壓力測量與示功圖測錄
一、訓練目的
1. 掌握最大爆炸壓力和壓縮壓力的測量方法；
2. 正確測錄柴油機示功圖並分析；
3. 了解電子示功裝置的使用。
二、評估要素
1.指出儀表的測量範圍、分度值、精度等級等指標；
2.正確調整柴油機到規定負荷下運轉；
3.正確選取所需量具；
4.正確安裝和取下測量儀表、測量操作正確；
5.正確對儀表進行保養；
6.讀數準確，能正確對測量過程中出現的誤差進行分析；
7.正確對儀表進行保養。
三、操作指南
（一）、最大爆炸壓力測量
操作步驟;
1、檢查爆壓表狀態。
2、檢查確認柴油機在設定工況下穩定運行。
3、短暫開啟示功閥，吹除管路中雜質後，關閉示功閥。
4、正確安裝爆壓表，全開示功閥，測取最大爆炸壓力並記錄。
5、關閉示功閥，打開爆壓表上卸放閥，卸放表內殘餘壓力後取下爆壓表。
6、測量完畢後，清潔保養爆壓表。
（二）、壓縮壓力測量
操作步驟;
1、檢查爆壓表狀態。
2、正確調整柴油機在空載工況下穩定運行。
3、短暫開啟示功閥，吹除管路中雜質後，關閉示功閥。
4、正確安裝爆壓表，停止被測缸高壓油泵供油；全開示功閥，測取壓縮壓力並記錄。
5、關閉示功閥，打開爆壓表上卸放閥，卸放表內殘餘壓力後取下爆壓表。
6、恢復被測缸高壓油泵供油。
7、測量完畢後，清潔保養爆壓表。
（三）、柴油機示功圖測錄與分析
一、示功器簡介
測取氣缸示功圖的儀器統稱為示功器。根據其工作原理不同，示功器可分為機械式、氣電式和電子式三種。船上常用的是機械式示功器。但隨著電子技術的應用與發展，電子式示功器的使用也在不斷增多。示功圖的測錄取決於船舶柴油機所配置的示功器類型。
機械式示功器是一種使用較早的示功器，目前在低速和部分中速柴油機上仍在使用。它是利用機械位移的方法測量缸內壓力和活塞的位移。
1、結構和工作原理
圖2.2.1為螺旋彈簧式機械示功器結構原理簡圖。它由傳感機構、轉筒機構和記錄機構三部分組成。傳感機構包括活塞7、活塞杆6及螺旋形示功彈簧4等，用以感受缸內壓力變化並以小活塞的位移輸出；轉筒機構包括繩索3、轉筒2及轉筒彈簧1，用以反映柴油機活塞的位移；記錄機構由傳動槓桿8及畫筆桿5組成，該機構可將小活塞的位移在畫筆桿端部平行放大，畫筆桿端部裝設有銅筆尖。
測量示功圖時，示功器活塞7在缸內氣體壓力作用下上移，通過活塞杆壓縮示功彈簧4，並與彈簧彈力平衡。小活塞的上下移動反映缸內的壓力變化，其位移量與柴油機氣缸內氣體壓力的變化量成正比。小活塞的運動通過活塞杆帶動記錄機構的傳動杆和畫筆運動，由記錄機構反映其位移量，即按一定比例反映柴油機氣缸內變化的氣體壓力。夾有記錄紙的轉筒2通過繩索3，由柴油機曲軸或凸輪軸通過專設的示功器傳動機構帶動，繞其自身軸偏轉，其偏轉角位移量正比於柴油機活塞位移，即轉筒轉動的弧長代表按比例縮小的活塞行程的長度。
由於示功器小活塞的位移與柴油機氣缸內氣體壓力的變化成比例，而轉筒的轉動與柴油機活塞的位移成比例變化，所以記錄畫筆尖就可以在轉筒的記錄紙上繪出氣缸內壓力隨活塞位移變化的圖形，即壓力—容積示功圖（p-V示功圖）。
2、機械示功器小活塞和彈簧的選擇
機械式示功器的壓力感應元件由彈簧系統組成，該系統的平衡由作用在小活塞上的氣體力與彈簧彈力實現。若彈簧剛度大、小活塞的面積小，活塞對缸內壓力的微小變化的感應就弱，活塞輸出的位移也小，不利於觀察壓力的微小變化，故僅適合於測取高壓和大的壓力變化。反之若彈簧彈力弱、小活塞面積大，活塞就能感應到缸內壓力的微小變化，但在測取到高壓部分時，小活塞的位移受到示功器結構的限制而失去作用，故僅適合於測取低壓的變化。
為了使機械示功器具有較寬泛的壓力使用範圍，一般它備有三套活塞（連同相應的小氣缸）及一套剛度不同的示功彈簧。使用時根據柴油機最高燃燒壓力pz值進行選擇，以便獲取合適高度的示功圖。三套活塞分別用以下標號表示：1/1（標準活塞直徑為20.27mm）；1/2（其面積為1/1活塞的1/2，活塞直徑為14. 35mm）；1/5（其面積為1/1活塞的1/5，活塞直徑為9.06mm）。為便於識別，在各自小氣缸的凸緣上分別用鋼印註明1/1、1/2、1/5字樣。在測取p—V示功圖時均採用1/5小活塞，當測取反映進、排氣過程的弱彈簧示功圖時採用1/1小活塞。
示功彈簧用彈簧比例M標記。彈簧比例M表示缸內壓力每變化1MPa時彈簧的變形量（mm），其單位為mm／MPa。彈簧比例M應根據小活塞標號和柴油機缸內最高爆發壓力pz值來選擇（見表0.1），使所測取的示功圖的最大高度接近於示功圖紙高度（50毫米），以保證示功圖的精確度。
通常，使用1/5小活塞測取p-V示功圖時，根據最高爆發壓力pz可參考下表選擇彈簧比例。
表0.1 爆壓與彈簧比例對照表
最高爆壓pz（MPa）
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
10.0
12.5
15
彈簧比例M（mm／MPa）
12
10
8
7
6
5
4
3
二、示功圖的測錄
示功圖形狀受多種因素影響，如示功器使用和維護不當，天氣與海況的變化等。因而示功圖測取時應按正確方法進行。
1．測前準備工作
（1）測前通知駕駛臺儘量減少操舵動作，保持航向穩定。
（2）測前通知駕駛臺記錄海況、船舶裝載狀況、航速等，以供分析示功圖時參考。測量時的氣象和海況條件應適宜。
（3）確保被測的柴油機負荷穩定，即各運行參數正常並保持穩定。若屬一般性運行檢查，柴油機應穩定工況下運轉1小時後測示功圖；若要測取標定功率示功圖，最好船舶航行在較平靜的海域柴油機連續穩定運行6小時後。
（4）示功器準備。依測量目的按前述方法先選擇好小活塞和彈簧。示功器拆開，小氣缸清潔後塗油，小活塞相對小氣缸作重力下滑實驗，小活塞應緩慢均勻下滑。檢查無誤後將示功器組裝好預熱待用。
2．示功圖測取
（1）短暫開啟待測缸示功閥，吹淨通路中的雜質等，然後關閉。
（2）將示功器裝緊在示功閥上，轉筒上夾好記錄紙。調整筆尖使其能在紙上輕輕劃出痕跡。
（3）接上拉繩或傳動機構，拉動轉筒作往復迴轉運動，按下筆尖在轉筒記錄紙上畫出大氣壓力線。（測量壓縮壓力需停止待測缸高壓油泵供油。）
（4）全開示功閥按下筆尖畫出示功圖，隨後關閉示功閥。為保證準確，最好每缸測取2個示功圖。
（5）測取滿意的示功圖後，拆下示功器，取下記錄紙，在紙上標明缸號、日期、排溫、噴油泵齒條格數、彈簧比例、轉速等參數。
（6）下個待測缸重複上述過程。每測取5～6個示功圖後應拆下示功器使之冷卻。
（7）在示功紙上量取示功圖高度，並按彈簧比例算出爆炸壓力或壓縮壓力。（也可用專用量尺量出）
（8）示功器使用後應進行清潔保養。
三、示功圖的分析
示功圖分析就是把所測示功圖與正常示功圖進行比較，找出差別，並判斷產生差別的原因，從而進行必要的調整，使柴油保持在良好的技術狀態下運行。
1．正常示功圖的特徵
正常示功圖在柴油機技術狀態良好測取，通常由船舶試航報告或柴油機說明書提供。
圖2.2.2表示的是二衝程柴油機正常示功圖的基本形狀，它指示了各特徵點在各種示功圖中的相互關係。圖中b表示在不同負荷下示功圖的「肥」、「瘦」，因此寬度b可大致反映本缸指示功率的大小。它主要有以下特徵：
（1）工作過程曲線圓滑，曲線過渡處無銳角或突變形狀；
（2）工作過程各主要特徵值，如最高爆發壓力pz、壓縮壓力pc等符合試航報告的規定值；
（3）工作過程曲線無異常波動現象；
（4）示功圖尾部形狀應符合不同掃氣形式的正常軌跡。
在缺乏正常示功圖情況下，可根據上述各點並參照試航報告或說明書所規定值進行比較，並按要求進行調整。使各缸有關熱力參數的不均勻度符合規定。
表0.2 各缸參數不均勻度規定值
工作參數
壓縮壓力pc
最高爆發壓力pz
平均指示壓力pi
排氣溫度Tr
規定值≤（100％）
±3
±5
±5
±5(高速增壓機±8)
凡測取的示功圖與正常示功圖比較有差異的示功圖為畸形示功圖。對待畸形示功圖應進行具體分析，找出引起畸形的原因。因為它們可能是由柴油機工作過程不正常引起，也可能由示功器使用不當或傳動機構不正常等原因引起。
2．示功器使用不當或傳動機構不正常引起的畸形示功圖
示功器傳動機構因安裝不正確、零件磨損等原因會造成示功器轉筒的運動規律與柴油機活塞運動規律不相應，測取示功圖壓力與行程的相應關係被破壞，產生了畸形。
（1）示功器傳動機構超前或滯後
傳動機構超前是指柴油機活塞在上止點前某一角度時，傳動機構帶著轉筒已到達了上止點位置。因而畫筆把活塞在上止點前某一角度的缸內壓力值記錄在示功圖的上止點位置，故壓縮線較正常線偏低。同理，在上止點後，由於示功圖上某點所記錄的壓力值是其前一曲軸轉角的缸內壓力值，因而其膨脹線偏高於正常膨脹內線。由此使所測示功圖變胖。如圖2.2.3所示實線圖形即為傳動機構超前5˚時的畸形示功圖（虛線為正常示功圖）。
同理，傳動機構滯後的畸形圖較正常示功圖變瘦，如圖2.2.4所示，實線圖形為傳動機構滯後5˚，虛線為正常圖。
實驗表明，傳動機構超前或滯後對示功圖形狀影響極大。一般情況是每相差1˚CA，則平均指示壓力pi相差5.5％。為了判斷此種畸形圖形是否因傳動機構的不正常所引起，可採用測純壓縮圖的方法加以判別。
採用單缸停油的方法測純壓縮圖。在正常情況下，停油後該缸的壓縮線與膨脹線基本重合，如圖2.2.5a）所示，此時表示傳動機構與柴油機活塞位移同步。若膨脹線在上壓縮線在下，則為傳動機構超前如圖2.2.5b）所示。若膨脹線在下壓縮線在上，則為傳動機構滯後如圖2.2.5c）所示。
（2）示功器轉筒繩索太長或太短
如果示功器的傳動方向是在膨脹行程使轉筒彈簧拉緊，而在壓縮行程時使轉筒彈簧放鬆，則繩索太長或太短時示功圖會出現下列情況：
如繩索太長，在傳動機構上行至離上止點尚有一定角度時，轉筒已到達其極端位置不再轉動，繩索開始鬆動，一直到當傳動機構由上止點下行某一角度繩索張緊時，轉筒才開始轉動。在繩索鬆動期間轉筒不轉動，畫針僅上下運動，畫出的圖形是一條上下直線，致使把示功圖頭部切去一部分，示功圖變短，如圖2.2.6所示。
反之如繩索太短，傳動機構在下止點前就將轉筒彈簧拉緊，在傳動機構繼續下行時轉筒已經不動，只是畫針上下運動畫出一條直線，把示功圖尾部切去一部分，示功圖長度變短。如圖2.2.7所示。在嚴重情況下還可能將繩索拉斷或將轉筒拉壞。
如果改變示功器的傳動方向，則由繩索大長或太短所產生的畸形圓的形狀與上述相反。因此當發現示功圖頭部或尾部被切掉後，應根據具體情況加以判斷和調整。
3．示功器故障引起的畸形示功圖
1）示功圖變長
示功圖變長的畸形圖如圖2.2.8所示。圖中虛線示為正常圖。此種故障由轉筒彈簧太軟，轉筒慣性作用和示功器機構中間隙太大等原因造成。
2）示功器小活塞卡緊
當示功器的氣缸潤滑不良或有結炭時，小活塞容易產生卡緊現象，使小活塞運動阻力增加。此時，在壓縮過程中因小活塞卡緊，阻力增加，使畫筆畫出的壓力線比正常壓力線低，在膨脹過程因小活塞阻力方向改變，則畫筆畫出的膨脹線比正常膨脹線高。由於卡緊阻力的不規則變化，此時畫筆畫出的示功圖均出現波動。其畸形圖如圖2.2.9所示（圖中虛線為正常圖）。此時所測的手拉圖也有類似波動現象。
4．氣缸內工作過程不正常引起的畸形示功圖
需要明確的是，測取的示功圖首先應保證測量儀器的性能良好。若測取的示功圖出現畸形，在排除由於示功器本身和傳動機構引起的原因之外，肯定就是因為柴油機缸內工作不正常引起的。引起柴油機工作過程不正常的因素很多，無法一一列舉，下面僅就柴油機運行管理中常見的畸形示功圖的特點予以介紹。
考慮到柴油機氣缸工作情況與其運行參數（如油門開度、轉速、排氣溫度、冷卻水溫度、滑油溫度等）有密切的關係，因此測取、分析示功圖時必須參照其運行參數，否則與正常示功圖沒有可比性。
（1）燃燒太早的畸形示功圖
此類示功圖如圖2.2.10所示，圖中虛線表示正常示功圖。它與正常示功圖比較主要有以下特點：
① 圖形高度即最高爆發壓力pz增大，壓力上升曲線陡削，示功圖頭部尖瘦；
② 燃燒曲線過早脫離壓縮曲線，著火點提前；
③ 膨脹曲線降低，排氣溫度降低。
造成燃燒太早的原因，一般有噴油正時提前，噴油器啟閥壓力降低，或由劣質燃油改用優質燃油而未減小噴油提前角等。燃燒太早將增加柴油機的機械負荷，嚴重情況下將會引起爆燃，產生敲缸現象，影響柴油機的工作可靠性，需及時加以調整。
（2）燃燒太晚的畸形示功圖
燃燒太晚的畸形圖如圖2.2.11所示。與虛線所示的正常示功圖相比，它有以下特點：
① 最高爆發壓力pz明顯降低，即圖形高度下降；
② 示功圖頭部圓滑，著火點明顯後移，表示燃燒後移；
③ 膨脹線升高，排氣溫度升高。
造成燃燒太晚的原因通常有噴油正時滯後、噴油器啟閥壓力過高、改用劣質燃油而未調大噴油提前角、噴油器或噴油泵漏油、噴油器的縫隙式濾器堵塞等。這些因素均使燃燒變晚，但又有差異。
（3）噴油器閥座漏油的畸形示功圖
噴油器閥座漏油時，由於燃油壓力低，使燃油霧化不良，油氣混合不佳，造成燃燒延後，排氣溫度升高。這種示功圖的最高爆發壓力下降並又重複上升多次，如圖2.2.12所示。膨脹線高，且呈鋸齒形，鋸齒向上。這種鋸齒形與示功器小活塞運動受阻時的畸形示功圖看起來似乎有些相似，其實有區別。示功圖小活塞運動受阻時示功圖面積增大，膨脹線較高，而且是不規則地下降並呈階梯形波動。噴油器漏油則示功圖呈向上鋸齒形波動，示功圖面積減小。
（4) 噴油泵漏油的畸形示功圖
如噴油泵的柱塞因過度磨損或者噴油泵的閥與閥座偶件密封性下降而漏油時，一方面會使泵油壓力下降，從而導致噴油定時滯後，造成後燃現象嚴重，並會使排氣溫度升高。另一方面由於泵油期間漏油，使得噴入氣缸中的油量也減少，會造成功率明顯下降，排氣溫度亦降低。實踐證明，上述兩方面綜合起來，後者影響大，最終使得排氣溫度降低。如圖2.2.13所示。
（5）噴油器噴孔部分堵塞的畸形示功圖
此類示功圖如圖2.2.14所示。噴孔部分堵塞時，因噴孔流通面積減少，流阻增大，單位時間的噴油量減少，總的噴油時間拖長（高壓油管的壓力加大，噴油器開啟時間拖長），出現後燃現象。由圖可知其主要特點與燃燒太晚大致相同，但存在以下不同：一是，其著火點基本不變（因噴油正時不變）；二是，其頭部和膨脹線中通常會出現壓力波動（因噴油壓力升高，波動加劇，甚至發生重複噴射）。尤其前者可作為區別於燃燒太晚的主要依據。另外，在此種情況下，可感覺出噴油泵泵油時有明顯的衝擊、振動，高壓油管脈動過強並伴有發熱等現象。
（6）缸內空氣不足的畸形示功圖
此種示功圖如圖2.2.15所示。它與正常圖形（虛線所示）相比有以下特點：
① 最高爆發壓力pz與壓縮壓力pc均降低；
② 膨脹線與壓縮線均降低並可能出現波動（因燃油霧化、混合、燃燒變差）；
③ 示功圖面積減小，指示功率降低，但排氣溫度升高。
氣缸內空氣量不足的原因一般是：氣缸漏氣（如活塞環漏氣、排氣閥漏氣）；掃氣空氣供應不足（如氣口堵塞、增壓器進氣濾器堵塞、空冷器堵塞、增壓器汙堵等）；排氣系統受阻；環境狀態變化（如大氣壓力降低、環境溫度升高）等。
需要說明的是，以上分析的是一些常見、典型的畸形示功圖，因其引起畸形的原因單一、特點鮮明，比較容易判斷。而在實際工作中，實測的示功圖線形往往受各種因素的綜合影響而顯得不夠典型，加之測得的圖形尺寸又較小，因此分析和判斷的難度較大。所以在分析示功圖時不要輕易下結論，而應針對具體情況並參考其他測試參數進行綜合分析，抓住主要影響因素、去偽存真，才能得到正確的結論。
四、電子示功裝置
隨著電子技術的迅猛發展，電子示功器的運用逐漸普及，尤其在現代柴油機的監控技術中均採用電子示功器來研究分析柴油機缸內的工作過程。
電子式示功器由傳感器、測量電路和記錄顯示裝置等三大部分組成。它利用電子技術，通過適當的傳感器把柴油機氣缸內的氣體壓力、曲軸轉角等非電量按一定比例轉換成相應的電量輸出，經放大器等中間環節輸送到記錄顯示裝置進行顯示或列印。
在電子示功器中，壓力傳感器是核心環節。不同的壓力傳感器決定著不同的測量電路，因此通常習慣上以壓力傳感器的類別來命名示功器。壓力傳感器的類別有電阻應變式、壓電式、電容式和電感式等，故電子示功器亦分為電阻應變式示功器、壓電式示功器、電容式示功器和電感式示功器等。圖2.2.16為壓電石英壓力傳感器結構圖。
6-引出片；7-套筒
1、2-絕緣體；3-晶體 4-膜片 圖2.2.17 ZCP-1型電子示功器
5-導線；6-引出片；7-套筒
圖2.2.16 壓電石英壓力傳感器
ZCP-1型電子示功器（如圖2.2.17）簡介：
ZCP-1型電子示功器採用可攜式設計，由手持式電子示功器主機（ZCP-1）、氣缸壓力傳感器、燃油噴射壓力傳感器、曲軸轉角傳感器等組成；
ZCP-1型電子示功器採用逐缸採集示功圖的方式，把採集到的示功圖存放在主機的Flash中，待所有氣缸的示功圖測試完成之後，通過USB數據通訊將示功圖上傳至計算機的資料庫，由MIP_System_2009軟體完成數據管理、燃燒分析、報表列印等工作；主機的Flash最多可以存儲90個數據記錄，每個數據記錄最多包含20個氣缸的示功圖測量與分析系統
ZCP-1型電子示功器示功圖測量方式有三種：
（1）精確模式。當電子示功器連接ZCA-2型曲軸轉角傳感器時，實現示功圖的精確測量。 ZCA-2型曲軸轉角傳感器內包含一個測量上止點信號的霍爾傳感器和一個測量盤車齒輪齒數的齒輪傳感器。上止點傳感器獲得第一缸上止點位置，齒輪傳感器測量飛輪的齒脈衝，兩個傳感器的配合工作，有效消除瞬時轉速變化帶來的示功圖測量誤差，實現曲軸轉角位置的精確定位。該模式特別適用於低速柴油機。
（2）一般模式。電子示功器採用ZCA-1型曲軸轉角傳感器， ZCA-1型轉速傳感器是一個測量上止點信號的霍爾傳感器。
（3) 簡易模式。電子示功器不使用曲軸轉角傳感器，實現示功圖的測量。此時，假設柴油機的轉速是均勻的，儀器以適當的採樣速率獲得柴油機氣缸壓力的時域曲線，通過示功圖測量與分析系統對該曲線的處理，獲得示功圖，再利用MIP System 2009軟體中的上止點修正功能確定示功圖的上止點。該模式適用於柴油機工作過程的一般監測。
ZCP-1型電子示功器簡易模式操作說明：
（1）將氣缸壓力傳感器和示功器相連接，打開示功器電源。
（2）在主窗口進入氣缸壓力測量窗口，選擇發動機及氣缸號。
（3）將氣缸壓力傳感器安裝在被測氣缸的示功閥上。
（4）從發動機參數瀏覽窗口選擇進入示功圖測量窗口。待示功器完成零點矯正，顯示示功閥開啟圖標時，打開示功閥，按「Enter」鍵開始採樣。此時示功閥開啟圖標變成採樣圖標。
（5）待採樣圖標變成示功閥關閉圖標時，表示採樣完成，可以關閉示功閥。屏幕顯示採集到的示功圖和示功圖初步分析結果。
（6）改變氣缸號，將氣缸壓力傳感器轉移到下一缸，重複以上步驟。
（7）所有氣缸示功圖測量完畢後，按「Esc」鍵退出測量窗口，進入整機參數計算與顯示窗口，同時測量結果存入示功器的存儲器。
電子式示功器使用注意事項：
（1）注意系統所用電源的要求。
（2）主機中發動機數據要填寫正確（型號、參數、發火間隔角等），否則所測示功圖的相位會偏差。
（3）曲軸轉角傳感器安裝中各螺帽部分應加彈簧墊片，以防振松螺帽造成儀器或人員的意外傷害，上緊時只需將墊片壓平即可，不得過分預緊。安裝時在傳感器對面的飛輪上粘結一塊磁鋼，調整傳感器與磁鋼間隙在2~4mm之間。測量前，固定好轉速傳感器信號線，防止信號線被運動部件捲入造成設備和人身傷害。
（4）電源關閉後應等5秒鐘後才能重新打開，防止由於電源衝擊造成儀器損壞。
（5）使用中要特別重視上止點位置的確定和對壓力傳感器的定期標定，其標定包括壓力值標定和曲柄轉角標定。
（6）防止易燃易爆、腐蝕性液體接觸儀器設備。
（7）儀器使用後應清潔擦乾油跡，放入儀器箱，防止意外碰撞和跌落導致儀器損壞。
電子示功裝置的的特點：
（1）固有頻率高，即具有良好的高頻特性。
（2）靈敏度高，線性好。
（3）易受外界幹擾影響，如電源電壓波動、電磁場幹擾、環境溫度變化等均影響其工作穩定性。
（4）對測量電路要求較高，需設補償裝置。