基于光纤探针的发动机缸盖参数测量仪器及方法

摘要

本发明具体公开了基于光纤探针的发动机缸盖参数测量仪器及方法，在所述的缸盖的火力面上设有U型槽，在所述的缸盖侧面钻有若干孔，所述的孔包括两种，一种从缸盖侧面延伸至距冷却水腔壁面，另一种从缸盖侧面延伸至水腔壁面和火力面之间的铸铁部分；在所述的U型槽、孔内和冷却水腔壁面铺设有光纤光栅传感器，光纤光栅传感器的输出端连接光纤光栅解调仪。本发明的有益效果是：提供一套既可测试缸盖温度，又可测试应变、压力的装置。

权利要求

1.基于光纤探针的发动机缸盖参数测量方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤1在发动机缸盖的火力面上设有U型槽，在缸盖侧面钻有若干孔，所述的孔包括两种，一种从缸盖侧面延伸至冷却水腔壁面，另一种从缸盖侧面延伸至冷却水腔壁面和火力面之间的铸铁部分；

步骤2将光纤光栅传感器进行封装；

步骤3将封装好的光纤光栅传感器铺设在步骤1中的U型槽、若干孔内和冷却水腔壁面。

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于：步骤3所述铺设包括在U型槽内的铺设、孔内的铺设和冷却水腔壁面的铺设。

3.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于：所述的在U型槽内的铺设步骤如下： （1）对U型槽进行表面处理：先清除锈斑和氧化物，然后用丙酮和酒精清除油污、油脂；

（2）开始铺设，首先利用一根装着黏结剂的针管沿U型槽挤出一串直径为4-6mm的黏结剂珠，然后使黏结剂珠沿U型槽平滑连接以产生1-2mm厚的粘贴线，随后把光纤光栅传感器放入黏结剂中，确使其位于U型槽之内；

（3）密封：在缸盖和缸体的密封处添加黏结剂，使黏结剂高于火力面平面，然后将高出的黏结剂打磨到与火力面齐平，最后缸盖与缸体合体时在火力面一周涂上高温密封剂密封。

4.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于：在孔内的铺设步骤：将封装好的光纤光栅传感器放入孔内，用黏结剂封装。

5.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于：在冷却水腔壁面的铺设步骤：将封装好的光纤光栅传感器通过缸盖侧面的孔放入冷却水腔，沿冷却水腔壁面铺设，用黏结剂固定。

6.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述的光纤光栅传感器封装在毛细金属管内。

7.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述的光纤光栅传感器包括两种：一种是在每条光纤只布置单个光栅，每个测点使用一条光纤，另一种是使用在一根光纤上分布多个光栅。

8.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述的从缸盖侧面延伸至冷却水腔壁面的孔直径为12mm至18mm。

9.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述的从缸盖侧面延伸至冷却水腔壁面和火力面之间的铸铁部分的孔直径为2mm以下。

说明书

基于光纤探针的发动机缸盖参数测量仪器及方法

技术领域

[0001] 本发明具体公开了一种基于光纤探针的发动机缸盖参数测量仪器及方法。

背景技术

[0002] 发动机气缸盖作为发动机的重要部件之一，其强度和可靠性为发动机强度和可靠性问题的重要部分。气缸盖主要由气缸盖体、进气道、排气道，油嘴、摇臂机构等几部分组成，被压在气缸套上的凸缘平面上，通过螺栓与缸体紧密连接，主要作用是密封气缸，并与活塞顶及气缸内壁共同组成发动机的燃烧空间。发动机缸盖长期在高温下工作将会导致缸盖材料强度的降低,而材料强度的降低又意味着缸盖长期工作会出现永久变形。此外,由于缸盖火力里面直接与高温燃气接触,其水套壁面与冷却液接触,这引起缸盖整体温度分布的不均匀,导致了缸盖变形的不均匀,在缸盖内部将产生很大的热应力，缸盖在此热应力的反复作用下容易形成热疲劳裂纹,严重时造成发动机缸盖的工作失效。由此可见,缸盖底板的工作温度及其分布状况是衡量缸盖火力面裂损的主要因素,是衡量缸盖能否保持正常可靠工作的一个重要参数,也是缸盖热负荷大小的重要标志。因此，对缸盖冷却水腔以及火力面等关键处的温度场进行研究，通过实测的温度场来评价其工作的可靠性是十分有效和必要的。

[0003] 目前的研究中，传感器采用的多是热电偶。较早的是1981年重庆重型汽车研究所的罗新民、乔惠英利用多点和移动式热电偶测量缸盖温度的分布，测量对象是12V150Z型柴油机的第一轮和第三轮两种气缸盖，热电偶使用直径为1毫米的镍铬—铐铜(XK)套管热电偶。

[0004] 1986年武汉水运工程学院的蔡军、陆瑞松、秦毅研究柴油机过渡工况下气缸盖非稳定热负荷的测试技术。用高温电阻应变片和露头型恺装热电偶测取该机气缸盖的温度历程,并在材料应力发生最大变化的区域中测取最危险点上的应变曲线。

[0005] 1997年天津大学内燃机研究所朱维真、李志宏等采用热电偶作为缸盖温度传感器,制做了发动机缸盖温度监测仪。

[0006] 2001年洛阳工学院汽车工程系的姬芬竹、杜发荣、司东宏也是在在汽缸盖上共布置热电偶,测试及分析了过渡工况下汽车发动机汽缸盖温度。汽缸盖底面热电偶选用TCS-K型镍铬-镍硅(NiCr-NiSi)双线型结构的薄膜热电偶,汽缸盖外表面选用普通套管铠装热电偶。2009年江苏大学能源与动力工程学院潘剑锋、赵金刚、李德桃等以直喷式6缸柴油机为研究对象,采用一种具有银焊接点的热电偶,将其直接安装在被测零件表面上,进行了多缸柴油机气缸盖温度场的试验研究。

[0007] 2011年南京航空航天大学金城学院的卞利云以汽油机为研究对象，设计和制作了一种基于CAN总线和J型热电偶的缸盖温度数字测试装置，用于水冷发动机的汽缸盖温度测定。以单片机为核心，采用J型热电偶，并辅以温度信号放大电路AD594等来实现对缸盖表层温度的测量。山东大学丁大伟对226B发动机缸盖进行了试验研究，在缸盖火力面以及冷却水腔壁面布置了测点，分别采用硬度塞法和热电偶法对额定工况下火力面17测点以及多工况下冷却水腔lO个测点的温度进行了测量，并对数值计算结果和试验结果进行了对比。中北大学张瑜、裴东兴、祖静以某柴油机气缸盖和气缸套温度场分布规律为研究对象，采用k型镍铬-镍硅热电偶，进行了存储式测试。

[0008] 从国外发表的文献来看，也尚无使用光纤光栅传感器测量发动机缸盖温度的研究。1977年日本田中茂男利用应变片和热电偶分别测定汽缸盖热应力和温度。日本Yasuhiro Nozue等在1986年又利用箔式热电偶和高温应变仪进行了类似的实验并分析了汽缸上的热应力。1991年美国的H.Zhao、N.Collings、T.Ma研制了一个通过红外线发射监视和记录内燃机缸盖表面温度的热成像系统。该系统包括一个红外扫描仪、图像处理设备和安装在活塞内的红外线发射窗口。2009年美国威斯康星大学的Dennis M.Ward利用嵌入活塞表面的光纤光栅温度传感器对发动机活塞温度进行了研究，介绍了传感器的安装及测试中可能出现的问题。

[0009] 之前的各项研究，不论方法如何，均是采用的热电偶作为传感器测量缸盖温度场。而热电偶作为传感器检测温度，速度慢，测量误差大，安装调试复杂，且不便于远距离传输。

[0010] 在专利（CN200920095635.9）中，公开了一种发动机气缸磨损不解体检测仪，该测量仪主要由光电测量系统和数据处理及显示系统和主机组成，光电测量系统包括光能发射模块、光纤传输模块、光电转换模块；数据处理及显示系统包括模拟信号调理模块、模数转换及运算处理模块、数据显示模块；光能发射模块与光纤传输模块连接，光纤传输模块又与光电转换模块、模拟信号调理模块、模数转换及运算处理模块及数据显示模块依次连接。本专利的测量原理是采用光强反射式能量法测距原理，该专利设计了一个位置传感器，该专利需要在机器停止运行后将发动机单独拆下来，专门通过不小于6mm火花塞安装孔或喷油器安装孔进入气缸内。

发明内容

[0011] 为解决现有技术存在的缺点，本发明提供了一种基于光纤探针的发动机缸盖参数测量装置及方法。

[0012] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

[0013] 基于光纤探针的发动机缸盖参数测量仪器，在所述缸盖的火力面上设有U型槽，在所述的缸盖侧面钻有若干孔，所述的孔包括两种，一种从缸盖侧面延伸至冷却水腔壁面；一种从缸盖侧面延伸至冷却水腔壁面和火力面之间的铸铁部分；在所述的U型槽、孔内和冷却水腔壁面铺设有光纤光栅传感器，光纤光栅传感器的输出端连接光纤光栅解调仪。

[0014] 所述的光纤光栅传感器封装在毛细金属管内。

[0015] 所述的光纤光栅传感器包括两种：一种是在每条光纤只布置单个光栅，每个测点使用一条光纤，另一种是使用在一根光纤上分布多个光栅。

[0016] 所述的从缸盖侧面延伸至冷却水腔壁面孔的直径为12mm至18mm；所述的从缸盖侧面延伸至水腔壁面和火力面之间的铸铁部分孔的直径为2mm以下。

[0017] 基于光纤探针的发动机缸盖参数测量方法，包括如下步骤：

[0018] 步骤1在发动机缸盖上设置U型槽和若干孔；

[0019] 步骤2将光纤光栅传感器进行封装；

[0020] 步骤3将封装好的光纤光栅传感器铺设在步骤1中的U型槽和若干孔内。

[0021] 步骤3所述铺设包括在U型槽内的铺设、孔内的铺设和冷却水腔壁面的铺设。

[0022] 所述的在U型槽内的铺设步骤如下：

[0023] （1）对U型槽进行表面处理：先清除锈斑和氧化物，然后用丙酮和酒精清除油污、油脂；

[0024] （2）开始铺设，首先利用一根装着黏结剂的针管沿U型槽挤出一串直径为4-6mm的黏结剂珠，然后使黏结剂珠沿U型槽平滑连接以产生1-2mm厚的粘贴线，随后把光纤光栅传感器放入黏结剂中，确使其位于U型槽之内；

[0025] （3）密封：在缸盖和缸体的密封处添加黏结剂，使黏结剂高于火力面平面，然后将高出的黏结剂打磨到与火力面齐平，最后缸盖与缸体合体时在火力面一周涂上密封剂密封。

[0026] 在孔内的铺设步骤：将封装好的光纤光栅传感器放入孔内，用黏结剂封装。

[0027] 在冷却水腔壁面的铺设步骤：将封装好的光纤光栅传感器通过缸盖侧面的孔放入冷却水腔，沿水腔壁面铺设，用黏结剂固定。

[0028] 在上述中所指的火力面是指缸盖安装在缸体的上面，从上部密封气缸并构成燃烧室。火力面即缸盖下侧的面，与燃烧室中的燃气直接接触。所述的冷却水腔壁面：缸盖内部分布有冷却水腔，利用循环水来冷却燃烧室等高温部分，水腔周围即冷却水腔壁面。

[0029] 普通光栅也可以在高温环境中实现对温度的测量，但考虑到测量精度，可以在光纤光栅外镀层耐高温金属实现精确测量。

[0030] 本发明的有益效果是：提供一套既可测试缸盖温度，又可测试应变、压力的装置，本设计利用光纤光栅传感器，该传感器与热电偶相比有显著优点，它结构微小、径细，适合微小狭窄空间测量，可长期应用于高温、高湿及存在化学侵蚀等的恶劣环境，现场无需供电，不受电磁干扰及核辐射的影响，易于组网和远距离传输，安装方便和成本相对低廉。这些特点使他们成为理想的为缸盖温度测量的测量工具。

附图说明

[0031] 图1光纤光栅在U型槽安装方式；

[0032] 图2光纤光栅封装示意图；

[0033] 图3火力面多光纤安装示意图；

[0034] 图4火力面单光纤安装示意图；

[0035] 图5缸盖内部测试示意图；

[0036] 图6缸盖火力面温度场示意图；

[0037] 图中，1.传感器，2.毛细金属管，3.U型槽，4缸盖，5.光纤，6.光栅，7.火力面，8.第一组光纤光栅，9.第二组光纤光栅，10.孔，11、12、13、14、21、22、23、24均表示测试点。
具体实施例

[0038] 如图1-5所示，为了全面了解发动机缸盖温度场，需要对火力面温度、冷却面温度和缸体温度分别进行测试。故需要将光纤光栅传感器分别安装到缸盖火力面，冷却面和缸体内部。

[0039] 传感器1测试火力面的温度

[0040] 传感器1在安装时既可以每条光纤5只布置单个光栅6，每个测点使用一条光纤1，也可以使用在一根光纤5上分布多个光栅6的准分布式测量，

[0041] 为了测量4的火里面的温度，首先在火力面刻U型槽3，在U型槽3内布置8个(或多个)测量点11、12、13、14、21、22、23、24，放置两组光纤，分别是第一组光纤8和第二组光纤9。

[0042] 实施例1

[0043] 首先对U型槽3进行表面处理。对U型槽3应清除锈斑和氧化物等，然后用丙酮和酒精清除油污、油脂和其他污染物；然后开始敷设，首先利用一根装着黏结剂的针管沿U型槽3挤出一串直径为4-6mm的黏结剂珠，然后使黏结剂珠沿U型槽3平滑连接以产生约1mm厚的粘贴线，随后把光纤光栅放入黏结剂中，确信其位于U型槽3之内。并使得涂覆段和封装段粘贴于薄片。以第一组光纤为例，放置时先放置12、13、14测点的光纤，然后放置测点11的光纤。在测点11处，将测点11光纤的金属管压置在12、13、14光纤的上面。

[0044] 此外，考虑到光纤本身直径很小，可以仅在放置金属管的测点处和密封处刻制U型槽，其他地方的光纤可直接粘贴，工艺简单方便，不影响测量。

[0045] 实施例2

[0046] 在一根光纤5上刻制8个光栅6，分别对应8个测量点，实现准分布式测量。如图4所示。

[0047] 密封：密封性对气缸的正常工作至关重要，故必须对气缸与缸盖结合处密封进行密封。在密封处应多加黏结剂，使黏结剂高于火力面平面。然后将高出的黏结剂打磨到与火力面齐平。最后与气缸缸体合体时在火力面一周涂上密封剂进行密封。

[0048] 在缸盖4侧面钻孔10，将封装好的传感器1直接沿缸盖4侧壁铺设,并用高温密封剂涂覆和固化试验中用堵住缸盖4，一侧的钻孔10进行密封。

[0049] 传感器缸盖体安装：在距火力面77mm处的侧面钻直径1mm的圆孔，将毛细金属管2封装的传感器1放入圆孔，用高温密封剂进行封装。

[0050] 上面所述的黏结剂为快速环氧胶粘剂，型号JH99；所述的高温密封剂：世林胶业所产液态密封垫，型号SL5051。

[0051] 缸盖热应力场分析：

[0052] 由图6中可以看出，火力面由于受到高温燃烧的混合气的加热，温度较高，其中鼻梁区两侧最高，其值可接近300℃。分布的两个测点温度分别为300℃和296℃，这两个测点位于气门之间的鼻梁区，热流量大，散热相对其他位置较难，因此温度相对较高；同时，由于排气温度远高于进气温度，使得排气管侧测点温度普遍高于进气管侧测点温度。

[0053] 通过本设计获得准确的发动机缸盖温度场分布，为发动机缸盖热应力场的研究提供参考。利用获得的温度数值，通过一定的计算可以得到缸盖热应力的分布，从而评价发动机缸盖工作的可靠性。