基于振動(dòng)信號(hào)評(píng)價(jià)柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒狀態(tài)的研究.pdf

1、內(nèi)燃機(jī)燃燒過程決定了內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性，對(duì)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)缸內(nèi)燃燒過程中存在的問題，使內(nèi)燃機(jī)始終處于較為理想的運(yùn)行工況，提高內(nèi)燃機(jī)的使用性能和經(jīng)濟(jì)性能。內(nèi)燃機(jī)燃燒狀態(tài)檢測(cè)方法有多種，如缸內(nèi)壓力法、瞬時(shí)轉(zhuǎn)速法及振動(dòng)信號(hào)法等。缸內(nèi)壓力法在試驗(yàn)研究中得到了廣泛應(yīng)用，但缸壓傳感器安裝復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)燃燒狀態(tài)的不解體檢測(cè)；瞬時(shí)轉(zhuǎn)速法可實(shí)現(xiàn)燃燒狀態(tài)的不解體檢測(cè)，但在高轉(zhuǎn)速低負(fù)荷工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)不均勻度減小，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速

2、波動(dòng)的信噪比降低，同時(shí)，曲軸扭振的影響也導(dǎo)致瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)無法有效反映缸內(nèi)燃燒狀態(tài)信息；振動(dòng)信號(hào)法測(cè)量簡(jiǎn)便，且振動(dòng)信號(hào)中包含豐富的缸內(nèi)燃燒狀態(tài)信息，是實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)燃燒過程不解體檢測(cè)最有潛力的方法之一。因此，基于振動(dòng)信號(hào)評(píng)價(jià)缸內(nèi)燃燒狀態(tài)的研究，具有重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。
　　 前期研究結(jié)果表明，燃燒時(shí)段振動(dòng)信號(hào)具有分段特征，為更深入分析振動(dòng)信號(hào)和缸內(nèi)燃燒過程的關(guān)系，本課題采用模擬計(jì)算及試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，分析了缸內(nèi)燃燒過程和不同形

3、式振動(dòng)信號(hào)的關(guān)系，討論了利用缸蓋表面振動(dòng)信號(hào)描述缸內(nèi)燃燒狀態(tài)特征參數(shù)的方法，研究了非燃燒激勵(lì)對(duì)燃燒激勵(lì)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的影響，并利用振動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)了缸內(nèi)燃燒特征參數(shù)的提取。論文主要研究工作如下：
　　 1.燃燒激勵(lì)及其振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)關(guān)系的研究
　　 論文采用模擬計(jì)算的方法對(duì)燃燒激勵(lì)及其振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的關(guān)系進(jìn)行了分析。以195柴油機(jī)為對(duì)象，建立了195柴油機(jī)單質(zhì)量受力模型及有限元分析模型，基于建立的模型分析了195柴油機(jī)的系統(tǒng)特性，

4、結(jié)合燃燒激勵(lì)頻譜，對(duì)燃燒激勵(lì)振動(dòng)位移信號(hào)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，對(duì)燃燒激勵(lì)及其振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)之間的關(guān)系進(jìn)行了討論。結(jié)果指出，燃燒激勵(lì)振動(dòng)位移存在明顯的分段特征，缸內(nèi)峰值壓力前，振動(dòng)位移和缸內(nèi)壓力為近似線性關(guān)系，振動(dòng)位移可有效表征缸內(nèi)壓力的變化。峰值壓力后，在慣性及彈性作用下，系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)位移取決于系統(tǒng)特性和激勵(lì)頻譜。振動(dòng)速度和加速度分別是振動(dòng)位移的一次和二次導(dǎo)數(shù)，因此，振動(dòng)速度和加速度也具有分段特征，峰值壓力前，振動(dòng)速度和加速度也能較真實(shí)

5、的表征壓力升高率和壓力二次導(dǎo)數(shù)的變化。據(jù)此，課題將研究重點(diǎn)放在峰值壓力前振動(dòng)信號(hào)的分析上，并利用峰值壓力前的振動(dòng)信號(hào)對(duì)缸內(nèi)燃燒狀態(tài)進(jìn)行了估計(jì)。
　　 2.不同形式振動(dòng)信號(hào)特征參數(shù)和缸內(nèi)燃燒特征參數(shù)關(guān)系的研究
　　 峰值壓力前，缸蓋表面振動(dòng)位移、振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度分別與缸內(nèi)壓力、壓力升高率和壓力二次導(dǎo)數(shù)有相近的變化規(guī)律，因此，可利用峰值壓力前的振動(dòng)信號(hào)特征參數(shù)表征缸內(nèi)燃燒狀態(tài)特征參數(shù)。分析指出，剛性約束條件下，缸蓋表面振

6、動(dòng)位移峰值、位移峰值出現(xiàn)時(shí)刻及平均位移分別和峰值壓力、峰值壓力出現(xiàn)時(shí)刻及平均指示壓力存在對(duì)應(yīng)關(guān)系；振動(dòng)速度在壓縮沖程中的折點(diǎn)、振動(dòng)速度峰值后的第一個(gè)過零點(diǎn)、振動(dòng)速度峰值出現(xiàn)時(shí)刻及振動(dòng)速度峰值分別和燃燒始點(diǎn)、峰值壓力出現(xiàn)時(shí)刻、最大壓力升高率出現(xiàn)時(shí)刻及最大壓力升高率相對(duì)應(yīng)；最大振動(dòng)加速度峰值前的第一個(gè)過零點(diǎn)和燃燒始點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，最大振動(dòng)加速度峰值后的第一個(gè)過零點(diǎn)和最大壓力升高率出現(xiàn)時(shí)刻相對(duì)應(yīng)。
　　 3.非燃燒激勵(lì)對(duì)燃燒激勵(lì)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)

7、輸出結(jié)果影響的研究
　　 除燃燒激勵(lì)外，活塞換向撞擊、側(cè)壓力、曲軸主軸頸負(fù)荷及相鄰缸氣門開啟、關(guān)閉激勵(lì)等都可能激發(fā)缸蓋表面振動(dòng)，分析非燃燒激勵(lì)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的時(shí)頻特點(diǎn)及其與燃燒激勵(lì)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)之間的耦合關(guān)系，可為燃燒激勵(lì)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的提取提供理論依據(jù)。
　　 在195柴油機(jī)有限元模型上，模擬了活塞換向撞擊、側(cè)壓力及曲軸主軸頸負(fù)荷等激勵(lì)單獨(dú)作用時(shí)的缸蓋表面振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，對(duì)各激勵(lì)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的時(shí)頻特點(diǎn)進(jìn)行了分析。結(jié)果指出，在時(shí)

8、域上，側(cè)壓力及曲軸主軸頸負(fù)荷激勵(lì)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的幅值比燃燒激勵(lì)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的幅值小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，兩者不影響燃燒激勵(lì)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)特征參數(shù)的提??；活塞換向撞擊激勵(lì)振動(dòng)位移及振動(dòng)速度分別比燃燒激勵(lì)振動(dòng)位移及振動(dòng)速度小兩個(gè)和一個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)燃燒激勵(lì)振動(dòng)位移及振動(dòng)速度信號(hào)輸出結(jié)果也不產(chǎn)生影響，但活塞換向撞擊激勵(lì)振動(dòng)加速度和燃燒激勵(lì)振動(dòng)加速度在同一數(shù)量級(jí)上，其影響不能忽略。在頻域上，活塞換向撞擊激勵(lì)振動(dòng)加速度主要分布在2000Hz以上的頻帶范圍內(nèi)，而燃燒

9、激勵(lì)振動(dòng)加速度主要分布在2000Hz以下的頻帶范圍內(nèi)，其影響可通過頻域方法去除。
　　 為分析相鄰缸氣門開啟、關(guān)閉激勵(lì)對(duì)燃燒激勵(lì)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)輸出結(jié)果的影響，建立了495柴油機(jī)有限元模型，分別模擬了燃燒激勵(lì)單獨(dú)作用時(shí)和燃燒激勵(lì)與相鄰缸氣門開啟、關(guān)閉激勵(lì)共同作用時(shí)的缸蓋表面振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)。對(duì)比模擬分析結(jié)果表明，在時(shí)域上，燃燒激勵(lì)較強(qiáng)時(shí)，實(shí)測(cè)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的信噪比較高，相鄰缸氣門開啟、關(guān)閉激勵(lì)對(duì)燃燒激勵(lì)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的分析不產(chǎn)生影響；燃燒激

10、勵(lì)較弱時(shí)，實(shí)測(cè)信號(hào)的信噪比降低，氣門開啟、關(guān)閉激勵(lì)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)對(duì)燃燒特征參數(shù)的提取將產(chǎn)生影響，但通過頻域方法可濾除氣門開啟、關(guān)閉激勵(lì)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，提取僅與燃燒激勵(lì)相關(guān)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)。
　　 4.支架約束作用對(duì)燃燒激勵(lì)振動(dòng)響應(yīng)輸出結(jié)果影響的研究
　　 除內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部激勵(lì)作用外，發(fā)動(dòng)機(jī)支架的約束作用也會(huì)影響燃燒激勵(lì)振動(dòng)響應(yīng)輸出結(jié)果，為分析其影響，在195柴油機(jī)有限元模型上模擬了不同約束條件下的缸蓋表面振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)。結(jié)果指出，缸

11、蓋表面振動(dòng)響應(yīng)是約束作用引起的系統(tǒng)自由振動(dòng)和燃燒激勵(lì)受迫振動(dòng)的疊加。時(shí)域上，支架約束作用對(duì)缸蓋表面振動(dòng)位移信號(hào)輸出結(jié)果的影響很大，某些工況下，燃燒激勵(lì)振動(dòng)位移完全被系統(tǒng)自由振動(dòng)位移淹沒，導(dǎo)致振動(dòng)位移信號(hào)不能有效應(yīng)用于缸內(nèi)燃燒狀態(tài)的識(shí)別。相對(duì)振動(dòng)位移信號(hào)，自由振動(dòng)對(duì)燃燒激勵(lì)振動(dòng)速度信號(hào)輸出結(jié)果的影響減弱，對(duì)燃燒激勵(lì)振動(dòng)加速度信號(hào)輸出結(jié)果的影響幾乎可以忽略，實(shí)測(cè)振動(dòng)速度和加速度都可反映出缸內(nèi)燃燒狀態(tài)的相關(guān)信息。在頻域上，自由振動(dòng)信號(hào)的頻率遠(yuǎn)

12、低于燃燒激勵(lì)振動(dòng)速度信號(hào)的頻率，自由振動(dòng)對(duì)燃燒激勵(lì)振動(dòng)速度信號(hào)輸出結(jié)果的影響可采用適當(dāng)?shù)念l域方法予以剔除。
　　 5.基于振動(dòng)速度信號(hào)識(shí)別缸內(nèi)燃燒特征參數(shù)的研究
　　 在195、495、C6190ZLC及CP12V190ZL柴油機(jī)上進(jìn)行的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，實(shí)測(cè)燃燒激勵(lì)振動(dòng)速度信號(hào)中混雜有支架約束引起的系統(tǒng)自由振動(dòng)的干擾，系統(tǒng)自由振蕩主要集中在250Hz以內(nèi)的低頻頻帶上，該振動(dòng)信號(hào)可通過適當(dāng)?shù)臅r(shí)域或頻域方法去除。利用處理后

13、的振動(dòng)速度信號(hào)對(duì)燃燒特征參數(shù)進(jìn)行了識(shí)別，結(jié)果表明，基于振動(dòng)速度可識(shí)別燃燒始點(diǎn)、峰值壓力出現(xiàn)時(shí)刻及最大壓力升高率出現(xiàn)時(shí)刻，但受系統(tǒng)特性影響，振動(dòng)速度識(shí)別的燃燒特征點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)刻和壓力升高率識(shí)別的燃燒特征點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)刻之間存在一定偏差，對(duì)同一發(fā)動(dòng)機(jī)來說，該偏差可視為系統(tǒng)偏差。此外，利用振動(dòng)速度峰值的大小可對(duì)最大壓力升高率隨負(fù)荷的變化趨勢(shì)進(jìn)行定性分析。
　　 6.基于振動(dòng)加速度信號(hào)提取缸內(nèi)燃燒特征參數(shù)的研究
　　 分析了195、495

14、、C6190ZLC及CP12V190ZL柴油機(jī)缸蓋表面振動(dòng)加速度信號(hào)的時(shí)頻特點(diǎn)及影響因素。指出支架約束作用引起的自由振動(dòng)加速度信號(hào)較弱，與燃燒激勵(lì)振動(dòng)加速度信號(hào)相比，其影響可以忽略。相鄰缸氣門開啟、關(guān)閉激勵(lì)及活塞換向撞擊激勵(lì)振動(dòng)加速度信號(hào)主要集中在2000Hz以上的頻帶內(nèi)，燃燒激勵(lì)振動(dòng)加速度信號(hào)則主要集中2000Hz以下的諧波分量，且隨負(fù)荷的增大，2000Hz以下的諧波分量所占比例明顯增大。分析結(jié)果表明，2000Hz以下的振動(dòng)加速度信號(hào)