基于柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)加速度信號(hào)提取缸內(nèi)燃燒過程信息的研究.pdf

1、內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒過程是其燃料化學(xué)能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換過程的反映，燃燒過程的優(yōu)劣影響到內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性能。內(nèi)燃機(jī)氣缸壓力的變化是缸內(nèi)燃燒過程的直接結(jié)果，通過對(duì)氣缸壓力的測(cè)試分析評(píng)價(jià)缸內(nèi)燃燒過程在實(shí)驗(yàn)室及一些特殊發(fā)動(dòng)機(jī)上得到廣泛的應(yīng)用，但由于缸內(nèi)壓力傳感器安裝困難等問題，在對(duì)在用內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程進(jìn)行診斷或長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)時(shí)存在諸多不便。內(nèi)燃機(jī)燃燒過程產(chǎn)生的缸蓋表面振動(dòng)信號(hào)包含豐富的與燃燒過程相關(guān)的信息，而且振動(dòng)傳感器成本低、安裝方便，因此，利

2、用振動(dòng)信號(hào)評(píng)價(jià)缸內(nèi)燃燒過程的研究，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 利用振動(dòng)信號(hào)評(píng)價(jià)缸內(nèi)燃燒過程時(shí)，需要明確燃燒激勵(lì)同缸蓋表面振動(dòng)信號(hào)之間的關(guān)系，這是利用振動(dòng)信號(hào)評(píng)價(jià)缸內(nèi)燃燒過程的基礎(chǔ)。鑒于此，本研究中通過有限元分析方法、盲源分離算法、信號(hào)分析技術(shù)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究了缸內(nèi)燃燒激勵(lì)同表面振動(dòng)信號(hào)之間的關(guān)系，主要的工作如下： 1.振動(dòng)信號(hào)采集及處理方法的研究。作者認(rèn)為采用40kHz采樣頻率、膠粘方式安裝加速度傳感器可以滿足缸蓋各激

3、勵(lì)源響應(yīng)信號(hào)的測(cè)試要求。通過模擬計(jì)算及試驗(yàn)的方法確定了較理想的測(cè)點(diǎn)布置方案。作者指出利用最小二乘法可有效的消除加速度信號(hào)偏離基線的趨勢(shì)，并確認(rèn)采用10階多項(xiàng)式可以較理想地去除研究用柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)加速度信號(hào)的基線漂移；通過對(duì)比不同濾波器的特點(diǎn)，指出基于哈明窗函數(shù)的FIR濾波器具有最佳性能?；趯?duì)常用時(shí)頻分析方法的比較，作者提出對(duì)低頻振動(dòng)信號(hào)采用S變換時(shí)頻分析方法進(jìn)行處理，而對(duì)高頻振動(dòng)信號(hào)則采用連續(xù)小波變換時(shí)頻分析方法進(jìn)行處理。 2

4、.燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)的理論分析?；谟邢拊治黾夹g(shù)建立了ZH195柴油機(jī)燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)的分析模型，利用模型對(duì)燃燒激勵(lì)產(chǎn)生的缸蓋位移及加速度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明缸蓋位移信號(hào)同缸內(nèi)壓力信號(hào)之間存在密切的相關(guān)性，在缸內(nèi)峰值壓力出現(xiàn)時(shí)刻前，缸蓋位移同缸內(nèi)壓力呈近似一致的變化趨勢(shì)，缸內(nèi)峰值壓力出現(xiàn)時(shí)刻后，缸蓋位移出現(xiàn)振動(dòng)，而且振動(dòng)的頻率同缸蓋、機(jī)體系統(tǒng)的固有頻率有關(guān)。對(duì)比實(shí)測(cè)缸蓋振動(dòng)加速度信號(hào)及壓力升高加速度，發(fā)現(xiàn)兩者在峰值壓力出現(xiàn)時(shí)刻前的局部時(shí)

5、段內(nèi)變化趨勢(shì)相近?；谀Ｐ偷姆治鼋Y(jié)果，作者指出不同工況時(shí)，缸蓋位移信號(hào)幅值與缸內(nèi)燃燒壓力的峰值相對(duì)應(yīng)；同樣轉(zhuǎn)速時(shí)，缸蓋加速度波動(dòng)量與缸內(nèi)燃燒狀況相對(duì)應(yīng)；當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生改變時(shí)，加速度信號(hào)波動(dòng)量與缸內(nèi)燃燒狀況間無對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)聯(lián)接螺栓預(yù)緊力或材料的楊氏模量減小時(shí)，系統(tǒng)的剛度都會(huì)降低，缸蓋位移及缸蓋振動(dòng)加速度幅值增大；對(duì)峰值壓力出現(xiàn)時(shí)刻后缸蓋位移的頻譜分析結(jié)果表明，缸蓋、機(jī)體系統(tǒng)的固有頻率相應(yīng)減低。 3.基于振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形劃分缸內(nèi)燃燒主要階段的方

6、法。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，缸蓋振動(dòng)加速度信號(hào)第一個(gè)峰值出現(xiàn)位置同壓升率曲線上表征缸內(nèi)燃燒起始時(shí)刻的折點(diǎn)密切相關(guān)，由此，作者提出了利用缸蓋振動(dòng)加速度信號(hào)第一個(gè)峰值出現(xiàn)時(shí)刻估計(jì)缸內(nèi)燃燒起始時(shí)刻的方法。研究結(jié)果表明振動(dòng)加速度信號(hào)第一個(gè)谷點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)刻同最大壓升率出現(xiàn)的時(shí)刻有關(guān)，而振動(dòng)加速度信號(hào)第二個(gè)峰值點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)刻同缸內(nèi)峰值壓力出現(xiàn)的時(shí)刻有關(guān)，由此，提出了利用加速度信號(hào)的特征點(diǎn)對(duì)缸內(nèi)主要燃燒階段進(jìn)行劃分的方法。 4.活塞換向撞擊激勵(lì)的頻譜

7、分析。分析了往復(fù)式動(dòng)力機(jī)械活塞換向撞擊產(chǎn)生的必然性，并對(duì)活塞換向撞擊過程的影響因素進(jìn)行分析。測(cè)量了ZH195柴油機(jī)反拖工況及495T。柴油機(jī)某缸停油時(shí)活塞換向撞擊激勵(lì)的響應(yīng)信號(hào)，利用連續(xù)小波變換對(duì)其進(jìn)行分析，認(rèn)為兩種柴油機(jī)活塞換向撞擊激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)的能量均主要分布在5kHz附近及10kHz～20kHz之間的頻段。通過對(duì)盲源分離算法應(yīng)用條件的分析，認(rèn)為該算法可用于分離缸蓋振動(dòng)加速度響應(yīng)信號(hào)。引入基于獨(dú)立成分分析的FastICA算法，對(duì)ZH1

8、95柴油機(jī)正常工作工況時(shí)的燃燒激勵(lì)及活塞換向撞擊激勵(lì)的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分離。利用連續(xù)小波變換對(duì)分離得到的活塞換向撞擊激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行了時(shí)頻分析，結(jié)果表明該柴油機(jī)正常工作工況時(shí)活塞換向撞擊激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)的能量仍以高頻為主，與缸內(nèi)無燃燒過程時(shí)相比，低頻成分的能量有所增加。 5.振動(dòng)加速度信號(hào)與缸內(nèi)燃燒狀況相關(guān)性分析。采用了時(shí)頻分析方法對(duì)局部時(shí)段內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，與傳統(tǒng)頻譜分析方法的對(duì)比結(jié)果表明，該方法可以有效地提高頻率分辨率。采用時(shí)頻

9、分析方法分析了反拖工況、高壓油管泄露工況及正常工作工況時(shí)缸內(nèi)壓力升高加速度頻譜，認(rèn)為各工況下2000Hz以下頻譜的能量與缸內(nèi)燃燒狀況存在一致的變化趨勢(shì)。振動(dòng)加速度信號(hào)的頻譜分析結(jié)果表明，在上述頻段內(nèi)，振動(dòng)加速度信號(hào)的頻譜信息與缸內(nèi)燃燒狀況及系統(tǒng)特性都有關(guān)系。 6.基于局部時(shí)段振動(dòng)加速度信號(hào)評(píng)價(jià)缸內(nèi)燃燒過程的研究。對(duì)比了不同工況下缸蓋振動(dòng)加速度信號(hào)第一個(gè)峰值到第一個(gè)谷值之間的波動(dòng)量及頻譜能量與缸內(nèi)燃燒狀況之間的關(guān)系，認(rèn)為不同轉(zhuǎn)速時(shí)

10、振動(dòng)加速度信號(hào)的上述參數(shù)與缸內(nèi)燃燒狀況間沒有規(guī)律性的對(duì)應(yīng)關(guān)系；而相同轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)加速度信號(hào)的上述參數(shù)與最大壓升率存在明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為此，作者提出利用振動(dòng)加速度信號(hào)第一個(gè)峰值到第一個(gè)谷值之間的波動(dòng)量及頻譜能量，通過相互比較來評(píng)價(jià)多缸機(jī)各缸燃燒差異的方法。在495T柴油機(jī)上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的方法可用于對(duì)該柴油機(jī)各缸的燃燒差異進(jìn)行評(píng)價(jià)。 7.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別缸內(nèi)壓力信號(hào)的研究。通過對(duì)不同訓(xùn)練函數(shù)性能的對(duì)比，選定共軛梯度法作為訓(xùn)練函

11、數(shù)。首先利用整個(gè)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行了缸內(nèi)壓力信號(hào)的識(shí)別研究，由于峰值壓力出現(xiàn)時(shí)刻后振動(dòng)加速度信號(hào)蘊(yùn)含的缸內(nèi)燃燒狀況的信息減弱，使得這種方法識(shí)別的缸內(nèi)壓力信號(hào)可能存在波動(dòng)較大的問題。為了改善識(shí)別的效果，作者提出了利用峰值壓力出現(xiàn)時(shí)刻前的振動(dòng)加速度信號(hào)識(shí)別缸內(nèi)壓力信號(hào)的方法。任選四組未參與訓(xùn)練工況的數(shù)據(jù)建立校驗(yàn)樣本對(duì)訓(xùn)練完畢的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行校驗(yàn)，結(jié)果表明識(shí)別的缸內(nèi)壓力與實(shí)際缸內(nèi)壓力在燃燒起始時(shí)刻及峰值壓力出現(xiàn)時(shí)刻等關(guān)鍵點(diǎn)基本重合，幅值的最小誤