柴油机示功图测录与分析
柴油机示功图介绍与分析
（2）燃烧太晚 特征：ａ示功图高度下降， 降低；ｂ ：ａ示功图高度下降 ；ｂ发火 1特征：ａ示功图高度下降，pz降低；ｂ发火 点后移；ｃ ；ｃ膨胀线较高 点后移；ｃ膨胀线较高 原因：ａ喷油定时滞后；ｂ ：ａ喷油定时滞后；ｂ喷油器启阀压力 2原因：ａ喷油定时滞后；ｂ喷油器启阀压力 过高（示功图膨胀线可能锯齿形）；ｃ ）；ｃ改用 过高（示功图膨胀线可能锯齿形）；ｃ改用 劣质燃油未增大喷油定时；ｄ ；ｄ喷油器漏油 劣质燃油未增大喷油定时；ｄ喷油器漏油 膨胀线呈向上锯齿形，压缩压力正常）； （膨胀线呈向上锯齿形，压缩压力正常）； 喷油泵漏油（后燃， 但排温低） ｅ喷油泵漏油（后燃， pz低，但排温低）
2畸形示功图的特征 1）示功器传动机构不正常引起 （1）定时超前 压缩线偏低，膨胀线偏高， 压缩线偏低，膨胀线偏高，示功图变胖 （2）定时滞后 压缩线偏高，膨胀线偏低， 压缩线偏高，膨胀线偏低，示功图变瘦
注：用单缸停油测取纯压缩图可判断（主机全 用单缸停油测取纯压缩图可判断（ 速全负荷时不应测）。 ）。如纯压缩线与膨胀线 速全负荷时不应测）。如纯压缩线与膨胀线 基本重合表明传动机构与柴油机同步； 基本重合表明传动机构与柴油机同步；如膨 胀线在上，压缩线在下表明定时超前， 胀线在上，压缩线在下表明定时超前，反之 定时滞后
2）示功器故障引起 （1）示功器转筒绳索太长或太短 太长，示功图头部切去一部分， 1太长，示功图头部切去一部分，示功图变短 太短，示功图尾部切去Байду номын сангаас部分， 2太短，示功图尾部切去一部分，示功图变短
（2）示功器转筒弹簧太软、转筒的惯性作用 示功器转筒弹簧太软、 和示功器机构中间隙大 示功图太长
（3）示功器小活塞卡紧 示功图曲线波动，压缩线降低， 示功图曲线波动，压缩线降低，膨胀线升 高，最高爆发压力降低
柴油机示功图的测试
气缸压力示功图的面积代表柴油
机气缸内一个工作循环所作的指 示功，利用气缸压力示功图可研 究柴油机缸内的燃烧过程、燃烧 放热率、气体与缸壁传热过程、 进排气过程以及提取故障信息用 于诊断。
示功图也是计算柴油机指示功率、 负荷调整和分析、确定最高爆发 压力和压缩压力和计算缸内温度 等的重要依据，示功图既是柴油 机性能参数计算和放热规律分析 的依据，又是柴油机燃烧过程数 学模拟精确程度的评价标准。
〔7〕王艳武,安士杰,张波,等.消除柴油机示功图通道效应的方法研究〔J〕. 车用发动机,2003,143(1):30-32.
〔8〕周林森,韩林山,师素娟,等.柴油机燃烧放热规律数值计算方法研究〔J〕. 小型内燃机,1998,27(5):8-11.
〔9〕吴 波,刘建伟.内燃机示功图测量与分析技术的发展〔J〕.山东内燃 机,2000,63(1):8-13.
〔10〕董 刚,陈义良,李德桃.利用实测放热规律研究十六烷值改进剂对柴油 机着火特性和燃烧过程的影响〔J〕. 内燃机工程,2000,(2):60-64.
恳请老师和同学批评指正
Measuring element 40 / 400°C Diaphragm
100 / 500°C
Chemical erosion Soot
Heat flux permanent
& cyclic
Vibrations / Shock 200g (2000g)
Deformationstress +200 N/mm2 -200 N/mm2
3-2 测压通道效应的消除
测压通道的通道效应也是影响示功图测 量精度的重要因素之一。 为了避免通道效应，理论上建议将传感 器与燃烧室平齐安装，但是由于气缸盖 结构上的原因，给传感器的布置带来了 困难，热冲击对传感器的影响也相当严 重。直接暴露在高温燃气中的传感器在 内燃机每一个工作循环中，交替接触热 火焰和冷气体，引起传感器膜片产生周 期性热感应应变，同时影响传感器的使 用寿命，因此，往往通过测压通道测取 缸内压力。
示功图绘制及分析
P
载荷上。
B
示功图特点：平行四边
形会顺时针旋转一个角度
，惯性力越大，旋转角度
越大。
形成原因：
A
惯性载荷在上冲程前
半冲程增加悬点载荷，后
半冲程减小悬点载荷。
o
在下冲程前半冲程减
小悬点载荷，后半冲程增
加悬点载荷。
示功图绘制及分析
C
D S
(三)实测示功图及分析
2、气体影响示功图P
由于在下冲程末余隙内还
残存一定数量的溶解气和压
该井泵挂深度1517m，Ф44mm,冲程2.6m,冲 数 9次 /min, 动 液 面 1051m， 日 产 液 30.5t ， 含 水 71.4%，生产正常,泵阀不漏，抽油杆柱有振动影响。 对于抽油杆柱有明显振动的井，要注意避免“共振” 造成经常断脱。
示功图绘制及分析
(三)实测示功图及分析
考虑惯性载荷时，是 把惯性载荷叠加在静
Pλ
S活
B’
B
P大P'液
P小 P'杆 A
D
示功图绘制及分析
C
D’
S
（二）、理论示功图的绘制
示功图中各项的意义如上图:
四个点：
A点-----驴头下死点; B点-----固定阀打开，游动阀关闭，活塞开始上行； C点-----驴头上死点，活塞运行到最高点（上死点）； D点-----固定阀关闭，游动阀打开，活塞开始下行；
B
B’
缩气，上冲程开始后泵内压
力因气体的膨胀而不能很快
降低，加载变慢，使吸入阀
打开滞后（B'点）
残存的气量越多，泵口压
力越低，则吸入阀打开滞后
的越多，即B B'线越长。 A
11第八章 示功图测录与分析
第八章示功图测录与分析示功图是气缸内工质压力随气缸容积或曲轴转角变化的图形。
它通过专门的测量仪器——示功器进行测量。
它是研究柴油机气缸内工作过程完善程度的重要依据，也是用来计算柴油机指示功率的依据，同时还可作为柴油机动力计算和强度计算的资料。
通过示功图可研究气缸内的燃烧过程、燃烧放热规律，计算缸内温度，评估扫气过程，计算柴油机指示功率，确定柴油机最大爆发压力和压缩压力等等。
由于它能以图形显示气缸内的工作过程，而且测试仪器简单实用，因此在柴油机测试中，示功图的测取占有非常重要的地位。
通常，在船舶轮机管理中应定期测录运转柴油机的示功图，且对测取的示功图进行计算和分析。
根据其计算和分析结果，结合其它运转参数来判断柴油机的工作性能，并可对其进行适当的调整，保证柴油机在最佳状态下运转，提高其经济性、动力性和可靠性。
第一节示功图的测录测取气缸示功图的仪器统称为示功器。
根据其工作原理的不同，示功器可分为机械式示功器、气电式示功器和电子式示功器。
船上常用的是机械示功器。
随着电子技术的应用，在现代船舶上，电子式示功器的使用也不断增多。
一、机械式示功器机械式示功器是一种使用较早的示功器，目前在船用低速和部分中速柴油机上仍在使用，它是利用机械位移方法测量气缸内压力和活塞位移。
机械示功器按使用的示功弹簧形式不同，可以分为螺旋弹簧式和柱簧式两种。
两者在结构原理上相同，所不同的是前者使用螺旋形弹簧，刚度小，适合于转速为400r/min以下的柴油机使用；后者使用等强度柱形弹簧，刚度大，适合于转速在700～1000r/min的柴油机使用。
以下主要介绍螺旋弹簧式示功器。
1．结构和工作原理机械示功器的结构原理如图8-1-1所示，它由压力感受机构、转筒机构和记录机构三部分组成。
压力感受机构包括小活塞5、活塞杆4及示功弹簧1等，用来感受气缸内压力变化并以示功器小活塞位移输出；转筒机构包括绳索9和转筒8，用来反映柴油机活塞位移；记录机构包括杠杆3和画笔机构2，具有平行放大作用，画笔的自由端装有铜笔尖10。
示功图分析
3、传动机构 作用：把活塞的运动规 律按比例传给示功器 转筒机构。 两个基本要求： （1）使活塞行程的缩小 比例要与转筒的周长 相适应； （2）转筒的运动规律与 活塞的运动规律同步。 传动机构类型： （1）曲柄式 （2）凸轮式 （3）杠杆式
1）曲柄式传动机构 小曲柄连杆机构的运 动规律与柴油机活 塞运动规律同步条 件： 小曲柄半径r与连杆3 长度l之比： r/l=R/L （R－柴油机曲柄半径， L－柴油机连杆长 度）。
二、电子式示功器 组成：传感器、测量电路、记录显示装置。 工作原理：通过传感器把气缸内的气体压力、曲轴转角等 非电量按一定比例转换成相应的电量输出，经放大器等 中间环节输送到记录显示装置进行显示或打印，测取pφ示功图。 分类（按压力传感器形式） 电阻应变式、压电石英式、电容式、电感式。 曲轴转角传感器：磁电式、光电式。 1、电阻应变式示功装置 1）工作原理：利用电阻应变式压力传感器把被测压力转 换成应变片的电阻值，通过应变仪把电阻值的变化转换 并放大成所需的电压或电流信号送往显示记录装置。 电阻应变式压力传感器 应变仪 显示记录装置。
4、机械示功器的主要优缺点及 适用范围 主要优点： 结构简单，使用方便而广泛地 作为低速柴油机的随机供应 仪表，供监控柴油机使用。 主要缺点： 各感应元件均由弹簧系统组成， 必须具有一定质量（因强度 要求），而其弹簧刚度不能 大大（灵敏度要求），致使 它的自振频率较低，不适用 于高、中速机使用。 使用范围：400rpm以下低速机 （螺旋弹簧）和部分中速机 （柱形弹簧）。
弹簧比例与最高爆发压力关系（5活塞）：
M（mm/Mpa） 12 10 8 7 6 5 4 3 Pz（Mpa） 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 10 12.5 15.0 （1）弹簧比例越小，标准小活塞直径越小，最高爆发压 力越高，所用弹簧越硬； （2）测P-V示功图和爆发压力时，用1/5小活塞、硬弹簧 及低弹簧比例； （3）测弱弹簧示功图和换气压力时，用1/1小活塞、软弹 簧及高弹簧比例； （4）当弹簧不变时，将1/1标准小活塞换为1/5标准小活塞 时，意味着由测低换气压力改为测高爆发压力，弹簧比 例应小、减小为原来的1/5。
柴油机示功图测录与分析
各缸有关热力参数的不均匀度应满足如下要求:
工作参数
压缩压力pc 最高爆发压力pz 平均指示压力pi 排气温度Tr 其中
不均匀度(%) ≤±5 ≤±5 ≤±5 ≤±5(中、高速增压机为8%)
不均匀度
最大(最小)值 各缸平均值 各缸平均值
100%
2. 示功器传动机构不正常引起的畸形示功图 示功器传动机构定时不正常
4. 梳形示功图 梳形示功图可用来检查压缩终点的压力pc 和最高爆发压力pz。
5. 弱弹簧示功图 用来研究和检查换气过程
6. p-φ展开示功图
计算柴油机的指示功率 评估燃烧与扫气过程 测取缸内最高爆发压力pz和压缩压力pc 计算放热率,测定发火角
第二节、 示功图的分析和计算 一、示功图的分析 1. 正常示功图的特征
超前胖
滞后瘦
测纯压缩图判断定时
示功器转筒绳索太长或太短
Hale Waihona Puke 绳长切头绳短切尾3.气缸内工作过程不正常引起的畸形示功图
特点: (1)最高爆发压力pz 增大,高于正常值, 压力上升曲线陡削,
(2)燃烧曲线过早地 脱离压缩曲线,发火
(3)膨胀曲线降低 (排气温度下降)
特点: (1)最高爆发压力 pz明显降低,即示 功图高度下降。
hi=f/L(mm) Pi=hi/M
hi
1 10
(
y0
2
y10
y1
y2
y9 )
2、十等分法
知识回顾 Knowledge Review
祝您成功！
• 缺点 –易受外界干扰影响
• 适用于低、中、高速柴油机
三、示功图的种类和用途 1. p-V示功图
计算柴油机的功率 调整各缸负荷的均匀性 量取最高爆炸压力 判断各缸燃烧情况以及计算缸内瞬时温度等
柴油发动机结构及示功图
气温度，使空气温度超过柴油的自燃点，这时再喷入柴油、柴油喷雾和空气混合的同时自己点火燃烧。
பைடு நூலகம்
因此，柴油发动机无需点火系统。同时，柴油机的供油系统也相对简单，因此柴油发动机的可靠性要比
汽油发动机的好。由于不受爆燃的限制以及柴油自燃的需要，柴油机压缩比很高。热效率和经济性都要
柴油机的基本构成
柴油发动机的优点是扭矩大、经济性能好。柴油发动机的工作过程与汽油发动机有许多相同的地方，
每个工作循环也经历进气、压缩、做功、排气四个冲程。但由于柴油机用的燃料是柴油，它的粘度比汽
油大，不容易蒸发，而其自燃温度却比汽油低，因此，可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。
不同之处主要有，柴油发动机的气缸中的混合气是压燃的，而非点燃的。柴油发动机工作时，进入气缸
曲柄连杆机构 好于汽油机，同时在相同功率的情况下，柴油机的扭矩大，最大功率时的转速低，适合于载货汽车的使 机体 燃料供给系统 用。但柴油机由于工作压力大，要求各有关零件具有较高的结构强度和刚度，所以柴油机比较笨重，体 配气机构 积较大;柴油机的喷油泵与喷嘴制造精度要求高，所以成本较高;另外，柴油机工作粗暴，振动噪声大;柴 气缸套 冷却系统 油不易蒸发，冬季冷车时起动困难。由于上述特点，以前柴油发动机一般用于大、中型载重货车上。传
发展在很大程度上取决于相关终端产品市场情况。在农用柴油机领域，发展中国家
体 的市场增长将弥补发达国家的市场滑落，全球人口的快速增长，以及老旧设备的更
作 新换代都对农业机械有较大需求，全球农用柴油机市场将呈现高速增长。在航空发
动机领域，发动机产业是航空工业的核心细分子行业，未来发展前景非常广阔。综
如何分析示工图
如何分析示工图示功图分析是把所测取的示功图与柴油机的正常示功图进行比较，找出它们之间的差别，判断柴油机工作过程的优劣以及产生偏差的原因，以进行必要的调整，使柴油机保持在良好的技术状态下运行。
一、正常示功图的特征正常示功图是在柴油机技术状态良好时测取的，通常由柴油机说明书或试航报告提供。
正常示功图有以下特征：（1）工作工程曲线比较圆滑，曲线过渡处无锐角或突变形状。
（2）工作过程各主要特性点的数值如最高爆发压力pz，压缩压力pc等应符合说明书或试航报告的规定。
（3）工作过程曲线无异常波动现象。
（4）示功图尾部形状应符合不同的扫气形式的正常轨迹。
图10-4中绘出了二冲程柴油机正常示功图基本形状，也指出了各特性点在各种示功图上的相互关系。
图中b表示在不同负荷下示功图形状的肥瘦，因此宽度b大致反映了功率的大小。
在缺少正常示功图的情况下，可根据上述各点并参照试航报告所规定的各主要热力参数值进行比较。
若发现示功图上的某些热力参数不正常，必须查明原因，根据说明书上的要求进行调整。
在调整之后，各缸有关热力参数的不均匀度应满足如下要求：在定期测取的示功图中，除正常示功图外，还会出现一些畸形示功图。
这些畸形图可能因柴油机工作过程不正常引起的，也可能由于示功器本身或使用不当等原因引起的，所以应对畸形图进行具体分析，找出造成畸形的原因。
二、示功器传动机构不正常引起的畸形示功图示功器传动机构因安装不正确、零件磨损等原因会造成示功器转筒的运动与柴油机活塞运动不相一致，歪曲了气缸内的压力与行程的相应关系，产生畸形示功图。
1．示功器传动机构定时超前示功器传动机构定时超前是指当柴油机活塞位于上止点前的某一角度时，传动机构带动示功器转筒已到达上止点位置，因而示功器画笔把活塞在上止点的某一角度时气缸的压力画到了示功图的上止点位置。
这样就使示功图发生畸形，使压缩线较正常线偏低。
同理，在上止点后由于示功图上某点所记录的压力值是其前一曲轴转角缸内的压力值，而使膨胀线比正常线偏高，由此使示功图变胖。
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特点: -其示功图与燃烧太晚 畸形示功图相似 -膨胀曲线升高,示功图 头部的膨胀曲线出现波 动 -最高爆发压力pz降低 -但发火点基本未变
4. 机械示功器的优缺点和适用范围 •优点： –结构简单,工作可靠,使用方便 •缺点： –自振频率很低。 • 适用范围： –只适用于低速机和部分中速机 • 卷簧式：适用于400 r/min以下的柴油机 使用; • 柱簧式：适用于700~1000r/min的柴油机 使用
二、 电子示功器 • 组成： –传感器、测量电路和记录显示装置三部分。 • 基本原理： –通过各种形式(如电阻应变式、压电式、电 容和电感式)的传感器测量缸内压力; –通过光电或磁电变换测量曲轴转角 –输出电量经放大器等中间环节输送到记录显 示装置进行观察或打印。
电子示功装置的优缺点及适用范围 • 优点： –固有频率高,即具有良好的高频特性,频率特性宽 –测量误差小(小于1%) –灵敏度高,线性好 –利于实现远距离监测、数字显示及自动控制 • 缺点 –易受外界干扰影响 • 适用于低、中、高速柴油机
三、示功图的种类和用途 1. p-V示功图 计算柴油机的功率 调整各缸负荷的均匀性 量取最高爆炸压力 判断各缸燃烧情况以及计算缸内瞬时温度等
第二节、 示功图的分析和计算 一、示功图的分析 1. 正常示功图的特征
各缸有关热力参数的不均匀度应满足如下要求: 工作参数 压缩压力pc 最高爆发压力pz 平均指示压力pi 排气温度Tr 其中 不均匀度(%) ≤±5 ≤±5 ≤±5 ≤±5(中、高速增压机为8%)
最 (最 )值−各 平 值 大 小 缸 均 不 匀 = 均 度 ×100% 各 平 值 缸 均
2. p-V转角示功图 用来分析燃烧过程的进行情况 不能作为计算功率的依据。
3. 手拉展开示功图 可配合p-V示功图研究燃烧过程。
4. 梳形示功图 梳形示功图可用来检查压缩终点的压力pc 和最高爆发压力pz。
5. 弱弹簧示功图 用来研究和检查换气过程
6. p-φ展开示功图 计算柴油机的指示功率 评估燃烧与扫气过程 测取缸内最高爆发压力pz和压缩压力pc 计算放热率,测定发火角
2. 示功器传动机构不正常引起的畸形示功图 示功器传动机构定时不正常
超前胖
滞后瘦
测纯压缩图判断定时
示功器转筒绳索太长或太短 绳长切头 绳短切尾
3.气缸内工作过程不正常引起的畸形示功图 特点: (1)最高爆发压力pz 增大,高于正常值, 压力上升曲线陡削, 示功图头部尖瘦 (2)燃烧曲线过早地 脱离压缩曲线,发火 点提前 (3)膨胀曲线降低 (排气温度下降)
二、示功图的计算
1、面积仪法 hi=f/L(mm) Pi=hi/M 2、十等分法
1 y0 + y10 hi = ( + y1 + y2 +⋅⋅⋅ + y9 ) 10 2
弹簧比例(mm/MPa） 12 气缸爆压（ 气缸爆压（MPa） ） 4.0
10 5.0
8 6.0
7 7.0
6 8.0
5 10.0
4 12.5
3 15.0
3. 机械示功器的传动机构 •基本要求: 柴油机活塞行程缩小后的长度应与转筒的周长 相适应, 且略小于转筒周长; 转筒的转动必须严格地与柴油机活塞的运动相 对应, 以便正确反映柴油机活塞运动规律。 • 示功器传动机构的类型 (1)曲柄式传动机构 (2)凸轮式传动机构 (3)杠杆式传动机构
柴油机示功图测录与分析
第一节 示功图的测录 一、机械式示功器 1. 结构和工作原理 压力感受机构 转筒机构 记录机构
2. 机械示功器小活塞和弹簧的选择 • 小活塞的类型 –1/1(标准活塞) –1/2(其面积为1/1活塞的1/2) –1/5(其面积为1/1活塞的1/5) 在测p-V示功图时均采用1/5小活塞, 当测取弱弹簧示功图时则采用1/1小活塞。 •弹簧比例的选择（mm/MPa） 压力变化1MPa时，弹簧变形量（mm） 根据小活塞和爆压选择