一種用于內燃機氣缸內溫度測量的高溫熱電偶

摘要:介紹了一種用于氣缸內氣流溫度測量的高溫熱電偶的結構及其設計開發(fā)。并對熱電偶的輻射誤差進行了分析。結果表明，該熱電偶解決了接觸法測量高溫氣流溫度保護殼體材料的困難能準確地測量氣缸內燃氣溫度。
　　內燃機氣缸內燃燒溫度是衡量其性能的重要參數(shù)。它是內燃機燃燒過程及其排放指標的重要表征。隨著高性能內燃機研制的不斷深入。內燃機的強化程度越來越高對內燃機測試技術的要求也越來越高，為了可靠地獲取缸內燃燒溫度的信息。一種精度高的適于氣缸內溫度測量的高溫傳感器。
1高溫傳感器的設計
　　在內燃機的測試技術中,高溫測量是個難點其測量方法主要有兩種方法:接觸法和非接觸法。由于非接觸法測試過程中存在如受環(huán)境溫度的影響、測量復雜、成本高、儀器貴重等許多困難與問題，因此使用常規(guī)的熱電偶測量法。仍是當今最主要的測試手段。而接觸式測量法最大的難題在于耐高溫的保護殼體材料問題。
1.1高溫傳感器的工作條件
　　由于內燃機工作時氣缸內高溫高壓，同時強烈的氣流運動工作條件惡劣要精確地測量氣缸內溫度存在很大的困難因此高溫熱電偶除了要滿足一般熱電偶的性能外,還應滿足如下技術要求:.
1)耐高溫。氣缸內氣流溫度可達2000K以上且溫度分布不均勻溫度梯度大,采用接觸法測量溫度最難解決的難題就是保護殼體的耐高溫問題。
2)結構緊湊。在內燃機的氣缸蓋和氣缸體上都布置有許多零部件，這就給安裝高溫熱電偶帶來了許多困難。因此在設計過程中應盡量減小其阻尼面積為此在保證絕緣的同時，要求熱電偶結構緊湊。
1.2高溫熱電偶的結構設計
　　圖1為設計的高溫熱電偶結構圖。為了滿足測量高溫氣流溫度的技術要求，其設計.上采用了以下主要措施:
 
1)選用能在高溫氣流中穩(wěn)定工作的熱電偶絲材。采用符合ITS-P0國際溫度的鉑銠30-鉑銠B熱電偶，分度號為B.B型熱電偶具有精度高熱電穩(wěn)定性好，測溫上限高等優(yōu)點屬貴重材料;由于室溫下其熱電勢極小(25℃時為-2μV,50℃時為-3μV)故一般不需要參考端的溫度補償同時為了提高測量精度,對熱電偶絲進行靜態(tài)標定。
2)采用高溫晶復合材料熱電偶的保護殼體。
　　長期在高溫環(huán)境下的熱電偶保護殼體的材料應具有耐高溫?？垢g和能承受高溫度沖擊的性能。常用的高溫合金材料GH128的長期工作溫度為950℃,溶點為1340~1390℃,不能滿足設計的要求用GH128制成的氣冷式高溫熱電偶能達到試驗要求但存在較大的導熱誤差。另一種高溫材料高溫金屬陶瓷可在1650℃下長期工作,但這種材料抗氧化性、抗熱沖擊性差一般試驗8~10次就出現(xiàn)裂紋，使用壽命短。對于貴金屬材料作偶絲的熱電偶,成本太高，不宜采用。
　　基于以上幾個方面的考慮該熱電偶選擇了一種簡單的結構。采用了一種新型的高溫材料一高溫晶碳化硅復合氮化硅一-做熱電偶的保護殼體。這種材料具有耐高溫、耐振動、耐熱沖擊和抗氧化性好等特點。用這種殼體組裝的高溫熱電偶，不需要任何冷卻措施可以直接置于高溫燃氣流中進行溫度測量。
3)合理設計偶絲的伸出長度。
　　減小熱電偶的導熱誤差最簡單的方法，就是增大偶絲伸入燃氣流中的長度。一般而言，當長徑比大于10時，導熱誤差較小。導熱誤差暫不予考慮。
　　由于該熱電偶沒有采取任何冷卻措施，大大減小了熱接點的輻射損失和偶絲導熱損失,提高了測溫精度。
2熱電偶的測量誤差分析
　　在穩(wěn)態(tài)的氣流溫度測量中，由于氣流動能的不完全恢復以及傳感器與周圍環(huán)境之間存在著熱交換所以測量中存在著速度誤差和傳熱誤差(輻射誤差和導熱誤差),要準確的測量氣流的溫度，就要確定這些誤差并給予修正。本熱電偶由于其速度誤差和導熱誤差均較小可以不予考慮因此本文主要對熱電偶的輻射誤差加以分析。
　　由于測量端與環(huán)境之間的輻射換熱引起測量端溫度偏離有效溫度的誤差稱為熱電偶的輻射誤差獲得輻射誤差修正值的方法--是采用實驗方法獲得,二是由下式估算輻射誤差的修正值△Tr,
 
　　式中，λf和d分別為燃氣的導熱系數(shù)和熱電偶絲的直徑。根據(jù)手冊可查得導熱系數(shù)λf,努塞爾數(shù)Nu可根據(jù)下式計算
 
3結論
1)試驗表明.用高溫晶復合材料作殼體組裝的溫度傳感器選用性能優(yōu)良的熱電偶絲。且不需要任何冷卻措施，可直接測量內燃機的燃氣溫度。且解決了接觸法測量高溫氣流溫度中的保護殼體材料的難題，可以測量高達1800℃左右的燃氣溫度.
2)介紹的高溫熱電偶.設計中綜合考慮了熱電偶的輻射和導熱誤差并估算了輻射的誤差修正值，在獲取了壁溫T后，能夠較準確的測量內燃機的燃氣溫度。
3)在有條件的情況下，可以對高溫熱電偶進行動態(tài)校驗。用試驗的方法確定傳感器的各項誤差和總誤差。