一种内燃机活塞温度无线实时测量系统及安装方法

本发明专利涉及发动机及测试相关，更具体地，涉及一种内燃机活塞温度测量。

背景技术：

1、内燃机是将热能转化为机械能的动力设备，其结构紧凑、输出功率大、稳定可靠，是热效率最高的移动动力装置，被广泛应用于车辆、船舶等各个领域。在内燃机中，活塞作为一个“心脏”部件，发挥着热功转换、流场组织、燃烧组织等关键作用。但活塞的工作条件非常苛刻，与高温燃气(2500k)直接接触，且经受着交变热应力和交变机械应力的耦合作用，易出现烧蚀、开裂、拉缸等机械故障，测量活塞温度是评价其热负荷与可靠性的重要基础。

2、而温度测量主要可分为接触式测温与非接触式测温两类。非接触式测温虽然响应速度快，且可以测量完整的活塞顶面温度场，但受到火焰、碳烟的辐射影响，其测量误差很大；并且受限于设备体积，无法在狭小空间内正常使用。对于活塞顶面的温度测量而言，选择通过接触式测温来进行更佳，其中热电偶是最佳选择。

3、针对内燃机活塞温度测量问题，如何设计热电偶的结构，热电偶如何在高速往复运动且安装空间狭窄的活塞上进行安装，保证其在高温高压的恶劣环境下可靠稳定的工作，成为一个难点。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于活塞温度测量的热电偶及布置方案，其目的在保证测量可靠性和稳定性，为发动机缸内燃烧和传热问题的研究提供基础数据。

2、对于内燃机活塞温度无线实时测量系统，包括位于缸内活塞销座下方的无线信号发射器，位于缸套下方的数据接收天线，以及位于缸外的无线信号接收器。温度传感器感知待测活塞表面的温度，将温度信号转化为待测电压信号，所测得的电压信号传输至缸内无线信号发射器，经数据发送天线通过433mhz无线通信，将待测点温度、冷端温度等信号发送至数据接收天线，数据接收天线将数据传输至缸外无线信号接收器，并有线传输至上位机，最终在上位机中完成温度数据的实时显示。

3、按照本发明的一个方面，提供了一种适用于内燃机活塞温度测量的热电偶，包括热电偶丝和铠装套筒，铠装套筒包括大头端和小头端，大头端安装于高温燃气侧。通过大头端和小头端中间面承载活塞内高温燃气的压力，同时起到密封作用，防止高温燃气从活塞和热电偶间的缝隙窜出。

4、进一步地，铠装套筒呈阶梯形或锥形。采用阶梯形时，通过大头端和小头端中间轴肩承载活塞内高温燃气的压力，进行密封。

5、进一步地，对于组合式活塞，大头端圆周面为螺纹结构或者光面结构，对于整体式活塞，大头端圆周面为光面结构。大头端圆周面为螺纹结构的热电偶，通过螺纹与活塞固定连接，密封性更好，活塞运动过程中热电偶不容易脱出；大头端圆周面为光面结构的热电偶，通过按压式安装，安装过程中不需要进行旋转拧紧，避免热电偶延长线缠绕损坏，适用于整体式活塞。

6、进一步地，铠装套筒与活塞材料保持一致，保证铠装套筒和待测活塞的导热系数一致，减小测量误差。

7、进一步地，热电偶为接壳式热电偶，铠装套筒端面壁厚由热电偶铠装套筒材料决定，对钢制铠装套筒端面壁厚最小为0.5mm，对铝制铠装套筒端面壁厚最小为1mm。该壁厚可避免活塞顶面高压燃气造成保护套的压溃，同时避免测点与活塞顶面待测点偏差较大，造成测量精度降低。

8、进一步地，铠装套筒顶面形状应不破坏活塞待测点原有表面结构，避免铠装式热电偶装入活塞后造成活塞顶形状结构变化而引起内燃机燃烧性能的变化。

9、进一步地，由于热电偶在油道中反复冲刷，为保障热电偶结构可靠性，加工时热电偶测温接点与铠装套筒之间抗拉强度大于20n，避免热电偶测温接点与铠装套筒的连接处发生脱落。

10、进一步地，在热电偶安装时，需要提前在铠装套筒表面涂抹耐高温陶瓷胶，再将热电偶装入。一方面，防止热电偶随活塞高速运动时因惯性飞出，另一方面，陶瓷胶也保证一定的密封效果，避免高温燃气通过铠装套筒和活塞安装孔之间缝隙窜出。

11、为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，还提供了一种适用于活塞温度测量的热电偶安装方法，其特征在于，在活塞表面加工热电偶安装孔，将热电偶安装至活塞表面，热电偶延长线由活塞顶进入活塞内部并连接至缸内无线信号发射器。

12、对于整体式活塞，当温度传感器测点可以避开油道孔时，通过加工与热电偶铠装套筒结构相配合的长安装孔，使热电偶直接到达活塞内部，从而避免热电偶伸入油道影响润滑油流量，同时避免热电偶在油道内的润滑油的震荡环境中引起脱落等电气故障。当温度传感器无法避开油道孔的热电偶测点，如活塞环岸测点处，则通过加工短安装孔，使热电偶延长线进入油道，并在热电偶测点位置附近加工堵头孔，热电偶延长线在油道孔内走线，从堵头孔处引出。

13、对于组合式活塞，热电偶延长线通过通油孔，从活塞外振荡腔进入内振荡腔。在活塞顶和活塞裙之间安装保护套管，热电偶延长线从活塞顶进入套管后，从活塞裙处引出。

14、具体的，热电偶延长线贴振荡腔壁面布置，并采用耐高温环氧树脂胶固定，避免因活塞振荡及润滑油冲刷导致热电偶损坏。

15、进一步地，为了顺利地将热电偶延长线从活塞顶引出至活塞裙部，避免因活塞振荡及润滑油冲刷导致热电偶损坏，在活塞顶和活塞裙部之间设置有保护套管，热电偶延长线从保护套管中穿过。

16、具体的，保护套管由顶部螺纹、中间套管、底部螺纹及挡圈构成。

17、进一步地，在活塞顶水滴状凸起处加工螺纹孔，将保护套管顶部螺纹连接至活塞顶，在活塞裙处安装三脚固定支架，三脚固定支架中间加工安装孔，将保护套管底部螺纹连接至三脚固定支架中间，三脚固定支架三个脚与活塞裙部连接。通过三脚固定支架，保护套管受到的横向冲击，会转移至活塞裙处的连接处，从而提高保护套管抗冲击性能。

18、此外，还可设计为保护套管为外螺纹结构，热电偶延长线穿过保护套管。在活塞裙内振荡腔外侧加工螺纹孔，与保护套管外螺纹相配合，从而固定保护套管。此方法加工简单，但对热电偶延长线和套管同轴度要求很高。

19、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的用于瞬态温度测量的一种适用于活塞温度测量的热电偶及安装方法，主要具有以下有益效果：

20、(1)提出了一种适用于活塞温度测量的热电偶，包括热电偶丝和铠装套筒，铠装套筒包括大头端和小头端，大头端安装于高温燃气侧。通过大头端和小头端中间面承载活塞内高温燃气的压力，同时起到密封作用，防止高温燃气从活塞和热电偶间的缝隙窜出。

21、(2)一种适用于内燃机活塞温度测量的热电偶的安装方法，根据不同的活塞类型，提出了不同的安装方法及相配合的工装，保证了热电偶在恶劣环境下稳定可靠地工作。

技术特征：

1.一种适用于内燃机活塞温度测量的热电偶，其特征在于，包括热电偶丝和铠装套筒，其特征在于，所述铠装套筒包括大头端和小头端，所述大头端安装于高温燃气侧。

2.根据权利要求1所述的一种适用于内燃机活塞温度测量的热电偶，其特征在于，对于组合式活塞，大头端圆周面为螺纹结构或者光面结构，对于整体式活塞，大头端圆周面为光面结构。

3.根据权利要求1所述的一种适用于内燃机活塞温度测量的热电偶，其特征在于，铠装套筒与待测活塞材料保持一致。

4.根据权利要求1所述的一种适用于内燃机活塞温度测量的热电偶，其特征在于，热电偶为接壳式热电偶，铠装套筒端面壁厚由铠装套筒材料决定，对钢制铠装套筒端面壁厚最小为0.5mm，对铝制铠装套筒端面壁厚最小为1mm。

5.根据权利要求1所述的一种适用于内燃机活塞温度测量的热电偶，其特征在于，所述铠装套筒端面形状应不破坏活塞待测点原有表面形状。

6.权利要求1所述的一种适用于内燃机活塞温度测量的热电偶的安装方法，其特征在于，包括如下步骤：在活塞表面加工热电偶安装孔，将热电偶安装至活塞表面，热电偶延长线由活塞顶进入活塞内部并连接至缸内无线信号发射器。

7.根据权利要求6所述的一种适用于内燃机活塞温度测量的热电偶的安装方法，其特征在于，对于整体式活塞，根据活塞温度测量点位置，当热电偶可以避开油道孔时，活塞上加工长安装孔，使热电偶延长线直接到达活塞内部；当热电偶无法避开油道孔时，活塞上加工短安装孔，使热电偶延长线进入油道，并在热电偶延长线出油道位置加工堵头孔，热电偶延长线在油道孔内穿过，从堵头孔处引出。

8.根据权利要求6所述的一种适用于内燃机活塞温度测量的热电偶的安装方法，其特征在于，对于组合式活塞，热电偶延长线通过通油孔，从活塞外振荡腔进入内振荡腔，再进入活塞顶和活塞裙之间设置的保护套管，最后从活塞裙处引出。

9.根据权利要求8所述的一种适用于内燃机活塞温度测量的热电偶的安装方法，其特征在于，还包括如下步骤：所述保护套管包括顶部螺纹、中间套管、底部螺纹及挡圈，在活塞顶水滴状凸起处加工螺纹孔，将保护套管顶部螺纹连接至活塞顶，在活塞裙处安装三脚固定支架，三脚固定支架中间加工安装孔，将保护套管底部螺纹连接至三脚固定支架中间，三脚固定支架三个脚与活塞裙部连接。

10.根据权利要求8所述的一种适用于内燃机活塞温度测量的热电偶的安装方法，其特征

技术总结本发明公开了一种适用于内燃机活塞温度测量的热电偶,热电偶包括热电偶丝和铠装套筒，铠装套筒包括大头端和小头端，大头端安装于高温燃气侧。通过大头端和小头端中间面承载活塞内高温燃气的压力，同时起到密封作用，防止高温燃气从活塞和热电偶间的缝隙窜出。本发明还公开了一种适用于内燃机活塞温度测量的热电偶的安装方法，对于整体式活塞，针对活塞测温点位置选择不同安装方式，对于组合式活塞，在活塞顶和活塞裙部之间设置有保护套管，热电偶延长线从保护套管中穿过，保证了热电偶在高温高压的恶劣环境下可靠稳定的工作。技术研发人员：杨灿,成晓北,梁珈琨,董喆受保护的技术使用者：华中科技大学技术研发日：技术公布日：2025/1/6