内燃机研究关键技术：从传感器校准到摩擦扭矩计算

内燃机研究关键技术：从传感器校准到摩擦扭矩计算

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/2201_75535220/article/details/145843645

内燃机是现代工业和交通领域的重要动力来源，其性能优化和故障诊断离不开精确的扭矩测量和分析。本文系统介绍了内燃机研究中的关键技术，包括扭矩传感器校准、发动机部件运动分析、扭矩-转速关系推断、摩擦扭矩计算以及飞轮惯性矩估算。这些内容对于从事相关研究的读者具有较高的参考价值。

1 概述

以下是完成的步骤：

1. 根据不同负载下的读数系列，校准了扭矩传感器。
2. 建立了数学关系，将各种发动机部件的运动与测量到的量联系起来。
3. 处理收集到的数据，以推断扭矩与转速之间的关系。
4. 计算了发动机因摩擦而经历的负功的大小以及由此产生的摩擦扭矩。
5. 估算系统的惯性矩（飞轮）的值，以便用于后续建模。

基于内燃机研究的综合技术

一、扭矩传感器校准方法与标准

1. 校准方法分类与原理

• 静态校准：在传感器静止状态下施加已知扭矩（如砝码加载），通过调整零点、灵敏度和线性度参数建立扭矩-输出信号关系。此方法成本低且操作简便，适用于日常维护。
• 动态校准：模拟实际工况下的动态扭矩（如旋转试验机），校准传感器的动态响应特性，精度更高但设备复杂，适用于高精度场景。

2. 校准规范与标准

• 遵循ISO 16047（扭矩传感器标定）和DIN 51309（静态校准流程），要求周期性校准（通常每年一次）以防止漂移误差。
• 关键步骤：
• 过载预处理：施加额定扭矩的8%-12%进行4次加载，每次持续1-1.5分钟以消除机械滞后。
• 多位置校准：在120°间隔的三个安装位重复测试，减少重力与对准误差影响。

3. 校准工具与误差控制

• 使用回转式扭矩传感器（扩展不确定度≤1/3被校准值）和模拟器（高/低扭矩率模拟器）。
• 误差修正：通过正反向加载取均值消除非线性误差，允许最大示值误差±0.5gf·cm。

二、发动机部件运动与测量量的关联分析

1. 运动参数与扭矩的物理联系

• 曲轴扭矩：直接反映燃烧室做功效率，计算公式为 T=F×rT=F×r（F为切向力，r为曲柄半径）。
• 活塞运动：通过连杆传递力至曲轴，其加速度影响惯性扭矩分量，需结合曲轴转角同步测量。

2. 测量系统集成

• 测功机系统：测量轴端扭矩与转速，结合飞轮惯性矩计算动态扭矩波动。
• 应变片传感器：贴附于关键部件（如曲轴、连杆）实时监测应力变化，间接推导扭矩分布。

三、扭矩-转速关系推断方法

1. 理论公式

• 基础关系：P=T⋅ωP=T⋅ω，其中 ω=2πn/60ω=2πn/60，功率与扭矩、转速呈线性关系。
• 发动机特性曲线：通过实验绘制扭矩-转速曲线，通常呈现“先升后降”趋势，峰值扭矩出现在中低转速区间（2000-4000 RPM）。

2. 实验验证技术

• 测功机测试：固定发动机输出轴，逐步增加负载并记录扭矩与转速数据，生成稳态特性曲线。
• 瞬态响应分析：快速加载/卸载测试（如DKD-R 3-9指南），评估动态扭矩响应特性。

3. 数据拟合与建模

四、发动机摩擦扭矩计算模型

1. 摩擦来源与分类

• 机械摩擦：活塞环-缸壁、曲轴轴承等接触副的滑动摩擦，占摩擦损失的60%-70%。
• 泵气损失：进气/排气过程中的气体流动阻力，与节气门开度和气门正时相关。

2. 计算方法

• 经验公式：
• 实时估计算法：基于曲轴转速波动与热力学模型，分离燃烧压力与摩擦扭矩分量。

1. 实验标定

• 倒拖法：切断燃油供给，通过测功机测量拖动扭矩，直接获取摩擦损失。
• 指示法：对比指示功率与轴功率差值，间接计算摩擦功率。

五、飞轮惯性矩估算方法

1. 理论计算

2. 3.工程优化工具

• 使用MITCalc等软件进行参数化设计，结合负载图谱与运行不均匀度自动计算惯性矩。

总结与建议

1. 校准与测量：优先采用动态校准提升精度，定期进行多位置校准以消除系统误差。
2. 数据建模：结合实验数据与多项式拟合优化扭矩-转速关系模型，考虑瞬态工况的影响。
3. 摩擦分析：采用倒拖法与实时估计算法互补，提高摩擦扭矩计算精度。
4. 飞轮设计：根据应用场景选择材料与几何形状，通过实验标定验证理论模型的适用性。

以上方法可系统解决内燃机研究中扭矩测量、部件运动关联、摩擦损失计算及惯性矩估算等核心问题，为性能优化提供技术支撑。

2 运行结果

部分数据截图：

部分代码：

figure(11)
plot(times3,low_disp)
xlabel('Times [s]')
ylabel('Piston Displacement [mm]')
title('Time vs. Piston Displacement for 200 (Low) RPM')

figure(12)
plot(times3,med_disp)
xlabel('Times [s]')
ylabel('Piston Displacement [mm]')
title('Time vs. Piston Displacement for 300 (Medium) RPM')

figure(13)
plot(times3,high_disp)
xlabel('Times [s]')
ylabel('Piston Displacement [mm]')
title('Time vs. Piston Displacement for 500 (High) RPM')

figure(14)
plot(fly_times3,allfly_disp)
xlabel('Times [s]')
ylabel('Piston Displacement [mm]')
title('Time vs. Piston Displacement for All Flywheels')

figure(15)
plot(fly_times3,nofly_disp)
xlabel('Times [s]')
ylabel('Piston Displacement [mm]')
title('Time vs. Piston Displacement for No Flywheels')

3 参考文献

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[1]刘志,何建辉,羌嘉曦,等.基于凸轮轴转角的油泵瞬态扭矩检测系统的研制[J].小型内燃机与摩托车, 2009, 38(3):3.

[2]杨欣.紧凑型热气机性能试验系统研制与4R50GZ型热气机性能试验研究[D].中国舰船研究院,2012.

[3]陈夫东,张则亚,毕俊明,等.中大功率柴油液力偶合器机组的台架试验[J].内燃机与动力装置, 2009(04):17-19+23.