非常规温度测量方法和传感器原理

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：为了测量非常规性变化的温度，需要响应性较快的瞬间温度测量用传感器。这被认为薄膜传感器的热容量延迟导致的现象。图8-17 燃烧室表面和内部温度2.瞬间热流为了测量高温燃烧气体通过气缸壁向冷却液传递的热量，首先应获得通过气缸壁的热流。第二项是热流的三角函数，通过式求得。

1.瞬间温度探测

燃烧室表面温度T_w，g是周期性变化的非常规温度。为了测量非常规性变化的温度，需要响应性较快的瞬间温度测量用传感器。在内燃机上使用约数+微米厚度薄镀镍层薄膜型瞬间温度探头，如图8-16所示。

为了计算燃烧室壁表面的一维热流，应知道沿着燃烧室壁厚度方向的温度分布，因此需要测量2点以上的温度。为此，测量表面温度和从表面深入4～5mm点的温度。通常壁结构体的温度从表面深入2～3mm也可以获得随时间经过没有变化的正常温度。瞬间温度传感器首先经过把电势换算为温度的检验试验后使用。

图8-16 薄膜型瞬间温度传感器结构

各温度传感器通过交流/直流转换器每1°曲轴转角检测一次温度，1个循环（2转）检测720个信号（数据），并把100个循环中检测的值取平均值，如图8-17所示。

燃烧室表面温度测量位置是距离火花塞19mm的位置。表面温度在每一循环期间发生很大的变化，特别是在上止点（TDC）后的燃烧区间变化特别大。最高表面温度出现在上止点后（ATDC）30℃A位置，约为509K（236℃），这比出现最大压力的上止点后（ATDC）15℃A约迟15℃A左右。这被认为薄膜传感器的热容量延迟导致的现象。但是，从表面距离4mm深度位置处的温度显示为不随时间（曲轴转角）变化的一定的正常温度479K（206℃）。

图8-17 燃烧室表面和内部温度

2.瞬间热流

为了测量高温燃烧气体通过气缸壁向冷却液传递的热量，首先应获得通过气缸壁的热流。因燃烧室表面温度T_w，g为周期性变化的非常规温度，因此热量也以非常规性进行传递。

非常规热流的计算假设在表面上热量仅以垂直方向流动，以下述一维热传导方程式进行。

上述方程的边界条件为：

T（0，t）=T_w（t）

T（L，t）=T（L）=T_L （8.44）

式中，T_w（t）为时间t时燃烧室壁表面的瞬间温度；T（L）（或T_L）为深度L处的正常温度。

为了把气缸壁表面的瞬间温度T_w（t）以边界条件使用，利用傅里叶变换将其转换为连续函数。傅里叶变换是把像试验数据等不连续的数据以级数（周期函数）显示的转换方式，因此任意时间t时壁表面的瞬间温度T_w可以用下述连续函数表示：

式中，平均温度为瞬间温度T_m在一个周期中的平均值；A_n、B_n为傅里叶系数；n为调和数；ω（rad/s）为角速度，分别以下述方程进行计算：

周期为2τ，用曲轴转角表示为720℃A。因此，利用上述方程式解方程式（8.43），可以获得对时间t与壁表面深度x的温度函数T（x，t）。

式中，α为κ/ρc的壁表面材质的热扩散系数。

因此，利用方程式（8.50）在一维假设下导入热传导方程式，展开此方程式可以求得瞬间热传递率，即求得非常规热流。

式中，k_w为壁表面材质的热传导系数；L为壁表面深度4mm。上述方程式的右边第一项和T_L分别为燃烧室壁表面和深度L处每一循环的平均温度，是每一时间唯一对应的值，表示热流的正常状态成分。第二项是热流的三角函数，通过式（8.50）求得。它表示随时间t的非常规状态成分，会受到温度周期函数振幅，即瞬间温度的最高值和最小值之间差异的影响。另外，为了解此方程式，需要指定调和数n，通常取n=30进行计算。

为了计算燃烧室壁表面热流的正常状态成分，需要知道壁表面的平均温度。用瞬间温度传感器检测的温度为非常规温度，因此为了获得平均温度，使用总体均值法如下求出壁表面的平均温度。

式中，N为测量循环数；θ为曲轴转角；i为循环数；T（θ，i）为任意循环和曲轴转角的温度。

非常规温度测量方法和传感器原理

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