热电偶在发动机台架标定的应用

邹小松，何贝贝

（柳州五菱柳机动力有限公司，广西 柳州545005）

发动机在做台架标定时，很多地方需要用到热电偶来监测温度，比如需要用到热电偶测量进气温度来修正进气模型，测排气温度和三元催化温度来标定排温保护模型。如果热电偶使用不当，不但会使试验数据失真，影响工程师的正确分析判断，使发动机无法得到最优的性能标定，严重的话还会导致发动机在试验过程中发生安全事故。

1 热电偶的工作原理

热电偶的工作原理是：两种不同成分的导体两端经过焊接、形成回路，直接测温端叫测量端，接线端子端叫参比端。当测量端和参比端存在温差时，就会在回路产生热电动势，接上显示仪表，仪表上就显示出热电偶所产生的热电动势的对应温度值。热电偶的热电动势将随着测量端温度升高而增长，热电动势的大小只和热电偶导体材质以及两端温度有关，和热电极的长度、直径无关（如图1所示）。

图1 热电偶工作原理图

2 热电偶的选择

热电偶的种类和大小很多，需要根据试验要求选择热电偶。对于热电偶的精度和类型，一般选择K型I精度的热电偶，基本上能够满足所有发动机台架标定的测量要求。热电偶的粗细也需要注意，一般来说热电偶越粗响应时间越慢，越细响应时间越快，另外还考虑到热电偶的安装可能影响到气体流量变化，原则上安装的热电偶越细越好。一般来说，在发动机进气系统上面布置直径1mm的热电偶，而在排气系统上面可根据需要布置直径1.5 mm~3 mm的热电偶。

3 热电偶的安装

安装位置的选择应具有代表性，必须根据试验目的，准确选择测温点，才能给试验提供准确的测量值。例如测量发动机的排气温度，如果仅仅需要标定发动机的排温模型或者监控排温是否超过限制，那测温点就应该选择各缸排气歧管结合后三元催化器前的位置；如果我们需要测量发动机各缸排温的均匀性，那测温点就应该选择在各缸排气歧管结合前的位置，但是需要注意各缸测量点到汇总处的距离均一致。下表是一台带EGR阀自然吸气发动机做台架标定时需要加装的温度传感器的测温点位置选择。

表1 热电偶在发动机上的测温点

在热电偶安装时，测量端应处于能够真正代表被测介质温度的位置。在发动机试验中，主要以测量管道内的气体或者液体为主，应使热电偶测量点尽可能靠近其中心位置，以减少测量误差。一般情况下，热电偶的安装应尽量与管道保持垂直，如图2.但在流速较快的情况下，热电偶必须倾斜安装，倾斜45°最佳，且与介质流动方向相逆，如图3；在条件允许的情况下，应尽量安装在管道的弯曲处，如图4[1]。为了保证测量结果的真实可靠，热电偶应有足够的插入深度。最少不小于热电偶保护管外径的10倍[1]。为了防止热损失，热电偶保护管露在外部要尽可能短。

图2 正交安装

图3 倾斜安装

图4 弯头处安装

在一次发动机台架标定试验中，发动机在全转速全负荷的情况下，排气温度不到700℃，调整发动机空燃比，排气温度变化不明显，但是此时从监控摄像头中可以明显看到排气歧管已经通红，于是判定为热电偶安装不当，立刻停机检查。检查发现热电偶安装时插入深度不足，热电偶测点在排气管道中的边缘位置。将热电偶插到中心位置后，将发动机处于原来同样的工况下运行，排气温度达到850℃.热电偶安装不当，对发动机台架试验将造成极大的不良影响，甚至会造成安全事故。

4 热电偶的干扰问题

发动机工作时，点火线圈、OCV阀和EGR阀等都是主要的电磁干扰源，会对热电偶产生不同程度的干扰。因此，在使用热电偶时要做好防干扰处理，以免影响热电偶测量的准确性。防干扰处理一般有以下三种方法[2]：

（1）热电偶导线远离发动机线束，就是将热电偶导线悬空布置，尽可能的远离发动机线束。热电偶导线不能盘绕，要尽量拉直，尽可能不要和发动机的线束平行。这种做法不能完全杜绝干扰，但是能将干扰降低到最小，基本能满足发动机的试验误差要求。

（2）屏蔽法，屏蔽法就是将热电偶的补偿导线，穿在铁管或其他金属屏蔽物内进行屏蔽，使用此种方法时应该将铁管和屏蔽物进行良好接地，并且将补偿导线绞起来。

（3）接地法，这种方法是将测量回路进行接地处理，把干扰引入大地从而保证仪表的测量准确性。这种方法有两种地形式:第一是热电偶参考端接地，第二种是热电偶测量端接地。采用参考端接地法时，是将热电偶（或补偿导线）输出端的一端，通过一个足够大的电容接地（条件许可时电容越大越好）。测量端接地法是将热电偶测量端接地，就是从热电偶的测量端引出一根金属丝接地。这种方法对高温漏电干扰有很好的预防效果。选用金属丝时应该选用耐高温且对热电偶电极无害的金属丝。

在一次发动机台架标定试验中，做充气模型标定时，发现节气门前四个气缸的进气温度小于室内温度，见下表2，由于发动机工作时会发出大量的热，这很明显，测得的进气温度都是错误的。于是立即停机检查。经过检查设备，未发现测量设备和传感器故障，于是断定为热电偶受到干扰所致。检查热电偶的安装发现，某员工在热电偶安装时，由于热电偶导线过长，便将导线盘绕起来并绑在发动机的线束上，热电偶必然受到极大的干扰。于是按照防干扰处理方法（1），将热电偶导线拉直、架空并远离发动机线束。处理完后再运行发动机，按照原来的标定工况进行检查，故障消失，见下表3。从前后测量的试验数据中可以看出，在发动机台架试验中，热电偶如果未进行防干扰处理，均有可能因受到干扰而得不到准确的测量结果，并且测量误差将无法估计。

表2 受干扰的测试结果

表3 防干扰的测试结果

5 结束语

热电偶在发动机标定中，为了得到准确可靠的测量值，需要根据要求选择好热电偶的粗细和精度，在发动机上选择最具代表性的测温点，还需要正确安装热电偶并防干扰处理。

[1]李忠虎.热电偶应用问题综述.工业计量，2007，17（2）：35-37.

[2]韦永凡.浅谈热电偶测量温度的抗干扰问题[J].机电信息，2011，（6）：12-13.