；示功图

示功图可用于监测柴油机的爆压、发火点等基本参数，还可以用于计算功率、放热量、热效率以及分析柴油机各缸燃烧过程［1］。运用示功图对柴油机某一运行工况进行各缸功率比较，评价各缸机械负荷及动力负荷平衡性，为负荷调整提供依据；还可通过对柴油机在不同工况下的示功图进行分析，推算出燃烧释放的热量与释放速度，具体地揭示燃烧的演变过程，为准确预测柴油机的工况积累必要的数据资料。数据积累得越多就越有把握预测柴油机运行性能的变化［2］。

电子示功器因其测量精度高，功能强大，可进行示功图分析并结合计算机软件进行柴油机运行工况检测及燃烧分析，其优点远胜于传统的机械式示功器，尤其适合大型低速柴油机工作过程日常监测、故障诊断与趋势预测，为降低油耗、延长寿命、控制维修成本提供依据。

本文结合实际船舶，运用便携式电子示功器开展柴油机运行工况监测工作及燃烧分析研究。

1 电子示功图的测量

1．1 ZCP型便携式电子示功器组件及技术指标

ZCP型便携式电子示功器由气缸压力探头（传感器）、曲轴转角探头（传感器）、主机（数据采集）及配套的分析软件等组成。气缸压力探头采用ZCY－25型超高温动态压力传感器，核心部件为超级压电晶体，无需水冷，可长期在高温下工作，性能稳定，满足柴油机示功图长期监测要求。安装于柴油机的示功阀接收压力信号。曲轴转角探头采用ZCA－1型，由一个霍尔传感器组成，安装在柴油机飞轮处，测量柴油机第一缸上止点信号。主机采用便携式ZCP型，内置数据采集模块，与气缸压力探头和曲轴转角探头配套使用，将采集到的柴油机各个气缸示功图进行显示图形、分析结果并储存，还可以通过USB接口上传计算机进一步分析。

分析软件（MIP SYSTEM 2009型）用于示功图采集和分析的计算机软件，在计算机上安装后，可对采集的数据进行燃烧分析、参数趋势预测及超限报警、油耗分析等。

ZCP型便携式电子示功器适用范围：气缸压力为0～25MPa，误差为±1%，转速为60～1 500r／min，误差为±1r／min。适用环境要求见表1。

表1 ZCP型电子示功器适用环境

1．2 测量主机示功图

监测对象为2010年造17万吨散货船舶主机，型号为HYUNDAI MAN B＆W 6S70MC6大型低速柴油机，其结构参数见表2。该主机工况良好，性能优异。目前考虑降低营运成本，工作转速采用82r／min，选择在此工况下测取示功图。

表2 HYUNDAI MAN B＆W 6S70MC6型主机结构参数

电子示功器数据采集接线如图1所示。保持第一缸在上止点位置；将ZCY－25型气缸压力探头连接至所测缸的示功阀上；用支架将ZCA－1型曲轴转角探头对准飞轮端，使霍尔传感器与飞轮表面相对应，将配套的一块磁钢（磁钢S极向上）用强力胶粘结在清洁的飞轮表面，调整磁钢与霍尔传感器之间距离在2～4mm之间；在通电状态下，当探头对准磁钢时，指示灯应亮，否则反转磁钢。注意：ZCA－1型曲轴转角探头过分紧固于支架上易使传感器损坏。曲轴转角探头安装见图2。

1．3 上止点的误差修正

上止点正确与否对示功图功率计算的准确性起到决定作用。虽然安装了曲轴转角探头测取上止点，但是在柴油机工作时，由于轴承间隙的变化、零部件的变形、柴油机转速不稳等因素，使示功图热力上止点发生偏移。为此可通过纯压缩压力线法，即测量柴油机气缸纯压缩压力曲线来修正这一偏移量。

图1 电子示功器数据采集接线

图2 曲轴转角探头安装

测量方法如下：调整柴油机在测试转速下运行，被测缸短时停油，用ZCP型电子示功器测量示功图，用分析软件打开示功图，示功图上的最高压力点就是实际的上止点，或在示功图曲线上端作若干条平行于大气压力的直线，上止点线就是这些直线的中点连线［3］。

2 示功图测量结果与分析

2．1 测量结果

表3和图3分别为通过分析实测的各缸电子示功图获取的主要参数和各缸叠加p－φ示功图（p为气缸内气压，φ为曲柄转角）。利用分析软件可将所测的各缸电子示功图数据上传到电脑中进行燃烧分析，以获得各个气缸热功转换的详细信息［4］。图4是电子示功器实测各缸示功图的燃烧分析曲线。

表3 实测各缸示功图主要参数

图3 实测各缸叠加p－φ示功图

2．2 数据分析

2．2．1 负荷平衡分析

3号缸循环功（见表3）为1 829．6kJ，稍高于其他各缸；1号缸最低，为1809．1kJ，两缸相差20．5kJ，而两者爆压则相差不大。

柴油机管理中的主要内容之一是保持各缸负荷的平衡，柴油机负荷与柴油机的热负荷、机械负荷、油耗密切相关［5］。表3中数据表明：尽管柴油机各缸的爆压相差无几，但单缸循环功相差较大，因而各缸负荷相差较大。通过测量各缸示功图，计算各缸示功图的单缸循环功，可知各缸负荷是否平衡及相差的大小，为各缸负荷调整提供依据。

2．2．2 压力分析

在柴油机的管理中，压力升高率是反映柴油机工作粗暴程度的指标，最高爆炸压力是柴油机机械负荷的指标［6］。通过对比分析各缸的这2个参数，能够准确判断各缸工作是否异常。表3中数据表明，3号缸最高爆炸压力（13．0MPa）和压力升高率（0．210 MPa／（°））偏高，据此可推断出该缸机械负荷和工作粗暴程度较高，易导致机件过早磨损，是检修时要重点关注的对象。

2．2．3 定时分析

着火点及爆压位置可用于分析柴油机的定时是否准确，是反映柴油机热功转换效率的间接性指标［7］。3号缸的着火点为－9．6°和最高燃烧压力位置（爆压位置）为11．4°，较其他缸提前，同时指示功率（2500．5 kW）偏高，可判断该缸喷油提前。这在后来的检修中得到证实。

通过对图3实测各缸叠加p－φ示功图进行比照分析，可看出各缸定时是否准确和差异性。3号缸的着火点和喷油定时提前在该图中得到了印证。

2．2．4 示功图的燃烧分析

燃烧分析方法：建立以能量守恒定律为依据的柴油机气缸内工质能量平衡方程，将示功图代入，以表格或图形的形式来表征气缸内工质能量变化规律［8］。

燃烧过程工质内能U的变化：

式中：mz为工质质量，uz为单位质量工质比热力学能。

气体对气缸周壁的散热率［9］为

式中：Qw为散热量；α为换热系数；Aw为换热壁面面积；T为工质温度；Tw1为活塞表面温度；Tw2为气缸盖底面温度；Tw为气缸套表面温度；D为气缸直径；V为工质体积；φ为曲柄转角；

Twi按经验公式确定［10］，即：

式中pe为平均有效压力。

工质对外做功：

式中：P为工质作用在活塞上的力。

可燃混合气燃烧放热dθ［11］：

燃烧放热率：

由分析软件按上述方程计算的瞬时放热率、累积放热百分比曲线形式（见图4），结果表明，其具有较好的吻合性和较高的精度。从图4中的曲线1可以直接找出瞬时放热率的最大值约为67kJ／（°），相应的曲柄转角大约出现在上止点后13°位置。

利用图4还可以直观显示的燃烧参数有：燃烧始点、燃烧终点和最高燃烧温度等；可进行区分比较的燃烧过程有：燃烧4阶段（滞燃期、急燃期、稳燃期、后燃期）及燃烧持续期。由图4看出：在该工况下，燃烧始点约为－8°，燃烧终点约为40°，燃烧持续期约为48°；最高爆压出现在大约上止点后18°处，最大爆压值约为13MPa（130bar）。由燃烧始点及缸内爆压出现点可知，急燃期约为26°；缸内最高温度出现在上止点后约25°处，最高温度约为1 700K，由缸内爆压出现点及最高温度点可知稳燃期为7°。

另外，还可从图4中看出：后燃期及后燃期放热量的大小；减少后燃、减小后燃期放热量，可有效降低燃油消耗［12］。

3 结论

（1）通过测量各缸示功图及计算单缸循环功、指示功率，可知各缸负荷是否平衡及相差的大小，为各缸负荷调整提供依据。有时柴油机各缸的爆压相差不大，而循环功相差较大，则各缸负荷相差较大。

（2）借助示功图及最高爆炸压力、压力升高率比较，可推断出某些汽缸的机械负荷高低和工作粗暴程度，以便及时采取措施避免机件过早磨损。

（3）通过叠加示功图可以较精确地判断柴油机各缸定时是否准确及各缸的差异。

（4）用电子示功器分析软件得到的燃烧分析曲线可以较直观显示各缸瞬时放热率、累计放热百分比、燃烧温度及各燃烧参数，揭示燃烧的演变过程，结果表明其具有较好的吻合性和较高的精度。

（5）建议曲轴转角探头（传感器）采用由霍尔传感器和齿轮传感器共同组成的ZCA－2型，用齿轮传感器测量飞轮上的齿轮脉冲信号，对曲轴转角进行精确分度，可以消除低速柴油机曲轴转速瞬时波动造成的示功图测量误差。

（References）

［1］周明顺．船舶柴油机［M］．大连：大连海事大学出版社，2014．

［2］曹国豪，余永华，杨建国．基于单片机系统的船用柴油机示功图测量系统研制［J］．船海工程，2010，39（1）：84－87．

［3］胡杰，颜伏伍．基于EMD和HHT的内燃机瞬时转速信号分析［J］．车用发动机，2010（3）：15－19．

［4］常鸣鹤，伍耐明．发动机示功图试验中的数据采集软件开发［J］．佛山科学技术学院学报：自然科学版，2012（2）：57－63．

［5］李舜杰，刘东风，马天帅．舰船主柴油机缸内过程监测与诊断技术研究［J］．柴油机，2011，33（3）：22－24．

［6］赵军，赵质良．基于虚拟仪器的柴油机示功图采集系统设计［J］．机械工程与自动化，2011（1）：170－171．

［7］占惠文．基于模糊神经网络的船舶柴油机故障诊断系统研究［D］．武汉：武汉理工大学，2009．

［8］沈加亮．使用柴油机DPI数码电子示功装置的几点体会［J］．航海技术，2013（6）：47－48．

［9］毛宏雨．基于示功图的船用柴油机燃烧过程的研究［D］．大连：大连海事大学，2010．

［10］李敏秋．船用柴油机示功图数据采集与燃烧分析系统的研究［D］．大连：大连海事大学，2011．

［11］张成佳．柴油机热功转换故障分析与检测技术研究［D］．长沙：国防科学技术大学，2010．

［12］王科理．发动机燃烧分析系统研究［D］．北京：北京交通大学，2014．

Study on diesel engine operational condition monitoring and combustion analysis by using electronic indicator

Yuan Jian
（Department of Marine Engineering，Nantong Shipping College，Nantong 226010，China）

The principles and characteristics for condition monitoring and diagnosis of marine diesel engine incylinder processes are introduced based on indicator diagram．Combining with the real ship，using portable electronic indicator to monitor the machine operational condition and analyse the diesel engine combustion has been discussed．Effective condition monitoring in the operation of the ship host is explored．

diesel；condition monitoring；electronic indicator；indicator diagram

TK42－33

A

1002－4956（2015）3－0093－04

2014－09－09

袁健（1966－），男，江苏南通，工学硕士，副教授，南通航运职业技术学院轮机工程系副主任，远洋轮机长，主要从事轮机工程技术与管理研究．

E－mail：yuanjian＠ntsc．edu．cn