劉 琦 林瑞霖

（海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

柴油機(jī)的缸內(nèi)壓力直接反映柴油機(jī)的工作性能，包括進(jìn)氣過(guò)程的好壞、噴油定時(shí)是否準(zhǔn)確、氣閥間隙是否合適、氣缸的氣密性的好壞、燃料燃燒的完整程度等［1］。因此，測(cè)取壓力信號(hào)可以對(duì)柴油機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)缸內(nèi)壓力信號(hào)對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行故障診斷，主要是通過(guò)從缸內(nèi)壓力信號(hào)中提取出缸內(nèi)溫度、壓力升高率、燃燒放熱率等隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律［2］。但是，通過(guò)壓力傳感器測(cè)取的原始缸內(nèi)壓力信號(hào)是混有很多噪聲的電壓信號(hào)，能否有效地從中提取出隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的比較光滑的壓力信號(hào)，對(duì)判斷柴油機(jī)工作是否正常和診斷柴油機(jī)的故障類型至關(guān)重要。

2 對(duì)原始測(cè)量信號(hào)處理的流程

1）等曲軸轉(zhuǎn)角化

對(duì)壓力信號(hào)的采樣是通過(guò)壓力傳感器所采集的等時(shí)間間隔的信號(hào)，而對(duì)柴油機(jī)工作狀態(tài)的分析是通過(guò)等曲軸轉(zhuǎn)角的壓力信號(hào)實(shí)現(xiàn)的［3］，所以，必須對(duì)等時(shí)間間隔采樣的信號(hào)進(jìn)行等曲軸轉(zhuǎn)角處理。壓力傳感器在柴油機(jī)曲軸的各個(gè)輪齒轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中所采集的信號(hào)個(gè)數(shù)為

其中，Z為柴油機(jī)曲軸一圈輪齒的個(gè)數(shù)；fs為壓力傳感器的采樣頻率；ni為曲軸在經(jīng)過(guò)不同輪齒時(shí)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速；x（Zi）為不同輪齒時(shí)壓力傳感器所采集的信號(hào)個(gè)數(shù)。

根據(jù)各個(gè)輪齒間采樣點(diǎn)的信號(hào)，通過(guò)Newten插值公式求出等曲軸轉(zhuǎn)角的壓力傳感器信號(hào)，Newten插值算法如下［4］：

采集信號(hào)的精度取決于壓力傳感器的頻率和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速越低，采樣頻率越高，信號(hào)的準(zhǔn)度越高。

2）多循環(huán)平均

柴油機(jī)的做功過(guò)程是通過(guò)燃料的燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣體，推動(dòng)活塞做功。對(duì)于四沖程柴油機(jī)，每一個(gè)做功循環(huán)都經(jīng)歷吸氣、壓縮、燃燒做功和排氣沖程，根據(jù)這個(gè)順序周而復(fù)始地進(jìn)行工作，每個(gè)工作循環(huán)都經(jīng)歷度曲軸轉(zhuǎn)角［5］。即使在穩(wěn)定工況下，柴油機(jī)工作中的各個(gè)不同循環(huán)，缸內(nèi)壓力信號(hào)也會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)［6］。因此，為了減小隨機(jī)誤差和噪聲干擾，必須對(duì)測(cè)取的缸內(nèi)壓力信號(hào)進(jìn)行多循環(huán)平均。多循環(huán)平均的算法如下：其中，θ為曲軸轉(zhuǎn)角；Vi（θ）為隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的壓力傳感器信號(hào)；N為循環(huán)數(shù)；ˉV（θ）為平均化處理后的壓力傳感器信號(hào)。

3）標(biāo)定

壓力傳感器輸出的是電壓信號(hào)，而要得到缸內(nèi)壓力信號(hào)，需要對(duì)壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，將采集的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為壓力信號(hào)。壓力傳感器的輸出信號(hào)隨壓力的大小呈線性變化，利用最小二乘法對(duì)壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定算法為，設(shè)

求滿足

的α、b，其中α、b分別為壓力傳感器的放大倍數(shù)和零點(diǎn)漂移，V、P（V）分別為壓力傳感器輸出的電壓信號(hào)和所要得出的缸內(nèi)壓力信號(hào)。

4）光順處理

壓力傳感器采集的缸內(nèi)壓力信號(hào)之中混有很多高頻的噪聲干擾，即使進(jìn)行了多個(gè)循環(huán)的平均，壓力信號(hào)的毛刺依然很大；計(jì)算放熱率要求P－θ曲線是可導(dǎo)的，但是由于壓力值采集誤差，以及其他誤差等原因，常常使壓力數(shù)據(jù)并不滿足可導(dǎo)的條件。由于以上原因，用數(shù)學(xué)方法計(jì)算的dQ－dθ曲線一般會(huì)產(chǎn)生較大的震蕩［7］。所以，必須將平均化以后的壓力信號(hào)進(jìn)行光順處理。

光順處理的方法很多，可采用樣條函數(shù)、最小二乘法、正交多項(xiàng)式法、五點(diǎn)三次平滑法等。五點(diǎn)三次平滑法的算法如下［8］：

以上即為對(duì)壓力傳感器所采集的原始信號(hào)的處理流程。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

本實(shí)驗(yàn)是在6135非增壓四沖程柴油機(jī)上進(jìn)行的，轉(zhuǎn)速置為1000r／min，負(fù)載400Nm，6135柴油機(jī) 的 發(fā) 火 順 序 為 1-5-3-6-2-4，壓 力 傳 感 器 采 用HEM375耐高溫壓力傳感器，采樣頻率為65536Hz，實(shí)驗(yàn)采集了2號(hào)缸40個(gè)循環(huán)的壓力信號(hào)進(jìn)行分析。

4 數(shù)據(jù)分析

1）在轉(zhuǎn)速1000r／min，負(fù)載400Nm的工況下，采集的40個(gè)循環(huán)的缸內(nèi)壓力原始數(shù)據(jù)和單個(gè)循環(huán)的缸內(nèi)壓力原始數(shù)據(jù)分別如圖1和圖2。從圖1可以看出，即使在穩(wěn)定工況下，各個(gè)不同循環(huán)的缸內(nèi)壓力信號(hào)波動(dòng)依然很大，其中最高爆發(fā)壓力的波動(dòng)達(dá)到31.6%。單缸的缸內(nèi)壓力信號(hào)在不同做功階段受噪聲干擾均比較大，其中以低壓段的表現(xiàn)最為明顯，如圖2，這主要由于高壓段壓力信號(hào)占主導(dǎo)，而低壓段噪聲信號(hào)的比例相對(duì)高壓段高。

圖1 40個(gè)循環(huán)的缸內(nèi)壓力信號(hào)

圖2 單個(gè)循環(huán)的缸內(nèi)壓力信號(hào)

2）按照等曲軸轉(zhuǎn)角化的算法，將等采樣頻率的壓力傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)化為等曲軸轉(zhuǎn)角的信號(hào)，結(jié)果如圖3，可以看出，經(jīng)過(guò)等曲軸轉(zhuǎn)角化后，更加能清楚地反映柴油機(jī)在不同做功階段的壓力變化規(guī)律。

圖3 等曲軸轉(zhuǎn)角化的壓力傳感器信號(hào)

圖4 40個(gè)循環(huán)平均的壓力傳感器信號(hào)

3）按照多循環(huán)平均算法，對(duì)40個(gè)循環(huán)的壓力傳感器信號(hào)作平均化處理，結(jié)果如圖4，可以看出，經(jīng)過(guò)多循環(huán)平均處理后，信號(hào)的隨機(jī)誤差明顯減小，信號(hào)相對(duì)平滑。

4）按照光順?biāo)惴ǎ謩e對(duì)平均化以后的壓力傳感器信號(hào)進(jìn)行一次、二次、三次光順處理，如圖5。可以看到，隨著光順次數(shù)的增加，信號(hào)越來(lái)越平滑［9］，但是三次光順以后，信號(hào)在低壓段（包括壓縮段）的噪聲干擾仍然很大。為有效減少信號(hào)在低壓段的噪聲干擾，對(duì)信號(hào)進(jìn)行六次光順，信號(hào)在低壓和高壓段均比較平滑，但卻使信號(hào)的一些特征點(diǎn)不明顯，如壓縮拐點(diǎn)消失，信號(hào)的峰值誤差也加大，信號(hào)的峰值壓力誤差達(dá)到5%，如圖5。針對(duì)壓力信號(hào)在高壓段有用信號(hào)占主導(dǎo)，而在低壓段噪聲干擾大的特點(diǎn)，本文選擇對(duì)高壓段和低壓段分別采用三次光順和六次光順的方法進(jìn)行處理，結(jié)果如圖6，可以看到，處理后的結(jié)果既保持了原始信號(hào)的特征點(diǎn)，又使峰值的誤差比較小，峰值壓力誤差為0.88%。

圖5 不同光順次數(shù)的缸內(nèi)壓力信號(hào)對(duì)比

5）按照最小二乘算法，對(duì)壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定。所采用的標(biāo)定點(diǎn)如表1。

最小二乘法標(biāo)定曲線如圖7，由圖可見(jiàn)，壓力傳感器的線性度比較好，標(biāo)定的結(jié)果為，

P（V）＝5.2193V＋1.0238 （7）

利用式（7）的標(biāo)定結(jié)果，對(duì)壓力傳感器所測(cè)量的壓力信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，得到最終的缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的結(jié)果，如圖8所示。

表1 標(biāo)定點(diǎn)的選取

圖6 分段光順的缸內(nèi)壓力信號(hào)

圖7 最小二乘法標(biāo)定曲線

圖8 壓力曲線標(biāo)定結(jié)果

6）本文對(duì)比了不同光順?lè)椒▽?duì)壓力升高率計(jì)算的影響，如圖9，可以看出，壓力信號(hào)未經(jīng)過(guò)光順處理，得出的壓力升高率曲線毛刺比較大［10］，經(jīng)過(guò)五點(diǎn)三次光順后，壓力升高率曲線高壓段毛刺較小，而低壓段毛刺依然很大，分段光順后，以壓縮終點(diǎn)為零度轉(zhuǎn)角，計(jì)算的缸內(nèi)壓力升高率曲線在低壓和高壓段均比較平滑，并且根據(jù)分段光順的壓力曲線，由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算的壓縮段缸內(nèi)溫度曲線也比較平滑。

圖9 不同光順?lè)椒▽?duì)壓力升高率計(jì)算的影響以及根據(jù)分段光順壓力計(jì)算的壓縮階段溫度

5 結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)壓力傳感器測(cè)量的原始缸內(nèi)壓力信號(hào)經(jīng)過(guò)等曲軸轉(zhuǎn)角化、多循環(huán)平均、光順處理和標(biāo)定以后，可以得到滿足故障診斷需要的缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)。

2）采用分段光順?lè)椒▽?duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以使壓力曲線在高壓和低壓段均比較平滑，而且保持了壓力曲線的特征點(diǎn)，減小了峰值誤差。

［1］郭江華，侯馨文，陳國(guó)鈞，等.船舶柴油機(jī)故障診斷技術(shù)研究［J］.中國(guó)航海，2005（4）：75

［2］黃碧華，裘崇偉，謝友柏.柴油機(jī)磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)建立的研究［J］.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，1994，45：36

［3］潘峰.船舶主推進(jìn)柴油機(jī)示功圖識(shí)別專家系統(tǒng)的研究［D］.武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007（5）：15

［4］何漢林，梅家斌.數(shù)值分析［M］.北京：科學(xué)出版社，2007（2）：130

［5］周龍寶，高宗英.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009（2）：16

［6］林瑞霖，孫云嶺.基于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速相關(guān)分析的柴油機(jī)工作均勻性檢驗(yàn)［J］.內(nèi)燃機(jī)，2006，8（4）：19

［7］曹國(guó)豪.船舶柴油機(jī)示功圖測(cè)量系統(tǒng)研制［D］.武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009（5）：6

［8］孫怡，潛偉建，夏志瀾，等.在柴油機(jī)放熱曲線計(jì)算中兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的解決方法［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，6（13）：86

［9］葉劍.135柴油機(jī)燃燒過(guò)程數(shù)值模擬［D］.大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008（12）：32

［10］Ryuichi Kimura，Noboru Nakai，Hiroshi Mizutani.Diagnostic System of Diesel Engine by Statistical Vibration Analysis［R］.Bulletin of the M.E.S.J，1966，24（1）：14～20