CN104018976A - 一种发动机提前点火角快速精确定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种发动机提前点火角快速精确定位方法，通过测量活塞在气缸中的即时位置与其位于上死点时位置之间的距离来得到此时对应的发动机曲轴转角，用于在安装磁电机时确定磁电机转子与发动机曲轴之间的角度位置关系，且与发动机实际工作的工况无关，可快速精确定位。本发明解决了传统方法对活塞式发动机提前点火角的定位误差较大、误差可达3-6°的问题，可将定位误差降低至0.1°，操作简单、测量结果完全不受操作者的主观判断等个人因素影响。

Description

一种发动机提前点火角快速精确定位方法

技术领域

本发明涉及一种航空器维修技术，特别是一种发动机提前点火角快速精确定位方法，可快速精确定位活塞发动机提前点火角。 

背景技术

在目前的通用航空界，活塞式发动机仍获得较为广泛的应用。为提高点火系统的可靠性，在航空活塞式发动机上普遍采用双磁电机点火方式。在实际工程实践中，对磁电机在发动机附件传动系上的安装定位需要预先确定并将发动机曲轴置于压缩行程上死点前规定的提前点火角位置。在各型航空活塞发动机的维修规范中，发动机制造商均对其发动机上的磁电机安装角容限做出了明确的规定。至于如何确定发动机曲轴正好处于规定的提前点火位置，各型发动机均提供了目视参考标线的方法，就是在发动机上某一与曲轴位置有关的旋转部件上画出刻度线（动标线），并在发动机壳体等适当部件的静止位置上划出参考标线（静标线），确定提前点火角的时候先使规定气缸的活塞处于压缩行程上死点前，然后按照发动机正常的旋转方向缓慢转动曲轴并观察动、静标线在规定的位置对正即可。 

这种传统定位方法的效果在很大程度上受操作者视线观测方向的不同以及操作者个人的主观判断等因素影响，所以这种传统定位方法的定位效果必定是不确切和不精确的，但由于缺乏更精确测量工具或测量方法来进行定位操作或对实际定位效果进行验证，所以工程实践中都是在目视检查参考标记对正的基础上以是否满足发动机厂家在技术规范中规定的单磁调转量来判断磁电机是否安装正确。所以在工程上经常会出现在发现磁电机工作性能有异常时检查磁电机安装角则往往发现实际安装角与自己判断的提前点火角差异较大的情况，所以在工程实践中技术人员往往认为这是由于上次安装后磁电机在工作过程中磁电机安装角度发生了偏移。而实际上经研究证实并非磁电机的安装位置发生了偏移，而是这种传统定位方法的固有缺陷（受操作者视线观测方向和操作者个人主观判断等因素影响）所引起的定位误差过大所致。 

发明内容

本发明提供一种对航空活塞式发动机的提前点火角进行快速精确定位的方法，针对解决目前在通用航空维修工程上安装磁电机时使用传统方法对提前点火角进行定位存在精度不高、综合误差大的缺点，适用于采用磁电机点火的航空活塞式发动机，本方法可在安装磁电机时快速精确确定磁电机转子与发动机曲轴之间的角度位置关系，与发动机实际工作时的工况无关。 

本发明的一种发动机提前点火角快速精确定位方法，技术方案包括： 

（一）步骤一，推导曲轴提前角与活塞行程之间的关系式：

定义曲轴提前角t为压缩行程中的活塞在上、下死点之间任意位置时开始按发动机正常的旋转方向至活塞到达压缩行程上死点这段时间内曲轴转过的角度；定义活塞行程X为在任意时刻活塞离开上死点后的即时位置与其位于上死点时位置之间的距离。

设曲轴旋转中心为O，设曲柄长度为OA、连杆长度为AB，推导出活塞行程X与曲轴提前角t之间的关系为式（1），即： 

cos(t)=1+(X²-2*AB*X)/(2*OA*(OA+AB-X))

在式（1）中，除自变量X外，曲柄OA和连杆AB的值尚未可知，所以式（1）尚不能确定曲轴提前角t与活塞行程X之间的函数关系。曲柄OA和连杆AB都在发动机内部，其长度数据不可直接测量；但对于一台已经投入实用的发动机而言，曲柄OA和连杆AB都是定值，而且对于同型号的发动机而言，这些数据也是相同的，所以在一台发动机上获得了曲柄OA和连杆AB的长度数据后就可以采用式（1）在所有同型号的发动机上通过测量活塞行程X计算出的曲轴提前角t。所以获取待测型号发动机的曲柄OA和连杆AB长度数据是关键。 

（二）步骤二，通过测量活塞行程X获取待测型号发动机的曲柄长度OA和连杆长度A B的数据： 

本步骤通过测量待测型号发动机的特征数据后计算出该型号发动机的曲柄长度OA和连杆长度AB数据。方法如下：

1)    测量活塞全行程

定义活塞全行程X_max为活塞在上、下死点之间运动距离的最大值。

设活塞为B；旋转曲轴，随活塞向上死点运动测出活塞B与电嘴安装孔M之间距离的最小值BM_min，此时活塞位于上死点；继续旋转曲轴，活塞离开上死点，随活塞向下死点运动测出活塞与火花塞安装孔M之间距离的最大值BM_max，此时活塞位于下死点；则有： 

X_max=BM_max-BM_min

2)    确定曲柄长度OA

OA=X_max/2

3)    确定连杆长度AB：

定义曲轴的半行程角H为当活塞位于半行程位置时开始按发动机正常的旋转方向到活塞到达压缩行程上死点这段时间内曲轴转过的角度。

旋转曲轴，当活塞从下死点向上死点运动至活塞全行程的1/2即X_max/2时开始，测量按发动机正常旋转方向至活塞到达压缩行程上死点期间曲轴转过的角度，该角度就是半行程角H；则有： 

AB = X_max /(4* cos(H)) 

（三）步骤三：曲轴提前角t与活塞行程X之间的函数关系：

得出曲柄长度OA和连杆长度AB的值后，在式（1）中OA和AB均成为常量，将其代入式（1）后就确定了曲轴提前角t与活塞行程X之间的函数关系t=f(X)=arccos(1+(X²-2*AB*X)/(2*OA*(OA+AB-X)))；

（四）、步骤四：实际工程应用

1）查询该型发动机的维修操作手册获取该型发动机规定的提前点火角T；

2）转动曲轴，连续测量活塞行程X，计算出曲轴提前角t；

3）随曲轴的转动，当曲轴提前角t等于需要的提前点火角T时停止转动曲轴，此时曲轴即停在指定的提前点火位置，则提前点火角定位完成。

在当前的航空活塞式发动机维修规范中，每种型号的发动机其生产厂家都会在维修操作手册中给出该型发动机的提前点火角数据，也就是某一特定的曲轴提前角t；在实际工程应用中，转动曲轴，连续测量活塞行程X，即可通过函数关系t=f(X)来得到连续的曲轴提前角t；当t=T时停止转动曲轴，此时曲轴停下的位置就是所需的提前点火角位置。 

本说明书中所使用公式的推导过程如下： 

1）当活塞B位于上死点时，设活塞与曲轴旋转中心O之间的距离为L₁，则L₁等于曲柄长度OA与连杆长度AB两者之和，即L₁=OA+AB；

2）活塞行程X是指在任意时刻活塞离开上死点后的即时位置与其位于上死点时位置之间的距离；当活塞B离开上死点后，B与曲轴旋转中心O之间的距离OB= L₁-X，则X =L₁-OB=(OA+AB)- OB；可得：

OB=L₁-X=(OA+AB)-X，即式（a）；

在△OAB中，由余弦定理可得：

AB²=OA²+OB²-2*OA*OB*cos(∠AOB) ，即式（b）；

由曲轴提前角定义，知∠AOB=t，与式（a）一并代入式（b），得：

cos(t)=1+(X²-2*AB*X)/(2*OA*(OA+AB-X)) ，即式（c）；

由于式（c）中除自变量X外还有曲柄长度OA和连杆长度AB暂时也为未知数，在得到确定的曲柄长度OA和连杆长度AB之前式（c）还不能确定曲轴提前角t与活塞行程X之间的函数关系t=f（X）；

3）曲柄长度OA

当活塞位于下死点时，设活塞与曲轴旋转中心O之间的距离为L₂，则L₂为曲柄长度OA与连杆长度AB两者之差，即L₂= AB-OA；

活塞全行程X_max是活塞在上、下死点位置之间的距离，则：

X_max=L₁-L₂= (OA+AB)-( AB-OA)=2*OA，则：

曲柄长度OA =X_max/2，即式（d）；

4）连杆长度AB：

当活塞位于上死点时曲轴旋转中心O与活塞之间的距离OB=AB+OA；当活塞位于下死点时曲轴旋转中心O与活塞之间的距离OB=AB-OA，所以OB的取值范围是[AB-OA,AB+OA]。由于OA>0，所以当活塞在上、下死点间运动时，必有一个位置可以使OB=AB成立，此时△OAB 为等腰三角形，则此时活塞的即时行程X的值为：

X= L₁-OB=(OA+AB)-OB =(OA+AB)-AB=OA，

将X=OA代入公式（c）可得cos(t)= OA/(2* AB)，

由于曲柄长度OA=X_max/2，可知此时活塞处于全行程的一半，即半行程位置，按照曲轴半行程角的定义可知此时的曲轴提前角t等于半行程角H，则有： 

AB =OA/(2* cos(H)) = X_max /(4* cos(H)) ，即式（e）；

由于半行程角H是可以测量得出的，而且对于已经制造出来的发动机而言半行程角H是个定值，这就可以由式（e）计算出连杆长度AB；

5）函数关系式：

得出曲柄长度OA和连杆长度AB的值后式（c）中OA和AB均成为常量，这时式（c）就确定了函数关系t=f（X），即

t=f(X)=arccos(1+(X²-2*AB*X)/(2*OA*(OA+AB-X)))

经论证函数关系t=f（X）是连续函数；由连续函数的性质可知，活塞在往复运动中任意位置时的行程X与曲轴提前角t是一一对应的，所以只要在转动曲轴的过程中连续测出活塞的行程X即可由函数关系t=f（X）计算出对应的曲轴提前角t。

当曲轴提前角t等于该型发动机指定的提前点火角T时，停止转动曲轴，此时曲轴即停在指定的提前点火位置。 

通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果： 

本发明所提出的可快速精确定位活塞发动机提前点火角的方法，针对性地解决了采用传统方法对活塞式发动机的提前点火角进行定位时定位效果在很大程度上受操作者视线观测方向以及操作者个人主观判断等因素的影响而导致定位误差大的问题，采用本方法后定位误差主要取决于对活塞行程X的测量精度，实际测试结果显示当对活塞行程X的测量精度为0.1mm时点火角定位误差可减小至0.3°，相对于采用传统方法定位时3-6°的定位误差，本发明能够将定位精度提高10-20倍，测量结果完全不受操作者的主观判断等个人因素影响且方便快速、操作简单。

本说明书中采用的术语含义定义如下： 

1.上死点 也称上止点，是活塞运动到气缸顶部运动速度为零时的位置，该位置时活塞距离曲轴旋转中心最远，是活塞由向上运动转变为向下运动的分界点。

2.下死点 也称下止点，是活塞运动到气缸底部运动速度为零时的位置，该位置时活塞距离曲轴旋转中心最近，是活塞由向下运动转变为向上运动的分界点。 

3.活塞行程 从活塞当前位置开始至活塞运动到上死点为止活塞运动的距离。 

4.提前点火角 从提前点火时刻开始按发动机正常的旋转方向到活塞运动到压缩行程上死点这段时间内曲轴所转过的角度。 

5.磁电机安装角 从磁电机开始发出点火脉冲的时刻起按发动机正常的旋转方向到活塞到达压缩行程上死点这段时间内曲轴转过的角度，是磁电机在发动机上安装以后发动机的实际提前点火角。 

6.曲轴提前角 活塞在压缩行程中上、下死点之间任意位置时开始按发动机的正常旋转方向至活塞到达压缩行程上死点为止这段时间内曲轴转过的角度。 

7. 半行程角 当活塞位于活塞行程的1/2位置（半行程位置）时开始按发动机正常的旋转方向至活塞到达压缩行程上死点为止这段时间内曲轴转过的角度。 

8.单磁调转量 在双磁电机工作状态将发动机转速稳定在规定值，然后关闭一台磁电机检查在仅有一台磁电机工作的情况下发动机转速的下降量。 

附图说明

图1是活塞发动机各部分的装配关系图。图中显示出了活塞发动机各部分的装配关系，活塞处于上死点位置。 

图2是活塞处于上、下死点之间任意位置时各部件的位置关系。 

图3是活塞处于下死点时各部件的位置关系。 

上、下死点是活塞在气缸中往复运动的行程终点。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本专利进一步解释说明。但本专利的保护范围不限于具体的实施方式。 

实施例1 

本实施例为使用本专利的方法对某一型号的航空活塞发动机进行提前点火角定位的实施效果。

1.    确定函数关系： 

1)    测量活塞全行程X_max：

a)         经火花塞孔M中向气缸内伸入探杆，尽量保持探杆与气缸轴线平行；

b)        转动曲轴，测出探杆伸入气缸内的最小值BM_min，得BM_min=18.25mm；

c)        继续转动曲轴，测出探杆伸入气缸内的最大值BM_max，得BM_max=127.22mm；

d)        由X_max=BM_max- BM_min计算出活塞全行程X_max=108.97mm；

2)    计算出曲柄OA=X_max/2=54.48mm；

3)    确定连杆长度AB：

a)         继续转动曲轴，使活塞行程X由X_max减小至X_max/2，即探杆伸入气缸的长度为X_max/2+ BM_min=72.73mm；

b)        该型发动机上安装的螺旋桨与曲轴转速比例为1:1，在螺旋桨桨叶上固定一数显测角仪，将测角仪置零；

c)        继续转动曲轴直至活塞行程X=0，即使探杆伸入气缸内的长度为最小值BM_min=18.25mm；

d)        记录测角仪上显示的在该过程中发动机曲轴转过的角度为80.5°，此角度为曲轴的半行程角H；

e)         由式AB = X_max /(4*cos(H)) 得出连杆长度AB=165.06mm；

4)    确定函数关系：

a)         将OA和AB的值代入式cos(t)=1+(X²-2*AB*X)/(2*OA*(OA+AB-X))；

b)        得出在该型发动机上活塞行程X与曲轴提前角t之间的函数关系为：t=f(X)=arccos(1+(X²-330.12*X)/(108. 97*(219.54-X)))；

2.    运用该函数关系对该型号发动机的提前点火角进行快速精确定位

1)    查该型发动机的维修操作手册知该型发动机规定的提前点火角T为20°；

2)    使待测气缸处于压缩行程； 

3)    在火花塞孔M中向气缸内伸入探杆，尽量保持探杆与气缸轴线平行；

4)    按发动机正常旋转方向转动曲轴，使探杆伸入气缸的长度等于22.6mm 时由式X=BM-BM_min得活塞即时行程X=22.6-18.25=4.35mm，由已确定好的函数关系式t=f(X)=arccos(1+(X²-330.12*X)/(108. 97*(219.54-X)))可计算出此时曲轴提前角t=20°；

3.    误差分析

1)    重复上述测量与数据确定过程3次，所得数据如下表：

2)  

3)  采用第三次确定的数据重复定位3次，所得数据如下：

4)  

5)  控制在20±1°范围内的合格率为100%；误差产生的根源主要在于测量探杆伸入气缸内的长度时产生的误差，减小误差的途径在于提高对探杆伸入长度测量的精度。

实施例2 

本实施例为使用本专利的方法对另一型号的航空活塞发动机进行提前点火角定位的实施效果。

1.  确定函数关系： 

1)    测量活塞全行程X_max：

a)   经火花塞孔M中向气缸内伸入探杆，尽量保持探杆与气缸轴线平行；

b)   按螺旋桨正常旋转方向转动曲轴，测出探杆伸入气缸内的最小值BM_min，得BM_min=21.36mm；

c)        继续转动曲轴，测出探杆伸入气缸内的最大值BM_max，得BM_max=120.43mm；

d)        由式X_max=BM_max- BM_min计算出活塞全行程X_max=99.07mm；

2)    计算出曲柄OA=X_max/2=49.54mm；

3)    确定连杆长度AB：

a)         继续转动曲轴，使活塞行程X由X_max减小至X_max/2，即探杆伸入气缸的长度为活塞半行程X_max/2+ BM_min=49.54+21.36=70.9mm；

b)        该型发动机上安装的螺旋桨与曲轴转速比例为1:1，在螺旋桨桨叶上固定一数显测角仪，将测角仪置零；

c)        继续转动曲轴直至活塞行程X=0，即使探杆伸入气缸内的长度为最小值BM_min=21.36mm；

d)        记录测角仪上显示的在该过程中发动机曲轴转过的角度为81.2°，此即为曲轴半行程角H；

e)         由式AB = X_max /(4* cos(H))得出连杆长度AB=161.89mm； 

4)    确定函数关系：

a)         将OA和AB的值代入式cos(t)=1+(X²-2*AB*X)/(2*OA*(OA+AB-X))；

b)        得出在该型发动机上活塞行程X与曲轴提前角t之间的函数关系为：t=f(X)=arccos(1+(X²-323.78*X)/(99.07*(211.43-X)))；

2.    运用该函数关系对该型号发动机的提前点火角进行快速精确定位

1)    查该型发动机的维修操作手册知该型发动机规定的提前点火角T为24°；

2)    使待测气缸处于压缩行程；

3)    经火花塞孔M中向气缸内伸入探杆，尽量保持探杆与气缸轴线平行；

4)    按正常的旋转方向转动曲轴，当探杆伸入长度为26.91mm时由式X=BM-BM_min得活塞即时行程X=26.91-21.36=5.55mm，由已标定好的函数关系式cos(t)= 1+(X²-323.78*X)/(99.07*(211.43-X))可计算出此时的曲轴提前角t=24°，停止转动曲轴，此位置即为待寻找的曲轴提前角；

3.    误差分析

1)    重复上述测量与数据确定过程3次，所得数据如下表：

2)  

3)  采用第三次确定的数据重复定位3此，所得数据如下：

4)  

5)  控制在24±1°范围内的合格率为100%；误差产生的根源主要在于测量探杆伸入气缸内的长度时产生的误差，减小误差的途径在于提高对探杆伸入长度测量的精度。

对比例1 

本对比例为使用传统方法对实施例1的航空发动机进行提前点火角定位的实施效果。

该型发动机采用在与曲轴固定在一起的起动大齿轮盘上刻蚀的动标线和在起动机壳体上刻蚀的圆点进行对正来确定提前点火角。 

该型发动机规定的提前点火角是20°。采用的对比方法是使3位不同的操作者采用传统方法将发动机曲轴设定到其认为正确的提前点火角（20°）上，然后对每位操作者的设定结果用新方法（探杆法）进行验证。经3次设定和验证，得出的数据如下表： 

每一次使用新方法（探杆法）进行验证后，最终曲轴所停留位置用传统方法从某一个观测方向来观察动、静标线仍然是对正的。可见传统定位方法的效果在很大程度上受操作者视线观测方向的不同以及操作者个人的主观判断等因素影响，最终误差较大，控制在20±1°范围内的合格率仅为1/3。而新方法的定位效果是确切的，不受操作者个人的主观判断等因素影响。

对比例2 

本对比例为使用传统方法对实施例2的航空发动机进行提前点火角定位的实施效果。

该型发动机采用在与曲轴存在一定传动比的一附件传动小齿轮盘上刻蚀的动标线和在发动机机壳体上刻蚀的圆点进行对正来确定提前点火角。 

该型发动机规定的提前点火角是24°。采用的对比方法是使3位不同的操作者采用传统方法将发动机曲轴设定到其认为正确的提前点火角上，然后对每位操作者的设定结果用新方法（探杆法）进行验证。经3次设定和验证，得出的数据如下表： 

每一次使用新方法（探杆法）进行验证后，最终曲轴所停留位置用传统方法从某一个观测方向来观察动、静标线仍然是对正的。可见传统定位方法的效果在很大程度上受操作者视线观测方向的不同以及操作者个人的主观判断等因素影响，控制在24±1°范围内的合格率仅为1/3。而新方法的定位效果是确切的。同时由于该型发动机的动标线刻蚀在小齿轮上，尽管该齿轮与曲轴存在一定传动比对应关系，但由于该齿轮直径较小，导致使用传统方法进行定位时误差被放大；而新方法则完全不受这种影响。

Claims (1)

1.一种发动机提前点火角快速精确定位方法，其特征是包括如下过程：

（一）步骤一，推导曲轴提前角与活塞行程之间的关系式：

定义曲轴提前角t为压缩行程中的活塞在上、下死点之间任意位置时开始按发动机正常的旋转方向至活塞到达压缩行程上死点这段时间内曲轴转过的角度；定义活塞行程X为在任意时刻活塞离开上死点后的即时位置与其位于上死点时位置之间的距离；

设曲轴旋转中心为O，设曲柄长度为OA、连杆长度为AB，推导出活塞行程X与曲轴提前角t之间的关系为式（1），即：

cos(t)=1+(X²-2*AB*X)/(2*OA*(OA+AB-X))

（二）步骤二，通过测量活塞行程X获取待测型号发动机的曲柄长度OA和连杆长度A B的数据：

方法如下：

测量活塞全行程

定义活塞全行程X_max为活塞在上、下死点之间运动距离的最大值；

设活塞为B；旋转曲轴，随活塞向上死点运动测出活塞B与电嘴安装孔M之间距离的最小值BM_min，此时活塞位于上死点；继续旋转曲轴，活塞离开上死点，随活塞向下死点运动测出活塞与火花塞安装孔M之间距离的最大值BM_max，此时活塞位于下死点；则有：

X_max=BM_max-BM_min

确定曲柄长度OA

OA=X_max/2

确定连杆长度AB：

定义曲轴的半行程角H为当活塞位于半行程位置时开始按发动机正常的旋转方向到活塞到达压缩行程上死点这段时间内曲轴转过的角度；

旋转曲轴，当活塞从下死点向上死点运动至活塞全行程的1/2即X_max/2时开始，测量按发动机正常旋转方向至活塞到达压缩行程上死点期间曲轴转过的角度，该角度就是半行程角H；则有：

AB = X_max /(4* cos(H)) 

（三）步骤三，曲轴提前角t与活塞行程X之间的函数关系：

得出曲柄长度OA和连杆长度AB的值后，在式（1）中OA和AB均成为常量，将其代入式（1）后就确定了曲轴提前角t与活塞行程X之间的函数关系t=f(X)=arccos(1+(X²-2*AB*X)/(2*OA*(OA+AB-X)))；

（四）、步骤四，实际工程应用

1）查询该型发动机的维修操作手册获取该型发动机规定的提前点火角T；

2）转动曲轴，连续测量活塞行程X，计算出曲轴提前角t；

3）随曲轴的转动，当曲轴提前角t等于需要的提前点火角T时停止转动曲轴，此时曲轴即停在指定的提前点火位置，则提前点火角定位完成。