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内燃机活塞壁面瞬态温度测量及轴状薄膜热电偶的研制与应用研究

内燃机活塞壁面瞬态温度测量及轴状薄膜热电偶的研制与应用研究

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作者：李艳磊华中科技大学

学位级别：硕士

活塞表面的温度数据是研究内燃机缸内燃烧和传热问题不可或缺的基础数据,但它的测量难度极大。首先,它具有高度的瞬态特性,温度传感器的响应速度必须足够快,才能捕捉到活塞表面的温度变化,传统的温度传感器难以满足要求。为此,本文在深... 详细信息

活塞表面的温度数据是研究内燃机缸内燃烧和传热问题不可或缺的基础数据,但它的测量难度极大。首先,它具有高度的瞬态特性,温度传感器的响应速度必须足够快,才能捕捉到活塞表面的温度变化,传统的温度传感器难以满足要求。为此,本文在深入研究热电偶的测温原理、动态特性、以及加工工艺的基础上,考虑活塞中耐振动、耐高温、便于封装和引线等特殊要求,设计并制作了一款轴状薄膜热电偶。试验结果表明,该轴状薄膜热电偶的塞贝克系数在35μV/℃左右,热电势与冷、热端温差呈现出良好的线性关系。其次,轴状薄膜热电偶与活塞的材料不同,热扩散系数也存在差异,因此,将热电偶埋在活塞中势必会改变活塞原本的传热特性,从而产生引入误差。为了准确评价轴状薄膜热电偶在活塞测温场景中测温性能,定义了响应时间指标和测温精度指标。基于ABAQUS仿真软件对封装在活塞中轴状薄膜热电偶建立了传热分析模型,系统研究了轴状薄膜热电偶基体、热电偶丝、薄膜等重要组件的材料、结构参数和热物性参数对响应时间和测温精度的影响。结果表明,基体材料、热电偶丝材料、金属导通膜密度和比热容对轴状薄膜热电偶的响应时间的影响不大,随着金属导通膜厚度的增加和导热系数的减小而增大。轴状薄膜热电偶的基体材料与待测活塞相同时测温精度最高,测量42Cr Mo材料活塞时应该选用J型热电偶丝。此外,绝缘层和热电偶丝材料的导热系数小于活塞,导致热结点温度偏高,同时导通膜对热结点存在隔热作用,厚度越大隔热作用越大,存在一个最优的导通膜厚度使导通膜的隔热作用可以抵消热电偶的安装引起的温升效应。本文研制的轴状薄膜热电偶最佳导通膜厚度在20μm～50μm之间。静态误差随着导通膜导热系数的增大而降低,与密度和比热容的关系不大;动态误差随着导通膜密度的增大而减小,当导通膜的比热容和导热系数与待测活塞相同时动态误差最小。研究结果可以为轴状薄膜热电偶的结构设计和优化提供理论依据。再者,活塞在密闭的气缸中快速运动,温度信号的传输受到了极大的限制。因此,本文开发了一套基于Wi Fi无线通讯技术的活塞温度遥测系统,工作温度可以达到120℃,采集频率为10KHz。该系统可以将热电偶测量的温度信号实时传输到上位机,并且可以通过上位机控制下位机在睡眠、唤醒、采集等模式间切换,降低系统功耗。

关键词：内燃机活塞温度轴状薄膜热电偶响应时间测温精度无线遥测

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