唐娟，魏慶檀，胡云萍，程勇

(1.聊城大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，山東 聊城 252000；2.山東大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

目前，使用傳統(tǒng)燃料的動力機械依然是最安全、最實用、最可靠的動力源。柴油機因熱效率高、二氧化碳排放低得到了廣泛應(yīng)用，但其炭煙和NOx排放較高。為滿足節(jié)能減排需求，應(yīng)對柴油機燃燒過程進(jìn)行監(jiān)測，使其盡可能工作在設(shè)計工況。缸內(nèi)壓力是燃燒過程的直接反映[1]，但缸內(nèi)壓力傳感器價格昂貴，測量時易存在通道效應(yīng)，在線監(jiān)測燃燒過程存在難度。因此，基于其他易測信號的燃燒狀態(tài)監(jiān)測方法得到了發(fā)展，例如，根據(jù)轉(zhuǎn)速信號的波動對各缸燃燒均勻性及失火故障進(jìn)行監(jiān)測[2-4]，通過尾氣的測試分析對燃燒狀況進(jìn)行判斷[5]。另外，鑒于振動信號和燃燒過程的密切關(guān)系[6]，利用振動信號對燃燒過程進(jìn)行監(jiān)測的研究得到了廣泛關(guān)注。振動傳感器安裝方便，價格便宜，有利于實現(xiàn)不解體及在線監(jiān)測。早在1984年就有研究者利用振動信號對機械系統(tǒng)性能進(jìn)行控制和故障診斷[7]；海軍工程學(xué)院[8]、Szymanski[9]等利用氣門開啟和關(guān)閉時段產(chǎn)生的振動信號對氣門間隙異常和漏氣故障進(jìn)行了分析；史玉鵬[10]、Ftoutou[11]等研究了利用振動信號識別噴油故障的方法；Lowe[12]、Bahri[13]和Kamal[14]等研究了利用振動信號檢測失火故障的方法；Barelli等[15]指出振動加速度的均方根可表征燃燒劇烈程度。可見，基于振動信號分析相關(guān)燃燒故障的研究成果豐碩，但要實現(xiàn)燃燒過程的在線評價還有一定距離。

本研究基于振動速度特征參數(shù)和燃燒特征參數(shù)的理論對應(yīng)關(guān)系[16]，對供油提前角偏離設(shè)計值時(變化范圍較小)振動速度特征參數(shù)的變化進(jìn)行了分析研究，為柴油機供油提前角異常故障的診斷提供理論基礎(chǔ)，為燃燒過程在線監(jiān)測、保證柴油機工作在設(shè)計工況提供了重要反饋和控制依據(jù)。

1 模擬分析

本研究以195柴油機為模擬研究對象，以1110和295柴油機為試驗驗證對象，試驗用發(fā)動機主要參數(shù)見表1。

表1 試驗發(fā)動機參數(shù)

為排除其他激勵的影響，首先基于已驗證的195柴油機有限元模型進(jìn)行了模擬分析。模型采用十節(jié)點四面體網(wǎng)格單元，模型總單元數(shù)為63 302個，節(jié)點數(shù)為19 694個，模型結(jié)構(gòu)圖及細(xì)節(jié)見文獻(xiàn)[16]，模擬中僅考慮燃燒激勵的作用，燃燒激勵即缸內(nèi)壓力，由試驗獲得。為分析振動速度特征參數(shù)與供油提前角的變化關(guān)系，試驗設(shè)置了19°，22°和24° 3個供油角。圖1所示為195柴油機在1 200 r/min，30 N·m工況，不同供油提前角下燃燒時段模擬振動速度信號和實測缸內(nèi)壓力信號對比結(jié)果。結(jié)果顯示，隨供油提前角的增大，燃燒提前，相應(yīng)的振動速度相角提前。

圖1 不同供油提前角下實測缸內(nèi)壓力及模擬振動速度對比

基于模擬振動速度信號提取描述燃燒特征的振動速度特征參數(shù)[16]，并與利用缸內(nèi)壓力計算的燃燒特征參數(shù)進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。為了對峰值壓力等燃燒幅值特征參數(shù)進(jìn)行對比，對基于振動速度的幅值特征參數(shù)的數(shù)量級進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。其中，基于振動速度的相位特征參數(shù)和幅值特征參數(shù)隨供油提前角的變化分別見圖2a和圖2b。

表2 1 200 r/min，30 N·m工況，不同供油提前角下燃燒特征參數(shù)對比結(jié)果

圖2 1 200 r/min，30 N·m工況下，燃燒特征參數(shù)與 供油提前角的關(guān)系

由圖2可知，振動速度和缸內(nèi)壓力計算的燃燒特征參數(shù)隨供油角度的變化趨勢基本一致，這進(jìn)一步驗證了基于振動速度計算的特征參數(shù)可準(zhǔn)確表征燃燒特征的變化[16]。

由圖2a可知，隨供油提前角的增大，燃燒始點、峰值壓力出現(xiàn)時刻和最大壓力升高率出現(xiàn)時刻均近似線性減小，這意味著燃燒始點、峰值壓力出現(xiàn)時刻及最大壓力升高率出現(xiàn)時刻提前，且提前的角度和供油提前角呈近似線性關(guān)系。

由圖2b可知，隨著供油提前角的增大，峰值壓力及最大壓力升高率有增大的趨勢，這主要是由供油提前角增大，預(yù)混燃燒比例增大所致。而平均指示壓力在22°時最大，平均指示壓力是轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和供油提前角等不同因素綜合作用的結(jié)果，因此，平均指示壓力隨供油提前角的變化無明顯規(guī)律，平均指示壓力不適于作為評價供油提前角異常與否的參數(shù)。

模擬分析結(jié)果表明，供油提前角和描述燃燒始點、峰值壓力等的振動速度特征參數(shù)近似線性相關(guān)。隨供油提前角的增大，表征燃燒始點、峰值壓力出現(xiàn)時刻及最大壓力升高率出現(xiàn)時刻的振動速度特征參數(shù)線性減小，表征峰值壓力及最大壓力升高率的振動速度特征參數(shù)增大。

2 試驗驗證及分析

2.1 測量系統(tǒng)

為驗證模擬分析的正確性，以1110和295柴油機為對象進(jìn)行了試驗驗證。1110柴油機共設(shè)置了19°，21°，22°和24° 4個供油角，295柴油機設(shè)置了18°，21°和24° 3個供油角。試驗采用MP426數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測試不同工況下的振動速度和缸內(nèi)壓力信號，各信號采樣頻率為50 kHz，振動速度傳感器置于發(fā)動機缸蓋。各傳感器及采集系統(tǒng)參數(shù)如下：12QP250壓電式缸內(nèi)壓力傳感器，靈敏度200 pC/MPa，量程15 MPa；PCB VO622A01壓電式振動速度傳感器，量程200 mm/s，靈敏度50 mV；YE5850A電荷放大器，極低頻測量(2 μHz)，靈敏度0.01～1 000 mV/pC，最大輸出幅度±10 V；MP426采集系統(tǒng)，16通道，16位采集卡，測量范圍±10 V。

2.2 實測振動速度信號預(yù)處理

以1110柴油機實測振動速度信號為例進(jìn)行分析，圖3虛線示出1 400 r/min ，30 N·m，供油角為21°工況下，一個循環(huán)的振動速度信號。與模擬結(jié)果相比，實測振動信號中存在低頻波動，該低頻波動將對特征參數(shù)的提取產(chǎn)生較大影響。分析表明該波動的頻率低于200 Hz，主要由50 Hz諧波分量組成，為有效提取燃燒激勵振動速度響應(yīng)，本研究采用origin軟件中的Savitzky-Golay 光順方法擬合低頻波動，實測數(shù)據(jù)減掉擬合數(shù)據(jù)即為燃燒激勵振動速度響應(yīng)。處理后的振動速度信號見圖3實線。

圖3 實測及預(yù)處理后的振動速度信號

2.3 1110柴油機試驗驗證

基于處理后的振動速度提取燃燒特征參數(shù)，并與基于缸內(nèi)壓力計算的燃燒特征參數(shù)進(jìn)行對比。以1 400 r/min，20 N·m工況為例進(jìn)行分析，各特征參數(shù)隨供油提前角的變化見圖4。

圖4 1 400 r/min，20 N·m工況，特征參數(shù)隨供油 提前角的變化

由圖4可見，基于實測振動速度與缸內(nèi)壓力計算的燃燒特征參數(shù)變化趨勢一致，表明盡管受干擾信號影響，實測振動速度特征參數(shù)仍可較準(zhǔn)確地表征燃燒特征參數(shù)。

隨供油提前角的增大，描述燃燒始點、峰值壓力出現(xiàn)時刻及最大壓力升高率出現(xiàn)時刻的振動速度相位特征參數(shù)減小，代表峰值壓力及最大壓力升高率的振動速度幅值特征參數(shù)增大，與理論分析結(jié)果一致。

但受各種干擾信息及試驗條件影響，各特征參數(shù)隨供油提前角變化的線性度略差。以基于振動速度識別的峰值壓力出現(xiàn)時刻和供油提前角關(guān)系為例，以最小二乘法對其進(jìn)行線性擬合，擬合直線可描述為y=-0.839 82x+25.293 16,R2=0.933 9，說明盡管實測結(jié)果存在一定的非線性度，但仍可近似為線性關(guān)系。同理，其他振動速度特征參數(shù)隨供油提前角的變化關(guān)系也可進(jìn)行線性擬合，擬合線性關(guān)系見圖5。

圖5 1110柴油機基于振動速度提取的特征參數(shù)和供油 提前角的擬合線性關(guān)系

2.4 295柴油機驗證

為驗證結(jié)果的普適性，在295柴油機上進(jìn)行了試驗驗證，選取1 200 r/min，60 N·m工況作為驗證工況。隨供油提前角的增加，基于實測振動速度的特征參數(shù)變化規(guī)律與前文分析一致。但受干擾信號和工況設(shè)置偏差影響，特征參數(shù)隨供油角的變化也呈現(xiàn)出一定的非線性特點。同樣，對試驗結(jié)果進(jìn)行線性擬合得出295柴油機各特征參數(shù)隨供油提前角的變化關(guān)系，結(jié)果見圖6。

圖6 295柴油機基于振動信號提取的特征參數(shù)隨供油 提前角的變化

振動速度特征參數(shù)隨供油提前角變化的線性關(guān)系是今后基于振動速度定量判斷供油角大小的基礎(chǔ)。

上述分析結(jié)果表明，對于供油提前角異常故障，在供油角偏離設(shè)計值范圍較小時，可選擇描述最大壓力升高率、峰值壓力、燃燒始點、峰值壓力出現(xiàn)時刻和最大壓力升高率出現(xiàn)時刻的特征參數(shù)作為故障評價參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)的共同變化判斷系統(tǒng)存在供油提前角異常故障的可能性。

3 結(jié)論

a) 模擬研究結(jié)果表明，對于偏離設(shè)計值較小的異常供油提前角，基于振動速度提取的描述峰值壓力出現(xiàn)時刻、燃燒始點和最大壓力升高率出現(xiàn)時刻等特征參數(shù)隨著供油提前角的增加而減小，表征峰值壓力、最大壓力升高率的特征參數(shù)隨供油提前角的增加而增大，且各特征參數(shù)隨供油提前角近似線性變化；

b) 基于振動速度提取的描述平均指示壓力的特征參數(shù)隨供油提前角的變化規(guī)律不明顯，不適于作為評價供油提前角異常故障的參數(shù)。

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