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油管殘留檢測裝置
第一章 引言
測試的基本任務(wù)是獲取有用的信息。首先是檢測出被測對象的有關(guān)信息，然后加以處理，最后將其結(jié)果提供給觀察者或輸入其他信息處理裝置、控制系統(tǒng)。因此，測試技術(shù)是屬于信息科學(xué)范疇，是信息技術(shù)三大支柱（測試控制技術(shù)、計算技術(shù)和通信技術(shù)）之一。
測量是以確定被測物屬性量值為目的的全部操作。測試技術(shù)具有試驗性質(zhì)的測量，或者可理解為測量和試驗的綜合。人類在從事社會生產(chǎn)、經(jīng)濟交往和科學(xué)研究活動中，都與測試技術(shù)息息相關(guān)。
測試是人類認識客觀世界的手段，是科學(xué)研究的基本方法?？茖W(xué)的基本目的在于客觀地描述自然界?？茖W(xué)定律是定量的定律。科學(xué)探索需要測試技術(shù)，用準確而簡明的定量關(guān)系和數(shù)學(xué)語言來表述科學(xué)規(guī)律和理論也需要測試技術(shù)，檢驗科學(xué)理論和規(guī)律的正確性同樣需要測試技術(shù)?？梢哉J為精確的測試是科學(xué)的根基。
在工程技術(shù)領(lǐng)域中，工程研究、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)監(jiān)督、質(zhì)量控制和性能試驗等，都離不開測試技術(shù)。特別近代工程技術(shù)廣泛應(yīng)用著的自動控制技術(shù)已越來越多的運用測試技術(shù)，測試裝置已成為控制系統(tǒng)的重要組成部分。甚至在日常生活用具，如汽車、家用電器等方面也離不開測試技術(shù)。
定性地觀察物理現(xiàn)象和定量地測定物理量的大小，是物理實驗過程中的主要內(nèi)容。
測量是人類認識和改造物質(zhì)世界的重要手段之一。通過測量，人們可以對客觀事物獲得數(shù)量的概念，通過歸納和分析，總結(jié)出規(guī)律。為了進行測量，必須規(guī)定一些標(biāo)準單位，如在國際單位制中，規(guī)定長度的單位為米，時間的單位為秒，質(zhì)量的單位為千克，電流強度的單位為安培等等。所謂測量是借助儀器把待測物理量的大小用某一選定的單位表示出來，其倍數(shù)即為物理量的數(shù)值。測量值應(yīng)該由數(shù)值和單位組成。
總之，測試技術(shù)已廣泛的應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、國內(nèi)貿(mào)易、國防建設(shè)、交通運輸、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護和人民生活的各個方面，起著越來越重要的作用，成為國民經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的一項必不可少的重要基礎(chǔ)技術(shù)。因而，使用先進的測試技術(shù)也成為經(jīng)濟高度發(fā)展和科技現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。
根據(jù)獲得測量結(jié)果的方法不同，測量可分成兩大類：
1. 直接測量
能夠利用儀器直接讀出物理量的測量值的測量稱為直接測量，相應(yīng)的物理量稱為直接測量量。例如，用電壓表測量電壓，用溫度計測量溫度等。
2. 間接測量
在多數(shù)情況下，借助于一定的函數(shù)關(guān)系，由直接測量通過計算而獲得待測物理量的測量稱為間接測量，相應(yīng)得到的物理量稱為間接測量量。
例如，圓柱的體積V可以用米尺測出它的高H和直徑D，通過 計算。H和D是直接測量量，而體積V則是間接測量。
由于本課題研究的是油管的殘留壓力,該壓力是可通過裝置直接采樣的,無需通過借助一定的函數(shù)關(guān)系計算獲得,因此該壓力測試是直接測量。
第二章 研制目的
柴油機供油系統(tǒng)多參數(shù)的電測量，為研究供油系統(tǒng)噴射特性提供了手段。而且，目前在評估新品開發(fā)設(shè)計的噴油泵和噴油嘴的性能時，也常以多參數(shù)的電測量作為考核項目之一。因此，測量的精確性就顯得越發(fā)重要了。
本所在以往的電測試驗中，出現(xiàn)過油嘴已噴油的工況下，測出的油管壓力低于油嘴開啟壓力的情況。例如在二零零二年八月高速一號泵的電測試驗中，油嘴開啟壓力為12.5MPA，當(dāng)油泵轉(zhuǎn)速為250RPM時，測出的嘴端最高壓力只有11.69MPA。還有，日本VE泵在二零零二年九月的試驗中，油嘴開啟壓力為18.13MPA（185kgf/cm2），在油泵轉(zhuǎn)速為390RPM時，測出的嘴端最高壓力只有17.013MPA（173.6 kgf/cm2）。在上述兩例試驗中，油嘴針閥均已開啟噴油。
產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是什么呢？
本所現(xiàn)有使用的傳感器、信號轉(zhuǎn)換儀、數(shù)據(jù)處理儀、都是具有世界先進水平的儀器。精度很高，隨機誤差很小。這就要考慮是否存在較大的系統(tǒng)誤差，即要從測試方法的角度去考慮了。本所目前一般采用壓電式傳感器測量壓力。壓電傳感器因其機械強度高，體積小，重量輕、高頻特性良好，輸出線性好等優(yōu)點，而被廣泛采用。但當(dāng)被測壓力變化頻率低，變化幅度小時，壓電晶體的電荷量變化難于反映到測量結(jié)果中，即壓電傳感器的低頻特性差。而我們測量的油路中存在這種變化頻率低、幅度小的壓力——高壓油管中的殘留壓力。因此，壓電傳感器是測不出這種壓力的。上面提到的現(xiàn)象極可能是因為測不出殘留壓力而產(chǎn)生的。
在課題立項時，還曾考慮過壓電傳感器靈敏度變化問題，還有高壓油管嘴端壓力與針閥體內(nèi)壓力室的壓力差異問題，是否會對壓力測量精度產(chǎn)生一定的影響。這些都將在下面的論文中予以闡述。
第三章 壓燃式發(fā)動機的燃料噴射裝置概述
燃油噴射裝置是柴油機的一個重要組成部分,在產(chǎn)品改進和新品試制過程中,為了獲得良好的性能指標(biāo),往往需要對燃油噴射系統(tǒng)進行大量的調(diào)試工作.根據(jù)大量實踐表明,對現(xiàn)代柴油機噴射裝置的要求是:
(1) 能精確的控制每循環(huán)的噴射量(并要求每缸等量),并在規(guī)定的時間內(nèi)(噴射持續(xù)角)噴入汽缸,換言之,即要求具有合適的噴油率.
(2) 為了優(yōu)化柴油機的性能、煙度、噪聲和排放,需要具備能隨柴油機負荷和轉(zhuǎn)速變化的、精度為±1℃A的噴油提前角。
(3) 為了將柴油和空氣混合，需要高的噴射壓力，對具有強空氣渦流的直噴式或非直噴式柴油機，最大噴射壓力為30～40MPA，對低渦流直噴式，最大噴射壓力約為45～48MPA，對無渦流直噴式，最大噴射壓力在100MPA以上。
近年來，得到蓬勃發(fā)展的電控噴射系統(tǒng)，在實現(xiàn)要求（2）方面已比常規(guī)的機械液力式噴射裝置顯示出更大的優(yōu)越性，并開辟了將噴油系統(tǒng)控制和運輸車輛控制結(jié)合起來的可能性。
在壓燃式內(nèi)燃機出現(xiàn)早期，燃油噴射是通過高壓空氣實現(xiàn)的。一九二七年，德國博世（BOSH）公司開始專業(yè)生產(chǎn)以螺旋槽柱塞旋轉(zhuǎn)方式調(diào)整供油量的機械式噴油泵，這種噴油泵的工作原理至今仍用于多數(shù)壓燃式內(nèi)燃機的燃料供給系統(tǒng)中。
圖1
如圖1整個燃油系統(tǒng)由低壓油路（油箱、輸油泵、燃料濾請器、）（噴油泵、高壓油管、噴油器）和調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。其核心部分是高壓油路所組成的噴油系統(tǒng)，人們也把這種傳統(tǒng)燃料供給系統(tǒng)稱之為泵-管-嘴系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，噴油泵有柱塞式噴油泵和轉(zhuǎn)子分配式噴油泵兩種。對柱塞式噴油泵，每個柱塞元件對應(yīng)于一個氣缸，多缸內(nèi)燃機所用的柱塞數(shù)和氣缸數(shù)相等且和為一體，構(gòu)成合成式噴油泵；對小型單缸和大型多缸內(nèi)燃機，常采用每個柱塞元件獨立組成一個噴油泵，稱之為單體噴油泵。轉(zhuǎn)子分配式噴油泵是用一個或一對柱塞產(chǎn)生高壓油向多缸內(nèi)燃機的氣缸內(nèi)噴油，這種主要用于小缸徑高速壓燃式內(nèi)燃機上，其制造成本較低。
在上述泵-管-嘴燃料供給系統(tǒng)中，由于有高壓油管的存在，使噴油系統(tǒng)在內(nèi)燃機上的布置比較方便靈活，加上已積累了長期制造與匹配的理論與經(jīng)驗，因此，目前這種系統(tǒng)仍在各種壓燃式內(nèi)燃機上得到廣泛應(yīng)用。但是，也正由于高壓油管的存在，降低了整個燃油供給系統(tǒng)高壓部分的液力剛性，難于實現(xiàn)高壓噴射與理想的噴油規(guī)律，也使這種傳統(tǒng)燃料供給系統(tǒng)的應(yīng)用前景受到一定的限制。為了滿足壓燃式內(nèi)燃機不斷強化及日益嚴格的排放與噪聲法規(guī)的要求，目前正在大力發(fā)展各種高壓、電控的燃料噴射系統(tǒng)，如采用短油管的單體泵系統(tǒng)、泵噴嘴與PT系統(tǒng)、蓄壓式或共軌系統(tǒng)等等。
在目前對于上述各種噴射裝置的研制中，對噴射裝置系統(tǒng)壓力性能有著很高的要求，而油管的殘留壓力，在整個壓力系統(tǒng)中占有十分重要的地位，因此對殘留壓力裝置的研究對整個燃油噴射裝置性能的提高有著十分重要的作用。
3.1噴油過程
壓燃式內(nèi)燃機工作時，曲軸通過定時齒輪驅(qū)動噴油泵旋轉(zhuǎn)，燃油從油箱經(jīng)濾清、輸油泵加壓（約0.1～0.15MPA）到噴油泵的低壓油腔。當(dāng)挺柱體總成的滾輪在凸輪基圓時，柱塞腔與低壓油腔通過進、回油孔聯(lián)通，向柱塞腔供油，噴油泵凸輪軸運轉(zhuǎn)，凸輪推動挺柱體總成克服柱塞彈簧力向上運動。當(dāng)柱塞頂面上升到與進、回油孔上邊緣平齊，進、回油孔關(guān)閉，柱塞腔與低壓油腔隔離。當(dāng)柱塞再向上運動時，柱塞腔內(nèi)的燃油被壓縮，壓力升高。當(dāng)壓力上升到大于出油閥開啟壓力與高壓油管內(nèi)殘壓之和時，出油閥開啟，燃油流入出油閥緊帽進到高壓油管、噴油器體內(nèi)油路及針閥體盛油槽內(nèi)。柱塞繼續(xù)上升，油壓升高，當(dāng)噴油器針閥體盛油槽內(nèi)的油壓達到并超過針閥開啟壓力時，針閥打開，向氣缸內(nèi)噴油。由于柱塞頂面積大，噴油器的噴孔面積小，故噴射過程中壓力繼續(xù)升高。當(dāng)柱塞上升到其斜槽上邊緣與回油孔的下邊緣相聯(lián)通時，柱塞再上升，柱塞腔與低壓油腔相通，燃油流經(jīng)回油孔開啟截面進入低壓油腔，柱塞腔壓力下降。隨后出油閥在彈簧力和兩端油壓的綜合作用下開始下行，當(dāng)減壓凸緣進入出油閥座孔后，出油閥緊帽腔與柱塞腔隔離，使緊帽腔到噴油器所組成的高壓油路內(nèi)保持一定量燃油，出油閥仍繼續(xù)下行到落座。出油閥在落座過程中，由于減壓容積的作用，使高壓油路（出油閥緊帽腔、高壓油管、噴油器體內(nèi)油道、盛油槽容積的總和）中燃油壓力迅速下降。當(dāng)盛油槽內(nèi)的燃油壓力小于針閥關(guān)閉壓力時，針閥落座，噴油停止。由于燃油的可壓縮性與慣性，壓力的傳播與反射，高壓油管內(nèi)的燃油將產(chǎn)生一定的壓力波，壓力波在出油閥緊帽腔到針閥體的盛油槽內(nèi)不斷衰減，趨于一定壓力定值即殘留壓力。上述噴油過程是可用壓力傳感器及位移傳感器和相應(yīng)儀器測出，考慮到測量的方便性和可行性，通常噴油過程試驗僅測出泵端壓力、嘴端壓力、針閥升程和噴油速率隨凸輪軸轉(zhuǎn)角變化關(guān)系。隨后，出油閥落座時，柱塞在凸輪驅(qū)動下繼續(xù)上行到最大行程后，在柱塞彈簧力作用下，沿凸輪下降段下行，在下行過程中，噴油泵不產(chǎn)生泵油作用，至此，完成了一個泵油循環(huán)。在柱塞上升過程中，柱塞從下止點上升到進、回油孔關(guān)閉時所經(jīng)過的距離，稱之為噴油泵柱塞的預(yù)行程，它的大小決定了柱塞在壓油過程中初速度的大小，將影響噴油速率；柱塞封閉進、回油孔開始壓油到柱塞斜槽上邊緣與回油孔相通開始回油所經(jīng)歷的升程，稱之為噴油泵柱塞的有效行程，它的大小與循環(huán)供油量有關(guān)，決定了噴油器循環(huán)噴油量的大小。
從上述噴油過程的概述可知，噴油試驗過程涉及了泵端壓力嘴端壓力。而為了真實獲得這兩個壓力必須與油管的殘留壓力結(jié)合起來。因此油管的殘留壓力是整個噴油過程的一個組成部分，對整個噴射過程有著十分重要的作用。
3.2幾何供油規(guī)律和噴油規(guī)律的定義
幾何供油規(guī)律是指從幾何關(guān)系上求出的油泵凸輪每轉(zhuǎn)一度（或每妙）噴油泵供入高壓系統(tǒng)的燃油量（mm3/（。）泵軸或mm3/s）隨凸輪軸轉(zhuǎn)角ψ（或時間t）的變化關(guān)系。由于它純粹是幾何關(guān)系決定的，因此只要知道柱塞的運動特性即可。
噴油規(guī)律是指在噴油過程中，每秒或每度泵軸轉(zhuǎn)角從噴油器噴出的燃油量隨時間或泵軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系。
3.3噴油器總成
噴油器總成對于柴油機來說，有著非常重要的作用。噴油器總成在發(fā)動機上的安裝及噴油器總成的噴射性能直接影響柴油發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、使用性能及可靠性。噴油器不僅決定著噴霧質(zhì)量、油束與燃燒室的配合，而且影響噴油特性（噴油時刻、噴油延續(xù)時間、噴油規(guī)律），這些都直接影響發(fā)動機的性能指標(biāo)。如果噴油不良，油束和燃燒室配合不好，則混合氣形成惡化，燃燒變壞，性能下降。在新產(chǎn)品的試制過程中，往往需要對噴油器作大量的調(diào)試，才能使柴油機達到設(shè)計指標(biāo)；在使用過程中，常由于噴油器的故障使發(fā)動機性能下降，甚至不能運轉(zhuǎn)。所以噴油器是影響柴油機設(shè)計指標(biāo)和使用性能的關(guān)鍵部件之一。
噴油器總成通過法蘭、壓板和螺套緊固在發(fā)動機的氣缸頭上，它的噴油嘴端深入到發(fā)動機氣缸的燃燒室內(nèi)。噴油器的高壓油道通過高壓油管與噴油泵總成的出油閥接頭相連接，回油油路相互連接直接回到油箱。
噴油器總成的功用是：
1.將一定數(shù)量的具有合適噴射壓力的燃油霧化，以促進燃油在發(fā)動機氣缸內(nèi)的著火燃燒。
2.借助于（或者不借助于）空氣渦流將燃油噴注并力求均勻分布到氣缸的燃燒室內(nèi)，特別對于無渦流的開式燃燒室，噴油器總成的安裝精度是一個很值得重視的問題。一般噴油器總成由噴油嘴偶件、噴油器體、調(diào)壓裝置、油管接頭、緊帽等、部件組成。
當(dāng)高壓燃油經(jīng)高壓油道進入噴油嘴偶件盛油槽部位而壓力積蓄到能克服調(diào)壓彈簧對針閥的壓緊力時，針閥被升起，高壓油進入嘴端的高壓腔經(jīng)噴孔霧化而噴射到氣缸的燃燒室內(nèi)。當(dāng)噴油泵終止泵油，油道內(nèi)壓力降低，針閥受彈簧的壓力而降致針閥座面以關(guān)閉高壓腔，這時燃油不能經(jīng)過噴油孔而進入發(fā)動機氣缸的燃燒室，而燃燒室的燃點也不能進入噴油器體內(nèi)。由于噴油器總成的主要組成是噴油嘴偶件，而噴油嘴偶件又有不同的結(jié)構(gòu)形式，所以噴油器總成也有不同的結(jié)構(gòu)形式。
小發(fā)動機的油嘴開啟壓力較低，而大發(fā)動機的油嘴開啟壓力和關(guān)閉壓力應(yīng)足夠高，以保證噴射終止后針閥能克服燃燒室高壓而落座，否則燃燒室氣體將進入油嘴，使噴孔和針閥積碳而進一步影響燃油的噴射和燃燒。
噴油器中噴油壓力的影響：
在燃油噴射過程中，燃油壓力是變化的。一般講，小型高速柴油機的噴油嘴針閥開啟壓力為12～20MPA，最高燃油壓力是40～60MPA，而大型柴油機噴油嘴針閥開啟壓力為21～30MPA，最高噴油壓力約為80～100MPA以上。噴油壓力直接影響噴油持續(xù)時間和燃油霧化質(zhì)量。如果噴油壓力過低，則燃油霧化不好，而且容易引起燃氣回竄將噴油嘴燒壞。隨著噴油壓力提高，可以使油束出口速度增加，降低油滴的平均直徑，使油滴蒸發(fā)加快，加速油束在空氣中的擴散，使空氣卷入的相對速度增加，同時噴射持續(xù)期縮短，這樣就大大提高了混合氣形成速率，從而改善燃燒性能。
噴油壓力對然油消耗率的影響：
隨著噴油壓力提高，燃油消耗率下降。所以近年來在柴油機上有提高噴油壓力的趨勢，甚至采用高壓噴射。例如在大型柴油機上噴油壓力已提高到100MPA以上，MAN公司的58/64系列柴油機的最高噴油壓力已達130MPA，并打算提高到140MPA，在小型高速柴油機上，由于受到噴油泵強度的限制，最高噴油壓力通常在70MPA以下。應(yīng)該指出，由于最高噴油壓力的出現(xiàn)是瞬時的，因此應(yīng)用平均有效壓力（即在噴油持續(xù)期內(nèi)通過噴孔的平均壓降）來判斷噴油過程的好壞更為合理。隨著平均有效壓力的提高，燃油消耗率和煙度都相應(yīng)下降。
3.4壓力波動的分析
在高速柴油機中，燃油噴射的持續(xù)時間很短，只有15度～35度曲軸轉(zhuǎn)角。在這樣短的時間內(nèi)，噴油泵柱塞變速供油，高壓管路中燃油壓力變化卻很大，在噴油時的最高壓力可以高達30～100MPA，而不噴射時（即在相鄰兩次噴油過程之間），高壓管路中的殘留壓力又很低。由于高壓系統(tǒng)中燃油壓力變化大和變化快的特點，就產(chǎn)生了下面三種現(xiàn)象：
3.4.1燃油的可壓縮性
當(dāng)壓力變化不大時，可以認為液體是不可壓縮的，但在柴油機的燃油系統(tǒng)中，由于壓力變化幅度大，燃油的可壓縮性就必須加以考慮。當(dāng)壓力變化25MPA時，柴油體積約縮小1%，體積變化的數(shù)值不大，但由于每循環(huán)的供油量本身就很?。ㄈ?135G柴油機全負荷時為0.13ml/循環(huán)），而高壓管路中積聚的燃油比每循環(huán)供油量要多得多，這部分燃油被壓縮，噴油器中的壓力升高就要延遲，就會對噴油過程產(chǎn)生較大的影響。燃油的可壓縮性
可用壓縮系數(shù)β表示
m2/N
或?qū)懗?
m2/N
壓力變化愈大或容積愈大，則體積變化也愈大。當(dāng)壓力變化在（2～3）×107Pa時，β=（4～5）×10-10m2/N
壓縮系數(shù)β的倒數(shù)稱為燃油的彈性系數(shù)E
E=（2～2.5）×109 （N / m2）
3.4.2管路的容積變化
高壓油管一般是用厚壁無縫鋼管制成，鋼管是有彈性的，在高壓作用下管子會脹大。當(dāng)油管中壓力變化為△P時，管子內(nèi)徑改變量為：
式中 r—高壓油管的內(nèi)半徑
R—高壓油管的外半徑
u—泊桑系數(shù)，鋼u=0.3
E—彈性模數(shù)，鋼E=2.2×1011 N / m2
由上式可知，壓力變化愈大，管子內(nèi)徑愈大，管子愈長，則容積變化也愈大。
3.4.3管路中的壓力波動
燃油的可壓縮性和管路的彈性，使高壓系統(tǒng)形成一個彈性系統(tǒng)，燃油在高壓系統(tǒng)中的流動也就產(chǎn)生彈性振動。在供油過程中，出油閥開啟之前，柱塞運動僅使泵油室中燃油壓力升高；出油閥開啟的瞬間，在高壓油管靠近噴油泵一端的燃油受到自泵油室來的燃油壓力沖擊，其附近區(qū)域產(chǎn)生局部的壓力升高，出油閥開啟后，柱塞運動將燃油擠向高壓油管。但由于燃油的慣性和可壓縮性，柱塞所排擠的燃油量與高壓油管中流動的燃油量之間不平衡，造成燃油瞬時堆積，使壓力繼續(xù)升高。這種局部壓力的瞬時提高，都以壓力波的形式沿高壓油管向噴油器一端傳播。 傳播的速度就是聲速在這種介質(zhì)中的傳播速度，其值約為1400～1600m/s。這種傳播速度應(yīng)該在純油狀態(tài)下；但在實際情況下其值應(yīng)為700～1200m/s，聲速在傳播中是變化的。
壓力波的傳播情況可作以下說明。當(dāng)出油閥開啟時，高壓油管中靠近噴油泵一端的燃油產(chǎn)生的壓力波向噴油器一端傳播。經(jīng)過L/a（L—高壓油管長度，a—聲速）到達噴油器端。如果第一個壓力波不足以升起針閥，則壓力波全部被反射，向噴油泵端傳播，反射波經(jīng)過L/a到達噴油泵端與該處新產(chǎn)生的壓力波疊加起來，又被反射向噴油器一端傳播。當(dāng)壓力傳播使噴油器端的燃油壓力升高到大于針閥開啟壓力時，針閥即打開，噴油開始，此時，傳至噴油器端的壓力波仍要部分地反射回去。所以，在整個供油過程期間，壓力波往復(fù)傳播多次反射，高壓油管中的壓力也就隨時間和地點而變。在針閥關(guān)閉后，油管中的壓力仍會往返波動，如果這個波動大，有可能使針閥再度開啟，造成不正常噴油，引起燃燒惡化，如果波動不大，由于管壁摩擦阻力和燃料粘性阻尼（內(nèi)摩擦）的作用，壓力波較快衰減，以至在下次供油之前，油管中的壓力可以可以達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時殘留壓力為pr。
由于上述的壓力波動現(xiàn)象存在，使實際噴油過程與柱塞的供油過程很不一致。這也是對油管的殘留壓力進行研究的重要原因之一。
3.5 噴油泵的參數(shù)選擇及其對柴油機性能的影響
提高噴油壓力的措施很多，如增大柱塞直徑；采用較陡的油泵凸輪廓線，提高柱塞供油速度；減少高壓系統(tǒng)的阻力，以減少高壓燃料的能量損失；減小噴孔直徑等。采用高壓噴射后，由于燃燒過程加快，使未燃的碳氫化合物HC的排放明顯減少。燃燒過程加快，就可能采取推遲噴油的措施來降低有害排放物，而又不使燃油經(jīng)濟惡化。但高壓噴射也帶來其它問題，如二次噴射、穴蝕，油泵凸輪疲勞剝落等，需要采取相應(yīng)措施加以解決。以上問題將在下面的文章中予以說明。
噴油泵柱塞和噴油泵凸輪，共同決定著每循環(huán)供油量及幾何供油規(guī)律,它們對柴油機性能的影響主要反映在供油時刻和供油持續(xù)時間（即供油速度）對性能的影響上。供油時刻可由供油提前角予以調(diào)整，而供油持續(xù)時間則和柱塞直徑、凸輪外形等因素有關(guān)。由于本課題主要是對油管的殘留壓力進行研究，所以僅對上述幾個和油管的殘留壓力有關(guān)的特性參數(shù)作簡要描述。
直接影響燃燒性能的是噴油提前角，因為測量噴油提前角必須有一套電氣設(shè)備來測量噴油器針閥開啟時刻，這是動態(tài)測量，比較麻煩，所以平時柴油機測試，就是測量供油提前角，產(chǎn)品說明書上給用戶的提前角的數(shù)據(jù)都是指供油提前角。供油提前角就是噴油泵開始壓油到上止點為止的曲軸轉(zhuǎn)角，是用靜態(tài)法測量，也就是使發(fā)動機處于停車狀態(tài)，憑目力觀察出油管是否冒出燃油來確定供油始點（溢油法），或者從計算進油孔關(guān)閉的時刻來確定。因此，用靜態(tài)法測出的供油提前角與實際噴油提前角之間可能有較大的差別，其差別取決于噴油延遲角θx即
θ=θs+θx
θ—供油提前角
θs—噴油提前角
θx—噴油延遲角
θx 與許多因素有關(guān)。不同轉(zhuǎn)速和高壓油管長度對噴射延遲都有影響，噴油延遲角隨轉(zhuǎn)速升高而增大；當(dāng)油管增長時，由于壓力波傳播的時間增加，使噴油延遲角也隨之加大。
供油提前角對柴油機性能影響很大，主要是影響經(jīng)濟性、壓力升高率Δp/Δψ和最高燃燒壓力。供油提前角過大，則燃料在壓縮過程中燃燒的數(shù)量就多，不僅增加壓縮負功使燃油消耗率增高、馬力下降，而且θ大時由于著火延遲較長，壓力升高率和最高燃燒壓力迅速升高，工作粗暴（可以聽到有清脆的“嘎嘎”震聲），怠速不良，難于起動；如果供油提前角過小，則燃料不能在上止點附近迅速燃燒，后燃料增加，而且噴油后很快燃燒，油氣混合均勻性差。雖然最高燃燒壓力較低，但雖然燃油消耗率和排氣溫度增高，發(fā)動機過熱。所以對每一工況，有一最有利的供油提前角，此時燃油消耗率最低。
最佳供油提前角都是調(diào)試過程中由試驗最后選定。應(yīng)該指出，有些發(fā)動機，特別是增壓發(fā)動機，在最佳供油提前角時最高燃燒壓力較大，為了降低機械負荷，實際選用的供油提前角比最佳值略小一些。
當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)速增加時，一方面噴油延遲角加大，另一方面混合氣形成和燃燒的時間（以秒計）縮短，為了保證在上止點附近燃燒，就需要供油相應(yīng)提前一些，因此，最佳供油提前角是隨柴油機轉(zhuǎn)速升高而增大的。
噴油泵的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是柱塞直徑、柱塞的有效行程、全行程和油泵凸輪廓線等。初步選擇噴油泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)的主要依據(jù)是柴油機的每循環(huán)供油量?？紤]到發(fā)動機可能超載運行，以及柱塞偶件長期使用后因磨損使漏油增加等因素，實際每循環(huán)供油量計算時應(yīng)大25～35%。由于每循環(huán)供油量與柱塞的直徑有關(guān)，所以在確定了每循環(huán)供油量后就可通過相應(yīng)的公式計算出柱塞的直徑。同樣柱塞的有效行程、全行程和油泵凸輪廓線都可通過相應(yīng)的計算和凸輪升程表獲得。
當(dāng)柱塞的直徑增大時，噴油延遲角及噴油持續(xù)時間都減小，但供油速度增大，使噴初期油速率也較大，噴油規(guī)律曲線變高，所以一般說來，柱塞直徑加大經(jīng)濟性好，但運轉(zhuǎn)粗暴。當(dāng)發(fā)動機強化時，每循環(huán)供油量加大，就要特別考慮加大柱塞直徑以縮短噴油延續(xù)時間，改善經(jīng)濟性。同時從改善性能的角度考慮，為了保證迅速燃燒，高速柴油機全負荷時的噴油持續(xù)角不希望大于25℃A，中速柴油機的噴油持續(xù)角不應(yīng)大于30～40℃A，因此也就要求供油持續(xù)角不能過大。供油持續(xù)時間縮短 就要求提高供油速度，可以增加柱塞直徑或增加柱塞速度來提高供油速度。增加柱塞直徑將使驅(qū)動力明顯增加（驅(qū)動力與柱塞直徑平方成正比），而加大柱塞速度又會使柱塞容易磨損及傳動機構(gòu)的動力負荷增大，因此柱塞直徑和柱塞速度要合理選擇，既要有良好的性能，又要保證有足夠的使用壽命。為了保證柱塞有一定的壽命，柱塞最大速度不希望超過2.5～3m/s。選取供油持續(xù)角和在有效行程期間的柱塞平均速度后，噴油泵參數(shù)根據(jù)統(tǒng)計資料或理論公式初步選定后，還要進行試驗，才能最后確定。
在與噴油泵特性有關(guān)的各個參數(shù)中，還有一個與燃油壓力有關(guān)的重要參量。那就是出油閥對燃油壓力的影響。我們可知道，噴油泵的出油閥頭部帶有密封錐面，尾部又有四個銑槽在閥頭與閥尾之間有一個圓柱形的減壓帶，在油管的殘留壓力和彈簧的作用下，使出油閥壓緊在閥座上。這樣，在柱塞吸油行程時，出油閥就阻止高壓油管中的燃油倒流入泵油室，從而保證柱塞有一定的供油量。當(dāng)柱塞壓油時，泵油室中油壓升高，克服彈簧力及油管中的殘留壓力，將出油閥向上壓，一直等到圓柱減壓帶離開閥座導(dǎo)向孔時，才有燃油經(jīng)過銑槽流入高壓油管。柱塞在有效行程結(jié)束時，泵油室中油壓迅速下降，出油閥開始下降。當(dāng)柱形減壓帶進入導(dǎo)向孔時，高壓油管與泵油室即被隔開，此后直到閥面落座，出油閥又下落一距離h（實際h從錐面密封帶算起），這樣，在高壓油管中就突然增加一部分容積，這部分容積使油管中的燃油膨脹，從而使高壓油管中的油壓迅速下降，噴油迅速停止。我們把出油閥使高壓油管中壓力驟然下降的作用稱作出油閥的減壓作用。
借助出油閥的減壓作用可以控制高壓油管中的殘留壓力，由此影響噴油特性。通過合理選擇減壓帶高度h，可以消除噴油器滴油的現(xiàn)象，而出油閥的升程、開啟壓力等也影響燃油噴射過程，所以出油閥對柴油機性能也有一定影響。隨著減壓帶高度的增加，減壓容積加大，由于減壓效果增加而使性能得到改善。
出油閥緊帽的高壓儲油容積在整個高壓系統(tǒng)的容積中占有相當(dāng)?shù)谋戎?，可以通過出油閥緊帽內(nèi)徑的改變或改變減容器尺寸，來改變出油閥緊帽的高壓儲油容積。高壓儲油容積減小，可以減小噴射過程的壓力的波動，提高壓力上升速度，縮短噴油延續(xù)時間，使經(jīng)濟性有所改善。從在供油提前角都相同的情況下的試驗結(jié)果可以看出，由于出油閥高壓儲油容積減小，噴油延遲角也減小，因此，最佳供油提前角也減小。
3.6噴油泵的速度特性校正
當(dāng)噴油泵油量控制機構(gòu)（齒條或拉桿）位置不變時，每循環(huán)供油量隨轉(zhuǎn)速的變化特性稱作噴油泵的速度特性。由于柴油機負荷變化是靠改變供油量來實現(xiàn)，即平均有效壓力（或扭矩）大致與每循環(huán)供油量成正比，所以噴油泵的速度特性直接影響柴油機的速度特性。從噴油泵的速度特性分析可知，每循環(huán)供油量隨轉(zhuǎn)速升高而增加，這是由于進、回油孔的節(jié)流作用而引起的。理論上當(dāng)柱塞上端關(guān)閉進、回油孔時，才開始壓油，實際上當(dāng)柱塞上端面還未完全關(guān)閉油孔時，由于節(jié)流作用，被柱塞排擠的油量來不及通過油孔流出致使泵油室內(nèi)壓力升高，出油閥提早開啟。同樣道理，當(dāng)供油終了，柱塞的斜切槽邊緣開啟油孔通道還不足夠大時，由于節(jié)流作用，泵油室中燃油不能立即流到低壓系統(tǒng)中去，仍維持較高壓力使出油閥延遲關(guān)閉。出油閥的早開和遲閉必然使流向高壓油管的燃油量增多，而轉(zhuǎn)速愈高，柱塞的壓油速度就愈大，泵油室內(nèi)的壓力建立也愈早，壓力下降也愈遲，所以，供油量隨轉(zhuǎn)速升高而增加。
從使用要求和充分發(fā)揮柴油機潛力來看，都需要設(shè)法改變噴油泵的速度特性。目前常用的校正方法有出油閥校正和彈簧校正兩種，針對前面對于噴油泵出油閥壓力特性的描述，現(xiàn)在本文中僅對出油閥校正進行介紹。
出油閥校正目前常用的有兩種形式
3.6.1可變減壓容積
帶有減壓帶的出油閥的油泵，其供油量大體是與柱塞有效排量和減壓容積之差成比例的，如使減壓容積能隨轉(zhuǎn)速而增加，則噴油泵速度特性將變得平坦，當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)速升高時，作用在出油閥下部的燃油壓力及燃油流過通道時速度增大，使出油閥升程加大，在油管中所占的體積也增大。當(dāng)供油終了時，由于節(jié)流作用，流通截面尚未關(guān)閉就已開始減壓作用，轉(zhuǎn)速愈高，節(jié)流作用愈顯著，出油閥的減壓作用愈早，高壓管路中的減壓容積也愈大。在下一次供油時，必須以供油量中的一部分來填滿這一減壓容積后，才能提高油管中壓力，使噴油器噴油。這樣實際上就減少了噴油量，供油量隨轉(zhuǎn)速升高而減少。這種校正閥的缺點是隨轉(zhuǎn)速的升高，噴油延遲比普通出油閥為大，而且變化不規(guī)則，對選用供油提前角自動提前器不利。
3.6.2可變的減壓作用
利用出油閥減壓帶凸緣與出油閥座內(nèi)孔的不同間隙可以得到各種不同的減壓作用，間隙在小油泵上為0.025～0.076mm，在大油泵上可達0.18mm。這種減壓方法在所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)出油閥的升程是一樣的。當(dāng)回油孔打開后，泵端油壓迅速下降到油泵進油壓力（即柴油機輸送泵的出口壓力值），在減壓帶進入出油閥閥座以后，即開始發(fā)生減壓作用，把泵端壓力抽成真空，這時噴嘴端的燃油迅速回流填補，與此同時，由于減壓帶和閥座之間間隙的存在，低壓油腔內(nèi)將可能有一些燃油回流到高壓油管內(nèi)，從而使減壓作用有所削弱。在高速時，由于間隙的節(jié)流作用較大（亦即流體的動力阻力大，出油閥的上下壓差大），出油閥落座迅速，燃油回進高壓油管的現(xiàn)象不明顯，因此基本上完全減壓。在低速時，正相反，由于節(jié)流作用相對較小，出油閥落座時間相對增長，燃油回進高壓油管的現(xiàn)象比較明顯，減壓效果削弱，殘留壓力升高，因此使每循環(huán)的供油量增加。
3.7高壓油管
連接噴油泵和噴油器的高壓油管，承受著高壓脈動負荷及振動，常常發(fā)生高壓油管接頭漏油及油管疲勞震裂等故障。在發(fā)動機設(shè)計中，我們是根據(jù)燃油系統(tǒng)性能要求來確定油管內(nèi)徑、外徑及長度，這對保證良好燃燒及延長噴油嘴使用壽命有重要的作用，由于高壓油管也是整個燃油壓力系統(tǒng)的一個重要組成部分，本課題涉及的也是對高壓油管殘留壓力的研究，因此對高壓油管應(yīng)予足夠的重視。
要求高壓油管在高壓下（100～120MPA）應(yīng)能保證密封，并有良好的抗沖擊負荷及振動能力。高壓油管一般用厚壁鋼管制成，以適應(yīng)高壓工作，為了盡量減少管系因高壓而膨脹，油管外徑是內(nèi)徑的三倍以上。油管在噴油泵及噴油器兩端的防漏結(jié)構(gòu)，目前普遍采用的是沖制的錐形管接頭。為了消除振動的不良影響，在有些發(fā)動機上將油管特別予以夾緊，管子夾頭的最好材料是非金屬的（我所采用的是丁晴橡膠），因為金屬夾頭有時會使管子表面受到損傷。
高壓油管容積是然油高壓系統(tǒng)容積的一部分，如果油管容積大，亦即高壓系統(tǒng)容積大，使噴射時壓力波動影響很大，噴油延遲大，噴油也不易迅速終止，但油管過細，則燃油流動阻力增大。所以油管內(nèi)徑的選擇應(yīng)以燃油在管路中平均流速在20～40m/s的范圍內(nèi)為宜。高壓油管的長度，一般是根據(jù)柴油機總體布置決定。高壓油管尺寸也必須經(jīng)過試驗最后才能選定。油管越長，壓力波傳播的時間也愈長，使噴油更加延遲，而噴油持續(xù)時間基本不變，因此高壓油管長時，最佳供油提前角應(yīng)該更提前一些。多缸發(fā)動機各缸油管長度不相等，使各缸噴油規(guī)律有所差別，這也是影響多缸發(fā)動機工作不均勻的原因之一。隨著油管內(nèi)徑減小，燃油流動阻力增大，使噴油延遲角加大。
3.8壓燃式內(nèi)燃機異常噴射現(xiàn)象
由于供油系統(tǒng)中的高壓容積、高壓油管長度的存在，是產(chǎn)生各種不正常噴射的根源。由于增壓柴油機要求在噴油持續(xù)角基本上和非增壓柴油機差不多的條件下，大幅度地增加每循環(huán)的供油量，因此使泵的供油率、油管內(nèi)的最高壓力均大幅度地增加，隨發(fā)動機工況變化，每循環(huán)供油量的變化幅度也大大增加，從而使各種不正常噴射的情況更加突出的表現(xiàn)出來。大功率增壓柴油機的性能在增壓系統(tǒng)設(shè)計良好的條件下，主要決定于供油系統(tǒng)和燃燒室形狀之間具有良好的配合，因此在研制大功率強化柴油機和高速車用柴油機時，必須對供油系統(tǒng)的各種不正常噴射的情況予以極大的注意。同時由于柴油機在轉(zhuǎn)速和負荷范圍都變化的面工況下工作，噴油系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇既要考慮在高速、大負荷工況，又要考慮在低怠速工況時都能正常工作，兩者對某些結(jié)構(gòu)參數(shù)要求是矛盾的。當(dāng)噴油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇不當(dāng)時，在某些工況可能會出現(xiàn)不正常的噴射，這些通稱為異常噴射現(xiàn)象。這些現(xiàn)象會造成柴油機性能的惡化，如經(jīng)濟性能下降，冒黑煙，排放差，或低速不穩(wěn)定，游車，噴油嘴積碳燒損，噴油系統(tǒng)零件產(chǎn)生穴蝕損壞等等。因此，對匹配優(yōu)良的柴油機不應(yīng)存在這些不正常的噴射現(xiàn)象。在噴油系統(tǒng)與柴油機主機匹配之前，應(yīng)在噴油泵試驗臺上進行先期試驗，測試噴油系統(tǒng)的壓力、針閥升程和噴油規(guī)律，消除這些異常噴射；也可應(yīng)用計算機進行噴油過程的模擬計算，計算出結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴油過程的影響，優(yōu)化匹配方案，消除異常噴射。下面對以上講到的異常噴射情況做簡單描述。
3.8.1二次噴射
二次噴射是指發(fā)生在主噴射結(jié)束之后，噴射終了針閥落座后又第二次開啟向氣缸內(nèi)噴油的現(xiàn)象。二次噴射使整個噴油持續(xù)時間延長，二次噴射的燃油是在較低的壓力下噴入氣缸的，霧化質(zhì)量差，燃燒不完全且噴射偏離上止點附近，后燃嚴重，造成燃油消耗、排煙和排溫升高，性能惡化，零部件過熱甚至噴孔積碳堵塞。
二次噴射出現(xiàn)的工況是在柴油機大負荷、高速運轉(zhuǎn)工況。判斷柴油機有無二次噴射，最直接可靠的辦法是測量針閥升程，也可以通過測取油管嘴端壓力來間接判斷，但值得注意的是嘴端測點至盛油槽的壓力，兩者存在著一定差異。
二次噴射產(chǎn)生的原因是燃油在高壓作用下的可壓縮性和燃油壓力波在高壓油路的傳播與反射。當(dāng)噴油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配不當(dāng)時，主噴射期柱塞供油結(jié)束，出油閥落座，高壓油路的燃油回流；這一膨脹壓力波傳到噴油嘴端，針閥落座，主噴射結(jié)束，同時燃油流回出油閥緊帽；因出油閥已落座，壓力上升，此壓力波再次傳到噴油嘴端時，當(dāng)盛油槽內(nèi)壓力峰值超過噴油器開啟壓力時，針閥二次開啟，向氣缸內(nèi)噴油。
消除二次噴射的方法主要有：
1） 適當(dāng)增大等容出油閥的減壓容積，減小高壓油路容積，如縮短高壓油管長度、減小內(nèi)徑、減小出油閥緊帽腔容積等等。其目的是在一定油管峰值壓力下，出油閥減壓容積與高壓油路容積有一個合適的比值，限制主噴射后壓力波傳播和反射的峰值。
2） 在保證噴霧質(zhì)量的前提下，適當(dāng)增大噴孔總面積。噴油速度的加快將使油管峰值壓力有所下降。
3） 增大出油閥彈簧剛度和開啟壓力。開啟壓力增大，使本來由于進油孔的節(jié)流可以進入高壓油管的附加油量減少，從而每循環(huán)供油供油量減少，油管內(nèi)最高壓力減??；彈簧剛度增大，使出油閥落座速度加快，兩者都有助二次噴射的消除。
4） 對油管壓力峰值較高的噴油系統(tǒng)，上述措施難以優(yōu)化綜合性能，可采用等壓出油閥或阻尼出油閥等結(jié)構(gòu)。
3.8.2穴蝕
上述消除二次噴射的措施往往會促成穴蝕破壞發(fā)生。在高壓油路中，當(dāng)測試的油壓為零時，可能會出現(xiàn)零壓或真空。當(dāng)油壓突降到其相應(yīng)溫度的飽和蒸汽壓（1～3KPA）時，高壓油路中會產(chǎn)生油的蒸汽泡。在噴油過程的一個循環(huán)中，壓力是變動的。當(dāng)油壓達到一定值時，氣泡將破裂，氣泡連續(xù)產(chǎn)生和破裂的過程，將會造成能量的驟變。若氣泡破裂過程的能量達一定數(shù)值，對金屬表面形成沖擊而導(dǎo)致疲勞損壞，稱為穴蝕現(xiàn)象。在中、小功率柴油機中，高壓油路中的殘壓有可能常常為零。甚至真空，但不一定產(chǎn)生穴蝕；反過來穴蝕一定是由氣泡潰滅過程產(chǎn)生。因此，在采取一些消除二次噴射措施的同時，應(yīng)合理選擇參數(shù)，防止穴蝕的發(fā)生，如出油閥減壓速度不能過大等等，這在高壓噴射中需特別注意。
3.8.3滴油現(xiàn)象
這里講的不是因噴油器針閥密封不良造成的滴漏，而是在針閥密封正常的情況下，噴射終了仍可能有燃料自噴嘴流出，流出速度很低（形似漏油），燃油不霧化，結(jié)集在噴孔處容易結(jié)碳，使噴孔堵塞。滴油現(xiàn)象特別在噴孔面積較大，出油閥減壓作用不夠時發(fā)生。因此可采用增加彈簧剛度減小針閥直徑以及減小噴孔面積，提高油管壓力適當(dāng)增大減壓容積的辦法來解決。
此外，滴油現(xiàn)象的存在，從時間概念上表明，在回油孔打開后針閥是以小的落座速度緩慢地在關(guān)閉，因而有可能在落座過程中當(dāng)噴油器內(nèi)的壓力低于氣缸燃氣壓力時，針閥還沒有完全落座，燃氣就擠開燃油進入噴油器內(nèi)，從而導(dǎo)致過熱，噴油嘴結(jié)焦等故障，因而消除滴油現(xiàn)象和前述的二次噴射，同樣也為防止燃氣回竄創(chuàng)造了條件。
3.8.4不穩(wěn)定噴射
在噴油過程中，對一固定的拉桿（或齒桿）位置和噴油泵轉(zhuǎn)速，理論上每循環(huán)噴油量應(yīng)是恒定的。在正常噴油過程中，每循環(huán)噴油量也是基本不變的。但是，在某些工況（特別是低怠速工況），當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配不當(dāng)時，循環(huán)供油量不斷變動，各循環(huán)噴油規(guī)律也有差異，這種現(xiàn)象稱之為不穩(wěn)定噴射，也稱不規(guī)則噴射。對于不穩(wěn)定噴射，測量針閥升程和噴油歸律可以明顯判定，如針閥開啟不足，針閥的跳動無一定的規(guī)律，造成每循環(huán)噴油量的變動；更為嚴重的是有的循環(huán)針閥不能開啟，產(chǎn)生隔次噴射現(xiàn)象。造成這些現(xiàn)象的原因是高速、大負荷時，為提高噴油速率而采用高噴射壓力，為防止二次噴射而采用較大的出油閥減壓容積，但在低怠速工況時，循環(huán)供油量少，柱塞有效供油行程小，漏油增多，油壓低，高壓油路中減壓過度，且燃油有一定壓縮量，這些因素造成高壓油路系統(tǒng)殘壓降低并產(chǎn)生波動，從而使循環(huán)噴油量產(chǎn)生變動。用孔式噴油嘴，在低怠速工況下，容易出現(xiàn)不穩(wěn)定噴射。除在與主機匹配事合理選擇噴油系統(tǒng)參數(shù)，防止不穩(wěn)定噴射外，采用兩級開啟壓力的雙彈簧噴油器，可以改善低怠速的不穩(wěn)定噴射。低怠速運轉(zhuǎn)時，噴油 壓力低，僅能使噴油器達第一級開啟壓力（一般為14～16MPA），針閥升程不大于0.1mm。這樣，針閥上下運動的泵吸作用也減少，針閥穩(wěn)定在此升程下噴油，故噴油穩(wěn)定。當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)速和負荷增大，壓力增高，達第二級開啟壓力時，進入噴油器的正常工作狀態(tài)。采用等壓出油閥也可改善低怠速工作的穩(wěn)定性。
以上就是對燃油噴射系統(tǒng)作的簡單描述。
第四章 測量控制系統(tǒng)概述
信息總是蘊涵在某些物理量之中，并依靠它們來傳輸?shù)?。這些物理量就是信號。就具體物理性質(zhì)而言，信號有光電信號、光信號、力信號，等等。其中，電信號在變換、處理、傳輸和運用等方面，都有明顯的優(yōu)點，因而成為目前應(yīng)用最廣泛的信號。各種非電信號也往往被轉(zhuǎn)換成電信號，而后傳輸、處理和運用。
在測試工作的許多場合中，并不考慮信號的具體性質(zhì)，而是將其抽象為變量之間的函數(shù)關(guān)系，特別是時間函數(shù)或空間函數(shù)，從數(shù)學(xué)上加以分析研究，從中得出一些具有普遍意義的理論。這些理論極大地發(fā)展了測試技術(shù)，并成為測試技術(shù)的重要組成部分。這些理論就是信號的分析和處理技術(shù)。
一般說來，測試工作的全過程包含著許多環(huán)節(jié)：以適當(dāng)?shù)姆绞郊畋粶y對象、信號的調(diào)理、分析與處理、顯示與記錄，以及必要時以電量形式輸出測量結(jié)果。
因此，測試系統(tǒng)的大致框圖可以用后圖來表示：
測試者
顯示記錄
信號處理
傳
輸
信號整理
傳感器
被測對象
信號整理
被測對象
圖2
應(yīng)當(dāng)指出，并非所有的測試系統(tǒng)都具備圖2中所有環(huán)節(jié)，尤其是虛線連接的環(huán)節(jié)和傳輸環(huán)節(jié)。實際上，對環(huán)節(jié)與環(huán)節(jié)之間都存在著傳輸。圖中的傳輸環(huán)節(jié)是指較遠距離的通訊傳輸?？陀^事物是多樣的。測試工作所希望獲取的信息，有可能已載于某種可檢測的信號中，也有可能尚未載于檢測的信號中。對于后者，測試工作就包含著選用合適的方式激勵被測對象，使其產(chǎn)生既能充分表征其有關(guān)信息便于檢測的信號。事實上，許多系統(tǒng)的特征參量在系統(tǒng)的某些狀態(tài)下，可能充分地顯示出來；而在另外一些狀態(tài)下確可能沒有顯示出來，或者顯示得很不明顯，以至于難于檢測出來。因此，在后一種情況下，要測量這些特征參量時，就需要激勵該系統(tǒng)，使其處于能夠充分顯示這些參量特性的狀態(tài)中，以便有效地檢測載有這些信號的信號。傳感器直接作用于被測量。并能按一定規(guī)律將被測量轉(zhuǎn)換成同種或別種量輸出。信號調(diào)理環(huán)節(jié)。把來自傳感器的信號轉(zhuǎn)換成更適合于進一步傳輸和處理的形式。這時信號轉(zhuǎn)換，在多數(shù)情況下是電信號之間的轉(zhuǎn)換。
例如將幅值放大，將阻抗的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化或?qū)⒆杩沟淖兓D(zhuǎn)換成頻率的變化等等。信號處理環(huán)節(jié)接受來自調(diào)理環(huán)節(jié)的信號，并進行各種計算、濾波分析將結(jié)果輸至顯示記錄或控制系統(tǒng)。信號顯示、記錄環(huán)節(jié)，以檢測者易于認識的形式來顯示測量的結(jié)果，或?qū)y量結(jié)果存貯，供必要時使用。在所有這些環(huán)節(jié)中，必須遵循的基本原則是各環(huán)節(jié)的輸出量與輸入量之間保持一一對應(yīng)和盡量不失真的關(guān)系，并必須盡可能的減小或消除各種干擾。
從以上的各測量環(huán)節(jié)的相互關(guān)系中我們可以知道,任何測量儀器都是由感受件、中間件、效用件組成的.下面我們再對這三個元件作一下簡單的描述.
A.感受件
它直接與被測對象發(fā)生聯(lián)系(但不一定直接接觸),感知被測參數(shù)的變化,同時對外界發(fā)出相應(yīng)的信號。
作為儀器的感受件必須滿足下述三個條件:
(1) 它必須隨被測參數(shù)的變化而發(fā)生相應(yīng)的內(nèi)部變化(這個內(nèi)部變化就是傳感器的輸出信號)。如熱電偶的一端受熱后，因金屬的熱電效應(yīng)而產(chǎn)生熱電勢。
(2) 它只能隨被測參數(shù)的變化而發(fā)出信號（即不受其它任何參數(shù)的影響）。如熱電偶產(chǎn)生電勢的大小只隨溫度而變化，其它如壓力等參數(shù)的變化不引起電勢的改變。
(3) 感受件發(fā)出的信號與被測參數(shù)之間必須是單值的函數(shù)關(guān)系（即一個確定的信號只能與參數(shù)的一個值相對應(yīng)）。例如，不能用水的密度變化來測量+4℃左右的溫度，因為在這種情況下水的同一個密度大小可以代表兩個不同的溫度。
實際上，這三個條件是難以完全得到滿足的，特別是其中第（2）項條件。因此，任何傳感器都不可能是十全十美的，它都受一定使用條件的限制。如在使用上不加以注意，就會得出錯誤的測量結(jié)果。
B.中間件
最簡單的中間件是“單純”起傳遞作用的元件，它將傳感器的輸出原封不動地傳遞給效用件。這種單純的傳遞件一般只有當(dāng)傳感器輸出的信號較強，感受件與效用件之間的距離不大或效用件的靈敏度很高（或消耗的能量很?。r才有可能采用。
在近代的內(nèi)燃機測試工作中，都要求實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中觀測、遙測和自動記錄。所以大多數(shù)測量儀器的中間件還必須完成“放大”、“變換”和“運算”任務(wù)。
儀器的放大件有兩類：一類是感受件發(fā)出的信號較強，放大時不需外加能量，它只利用杠桿、齒輪等機械構(gòu)件擴大指針和標(biāo)尺之間的相對位移，使之易于觀測，如機械式示功器中的杠桿、彈簧管壓力計中的杠桿和扇形齒輪傳動機構(gòu)。
另一類放大是需要外加能量的，這在電測儀器中用得很多，例如用電子電位計測量熱電勢時，就要將電勢放大十萬倍才能足以驅(qū)動伺服電機帶動指針作出指示。這類放大在電測儀器中利用電子器件來完成。
有時，為了放大信號的需要，或改變傳感器輸出信號性質(zhì)的需要，在電測儀器的測量電路中設(shè)有信號“變換器”和“運算器”。
C.效用件
它直接與觀測者發(fā)生聯(lián)系，其作用是根據(jù)傳感器輸出信號的大小向檢測者顯示被測參數(shù)在數(shù)量上的大小。最簡單而常見的儀器效用件是指示件，它通過標(biāo)尺和指針（或液面、光線等）的相對位置來反映被測參數(shù)的瞬時值，有這種效用件的儀器也就被稱作指示儀器。效用件能將被測參數(shù)變化歷程記錄下來的儀器稱為記錄式儀器。在記錄式儀器中，除了以記錄筆的運動來反映被測參數(shù)的變化外，還需要另一個作相應(yīng)運動的部件，這樣才能作出函數(shù)的圖形。在現(xiàn)有的條件下此類部件已被打印機等顯示輸出設(shè)備所代替。
記錄式儀器所能反映的是被測參數(shù)在各個瞬時的變化情況，但有時需要知道被測參數(shù)對時間的積分。例如，在測定流量時，不僅要知道流量的瞬時值，而且還要知道在某個時間間隔內(nèi)流過的總流量，如以Q表示瞬時流量（m2/s），則就是從時間t1到t2間隔內(nèi)流過的總流量，但這畢竟比較麻煩，為此可以使儀器的效用件自己進行積分，這樣的測量儀器稱積分式累計儀器，如流量計、電度表等。
此外，按照效用件的功能來分類的還有：數(shù)字式儀器、信號式儀器、電接觸式儀器、調(diào)節(jié)式儀器，等等。
測量儀表按其用途可分為范型儀表和實用儀表兩類。
范型儀表是準備用以復(fù)制和保持測量單位，或是用做進行各種測量儀表校驗和刻度工作的儀表。這類儀表的準確度很高，對它保養(yǎng)和使用有較高的要求。
實用儀表是供實際測量使用的儀表，它又可分為實驗室用儀表和工程用儀表。前者必須要提供關(guān)于它們讀數(shù)的校正曲線或數(shù)值表，使用時應(yīng)考慮周圍環(huán)境對示值的影響（如溫度、壓力、磁場、振動等）。其測量結(jié)果具有較高的準確度，后者并不需要校正資料，它們的準確度是預(yù)先根據(jù)其結(jié)構(gòu)、制造和運用條件定出。對它的要求是動作迅速、使用簡單、可靠，其測量結(jié)果能滿足工程測量誤差所允許的范圍。
隨機信號的描述：
對隨機信號的特點研究可以看出，隨機信號是不能用確定的數(shù)學(xué)關(guān)系來描述的，不能預(yù)測其未來的任何瞬時值，任何一次檢測值只代表在其變動范圍中可能產(chǎn)生的結(jié)果之一，但其值的變動服從統(tǒng)計規(guī)律。描述隨機信號必須用概率和統(tǒng)計的方法。對隨機信號按時間歷程所作的各次長時間觀測記錄為樣本函數(shù)。樣本函數(shù)在有限時間上的部分稱為樣本記錄。在同一試驗條件下，全部樣本函數(shù)的信號（總體）就是隨機過程。隨機過程的各種平均值（均值、方差、均方值和均方根值等）是按集合平均來計算的。集合平均的計算不是沿某個樣本的時間軸進行，而是將集合中所有樣本函數(shù)對同一時刻的觀測取平均。為了與集合平均相區(qū)別，把按單個樣本的時間歷程進行平均的計算稱為時間平均。隨機過程有平穩(wěn)過程和非平穩(wěn)過程之分。所謂平穩(wěn)隨機過程是指其統(tǒng)計特征參數(shù)不隨時間變化的隨機過程，否則為非平穩(wěn)隨機過程。在平穩(wěn)隨機過程中，若任一單個樣本函數(shù)的時間平均統(tǒng)計特征等于該過程的集合平均統(tǒng)計特征，這樣的平穩(wěn)隨機過程叫各態(tài)歷經(jīng)過程（遍歷性）隨機過程。工程上所遇到的很多信號具有各態(tài)歷經(jīng)性，有的雖不是嚴格的各態(tài)歷經(jīng)過程，但也可以當(dāng)作各態(tài)歷經(jīng)隨機過程來處理。事實上，一般的隨機過程需要足夠多的樣本函數(shù)（理論上應(yīng)為無限多個）才能描述它，而要進行大量的觀測來獲取足夠多的樣本函數(shù)是非常困難或做不到的。實際的測試工作常把隨機信號按各態(tài)歷經(jīng)過程來處理，進而以有限長度樣本記錄的觀察分析來判斷，估計被測對象的整個隨機過程。也就是說：在測試工作中常以一個或幾個有限長度的樣本記錄來判斷整個隨機過程，以其時間平均來估計集合平均。隨機信號廣泛存在于工程技術(shù)的各個領(lǐng)域中。確定信號一般是在一定條件下出現(xiàn)的特殊情況，或者是忽略了次要的隨機因素后抽象出來的模型。測試信號總是受到環(huán)境噪聲污染的。故研究隨機信號具有普遍、現(xiàn)實的意義。綜上所述，加上對燃油噴射裝置壓力系統(tǒng)的分析可以知道。油管殘留壓力測試裝置所測的油管殘留壓力，同樣也是隨機信號。
以上就是對測量控制系統(tǒng)的概述。
第五章 殘留壓力測量裝置的研制
壓力和流量等流體參量的測量，在眾多工程領(lǐng)域中都具有十分重要的意義。
各種壓力和流量測量裝置盡管在原理或結(jié)構(gòu)上有很大差別，但它們的共同特點是都有中間轉(zhuǎn)換元件，以便把流體的壓力、流量等參量轉(zhuǎn)換為中間機械量，然后再用相應(yīng)的傳感器將中間機械量轉(zhuǎn)換成電量輸出。這種中間轉(zhuǎn)換元件對測量裝置的性能有著重要的影響。另一個特點是壓力和流量測量中，測量裝置的測量精度和動態(tài)響應(yīng)不僅與傳感器本身及由它所組成的測量系統(tǒng)的特性有關(guān)，而且還和由傳感器、連接管道等組成的流體系統(tǒng)的特性有關(guān)。
在非電量測試技術(shù)中，首先遇到的是將各種非電量變換為電量，我們稱能夠完成這種變換功能的裝置為傳感器。
傳感器是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。如果沒有傳感器對原始參數(shù)進行精確可靠的測量，那么無論是信號轉(zhuǎn)換或信息處理，或者最佳數(shù)據(jù)的顯示與控制都是不可能實現(xiàn)的。
傳感器也可以認為是人類感官的延伸，因為借助傳感器可以去探索那些人們無法用感官直接測量的事物，例如，用熱電偶可以測得熾熱物體的溫度；用超聲波探測器可以測量海水深度；用紅外遙感器可從高空探測地面上的植被和污染情況，等等。因此，可以說傳感器是人們認識自然界的有力工具，是測量儀器與被測事物之間的接口。
在工程上也把提供與輸入量有給定關(guān)系的輸出量的器件，稱為測量變換器。傳感器就是輸入量為被測量的測量變換器。
傳感器處于測試裝置的輸入端，其性能將直接影響著整個測試裝置的工作質(zhì)量。
5.1殘留壓力測量裝置的原理
為了精確地測定高壓油管中的殘留壓力，我們在查閱了大量資料的基礎(chǔ)上，并參照噴油泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計了一種專門用于測量殘留壓力的測量裝置。柱塞二開有二百四十度的環(huán)槽，并通過一隊圓錐直齒輪與油泵凸輪軸同步轉(zhuǎn)動，柱塞套上裝有壓力表和應(yīng)變式傳感器。當(dāng)油泵與殘留壓力測量裝置連接的那一缸即將進入供油狀態(tài)時，柱塞的密封面將測量油路與油泵高壓油路切斷。供油結(jié)束后，柱塞上的環(huán)槽使得測量油路與高壓油管相同。這樣，壓力表和傳感器就采集到了供油結(jié)束時期高壓油管中的殘留壓力。可以從壓力表的表盤上直接讀取壓力數(shù)值，也可以以此觀察壓力的變化趨勢。由傳感器采集、信號轉(zhuǎn)換儀轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理儀記錄下來的壓力波形，可以得到在一定工況下，一段凸輪軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)壓力波動的情況。可見這兩種記錄方式各有所長。
5.2相位調(diào)整
要測量與油泵某一缸連接的高壓油管的殘留壓力；需先轉(zhuǎn)動油泵凸輪軸，將該缸轉(zhuǎn)到供油始點位置；再將殘留壓力測量裝置轉(zhuǎn)到附圖1（b）所示的位置。然后，將油泵試驗臺動力輸出端與殘留壓力測量裝置傳動軸的一端、殘留壓力測量裝置傳動軸的另一端與油泵凸輪軸，用聯(lián)軸節(jié)連接起來。這樣，就把殘留壓力測量裝置的相位與油泵的相位對應(yīng)起來了。
5.3測量線路
測量殘留壓力所作用的傳感器是應(yīng)變式傳感器。導(dǎo)體受機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。應(yīng)變式傳感器就是用以上原理工作的。
對于大多數(shù)作為應(yīng)變片金屬絲的材料來說，其電阻絲電阻變化率 在彈性范圍內(nèi)可用下式表示：
式中k為常數(shù)，其值約在.1.6～3.6之間；ε= 為應(yīng)變。
此式表示金屬電阻絲電阻變化率 與應(yīng)變ε成線性關(guān)系，而應(yīng)變靈敏系數(shù)k即為此直線的斜率，這就是電阻應(yīng)變片測量應(yīng)變的理論基礎(chǔ)。
半導(dǎo)體應(yīng)變片最突出的優(yōu)點是靈敏系數(shù)高，根據(jù)不同的半導(dǎo)體材料，ks=30～175，它比常用的金屬絲電阻應(yīng)變片的靈敏數(shù)系（一般k=2）大幾十倍，于是在應(yīng)變片的應(yīng)用上提供了很大方便。此外，如機械滯后小，橫向效應(yīng)小以及它本身的體積小等優(yōu)點，擴大了它的使用范圍。
但半導(dǎo)體應(yīng)變片目前還存在如下缺點：
（1） 溫度穩(wěn)定性差。不僅因為半導(dǎo)體材料的電阻溫度系數(shù)大，而且它的靈敏系數(shù)隨溫度的變化而有相當(dāng)大的