浅谈发动机活塞温度测量方法.docx
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浅谈发动机活塞温度测量方法
题目：
浅谈发动机活塞温度的测量方法
学院：
汽车学院
指导教师：
孙平
学生姓名：
孙健
学号：
3080404045
班级：
动力（机械）0802
课程名称：
内燃机的热负荷和热强度
江苏大学
2011年12月24号
目录
目录2
摘要3
1.概述3
2.活塞温度的测量方法3
2.1硬度塞法3
2.2硬度恢复法4
2.3易熔塞法4
2.4氪化法5
2.5热电偶法6
2.6非接触互感式测量8
2.7红外遥测11
3.各种测量方法的特点及适用情况13
参考文献13
英文摘要14
浅谈发动机活塞温度的测量方法
摘要：
本文详细介绍了发动机活塞温度测量的几种方法，非电测法（硬度塞法、硬度恢复法、易熔塞法、氪化法）；电测法（热电偶法、非接触互感式测量方法、红外遥测法）。
并简单分析了各种方法所适用的情形及各自的特点。
关键词：
发动机活塞非电测方法电测方法
Abstract:
Thispaperdescribesseveraltemperaturemeasurementmethodsofpiston，non-electricalmeasuringmethod（hardnessplugmethod,hardnessrecoverymethod,fusibleplugmethod,kryptonmethod）;electricalmeasuringmethod（thermocouplemethod,non-contactmutualinductancemeasurementmethod,infraredtelemetry）.Andasimpleanalysisofthevariousmethodsapplicabletothesituationandtheirowncharacteristics.
Keywords:
enginepistonnon-electricalmeasuringmethodelectricalmeasuringmethod
1．概述
现在的发动机强化程度越来越高，这必然导致受热零部件温度变得很高且分布很不均匀，尤其像活塞这种零件，其热负荷较大，如果设计者设计的不恰当，很容易产生热变形、裂纹、漏气等，还可能会使润滑油耗量增加，并且有可能发生粘着、烧结、油品劣化、燃烧异常等不正常现象。
为了分析此类现象产生的原因以及探讨解决的方法，往往需要测量活塞的温度场，以了解活塞的温度分布，从而为设计者提供必要的参考依据。
本文在活塞温度测量文献的基础上，详细叙述了测量活塞温度的几种主要方法，并对各个方法做了一定的比较。
2．活塞温度的测量方法
通常测量活塞温度的方法可以分为两大类，一、非电测法；二、电测法。
其中非电测法包括硬度塞法、硬度恢复法、易熔塞法、氪化法；电测法包括热电偶法、非接触互感式测量方法以及红外遥测法。
以下是对各种方法的简单剖析。
2.1硬度塞法
硬度塞法又称为热塞法或者温度塞法，它的基本原理是利用某些合金经过淬火之后的硬度随着回火温度的升高而下降的这一特性来工作的。
金属材料在回火加热后会产生永久性的硬度变化，通常这种硬度的最后变化既取决于它所经受的最高温度，又取决于此温度下所经历的时间。
硬度塞法的测量方法是将淬火后的M2x0.5x3或M3x0.5x4（其材料为GCr6的滚铬轴承钢）拧入被测零件的被测部位，使其在所要求的运转工况下，稳定运转2h后，再拆卸下来，抛光表面，然后用显微维氏硬度计打出准确的硬度值，在HV-t标准曲线上查出其对应的温度，即为被测点在所要求的工况下的温度值。
在HV-t标准曲线上查温度值的时侯，应当注意必须使用硬度塞制造单位所绘制的曲线，这是因为不同的单位制造的硬度塞，其标准曲线是不同的。
其中硬度塞对金属材料的要求有以下几点要求：
1）材料必须有良好的淬透性，材料的金显微相组织和化学成分要均匀；
2）材料淬火后的硬度要比较高，一般的HRC应≥65，同时，淬火后的硬度要能长期保持均匀稳定，而且不允许有软点和硬点出现。
3）材料的回火温度和硬度变化的关系最好成线性关系或者近似线性关系，同时，要求材料在同一回火温度下的硬度值十分稳定。
2.2硬度恢复法
在使用上述硬度塞法测量温度时，有时侯并不一定将合金材料做成一个测温塞的形状，而是用这种合金制作成被测零件的整体形状，这样一来就可以测出整个零件上的温度分布的情况。
在运转后将此零件剖开，并作硬度测定，即可以得到等温线的分布图。
为了防止过热，一般使用电火花切割来剖开零件。
例如对铝合金活塞用这种方法进行温度测量时，要预先对活塞进行热处理，然后在发动机上承载加热后，其硬度就会相应的减小，这样，在该工况下，活塞上任意点的温度都可以由硬度—温度曲线得到确定，这种方法对于检验计算结果的温度分布场有一定的意意。
2.3易熔塞法
易熔塞法的基本原理是利用纯金属和各种合金在溶解或凝固的过程中，液态和固态共存的时候，温度保持不变的这一特性来工作的。
也就是当他们在冷却结晶的过程中，由液相转化为固相，或者是在熔融过程中，由固相转化为液相时，其温度保持不变，直到其全部溶解或者全部凝固后温度才继续上升或者下降。
纯金属和各种合金的这种特性可以用温度—时间曲线来表示，如下图所示：
纯金属的冷却和溶解特性
在图中，曲线1-2表示液态金属的冷却过程，当冷却到2那点时开始出现凝固，然后温度一直维持不变直到3点的时候凝固才结束。
由于凝固过程中，金属本身放出了潜热，补偿了金属放走的热量，因此2-3为一水平线，也就是说金属在某一恒定温度下结晶的，这一温度称为金属的结晶温度；反过来说，如果把金属加热，那么金属在从固相转变为液相的熔融阶段，其温度曲线也将是水平的，这一水平温度叫熔点温度。
易熔塞法就是利用纯金属和各种合金的这种物理特性来测量受热零件的温度。
用易熔塞法测量温度时，在被测零件的每一测量部位上钻上直径为1.5mm，深为3mm的三个小孔，可以预先估计一下测量部位可能出现的温度，然后在三个小孔中放上熔点和此估计温度相应而依次相差为10℃以下的三个易熔塞。
有时候对所估计的温度把握不准时，第一次测量时可用相应的间隔较大的易熔塞，然后在第二次测量时就可以逼近被测温度。
易熔塞放好后，将被测零件装入发动机，按照所要求的工况，发动机运转15-20min，等待测温完毕。
发动机停车时，必须降低负荷，但冷却水不要关闭，以防止突然停车时的过热，把测量时还未熔化的易熔塞熔化掉，从而失去了其真实性，发动机停车后，拆下被测量零件，消除积炭，并检查哪些已经熔化，哪些还尚未熔掉，哪些发生了部分熔化，以此来确定各个被测点的温度。
2.4氪化法
氪化法是指将放射性同位素Kr-85气体稳定的结合到各种不同的固体中去，并制得具有相当稳定性的固体标记样品的过程。
这种方法利用了氪化固体如下的特性：
1）被氪化后的固体在室温下都是稳定的，如果没有化学或者物理的影响，它在室温下可以稳定的保持其氪含量相当长的时间。
2）被氪化后的固体随温度升高，其Kr-85放射性同位素逸出，逸出量可表示为温度的函数。
3）如果在升温过程中达到某一温度，Kr-85放射性同位素将达到某一逸出量，此后，在此温度再重新加热，只要不超过此温度，就不会有进一步的放射性损失。
4）氪化物中的氪原子大都集中在金属固体表面的附近，其深度在0.1～几十微米的范围内。
氪化法的测量方法如下：
1）对测温零件先用高温高压扩散法等进行氪化，或者将经过氪化的测温元件装入零件的被测部位。
2）将零件装入发动机上并且按制定的工况进行运转，时间至少需要15min。
3）将测温零件从发动机上取下来，放在由精密温度控制仪控制且保温性能良好的加热炉中进行加热。
加热的温度由电位差计测得，每加入一次就测得相应的加热温度，即将零件从加热炉中取出，冷却后用定标器测量它的放射性强度，这样每隔30～40℃的间隔升温加热，并且记下相应的放射性强度。
4）将所取得数据用作图法求出零件在指定工况下运转时的温度。
2.5热电偶法
热电偶法是将单根康铜丝焊接于制作的闷头上面然后压装在活塞的测量部位，并使康铜和铝合金活塞本身组成非标准热电偶。
根据热电偶的安装方式不同，通常将热电偶测量方法分为弹性接触式和引线式。
2.5.1弹性接触式测量方法
弹性接触式通过在活塞行程中动触点与静触点持续的接触来测出活塞的温度值。
常用的传感器有热敏电阻或是热电偶。
在活塞中装入温度的测量点后将热电偶的导线引到一个接触元件，从闷头出来的热电偶丝用高温绝缘套管包着，闷头周围用密封胶密封，闷头表面不应该超出活塞体表面。
热电偶丝的引线用高温密封胶固结在活塞内壁上并与上触点连接，通常要求引线能够在300℃左右的高温下作用。
每个测量点使用一个接触点，配对触点的布置要求连接在活塞上的接触点只能在下止点区域（±25°曲轴转角）内接触。
热电偶的下触点固定在曲轴箱上并可以自由运动，以此方便调节与上触点的接触时间。
通常为了减少接触件的磨损可以采用集中接触装置。
弹性接触式测量原理是：
活塞在下止点前后的一段时间内，上下触点接触，将热电偶产生的热电动势传送到测量回路。
为了能测量周期性的脉冲电势，一般都要采用补偿电路，使脉冲电势变为近似稳定的直流电势输出。
弹性接触式测量方法，不管其具体结构如何，首先遇到的就是触点的撞击和触点弹簧的颤振的问题。
为了避免此种撞击，一般可以通过采用可动的激励质量、尽可能短的行程以及大的弹簧力来避免产生撞击。
接触元件要选用合适的材料以避免在接触部位产生附加的热电压从而产生测量误差。
另外接触法的测量精度与磨损应力有着密切的关系，但是通常能选用的金属其抗磨损性能差。
为了增加使用寿命，就需要在接触表面镀上耐磨层。
对于铁-康铜元件可以选用银-铁或钴-康铜作为配对材料；对于镍铬-镍元件可以选用铬上镀钴或者在镍铬上镀铁的方法，利用热电偶材料镀层所产生的误差可以估计接触销和接触点之间的温度差情况。
镍铬-镍误差一般为-4℃，铁-康铜约为-8℃。
当然也可以采用其它的接触材料，例如可以采用油喷刷等，使热电偶导线的连接头与接触头保持相同的温度。
2.5.2引线式测量
引线式是在连杆的基础上采用附属的机构将热电偶导线引出气缸体外然后与数据采集电路相互连接，如果不采用附属机构那么此种方法只能在低速发动机上进行测量。
在运动件上测量活塞的温度是很困难的，因为传感器和导线不仅要承受惯性力，而且引至测量仪器冷端的输入导线还要跟着活塞一起运动。
在这种情况下，可以把热电偶的导线固定在弹性钢带上，然后将钢带以较大的曲率半径牢固地安装在活塞与气缸体上，尽量地增加其挠性和弯曲强度，以便能够在相当长的时间内进行测量。
比较昂贵的是采用铰链式传输系统来解决热电偶引线容易折断的问题，通常采用的铰链式传输系统有：
副连杆机构、四连杆结构。
其中副连杆机构传输系统引线式测量系统见下图1。
安装在活塞销上的副连杆和摇杆都是用4mm厚的铝型材质制成的（材料通常为AlMg5F22），此种副连杆和摇杆可以承受高达6000r/min的转速，其连接部位的摆动也比较小；引入导线可采用应力比较小的扁平导线，导线随着活塞上下作往复运动变成了摆动运动，通常在副连杆的一侧开有凹槽，这凹槽是用来埋设热电偶的导线束的，导线束沿副连杆通过销钉和摇臂支轴引出。
在实际的操作过程中，由于副连杆的摇摆惯性力，应将热电偶导线用耐温胶固定在副连杆上，使导线和连杆成为一整体。
另外，在活塞内腔空间不足的情况下，可以考虑直接从发动机的主连杆上把热电偶导线引出活塞的内腔。
在活塞内腔外部布置副连杆，此时应该注意，由于主连杆绕着活塞销作高频的摆动，很容易使热电偶导线在惯性力的作用下，受到剪切力作用，容易折断，因此热电偶的固定端应尽可能的连接在连杆的上端，以减少热电偶的摆动幅度，除了铰链机构外，还有一种旋转式传送器装置，即装在旋转轴和静止缸体间的一种持久电接触性能的集电刷，集电刷也能满足热电偶数据传输的要求。
但是由于结构上的原因在活塞温度测量时并不常用。
除了用集电刷外，相应的装置还有：
通过固定在缸体和活塞上的滑动导套和接触件使活塞在冲程中进行接触和数据传输的，但是此种装置的装配比较难。
2.6非接触式互感式测量
由于触点式的方法中触点对材料要求太过于苛刻，而且接触部位容易磨损，不利于长时间的测量，所以发展了一种无接触的互感式测量方法。
它是利用半导体和电感传导的原理，将活塞上温度的测量值传给了静止系统。
半导体热敏电阻作为温度传感器是用负温度系数的，其电阻值随着温度的增加急剧地减小，该方法最高可以测量的温度为300℃。
此种测量方法的传感器用玻璃罩封住，它的直径仅为2～3mm。
其测量装置简图如图2所示。
固定安装在活塞上的一个次级线圈和安装在曲轴箱内的初级线圈在活塞到达下止点的时侯开始相互耦合，次级线圈中将产生感应电流，信息的传输仅仅发生在线圈耦合的时间段内。
初级线圈加载交流电，次级线圈的负载是热敏电阻。
将热敏电阻测温传感器用高温密封胶固定在活塞顶面以下大概1mm处的φ3～5mm小孔内。
传感器与一个环形线圈构成互感器次级线圈的闭合回路，用固定架装配在活塞的裙部。
该闭合回路随活塞作上下往复运动，没有外接的引线。
初级电路由465KHZ信号源、取压电阻和杆形线圈构成。
当活塞运行到下止点时，初、次级线圈产生磁耦合，从而在次级回路中产生互感电动势和互感电流。
该互感电流大小受次级回路中热敏电阻阻值的影响。
当热敏电阻的阻值随活塞温度上升而急剧下降时，次级回路中的互感电流迅速的增大，从而产生较强的感应磁场反过来作用在初级回路中，使得初级回路也产生相应的互感电动势，形成较强的阻抗。
当发动机工况稳定后，温度场分布基本不变，活塞在上止点和下止点的温度值也基本一致。
利用取压电阻将初级线圈产生的互感电动势取出，再经2次测量仪表检测，就可测出随工况变化的活塞温度电压峰值信号。
初级线圈则由固定架装配在气缸套上，信号线可沿曲轴箱内壁固定线路传至发动机外侧，可同时装配8路传感器。
图3是测量电路的工作原理简图。
信号源产生465KHZ的正弦信号，当线圈没有互感时，初级回路只含有465KHZ的正弦信号；当在初级回路取压电阻R0处可得到载波调幅信号时，此载波调幅信号由465KHZ正弦信号和活塞上下往复运动的调制信号构成。
负温电阻使用一段时间后，会受到附加的持久温度的限制。
对此可以用在25℃时的冷电阻值的需用变化范围与运行时间之间的关系作为参考值。
每运行1年电阻值有0.5%-1.5%的变化，长时期的运行对测量精度影响不大。
2.7红外遥测
遥测技术是通过运动的发送器把测量的温度信号传送到发动机以外的接收机。
本文以红外遥测连动装置为例说明它的测量原理，该装置包括测量传感器（负温电阻），转换发射装置（伏频转换器、发光二极管和电池组）、接收装置（硅光二极管、比较仪和频伏转换器）。
测量原理是由传感器（负温电阻）测得温度信号经过伏频转换器转化成方波形式的电压信号，再经过多频振荡器转变成电压脉冲，用电压脉冲驱动发光二极管；在接收端的光敏晶体管接收到光信号后产生与发射端振荡器相似的脉冲电压信号经过电压比较仪传给伏频转换器，转化成与热电偶端相似的电压信号。
结构如图4所示：
转换发射装置一般装在活塞裙部内，被分为2个模块；电池组为一模块，二极管、伏频转换器和振荡器为一模块。
光电二极管装在探杆中伸到曲轴箱内二极管可被照射到的地方，另一端与数据接收装置相连接。
接收装置包括电压比较仪、频伏转换器和滤波器。
在发动机上安装输出系统，除了装在活塞上，在连杆上也能固定发送器和测量值转换器。
主要困难是给发送器提供无导线能源，这种能源供应方式可以满足发动机结构空间上的要求。
电子元件可以承受150℃的高温和200g的加速度，这一方法可以无故障地在车辆发动机中使用。
当转速达3000r/min时，使用时间可长达50h。
所使用的发送器以调频的方式工作，通过测量值转换器输给电压激励。
测量传感器可以是热电偶或是负温电阻，与其相连的是伏频转换器以及工作在高频范围内的发送器。
通过幅度峰值的抽样方法，1个发送器可以发送2独立的测点信号。
这种测量装置精度在300℃范围内为±3%；测量可用适当的电阻校正为线性；在曲轴箱内安装接收天线，各单独级和记录装置的接收部分可以布置在靠近发动机的场所，通。
过自动频率调节器跟踪发射频率的漂移。
3．各种测量方法的特点及适用情况
活塞温度的测量方法各有其特点，而且同一种方法的不同的形式也不尽相同。
硬度塞法、硬度恢复法、易熔塞法、氪化法等非电测方法测量活塞温度的代价比较小，对活塞所做的改动也不大。
这些测量方法与热电偶相法比稳定可靠，安装也很方便，而且没有导线引出问题，因而可以通过大量地布置测点来弥补测量精度低的缺点，在工程上应用方便，但是测量的温度都是稳态温度，1次只能测量1种工况下的平均活塞温度，对变工况的适应性不强。
对于硬度塞法来说，测量的关键是硬度值的测量精确度，只要选好测量温度的硬度塞材料，掌握好硬度值测量方法就可以以较高的精度测出活塞的温度，达到工程应用的标准。
但是对于易熔塞法来说易熔合金的熔点是不连续的，因此零件上钻孔的数量比较多，一般为测量点的3～4倍，对活塞的结构强度影响是比较大的，与热电偶法相比精度低些。
在测量瞬态工况时，才用热电偶法是合适的选择，因为所有形式的热电偶测量方法都有动态响应速度快，可以测量变工况下活塞的稳态温度，精度高，可多点测量等的优点；但是相对来说结构复杂，热电偶的附设结构中动静滑片的支架、副连杆或四连杆机构对活塞温度场的分布有一定的影响。
其中引线式是用来转化运动形式的，它是将活塞的往复运动变成机构的摇摆运动，机构要比触点式的复杂。
不管热电偶的引出形式怎么变化，都是为了将热电偶导线顺利引出。
引线法是保证热电偶的导线不出现疲劳折断，而触点式就是先认为导线已经折断了，在断点处做文章。
然而非接触互感式测量方法可以满足实际运转中的变换工况下的活塞温度的测量需要，并且可以输出4～8个点的温度值，最大累积误差小于6℃。
互感法与现有其他方法相比，测试过程简便，系统工作可靠性高，可大大降低测试工作量。
利用通用仪表即可构成测量系统，不必购置或设计专用电路系统即可实现测量。
红外遥测技术是靠点传送信号的，响应速度很快，可以在高达5000r/min的发动机上使用，耐高温性好，可以在150℃下稳定可靠地运行。
精度可以达到±2.5℃。
但此方法也有其局限性，结构复杂，活塞上有多少点的测量就相应需要有多少个发送和接收通道，成本相对来说比较高，不利于多点测量，电池组的寿命比较短，而且价格昂贵。
参考文献
[1]严兆大.热能与动力工程测试技术.机械工业出版社.1990
[2]周龙宝.内燃机学.机械工业出版社.2010
[3]肖永宁.内燃机热负荷和热强度.机械工业出版社.1988
[4]陆晓军.发动机活塞温度的非接触互感式测量方法.农业机械学报.1998.3
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