姜耀華，鄧 軍，王 斌，王 靜

（鎮(zhèn)江船艇學院 內燃機教研室，江蘇 鎮(zhèn)江212003）

在線監(jiān)測與故障診斷技術是保證柴油機安全高效運轉的重要手段。某些故障會導致各缸做功能力不均勻，如活塞環(huán)密封失效，氣門漏氣，噴油定時不正確，均會使柴油機的輸出轉矩發(fā)生變化，從而導致瞬時轉速的波動。因此柴油機瞬時轉速蘊含了豐富的機械運行狀態(tài)的有用信息，通過分析瞬時轉速的變化可以診斷柴油機故障。關于瞬時轉速的測量以及轉速信號的處理已有很多研究?，F(xiàn)以康明斯NTA855-M350柴油機為例，利用瞬時轉速波動診斷柴油機故障。

1 瞬時轉速測量系統(tǒng)

利用瞬時轉速波動進行柴油機故障的診斷關鍵是掌握柴油機實測瞬時轉速的波形，為此，采用圖1所示的測量系統(tǒng)。

圖1 檢測系統(tǒng)框圖

通過對信號的處理計算得到各缸均勻工作時，瞬時轉速隨曲軸轉角的變化曲線見圖2。

圖2 各缸均勻工作時瞬時轉速的變化曲線

2 故障診斷

2.1 基于數(shù)值計算的故障診斷

對于N缸柴油機，將每循環(huán)采集的轉速信號等分成N組，對于每一組（某一缸）的數(shù)據(jù)定義

式中：Mn——一組數(shù)據(jù)的個數(shù)；

xi（k）——瞬時轉速采樣值；

xim、σi——xi（k）的均值和均方差；

xjm、σj——xj（k）的均值和方差。

將每個氣缸的工作狀態(tài)分為正常和故障兩種，對兩個處于正常狀態(tài)的氣缸i和j作互相關分析，則Sij應接近1；否則Sij較小。

Ti對應著第i缸和每缸作相關分析，但是在不同工況下直接比較Ti易形成較大的誤差。定義單缸狀態(tài)判別值ti＝，式中T為T的平均值。通過大量實驗確定ti的限值til。如果某次測試的ti≥til，則判定第i缸處于正常工作狀態(tài)，否則判定第i缸處于故障工作狀態(tài)［1］。以NTA855-M350柴油機為例，確定til為0.8時測定單缸失火故障是可靠的。

2.2 基于診斷模型的故障診斷

根據(jù)曲軸飛輪系統(tǒng)的動力學分析，有轉矩平衡方程：

式中：θ——曲軸轉角；

θ..——角加速度；

J——整個軸系運動部分的有效集中轉動慣量；

Te（θ）——整個軸系的旋轉慣性轉矩；

Te（θ）、Tr（θ）、TL（θ）——分別為所有氣缸總的氣體力轉矩、總的往復慣性轉矩、總的阻力轉矩。

將Tp（θ）、Te（θ）、Tr（θ）、TL（θ）、θ..進行傅立葉變換得到Tp（ω）、Te（ω）、Tr（ω）、TL（ω）、A（ω）；轉角頻率ω與曲軸轉角θ互為傅立葉變換對。從而有：

通過分析可知，Tp（ω）中的低階諧波分量反映了各缸氣體轉矩力的不均勻度，據(jù)此可以定義無量綱的轉矩諧波分量比R作為衡量柴油機工作不均勻性的特征參數(shù)：

式中：N——氣缸數(shù)；

Tp（nωc）——循環(huán)內氣體力轉矩的n階諧波分量；

ωc——內燃機工作循環(huán)頻率；

Nωc——內燃機發(fā)火頻率。

利用R設定一個簡單的閾檻值，即可識別和診斷出柴油機的失火或工作的不均勻性［2］。

2.3 基于波形的故障診斷

若柴油機正常工作，則每缸的瞬時轉速波動間隔和幅度大致相同，如果某缸發(fā)生故障就會影響瞬時轉速，從而在轉速波形上有所反應?？扇」收咸卣鞅容^明顯的參數(shù)作為特征參數(shù)，如一個工作循環(huán)內第i缸作功行程對應的瞬時轉速波動的峰值nit與前一個谷值nib之差，即

Δni越小，說明第i缸作功越少或密封性越差［3］。為了盡可能減小循環(huán)轉速和負荷變化對診斷的影響，定義第i缸作功行程對應的瞬時轉速波動Δni與循環(huán)內所有缸對應的瞬時轉速波動的平均值之比為第i缸的瞬時轉速波動率fi，則有：

fi越小說明第i缸作功越少；各缸瞬時轉速波動率差值越小說明發(fā)動機各缸工作均勻性越好。

圖3為NTA855-M350柴油機在4號缸斷油時瞬時轉速波形圖。顯然4號缸的轉速的最大波動值相對于其它缸而言最為明顯，即Δn4最小，即可判定4號缸發(fā)生故障。

圖3 4號缸斷油時瞬時轉速波形圖

3 結論

通過測量柴油機瞬時轉速的波動可以監(jiān)測和診斷其運行故障。相比而言基于計算和模型的故障診斷計算量大，但是對故障判斷的可靠性高。基于波形的故障診斷計算量小、通用性較好，能滿足在線監(jiān)測和實時診斷。

［1］于明進，孟祥錄.瞬時轉速在發(fā)動機性能與故障檢測中的應用［J］.山東交通學院學報，2004（2）：18-21.

［2］郭文勇，樸甲哲.基于瞬時轉速的內燃機故障診斷方法［J］.海軍工程大學學報，2001（6）：55-58.

［3］濮立俊，楊建國.利用發(fā)動機瞬時轉速波動診斷氣門漏氣故障［J］.武漢交通科技大學學報，2000（1）：59-63.