專利名稱：基于光纖探針的發(fā)動機(jī)缸蓋參數(shù)測量儀器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明具體公開了一種基于光纖探針的發(fā)動機(jī)缸蓋參數(shù)測量儀器及方法。
背景技術(shù)：
發(fā)動機(jī)氣缸蓋作為發(fā)動機(jī)的重要部件之一，其強(qiáng)度和可靠性為發(fā)動機(jī)強(qiáng)度和可靠性問題的重要部分。氣缸蓋主要由氣缸蓋體、進(jìn)氣道、排氣道，油嘴、搖臂機(jī)構(gòu)等幾部分組成，被壓在氣缸套上的凸緣平面上，通過螺栓與缸體緊密連接，主要作用是密封氣缸，并與活塞頂及氣缸內(nèi)壁共同組成發(fā)動機(jī)的燃燒空間。發(fā)動機(jī)缸蓋長期在高溫下工作將會導(dǎo)致缸蓋材料強(qiáng)度的降低，而材料強(qiáng)度的降低又意味著缸蓋長期工作會出現(xiàn)永久變形。此外，由 于缸蓋火力里面直接與高溫燃?xì)饨佑|，其水套壁面與冷卻液接觸，這引起缸蓋整體溫度分布的不均勻，導(dǎo)致了缸蓋變形的不均勻，在缸蓋內(nèi)部將產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，缸蓋在此熱應(yīng)力的反復(fù)作用下容易形成熱疲勞裂紋，嚴(yán)重時造成發(fā)動機(jī)缸蓋的工作失效。由此可見，缸蓋底板的工作溫度及其分布狀況是衡量缸蓋火力面裂損的主要因素，是衡量缸蓋能否保持正常可靠工作的ー個重要參數(shù)，也是缸蓋熱負(fù)荷大小的重要標(biāo)志。因此，對缸蓋冷卻水腔以及火力面等關(guān)鍵處的溫度場進(jìn)行研究，通過實(shí)測的溫度場來評價其工作的可靠性是十分有效和必要的。目前的研究中，傳感器采用的多是熱電偶。較早的是1981年重慶重型汽車研究所的羅新民、喬惠英利用多點(diǎn)和移動式熱電偶測量缸蓋溫度的分布，測量對象是12V150Z型柴油機(jī)的第一輪和第三輪兩種氣缸蓋，熱電偶使用直徑為I毫米的鎳鉻ー銬銅0 )套管熱電偶。1986年武漢水運(yùn)工程學(xué)院的蔡軍、陸瑞松、秦毅研究柴油機(jī)過渡エ況下氣缸蓋非穩(wěn)定熱負(fù)荷的測試技術(shù)。用高溫電阻應(yīng)變片和露頭型愷裝熱電偶測取該機(jī)氣缸蓋的溫度歷程，并在材料應(yīng)カ發(fā)生最大變化的區(qū)域中測取最危險點(diǎn)上的應(yīng)變曲線。1997年天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所朱維真、李志宏等采用熱電偶作為缸蓋溫度傳感器，制做了發(fā)動機(jī)缸蓋溫度監(jiān)測儀。2001年洛陽工學(xué)院汽車工程系的姬芬竹、杜發(fā)榮、司東宏也是在在汽缸蓋上共布置熱電偶，測試及分析了過渡エ況下汽車發(fā)動機(jī)汽缸蓋溫度。汽缸蓋底面熱電偶選用TCS-K型鎳鉻-鎳硅(NiCr-NiSi)雙線型結(jié)構(gòu)的薄膜熱電偶，汽缸蓋外表面選用普通套管鎧裝熱電偶。2009年江蘇大學(xué)能源與動カエ程學(xué)院潘劍鋒、趙金剛、李德桃等以直噴式6缸柴油機(jī)為研究対象，采用ー種具有銀焊接點(diǎn)的熱電偶，將其直接安裝在被測零件表面上，進(jìn)行了多缸柴油機(jī)氣缸蓋溫度場的試驗研究。2011年南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院的卞利云以汽油機(jī)為研究對象，設(shè)計和制作了一種基于CAN總線和J型熱電偶的缸蓋溫度數(shù)字測試裝置，用于水冷發(fā)動機(jī)的汽缸蓋溫度測定。以單片機(jī)為核心，采用J型熱電偶，并輔以溫度信號放大電路AD594等來實(shí)現(xiàn)對缸蓋表層溫度的測量。山東大學(xué)丁大偉對226B發(fā)動機(jī)缸蓋進(jìn)行了試驗研究，在缸蓋火力面以及冷卻水腔壁面布置了測點(diǎn)，分別采用硬度塞法和熱電偶法對額定エ況下火力面17測點(diǎn)以及多エ況下冷卻水腔10個測點(diǎn)的溫度進(jìn)行了測量，并對數(shù)值計算結(jié)果和試驗結(jié)果進(jìn)行了對比。中北大學(xué)張瑜、裴東興、祖靜以某柴油機(jī)氣缸蓋和氣缸套溫度場分布規(guī)律為研究對象，采用k型鎳鉻-鎳硅熱電偶，進(jìn)行了存儲式測試。從國外發(fā)表的文獻(xiàn)來看，也尚無使用光纖光柵傳感器測量發(fā)動機(jī)缸蓋溫度的研究。1977年日本田中茂男利用應(yīng)變片和熱電偶分別測定汽缸蓋熱應(yīng)カ和溫度。日本Yasuhiro Nozue等在1986年又利用箔式熱電偶和高溫應(yīng)變儀進(jìn)行了類似的實(shí)驗并分析了汽缸上的熱應(yīng)力。1991年美國的H. Zhao,N. Collings,T. Ma研制了一個通過紅外線發(fā)射監(jiān)視和記錄內(nèi)燃機(jī)缸蓋表面溫度的熱成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個紅外掃描儀、圖像處理設(shè)備和安裝在活塞內(nèi)的紅外線發(fā)射窗ロ。2009年美國威斯康星大學(xué)的Dennis M. Ward利用嵌入活塞表面的光纖光柵溫度傳感器對發(fā)動機(jī)活塞溫度進(jìn)行了研究，介紹了傳感器的安裝及測試中可能出現(xiàn)的問題。 之前的各項研究，不論方法如何，均是采用的熱電偶作為傳感器測量缸蓋溫度場。而熱電偶作為傳感器檢測溫度，速度慢，測量誤差大，安裝調(diào)試復(fù)雜，且不便于遠(yuǎn)距離傳輸。在專利(CN 200920095635. 9)中，公開了ー種發(fā)動機(jī)氣缸磨損不解體檢測儀，該測量儀主要由光電測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)和主機(jī)組成，光電測量系統(tǒng)包括光能發(fā)射模塊、光纖傳輸模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊；數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)包括模擬信號調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換及運(yùn)算處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊；光能發(fā)射模塊與光纖傳輸模塊連接，光纖傳輸模塊又與光電轉(zhuǎn)換模塊、模擬信號調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換及運(yùn)算處理模塊及數(shù)據(jù)顯示模塊依次連接。本專利的測量原理是采用光強(qiáng)反射式能量法測距原理，該專利設(shè)計了ー個位置傳感器，該專利需要在機(jī)器停止運(yùn)行后將發(fā)動機(jī)單獨(dú)拆下來，專門通過不小于6_火花塞安裝孔或噴油器安裝孔進(jìn)入氣缸內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種基于光纖探針的發(fā)動機(jī)缸蓋參數(shù)測量裝置及方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案基于光纖探針的發(fā)動機(jī)缸蓋參數(shù)測量儀器，在所述缸蓋的火力面上設(shè)有U型槽，在所述的缸蓋側(cè)面鉆有若干孔，所述的孔包括兩種，一種從缸蓋側(cè)面延伸至距冷卻水腔壁面；一種從缸蓋側(cè)面延伸至水腔壁面和火力面之間的鑄鐵部分；在所述的U型槽、孔內(nèi)和冷卻水腔壁面鋪設(shè)有光纖光柵傳感器，光纖光柵傳感器的輸出端連接光纖光柵解調(diào)儀。所述的光纖光柵傳感器封裝在毛細(xì)金屬管內(nèi)。所述的光纖光柵傳感器包括兩種ー種是在每條光纖只布置單個光柵，每個測點(diǎn)使用一條光纖，另ー種是使用在一根光纖上分布多個光柵。所述的從缸蓋側(cè)面延伸至距冷卻水腔壁面孔的直徑為12mm至18mm ;所述的從缸蓋側(cè)面延伸至水腔壁面和火力面之間的鑄鐵部分孔的直徑為2_以下?；诠饫w探針的發(fā)動機(jī)缸蓋參數(shù)測量方法，包括如下步驟步驟I在發(fā)動機(jī)缸蓋上設(shè)置U型槽和若干孔；步驟2將光纖光柵傳感器進(jìn)行封裝；步驟3將封裝好的光纖光柵傳感器鋪設(shè)在步驟I中的U型槽和若干孔內(nèi)。
步驟3所述鋪設(shè)包括在U型槽內(nèi)的鋪設(shè)、孔內(nèi)的鋪設(shè)和冷卻水腔壁面的鋪設(shè)。所述的在U型槽內(nèi)的鋪設(shè)步驟如下(I)對U型槽進(jìn)行表面處理先清除銹斑和氧化物，然后用丙酮和酒精清除油污、油脂；(2)開始鋪設(shè)，首先利用一根裝著黏結(jié)劑的針管沿U型槽擠出一串直徑為4_6mm的黏結(jié)劑珠，然后使黏結(jié)劑珠沿U型槽平滑連接以產(chǎn)生l-2mm厚的粘貼線，隨后把光纖光柵傳感器放入黏結(jié)劑中，確使其位于U型槽之內(nèi)；(3)密封在缸蓋和缸體的密封處添加黏結(jié)劑，使黏結(jié)劑高于火力面平面，然后將高出的黏結(jié)劑打磨到與火力面齊平，最后缸蓋與缸體合體時在火力面一周涂上密封劑密封。在孔內(nèi)的的鋪設(shè)步驟將封裝好的的光纖光柵傳感器放入孔內(nèi)，用黏結(jié)劑封裝。在冷卻水腔壁面的鋪設(shè)步驟將封裝好的光纖光柵傳感器通過缸蓋側(cè)面的孔放入冷卻水腔，沿水腔壁面鋪設(shè)，用黏結(jié)劑固定。在上述中所指的火力面是指缸蓋安裝在缸體的上面，從上部密封氣缸并構(gòu)成燃燒室?；鹆γ婕锤咨w下側(cè)的面，與燃燒室中的燃?xì)庵苯咏佑|。所述的冷卻水腔壁面缸蓋內(nèi)部分布有冷卻水腔，利用循環(huán)水來冷卻燃燒室等高溫部分，水腔周圍即冷卻水腔壁面。普通光柵也可以在高溫環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對溫度的測量，但考慮到測量精度，可以在光纖光柵外鍍層耐高溫金屬實(shí)現(xiàn)精確測量。本發(fā)明的有益效果是提供ー套既可測試缸蓋溫度，又可測試應(yīng)變、壓カ的裝置，本設(shè)計利用光纖光柵傳感器，該傳感器與熱電偶相比有顯著優(yōu)點(diǎn)，它結(jié)構(gòu)微小、徑細(xì)，適合微小狹窄空間測量，可長期應(yīng)用于高溫、高濕及存在化學(xué)侵蝕等的惡劣環(huán)境，現(xiàn)場無需供電，不受電磁干擾及核輻射的影響，易于組網(wǎng)和遠(yuǎn)距離傳輸，安裝方便和成本相對低廉。這些特點(diǎn)使他們成為理想的為缸蓋溫度測量的測量工具。


圖I光纖光柵在U型槽安裝方式；圖2光纖光柵封裝示意圖；圖3.火力面多光纖安裝示意圖；圖4，火力面單光纖安裝示意圖；圖5，缸蓋內(nèi)部測試示意圖；圖6，缸蓋火力面溫度場示意圖；圖中，1.傳感器,2.毛細(xì)金屬管,3. U型槽,4缸蓋,5.光纖,6.光柵,7.火力面，8.第一組光纖光柵，9.第二組光纖光柵，10.孔，11、12、13、14、21、22、23、24均表不測試點(diǎn)。
具體實(shí)施例如圖1-5所示，為了全面了解發(fā)動機(jī)缸蓋溫度場,需要對火力面溫度、冷卻面溫度和缸體溫度分別進(jìn)行測試。故需要將光纖光柵傳感器分別安裝到缸蓋火力面，冷卻面和缸體內(nèi)部。傳感器I測試火力面的溫度
傳感器I在安裝時既可以每條光纖5只布置單個光柵6，每個測點(diǎn)使用一條光纖1，也可以使用在一根光纖5上分布多個光柵6的準(zhǔn)分布式測量，為了測量4的火里面的溫度，首先在火力面刻U型槽3，在U型槽3內(nèi)布置8個(或多個)測量點(diǎn)11、12、13、14、21、22、23、24，放置兩組光纖，分別是第一組光纖8和第二組光纖9。實(shí)施例I首先對U型槽3進(jìn)行表面處理。對U型槽3應(yīng)清除銹斑和氧化物等，然后用丙酮和酒精清除油污、油脂和其他污染物；然后開始敷設(shè)，首先利用一根裝著黏結(jié)劑的針管沿U型槽3擠出ー串直徑為4-6mm的黏結(jié)劑珠，然后使黏結(jié)劑珠沿U型槽3平滑連接以產(chǎn)生約Imm厚的粘貼線，隨后把光纖光柵放入黏結(jié)劑中，確信其位于U型槽3之內(nèi)。并使得涂覆段和封裝段粘貼于薄片。以第一組光纖為例，放置時先放置12、13、14測點(diǎn)的光纖，然后放置 測點(diǎn)11的光纖。在測點(diǎn)11處，將測點(diǎn)11光纖的金屬管壓置在12、13、14光纖的上面。此外，考慮到光纖本身直徑很小，可以僅在放置金屬管的測點(diǎn)處和密封處刻制U型槽，其他地方的光纖可直接粘貼，エ藝簡單方便，不影響測量。實(shí)施例2在一根光纖5上刻制8個光柵6，分別對應(yīng)8個測量點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測量。如圖4所示。密封密封性對氣缸的正常工作至關(guān)重要，故必須對氣缸與缸蓋結(jié)合處密封進(jìn)行密封。在密封處應(yīng)多加黏結(jié)劑，使黏結(jié)劑高于火力面平面。然后將高出的黏結(jié)劑打磨到與火力面齊平。最后與氣缸缸體合體時在火力面一周涂上密封劑進(jìn)行密封。在缸蓋4側(cè)面鉆孔10，將封裝好的傳感器I直接沿缸蓋4側(cè)壁鋪設(shè)，并用高溫密封劑涂覆和固化試驗中用堵住缸蓋4，ー側(cè)的鉆孔10進(jìn)行密封。傳感器缸蓋體安裝在距火力面77mm處的側(cè)面鉆直徑Imm的圓孔，將毛細(xì)金屬管2封裝的傳感器I放入圓孔，用高溫密封劑進(jìn)行封裝。上面所述的黏結(jié)劑為快速環(huán)氧膠粘劑，型號JH99 ;所述的高溫密封劑世林膠業(yè)所產(chǎn)液態(tài)密封墊，型號SL5051。缸蓋熱應(yīng)カ場分析由圖6中可以看出，火力面由于受到高溫燃燒的混合氣的加熱，溫度較高，其中鼻梁區(qū)兩側(cè)最高，其值可接近300°C。分布的兩個測點(diǎn)溫度分別為300°C和296°C，這兩個測點(diǎn)位于氣門之間的鼻梁區(qū)，熱流量大，散熱相對其他位置較難，因此溫度相對較高；同吋，由于排氣溫度遠(yuǎn)高于進(jìn)氣溫度，使得排氣管側(cè)測點(diǎn)溫度普遍高于進(jìn)氣管側(cè)測點(diǎn)溫度。通過本設(shè)計獲得準(zhǔn)確的發(fā)動機(jī)缸蓋溫度場分布，為發(fā)動機(jī)缸蓋熱應(yīng)カ場的研究提供參考。利用獲得的溫度數(shù)值，通過一定的計算可以得到缸蓋熱應(yīng)カ的分布，從而評價發(fā)動機(jī)缸蓋工作的可靠性。
權(quán)利要求
1.基于光纖探針的發(fā)動機(jī)缸蓋參數(shù)測量儀器，其特征在于在所述的缸蓋的火力面上設(shè)有U型槽，在所述的缸蓋側(cè)面鉆有若干孔，所述的孔包括兩種，一種從缸蓋側(cè)面延伸至距冷卻水腔壁面，另ー種從缸蓋側(cè)面延伸至水腔壁面和火力面之間的鑄鐵部分；在所述的U型槽、孔內(nèi)和冷卻水腔壁面鋪設(shè)有光纖光柵傳感器，光纖光柵傳感器的輸出端連接光纖光柵解調(diào)儀。
2.如權(quán)利要求I所述基于光纖探針的發(fā)動機(jī)缸蓋參數(shù)測量儀器，其特征在于所述的光纖光柵傳感器封裝在毛細(xì)金屬管內(nèi)。
3.如權(quán)利要求I所述基于光纖探針的發(fā)動機(jī)缸蓋參數(shù)測量儀器，其特征在于所述的光纖光柵傳感器包括兩種ー種是在每條光纖只布置單個光柵，每個測點(diǎn)使用一條光纖，另ー種是使用在一根光纖上分布多個光柵。
4.如權(quán)利要求I所述基于光纖探針的發(fā)動機(jī)缸蓋參數(shù)測量儀器，其特征在于所述的 從缸蓋側(cè)面延伸至距冷卻水腔壁面的孔直徑為12mm至18mm。
5.如權(quán)利要求I所述基于光纖探針的發(fā)動機(jī)缸蓋參數(shù)測量儀器，其特征在于所述的從缸蓋側(cè)面延伸至水腔壁面和火力面之間的鑄鐵部分的孔直徑為2_以下。
6.如權(quán)利要求I所述的基于光纖探針的發(fā)動機(jī)缸蓋參數(shù)測量儀器的測量方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟I在發(fā)動機(jī)缸蓋上設(shè)置U型槽和若干孔； 步驟2將光纖光柵傳感器進(jìn)行封裝； 步驟3將封裝好的光纖光柵傳感器鋪設(shè)在步驟I中的U型槽、若干孔內(nèi)和冷卻水腔壁面。
7.如權(quán)利要求6所述基于光纖探針的發(fā)動機(jī)缸蓋參數(shù)測量方法，其特征在于步驟3所述鋪設(shè)包括在U型槽內(nèi)的鋪設(shè)、孔內(nèi)的鋪設(shè)和冷卻水腔壁面的鋪設(shè)。
8.如權(quán)利要求7所述基于光纖探針的發(fā)動機(jī)缸蓋參數(shù)測量方法，其特征在于所述的在U型槽內(nèi)的鋪設(shè)步驟如下 (1)對U型槽進(jìn)行表面處理先清除銹斑和氧化物，然后用丙酮和酒精清除油污、油脂； (2)開始鋪設(shè)，首先利用一根裝著黏結(jié)劑的針管沿U型槽擠出一串直徑為4-6_的黏結(jié)劑珠，然后使黏結(jié)劑珠沿U型槽平滑連接以產(chǎn)生l-2mm厚的粘貼線，隨后把光纖光柵傳感器放入黏結(jié)劑中，確使其位于U型槽之內(nèi)； (3)密封在缸蓋和缸體的密封處添加黏結(jié)劑，使黏結(jié)劑高于火力面平面，然后將高出的黏結(jié)劑打磨到與火力面齊平，最后缸蓋與缸體合體時在火力面一周涂上高溫密封劑密封。
9.如權(quán)利要求7所述基于光纖探針的發(fā)動機(jī)缸蓋參數(shù)測量方法，其特征在于在孔內(nèi)的的鋪設(shè)步驟將封裝好的的光纖光柵傳感器放入孔內(nèi)，用黏結(jié)劑封裝。
10.如權(quán)利要求7所述基于光纖探針的發(fā)動機(jī)缸蓋參數(shù)測量方法，其特征在于在冷卻水腔壁面的鋪設(shè)步驟將封裝好的光纖光柵傳感器通過缸蓋側(cè)面的孔放入冷卻水腔，沿水腔壁面鋪設(shè)，用黏結(jié)劑固定。
全文摘要
本發(fā)明具體公開了基于光纖探針的發(fā)動機(jī)缸蓋參數(shù)測量儀器及方法，在所述的缸蓋的火力面上設(shè)有U型槽，在所述的缸蓋側(cè)面鉆有若干孔，所述的孔包括兩種，一種從缸蓋側(cè)面延伸至距冷卻水腔壁面，另一種從缸蓋側(cè)面延伸至水腔壁面和火力面之間的鑄鐵部分；在所述的U型槽、孔內(nèi)和冷卻水腔壁面鋪設(shè)有光纖光柵傳感器，光纖光柵傳感器的輸出端連接光纖光柵解調(diào)儀。本發(fā)明的有益效果是提供一套既可測試缸蓋溫度，又可測試應(yīng)變、壓力的裝置。
文檔編號G01K11/32GK102853938SQ201210347940
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者蔣奇, 李國祥, 胡玉平, 樊曉軍, 劉守洪 申請人:山東大學(xué)