基于柴油機缸蓋振動加速度信號提取缸內燃燒過程信息的研究.pdf

1、內燃機缸內燃燒過程是其燃料化學能向機械能轉換過程的反映，燃燒過程的優劣影響到內燃機的動力性、經濟性及排放性能。內燃機氣缸壓力的變化是缸內燃燒過程的直接結果，通過對氣缸壓力的測試分析評價缸內燃燒過程在實驗室及一些特殊發動機上得到廣泛的應用，但由于缸內壓力傳感器安裝困難等問題，在對在用內燃機的燃燒過程進行診斷或長期監測時存在諸多不便。內燃機燃燒過程產生的缸蓋表面振動信號包含豐富的與燃燒過程相關的信息，而且振動傳感器成本低、安裝方便，因此，利

2、用振動信號評價缸內燃燒過程的研究，具有重要的理論意義和實用價值。 利用振動信號評價缸內燃燒過程時，需要明確燃燒激勵同缸蓋表面振動信號之間的關系，這是利用振動信號評價缸內燃燒過程的基礎。鑒于此，本研究中通過有限元分析方法、盲源分離算法、信號分析技術及神經網絡研究了缸內燃燒激勵同表面振動信號之間的關系，主要的工作如下： 1.振動信號采集及處理方法的研究。作者認為采用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、勵源響應信號的測試要求。通過模擬計算及試驗的方法確定了較理想的測點布置方案。作者指出利用最小二乘法可有效的消除加速度信號偏離基線的趨勢，并確認采用10階多項式可以較理想地去除研究用柴油機缸蓋振動加速度信號的基線漂移；通過對比不同濾波器的特點，指出基于哈明窗函數的FIR濾波器具有最佳性能?；趯ΤＳ脮r頻分析方法的比較，作者提出對低頻振動信號采用S變換時頻分析方法進行處理，而對高頻振動信號則采用連續小波變換時頻分析方法進行處理。 2

4、.燃燒激勵響應信號的理論分析?；谟邢拊治黾夹g建立了ZH195柴油機燃燒激勵響應信號的分析模型，利用模型對燃燒激勵產生的缸蓋位移及加速度進行了分析，結果表明缸蓋位移信號同缸內壓力信號之間存在密切的相關性，在缸內峰值壓力出現時刻前，缸蓋位移同缸內壓力呈近似一致的變化趨勢，缸內峰值壓力出現時刻后，缸蓋位移出現振動，而且振動的頻率同缸蓋、機體系統的固有頻率有關。對比實測缸蓋振動加速度信號及壓力升高加速度，發現兩者在峰值壓力出現時刻前的局部時

5、段內變化趨勢相近?；谀Ｐ偷姆治鼋Y果，作者指出不同工況時，缸蓋位移信號幅值與缸內燃燒壓力的峰值相對應；同樣轉速時，缸蓋加速度波動量與缸內燃燒狀況相對應；當轉速發生改變時，加速度信號波動量與缸內燃燒狀況間無對應關系。當聯接螺栓預緊力或材料的楊氏模量減小時，系統的剛度都會降低，缸蓋位移及缸蓋振動加速度幅值增大；對峰值壓力出現時刻后缸蓋位移的頻譜分析結果表明，缸蓋、機體系統的固有頻率相應減低。 3.基于振動信號時域波形劃分缸內燃燒主要階段的方

6、法。理論分析和試驗結果表明，缸蓋振動加速度信號第一個峰值出現位置同壓升率曲線上表征缸內燃燒起始時刻的折點密切相關，由此，作者提出了利用缸蓋振動加速度信號第一個峰值出現時刻估計缸內燃燒起始時刻的方法。研究結果表明振動加速度信號第一個谷點出現時刻同最大壓升率出現的時刻有關，而振動加速度信號第二個峰值點出現時刻同缸內峰值壓力出現的時刻有關，由此，提出了利用加速度信號的特征點對缸內主要燃燒階段進行劃分的方法。 4.活塞換向撞擊激勵的頻譜

7、分析。分析了往復式動力機械活塞換向撞擊產生的必然性，并對活塞換向撞擊過程的影響因素進行分析。測量了ZH195柴油機反拖工況及495T。柴油機某缸停油時活塞換向撞擊激勵的響應信號，利用連續小波變換對其進行分析，認為兩種柴油機活塞換向撞擊激勵響應信號的能量均主要分布在5kHz附近及10kHz～20kHz之間的頻段。通過對盲源分離算法應用條件的分析，認為該算法可用于分離缸蓋振動加速度響應信號。引入基于獨立成分分析的FastICA算法，對ZH1

8、95柴油機正常工作工況時的燃燒激勵及活塞換向撞擊激勵的響應信號進行分離。利用連續小波變換對分離得到的活塞換向撞擊激勵響應信號進行了時頻分析，結果表明該柴油機正常工作工況時活塞換向撞擊激勵響應信號的能量仍以高頻為主，與缸內無燃燒過程時相比，低頻成分的能量有所增加。 5.振動加速度信號與缸內燃燒狀況相關性分析。采用了時頻分析方法對局部時段內的信號進行頻譜分析，與傳統頻譜分析方法的對比結果表明，該方法可以有效地提高頻率分辨率。采用時頻

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缸內壓力升高加速度頻譜，認為各工況下2000Hz以下頻譜的能量與缸內燃燒狀況存在一致的變化趨勢。振動加速度信號的頻譜分析結果表明，在上述頻段內，振動加速度信號的頻譜信息與缸內燃燒狀況及系統特性都有關系。 6.基于局部時段振動加速度信號評價缸內燃燒過程的研究。對比了不同工況下缸蓋振動加速度信號第一個峰值到第一個谷值之間的波動量及頻譜能量與缸內燃燒狀況之間的關系，認為不同轉速時

10、振動加速度信號的上述參數與缸內燃燒狀況間沒有規律性的對應關系；而相同轉速時振動加速度信號的上述參數與最大壓升率存在明確的對應關系。為此，作者提出利用振動加速度信號第一個峰值到第一個谷值之間的波動量及頻譜能量，通過相互比較來評價多缸機各缸燃燒差異的方法。在495T柴油機上的實驗結果表明，提出的方法可用于對該柴油機各缸的燃燒差異進行評價。 7.基于神經網絡識別缸內壓力信號的研究。通過對不同訓練函數性能的對比，選定共軛梯度法作為訓練函

11、數。首先利用整個振動加速度信號進行了缸內壓力信號的識別研究，由于峰值壓力出現時刻后振動加速度信號蘊含的缸內燃燒狀況的信息減弱，使得這種方法識別的缸內壓力信號可能存在波動較大的問題。為了改善識別的效果，作者提出了利用峰值壓力出現時刻前的振動加速度信號識別缸內壓力信號的方法。任選四組未參與訓練工況的數據建立校驗樣本對訓練完畢的神經網絡進行校驗，結果表明識別的缸內壓力與實際缸內壓力在燃燒起始時刻及峰值壓力出現時刻等關鍵點基本重合，幅值的最小誤