第十章测量与监控船舶柴油机运转中，通过对柴油机有关参数如示功图、有效功率、流量、压力、温度、排放等的测量，可以分析柴油机工作性能和运转状况的好坏。籍以做为调整柴油机的依据，使柴油机在最佳状态下运转。另外，由于近代电子技术的迅速发展，在柴油机的设计与生产中正进行着一场重大的变革。可以通过建立物理、数学模型，建立数学方程，并利用优化计算求出产品的最佳设计方案。而在建立数学模型和优化计算时，都离不开正确的初始数据或经验公式。这些初始数据和经验公式均依赖于柴油机的测试结果。在近代船舶柴油机装置的发展中，柴油机的监控、技术诊断和趋向预报等技术有了长足的发展。这些新型技术的发展也均以测试技术为基础。柴油机测试已发展成一门学科。一个国家的测试技术的水平，是代表其科技水平的一个主要方面。目前，我国已颁布多种柴油机试验方法标准。如GB11051-3-87《内燃机台架性能试验方法》、GB3471-83《柴油机动力海洋船舶系泊及航行试验通则》等。本章着重从使用管理角度介绍柴油机运转中有关参数的测量技术。第一节示功图的测录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。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。通过示功图可研究缸内的燃烧过程、燃烧放热率、气体与缸壁传热过程、进排气过程等，成为研究柴油机气缸内工作过程的重要依据。同时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，计算缸内温度等的依据。因而示功图的测录在柴油机的测试中占有非常重要的地位。一、示功器测取气缸示功图的仪器统称为示功器。根据其工作原理不同，示功图可分为机械式、气电式和电子式三种。它们的性能特点列于表10-1。以下对适合于船用者予以简介。示功器性能比较表表10-11.机械式示功器机械示功器按所使用的示功弹簧可分为螺旋弹簧式和柱簧式两种。后者自振频率较高但所测
第十章 测量与监控 船舶柴油机运转中，通过对柴油机有关参数如示功图、有效功率、流量、压力、温度、 排放等的测量，可以分析柴油机工作性能和运转状况的好坏。藉以做为调整柴油机的依据， 使柴油机在最佳状态下运转。 另外，由于近代电子技术的迅速发展，在柴油机的设计与生产中正进行着一场重大的变 革。可以通过建立物理、数学模型，建立数学方程，并利用优化计算求出产品的最佳设计方 案。而在建立数学模型和优化计算时，都离不开正确的初始数据或经验公式。这些初始数据 和经验公式均依赖于柴油机的测试结果。 在近代船舶柴油机装置的发展中，柴油机的监控、技术诊断和趋向预报等技术有了长足 的发展。这些新型技术的发展也均以测试技术为基础。 柴油机测试已发展成一门学科。一个国家的测试技术的水平，是代表其科技水平的一个 主要方面。目前，我国已颁布多种柴油机试验方法标准。如 GB11051-3-87《内燃机台架性 能试验方法》、GB3471-83《柴油机动力海洋船舶系泊及航行试验通则》等。 本章着重从使用管理角度介绍柴油机运转中有关参数的测量技术。 第一节 示功图的测录 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。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。通过示功图可研究缸内的燃烧过程、燃烧放热率、气体 与缸壁传热过程、进排气过程等，成为研究柴油机气缸内工作过程的重要依据。同时也是计 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，计算缸内温度等的依 据。因而示功图的测录在柴油机的测试中占有非常重要的地位。 一、示功器 测取气缸示功图的仪器统称为示功器。根据其工作原理不同，示功图可分为机械式、气 电式和电子式三种。它们的性能特点列于表 10-1。以下对适合于船用者予以简介。 示功器性能比较表 表 10-1 1.机械式示功器 机械示功器按所使用的示功弹簧可分为螺旋弹簧式和柱簧式两种。后者自振频率较高但所测
---5aAPA8CIV4图5-1机械示功器结构原理图图形过小。通常多使用前图10-1机械示功器结构简图系螺旋弹簧式机械示功器结构原理简图。它由传感机构A、转筒机构B和记录机构C三部分组成。传感机构包括小活塞5、活塞杆4及螺旋形示功弹簧1，它传感缸内压力变化并以小活塞的位移输出：转筒机构包括绳索9、转筒8及转筒弹簧7，示功器传动机构通过绳索9带动转筒8，绕其自身转轴来回摆动，反映了柴油机活塞的位移；记录机构由传动杠杆3及画笔杆2组成，小活塞杆4带动画笔杆2在转筒8上的示功纸上记录缸内压力的变化。由于示功器小活塞的位移与柴油机气缸内气体压力的变化成比例，而转筒的转动与柴油机活塞的位移成比例变化，所以记录画笔尖在转筒的记录纸上绘出气缸内压力随活塞位移变化图形，即p-V示功图。由此可知机械式示功器是利用机械位移方法测量缸内压力及活塞位移，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。但其结构简单，使用方便而广泛地作为低速柴油机的随机供应仪表，供监控柴油机使用为了使机械示功器能在较广泛的压力范围内使用，它备有三套活塞（连同相应的小气缸）及一套刚度不同的示功弹簧。三套活塞分别标号：1/1（标准活塞直径为20.27mm）；1/2（其面积为1/1活塞的1/2，活塞直径为14.35mm）：1/5（其面积为1/1活塞的1/5，活塞直径为9.06mm）。示功弹簧为用弹簧比例M标记的多根弹簧，弹簧比例M表示缸内压力每变化1MPa时弹簧的变形量（mm），单位为mm/MPa。弹簧比例M应根据小活塞标号和柴油机缸内最高爆发压力pz来选择，使所测取的示功图有接近示功图纸高度的最大高度。如测p-V示功图可选用1/5小活塞，并根据缸内最高爆发压力pz=8.0MPa，可选用M=6mm/MPa的示功弹簧。图10—2曲柄式传动机构为了把柴油机活塞的运动规律按比例传给示功器的转筒机构，必需设立专门的示功器传动机构。它应满足以下两个基本要求：一是使活塞行程的缩小比例要与转筒的周长相适应：二是转筒的运动规律与活塞的运动规律同步。目前使用的示功器传动机构有曲柄式、凸轮式、杠杆式。曲柄式如图10-2所示。立轴1由柴油机曲轴带动，由小活塞4、连杆3和小曲柄2组成一单独的小曲柄连杆机构，如在结构上使小曲柄2的半径r与连杆3长度1之比r/I=R/L（R一柴油机曲柄半径，L一柴油机连杆长度），则小曲柄杆机构的运动规律即与
图形过小。通常多使用前 图 10-1 机械示功器结构简图 系螺旋弹簧式机械示功器结构原理简图。 它由传感机构 A、转筒机构 B 和记录机构 C 三部分组成。传感机构包括小活塞 5、活 塞杆 4 及螺旋形示功弹簧 1，它传感缸内压力变化并以小活塞的位移输出；转筒机构包括绳 索 9、转筒 8 及转筒弹簧 7，示功器传动机构通过绳索 9 带动转筒 8，绕其自身转轴来回摆 动，反映了柴油机活塞的位移；记录机构由传动杠杆 3 及画笔杆 2 组成，小活塞杆 4 带动画 笔杆 2 在转筒 8 上的示功纸上记录缸内压力的变化。由于示功器小活塞的位移与柴油机气缸 内气体压力的变化成比例，而转筒的转动与柴油机活塞的位移成比例变化，所以记录画笔尖 在转筒的记录纸上绘出气缸内压力随活塞位移变化图形，即 p-V 示功图。 由此可知机械式示功器是利用机械位移方法测量缸内压力及活塞位移，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。但其结构简单，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。 为了使机械示功器能在较广泛的压力范围内使用，它备有三套活塞（连同相应的小 气缸）及一套刚度不同的示功弹簧。三套活塞分别标号：1／1（标准活塞直径为 20.27mm）； 1／2（其面积为 1／1 活塞的 1／2，活塞直径为 14. 35mm）；1／5（其面积为 1／1 活塞的 1 ／5，活塞直径为 9.06mm）。示功弹簧为用弹簧比例 M 标记的多根弹簧，弹簧比例 M 表示 缸内压力每变化 1MPa 时弹簧的变形量（mm），单位为 mm／MPa。弹簧比例 M 应根据小活 塞标号和柴油机缸内最高爆发压力 pz 来选择，使所测取的示功图有接近示功图纸高度的最 大高度。如测 p-V 示功图可选用 1/5 小活塞，并根据缸内最高爆发压力 pz=8.0MPa，可选用 M=6mm／MPa 的示功弹簧。 图 10—2 曲柄式传动机构 为了把柴油机活塞的运动规律按比例传给示功器的转筒机构，必需设立专门的示功 器传动机构。它应满足以下两个基本要求：一是使活塞行程的缩小比例要与转筒的周长相适 应；二是转筒的运动规律与活塞的运动规律同步。目前使用的示功器传动机构有曲柄式、凸 轮式、杠杆式。曲柄式如图 10-2 所示。立轴 1 由柴油机曲轴带动，由小活塞 4、连杆 3 和 小曲柄 2 组成一单独的小曲柄连杆机构，如在结构上使小曲柄 2 的半径 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），则小曲柄连杆机构的运动规律即与
柴油机活塞运动规律同步。因此由小活塞销5带动的滑块6的运动规律也就反映了柴油机活塞的运动规律。当测试结束时可用止动杆8推动滑块6使其脱离活塞销5的控制。曲柄式传动机构多用于Snlzer型柴油机。凸轮式传动机构如图10-3所示。d图11-3凸轮式传动机构1-示功凸轮；2-滚轮；3-导杆；4-弹簧；5-销孔；6-导杆销孔图10-3凸轮式传动机构示功凸轮1装在凸轮轴上，示功凸轮的外形是按柴油机活塞运动规律设计并按一定的位置安装在凸轮轴上，因而它也能反映出活塞的运动规律，而且其高度、最低位置也与活塞的上、下止点对应。当测量完毕时，可用插销通过销孔5和6把导杆3提起使之脱离凸轮轴控制。杠杆式采用一套杠杆机构反映活塞位移，因无法避免在铰接处磨损而造成失真，目前很少使用。2.电子式示功器电子式示功器利用电子技术，通过适当的传感器把柴油机气缸内的气体压力、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p-α示功图。按所采用的压力传感器的不同形式，电子式示功器可分为电阻应变式、压电式、电容式、电感式示功装置等
柴油机活塞运动规律同步。因此由小活塞销 5 带动的滑块 6 的运动规律也就反映了柴油机活 塞的运动规律。当测试结束时可用止动杆 8 推动滑块 6 使其脱离活塞销 5 的控制。曲柄式传 动机构多用于 Snlzer 型柴油机。凸轮式传动机构如图 10-3 所示。 图 10-3 凸轮式传动机构 示功凸轮 1 装在凸轮轴上，示功凸轮的外形是按柴油机活塞运动规律设计并按一定 的位置安装在凸轮轴上，因而它也能反映出活塞的运动规律，而且其高度、最低位置也与活 塞的上、下止点对应。当测量完毕时，可用插销通过销孔 5 和 6 把导杆 3 提起使之脱离凸轮 轴控制。杠杆式采用一套杠杆机构反映活塞位移，因无法避免在铰接处磨损而造成失真，目 前很少使用。 2.电子式示功器 电子式示功器利用电子技术，通过适当的传感器把柴油机气缸内的气体压力、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 p-φ 示功图。 按所采用的压力传感器的不同形式，电子式示功器可分为电阻应变式、压电式、电容式、 电感式示功装置等
1）电阻应变式示功装置电阻应变式示功装置是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。柴油机曲轴转角信号可由磁电式或光电式等传感器测量。系统框图如图10-4所示。电阻应变式压力传感器应变仪显示记录装置图10-4电阻应变式示功装置方框图电阻应变式压力传感器的结构如图10-5所示。103图9.3-2应变简式压力传感器图10-5电阻应变片式压力传感器电阻应变片7粘贴在应变筒4的外壁，应变筒由薄壁（0.2～0.3mm）合金钢制成，下端焊有很薄的悬链薄膜5。此薄膜既薄又柔软，只传递压力而不产生弹力。当缸内压力作用到悬链薄膜时将引起薄壁应变筒4变形，使应变片7电阻发生变化（即应变效应）。并经导线传至接线柱9后由屏蔽电缆10输出。冷却水管8用于膜片和应变筒强制冷却，以消除燃气高温对测量结果的不良影响。丁烯橡胶套管6保证应变片7良好绝缘，同时也起到阻尼作用，消减应变筒的高频振动。调整垫片3可保证安装时应变筒有适当的预紧力。2）压电式示功装置压电式示功装置一般由压电式压力传感器、前置放大器和示波器等组成，其系统框图如图10-6所示。前置放大器是一个高阻抗（>1012Q）输入的放大器，它的作用是放大压电传感器的微弱信号并将传感器的高阻抗输入变为低阻抗输出。它的绝缘性能对测量精度影响极大，通常多采用电荷放大器。压电式压力传感器夕前置放大器示波器图10-6压电式示功装置系统框图压电传感器通常采用压电石英传感器，它是根据石英晶体的压电效应制成的。压电效应是指某些晶体若沿其某个结晶轴方向作用外力时，其内部将产生极化现象：在其表面上有电荷集结，且此电荷的大小与外力成正比，当外力消失，晶体又恢复至不带电状态。具有压电效应的晶体称压电晶体。图10-7所示是一种压电石英压力传感器的结构简图。缸内气
1）电阻应变式示功装置 电阻应变式示功装置是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。柴油机 曲轴转角信号可由磁电式或光电式等传感器测量。系统框图如图 10-4 所示。 电阻应变式压力传感器 应变仪 显示记录装置 图 10-4 电阻应变式示功装置方框图 电阻应变式压力传感器的结构如图 10-5 所示。 图 10-5 电阻应变片式压力传感器 电阻应变片 7 粘贴在应变筒 4 的外壁，应变筒由薄壁（0.2～0.3mm）合金钢制成， 下端焊有很薄的悬链薄膜 5。此薄膜既薄又柔软，只传递压力而不产生弹力。当缸内压力作 用到悬链薄膜时将引起薄壁应变筒 4 变形，使应变片 7 电阻发生变化（即应变效应）。并经 导线传至接线柱 9 后由屏蔽电缆 10 输出。冷却水管 8 用于膜片和应变筒强制冷却，以消除 燃气高温对测量结果的不良影响。丁烯橡胶套管 6 保证应变片 7 良好绝缘，同时也起到阻尼 作用，消减应变筒的高频振动。调整垫片 3 可保证安装时应变筒有适当的预紧力。 2）压电式示功装置 压电式示功装置一般由压电式压力传感器、前置放大器和示波器等组成，其系统框图如 图 10-6 所示。前置放大器是一个高阻抗（＞1012Ω）输入的放大器，它的作用是放大压电传 感器的微弱信号并将传感器的高阻抗输入变为低阻抗输出。它的绝缘性能对测量精度影响极 大，通常多采用电荷放大器。 压电式压力传感器 前置放大器 示波器 图 10-6 压电式示功装置系统框图 压电传感器通常采用压电石英传感器，它是根据石英晶体的压电效应制成的。压电 效应是指某些晶体若沿其某个结晶轴方向作用外力时，其内部将产生极化现象：在其表面上 有电荷集结，且此电荷的大小与外力成正比，当外力消失，晶体又恢复至不带电状态。具有 压电效应的晶体称压电晶体。图 10-7 所示是一种压电石英压力传感器的结构简图。缸内气
体压力经膜片4传递给套筒7和石英晶体3（二片），晶体受压时产生的负电荷由电荷引出片6：汇集并经导线5引出。为减少温度变化对传感器工作的不利影响，一般需对传感器采用强制水冷却。某些新型传感器工作时可不需冷却。H5图9.5-2常规的压电石英压力传感器图10-7压电石英压力传感器结构简图二、示功图的测取方法及注意事项示功图形状受多种因素影响。如示功器使用和维护不当，天气与海况的变化等。因而应按正确方法进行测录。（1）使用前示功器的检查、标定；（2）柴油机负荷应稳定，即各运行参数正常并保持稳定：（3）气象和海况条件适宜：（4）示功器按装前开二下示功阀，以吹净通路中的杂质等；（5）示功器安装后应先在转筒记录纸上画出大气压力线：（6）测量时轻按画笔尖以防划破记录纸（机械式示功器）：（7）测取满意的示功图后应标明缸号、日期、排温、喷油泵齿条格数、弹簧比例、转速等参数：（8）为保证准确，最好每缸测取2个示功图。每测取5～6个示功图后应拆下示功器使之冷却。示功器使用完毕应进行清洁保养
体压力经膜片 4 传递给套筒 7 和石英晶体 3（二片），晶体受压时产生的负电荷由电荷引出 片 6；汇集并经导线 5 引出。为减少温度变化对传感器工作的不利影响，一般需对传感器采 用强制水冷却。某些新型传感器工作时可不需冷却。 图 10-7 压电石英压力传感器结构简图 二、示功图的测取方法及注意事项 示功图形状受多种因素影响。如示功器使用和维护不当，天气与海况的变化等。因而应 按正确方法进行测录。 （1）使用前示功器的检查、标定； （2）柴油机负荷应稳定，即各运行参数正常并保持稳定； （3）气象和海况条件适宜； （4）示功器按装前开一下示功阀，以吹净通路中的杂质等； （5）示功器安装后应先在转筒记录纸上画出大气压力线； （6）测量时轻按画笔尖以防划破记录纸（机械式示功器）； （7）测取满意的示功图后应标明缸号、日期、排温、喷油泵齿条格数、弹簧比例、转 速等参数； （8）为保证准确，最好每缸测取 2 个示功图。每测取 5～6 个示功图后应拆下示功器使 之冷却。示功器使用完毕应进行清洁保养