一种活塞热变形与二阶运动姿态在线测量方法技术

本发明专利技术涉及一种活塞热变形与二阶运动姿态在线测量方法，包括：获取内燃机的缸套冷态几何轮廓半径、缸套厚度与活塞的冷态几何轮廓参数；采集燃烧状态下的动态信号进行处理，形成缸套外壁动态应变矩阵与活塞

【技术实现步骤摘要】
一种活塞热变形与二阶运动姿态在线测量方法


[0001]本专利技术涉及内燃机测控
，特别是涉及一种活塞热变形与二阶运动姿态在线测量方法。

技术介绍

[0002]内燃机工作时，活塞裙部与气缸壁直接接触并高速滑动，同时为活塞本身起导向作用，承受侧推力。活塞裙部运动由沿缸套中心线的往复轴向运动和垂直于缸套中心线的二阶运动组成。活塞的二阶运动虽然微小，却对内燃机的性能有着重要的影响。已有研究表明，活塞热变形与其二阶运动直接关系到活塞敲缸、裙部润滑、摩擦磨损、缸套穴蚀等状况。
[0003]由于活塞裙部二阶运动受到燃气压力、活塞组惯性力、配缸间隙、活塞销偏置、连杆力、裙部侧推力、活塞
‑
缸套系统热变形和机械变形等因素的共同作用，运动状况较为复杂，目前的大多数关于活塞二阶运动的研究均采用数值方法开展，所得到的结果不够准确且缺乏有效的验证，难以获取活塞在燃烧状态下的实际运动状态。因此，开发一种可靠性高、实用性强、易于实现的活塞热变形与二阶运动姿态的在线测量方法是极其重要的。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足而提供的一种活塞热变形与二阶运动姿态在线测量方法，通过油膜厚度与缸套动态变形的在线测量，能够同步提取活塞的热变形与二阶运动状态，对活塞二阶运动的理论推进，活塞优化设计，改善活塞摩擦磨损，发动机振动与润滑状态监测具有重要的意义。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种活塞热变形与二阶运动姿态在线测量方法，包括：
[0007]获取内燃机的缸套外壁的冷态几何半径、缸套厚度与活塞的冷态几何轮廓参数；
[0008]采集所述内燃机燃烧状态下的动态信号，并对所述动态信号进行处理，形成以曲轴位置信号为基准的缸套外壁动态应变矩阵与活塞
‑
缸套动态油膜厚度矩阵；
[0009]基于所述缸套外壁动态应变矩阵，计算缸套耦合变形数据，结合所述耦合变形数据与所述缸套外壁的冷态几何半径、缸套厚度，计算燃烧状态下的缸套内壁热态几何半径矩阵，其中，所述耦合变形数据在热应力与活塞动态敲击下产生；
[0010]基于所述活塞
‑
缸套动态油膜厚度矩阵与所述缸套内壁热态几何半径矩阵，计算活塞的热态轮廓矩阵；
[0011]基于所述活塞的热态轮廓矩阵，并结合所述活塞的冷态几何轮廓参数，获取活塞的动态热变形量并导出活塞的二阶运动姿态。
[0012]优选地，所述内燃机燃烧状态下的动态信号包括：曲轴位置信号、缸套轴向与周向动态应变信号、活塞轴向与周向动态油膜厚度信号。
[0013]优选地，计算所述缸套外壁动态应变矩阵的方法为：
[0014][0015]其中，L
m
×
n
为缸套外壁动态应变矩阵；m为应变传感器和膜厚传感器的行数，n为应变传感器和膜厚传感器的列数；l为应变片原始长度；ε
mn
为应变片的动态应变；t为应变传感器时间变量。
[0016]优选地，基于所述缸套外壁的冷态几何半径、缸套厚度，计算所述燃烧状态下的缸套内壁热态几何半径矩阵：
[0017][0018]其中，R
m
×
n
为缸套内壁热态几何半径矩阵，K
m
×
n
为缸套外壁的冷态几何半径矩阵，T
m
×
n
为缸套厚度矩阵。
[0019]优选地，计算所述活塞的热态轮廓矩阵，包括：
[0020]结合所述缸套内壁热态几何半径矩阵与所述活塞
‑
缸套动态油膜厚度矩阵，并通过曲轴位置信号确定活塞具体位置，进而导出所述活塞的热态几何轮廓矩阵。
[0021]优选地，所述活塞的热态几何轮廓矩阵的计算方法为：
[0022]P
a
×
n
(t)＝R
a
×
n
(t)
‑
H
a
×
n
(t)
[0023]其中，R
a
×
n
为活塞热态几何轮廓矩阵，a为活塞所在区域内的传感器行数；H
a
×
n
为活塞
‑
缸套动态油膜厚度矩阵，R
a
×
n
为缸套内壁的热态几何半径矩阵。
[0024]优选地，所述活塞的二阶运动姿态包括：活塞绕活塞销的转动角度和活塞横向位移；
[0025]其中，计算所述活塞绕活塞销转动角度的方法如下式：
[0026][0027]其中，α为活塞绕活塞销转动角度；h
Top
为活塞顶部测点油膜厚度；h
Bottom
为活塞底部测点油膜厚度；d为两个膜厚传感器的轴向间距。
[0028]优选地，计算所述活塞横向位移的方法如下式：
[0029][0030]其中，u
x
为活塞横向运动位移；h
ATS
为副推力侧处的活塞质心位置油膜厚度参数；h
TS
为主推力侧处的活塞质心位置油膜厚度参数。
[0031]本专利技术的有益效果为：
[0032]本专利技术能够实时获取活塞的热变形与二阶运动状态，实现对发动机润滑状态与振动特性的评估，为活塞二阶运动理论与发动机的运行可靠性设计提供重要的参考依据。
附图说明
[0033]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所
需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]图1为本专利技术实施例中的方法流程图；
[0035]图2为本专利技术实施例中传感器环形排列布局示意图；
[0036]图3为本专利技术实施例中传感器环形交叉排列布局示意图；
[0037]图4为本专利技术实施例中测试系统示意图；
[0038]图5为本专利技术实施例中活塞主副推力侧油膜分布示意图；
[0039]其中，1、活塞，2、缸套，3、动态应变传感器，4、膜厚测量传感器，5、曲轴相位传感器。
具体实施方式
[0040]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0041]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。
[0042]本专利技术公开了一种燃烧运行工况下的活塞热变形与二阶运动姿态在线测量方法，该方法通过测量并计算燃烧状态下的活塞的热态轮廓型线，并结合冷态轮本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种活塞热变形与二阶运动姿态在线测量方法，其特征在于，包括：获取内燃机的缸套外壁的冷态几何半径、缸套厚度与活塞的冷态几何轮廓参数；采集所述内燃机燃烧状态下的动态信号，并对所述动态信号进行处理，形成以曲轴位置信号为基准的缸套外壁动态应变矩阵与活塞
‑
缸套动态油膜厚度矩阵；基于所述缸套外壁动态应变矩阵，计算缸套耦合变形数据，结合所述耦合变形数据与所述缸套外壁的冷态几何半径、缸套厚度，计算燃烧状态下的缸套内壁热态几何半径矩阵，其中，所述耦合变形数据在热应力与活塞动态敲击下产生；基于所述活塞
‑
缸套动态油膜厚度矩阵与所述缸套内壁热态几何半径矩阵，计算活塞的热态轮廓矩阵；基于所述活塞的热态轮廓矩阵，并结合所述活塞的冷态几何轮廓参数，获取活塞的动态热变形量并导出活塞的二阶运动姿态。2.根据权利要求1所述的活塞热变形与二阶运动姿态在线测量方法，其特征在于，所述内燃机燃烧状态下的动态信号包括：曲轴位置信号、缸套轴向与周向动态应变信号、活塞轴向与周向动态油膜厚度信号。3.根据权利要求1所述的活塞热变形与二阶运动姿态在线测量方法，其特征在于，计算所述缸套外壁动态应变矩阵的方法为：其中，L
m
×
n
为缸套外壁动态应变矩阵；m为应变传感器和膜厚传感器的行数，n为应变传感器和膜厚传感器的列数；l为应变片原始长度；ε
mn
为应变片的动态应变；t为应变传感器时间变量。4.根据权利要求3所述的活塞热变形与二阶运动姿态在线测量方法，其特征在于，基于所述缸套外壁的冷态几何半径、缸套厚度，计算所述燃烧状态下的缸套内壁热态几何半径矩阵：其中，R
m
×
n
为缸套内壁热态几何半径矩阵，K
m
×
n
为缸套外壁的冷态几何半径矩阵，T
m
×
n
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国兴，刘东，李林涛，吴宏宇，刘培毓，杜晓虎，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：