基于振動信號評價柴油機缸內燃燒狀態的研究.pdf

1、內燃機燃燒過程決定了內燃機的動力性、經濟性和排放性，對內燃機缸內燃燒狀態進行檢測，可及時發現缸內燃燒過程中存在的問題，使內燃機始終處于較為理想的運行工況，提高內燃機的使用性能和經濟性能。內燃機燃燒狀態檢測方法有多種，如缸內壓力法、瞬時轉速法及振動信號法等。缸內壓力法在試驗研究中得到了廣泛應用，但缸壓傳感器安裝復雜，難以實現燃燒狀態的不解體檢測；瞬時轉速法可實現燃燒狀態的不解體檢測，但在高轉速低負荷工況下，發動機旋轉不均勻度減小，瞬時轉速

2、波動的信噪比降低，同時，曲軸扭振的影響也導致瞬時轉速信號無法有效反映缸內燃燒狀態信息；振動信號法測量簡便，且振動信號中包含豐富的缸內燃燒狀態信息，是實現缸內燃燒過程不解體檢測最有潛力的方法之一。因此，基于振動信號評價缸內燃燒狀態的研究，具有重要的研究意義和實用價值。
　　 前期研究結果表明，燃燒時段振動信號具有分段特征，為更深入分析振動信號和缸內燃燒過程的關系，本課題采用模擬計算及試驗研究相結合的方法，分析了缸內燃燒過程和不同形

3、式振動信號的關系，討論了利用缸蓋表面振動信號描述缸內燃燒狀態特征參數的方法，研究了非燃燒激勵對燃燒激勵振動響應信號的影響，并利用振動信號實現了缸內燃燒特征參數的提取。論文主要研究工作如下：
　　 1.燃燒激勵及其振動響應信號關系的研究
　　 論文采用模擬計算的方法對燃燒激勵及其振動響應信號的關系進行了分析。以195柴油機為對象，建立了195柴油機單質量受力模型及有限元分析模型，基于建立的模型分析了195柴油機的系統特性，

4、結合燃燒激勵頻譜，對燃燒激勵振動位移信號的特點進行了分析，對燃燒激勵及其振動響應信號之間的關系進行了討論。結果指出，燃燒激勵振動位移存在明顯的分段特征，缸內峰值壓力前，振動位移和缸內壓力為近似線性關系，振動位移可有效表征缸內壓力的變化。峰值壓力后，在慣性及彈性作用下，系統產生振動，振動位移取決于系統特性和激勵頻譜。振動速度和加速度分別是振動位移的一次和二次導數，因此，振動速度和加速度也具有分段特征，峰值壓力前，振動速度和加速度也能較真實

5、的表征壓力升高率和壓力二次導數的變化。據此，課題將研究重點放在峰值壓力前振動信號的分析上，并利用峰值壓力前的振動信號對缸內燃燒狀態進行了估計。
　　 2.不同形式振動信號特征參數和缸內燃燒特征參數關系的研究
　　 峰值壓力前，缸蓋表面振動位移、振動速度和振動加速度分別與缸內壓力、壓力升高率和壓力二次導數有相近的變化規律，因此，可利用峰值壓力前的振動信號特征參數表征缸內燃燒狀態特征參數。分析指出，剛性約束條件下，缸蓋表面振

6、動位移峰值、位移峰值出現時刻及平均位移分別和峰值壓力、峰值壓力出現時刻及平均指示壓力存在對應關系；振動速度在壓縮沖程中的折點、振動速度峰值后的第一個過零點、振動速度峰值出現時刻及振動速度峰值分別和燃燒始點、峰值壓力出現時刻、最大壓力升高率出現時刻及最大壓力升高率相對應；最大振動加速度峰值前的第一個過零點和燃燒始點相對應，最大振動加速度峰值后的第一個過零點和最大壓力升高率出現時刻相對應。
　　 3.非燃燒激勵對燃燒激勵振動響應信號

7、輸出結果影響的研究
　　 除燃燒激勵外，活塞換向撞擊、側壓力、曲軸主軸頸負荷及相鄰缸氣門開啟、關閉激勵等都可能激發缸蓋表面振動，分析非燃燒激勵振動響應信號的時頻特點及其與燃燒激勵振動響應信號之間的耦合關系，可為燃燒激勵振動響應信號的提取提供理論依據。
　　 在195柴油機有限元模型上，模擬了活塞換向撞擊、側壓力及曲軸主軸頸負荷等激勵單獨作用時的缸蓋表面振動響應信號，對各激勵振動響應信號的時頻特點進行了分析。結果指出，在時

8、域上，側壓力及曲軸主軸頸負荷激勵振動響應信號的幅值比燃燒激勵振動響應信號的幅值小兩個數量級，兩者不影響燃燒激勵振動響應信號特征參數的提??；活塞換向撞擊激勵振動位移及振動速度分別比燃燒激勵振動位移及振動速度小兩個和一個數量級，對燃燒激勵振動位移及振動速度信號輸出結果也不產生影響，但活塞換向撞擊激勵振動加速度和燃燒激勵振動加速度在同一數量級上，其影響不能忽略。在頻域上，活塞換向撞擊激勵振動加速度主要分布在2000Hz以上的頻帶范圍內，而燃燒

9、激勵振動加速度主要分布在2000Hz以下的頻帶范圍內，其影響可通過頻域方法去除。
　　 為分析相鄰缸氣門開啟、關閉激勵對燃燒激勵振動響應信號輸出結果的影響，建立了495柴油機有限元模型，分別模擬了燃燒激勵單獨作用時和燃燒激勵與相鄰缸氣門開啟、關閉激勵共同作用時的缸蓋表面振動響應信號。對比模擬分析結果表明，在時域上，燃燒激勵較強時，實測振動響應信號的信噪比較高，相鄰缸氣門開啟、關閉激勵對燃燒激勵振動響應信號的分析不產生影響；燃燒激

10、勵較弱時，實測信號的信噪比降低，氣門開啟、關閉激勵振動響應信號對燃燒特征參數的提取將產生影響，但通過頻域方法可濾除氣門開啟、關閉激勵振動響應信號，提取僅與燃燒激勵相關的振動響應信號。
　　 4.支架約束作用對燃燒激勵振動響應輸出結果影響的研究
　　 除內燃機內部激勵作用外，發動機支架的約束作用也會影響燃燒激勵振動響應輸出結果，為分析其影響，在195柴油機有限元模型上模擬了不同約束條件下的缸蓋表面振動響應信號。結果指出，缸

11、蓋表面振動響應是約束作用引起的系統自由振動和燃燒激勵受迫振動的疊加。時域上，支架約束作用對缸蓋表面振動位移信號輸出結果的影響很大，某些工況下，燃燒激勵振動位移完全被系統自由振動位移淹沒，導致振動位移信號不能有效應用于缸內燃燒狀態的識別。相對振動位移信號，自由振動對燃燒激勵振動速度信號輸出結果的影響減弱，對燃燒激勵振動加速度信號輸出結果的影響幾乎可以忽略，實測振動速度和加速度都可反映出缸內燃燒狀態的相關信息。在頻域上，自由振動信號的頻率遠

12、低于燃燒激勵振動速度信號的頻率，自由振動對燃燒激勵振動速度信號輸出結果的影響可采用適當的頻域方法予以剔除。
　　 5.基于振動速度信號識別缸內燃燒特征參數的研究
　　 在195、495、C6190ZLC及CP12V190ZL柴油機上進行的試驗研究結果表明，實測燃燒激勵振動速度信號中混雜有支架約束引起的系統自由振動的干擾，系統自由振蕩主要集中在250Hz以內的低頻頻帶上，該振動信號可通過適當的時域或頻域方法去除。利用處理后

13、的振動速度信號對燃燒特征參數進行了識別，結果表明，基于振動速度可識別燃燒始點、峰值壓力出現時刻及最大壓力升高率出現時刻，但受系統特性影響，振動速度識別的燃燒特征點出現時刻和壓力升高率識別的燃燒特征點出現時刻之間存在一定偏差，對同一發動機來說，該偏差可視為系統偏差。此外，利用振動速度峰值的大小可對最大壓力升高率隨負荷的變化趨勢進行定性分析。
　　 6.基于振動加速度信號提取缸內燃燒特征參數的研究
　　 分析了195、495

14、、C6190ZLC及CP12V190ZL柴油機缸蓋表面振動加速度信號的時頻特點及影響因素。指出支架約束作用引起的自由振動加速度信號較弱，與燃燒激勵振動加速度信號相比，其影響可以忽略。相鄰缸氣門開啟、關閉激勵及活塞換向撞擊激勵振動加速度信號主要集中在2000Hz以上的頻帶內，燃燒激勵振動加速度信號則主要集中2000Hz以下的諧波分量，且隨負荷的增大，2000Hz以下的諧波分量所占比例明顯增大。分析結果表明，2000Hz以下的振動加速度信號