內(nèi)燃機表面振動信號中燃燒激勵響應(yīng)信號提取方法的研究.pdf

1、利用內(nèi)燃機表面振動信號提取燃燒激勵響應(yīng)信號，評價缸內(nèi)燃燒狀態(tài)，對實現(xiàn)內(nèi)燃機燃燒過程在線監(jiān)測、閉環(huán)控制及故障診斷具有重要的理論意義和實用價值。實際應(yīng)用過程中，由于振動信號中包含有大量與燃燒無關(guān)的干擾信息，燃燒激勵響應(yīng)信號被淹沒在諸多非燃燒激勵響應(yīng)信號中，導致燃燒激勵響應(yīng)信號的信噪比較低，很難直接從振動信號中識別出燃燒狀態(tài)信息。
　　本課題首先分析了燃燒激勵響應(yīng)信號與非燃燒激勵響應(yīng)信號間的耦合特點;針對振動速度和振動加速度信號中非燃燒

2、激勵響應(yīng)信號的特點，分別研究了振動加速度信號和振動速度信號中非燃燒激勵響應(yīng)信號的剔除方法;基于仿真分析，提出了基于振動信號中與燃燒過程相關(guān)的參數(shù)描述激勵信號高頻成分含量，計算振動響應(yīng)信號與激勵信號間相位滯后角的方法。
　　論文主要研究工作如下:
　　1.機體表面振動信號與燃燒激勵信號間關(guān)系的理論分析
　　實測振動信號中包含大幅值的低頻干擾信號，對該低頻信號進行頻譜分析后認為，該信號主要是由往復(fù)慣性力激勵引起。某些工況下

3、，該信號甚至淹沒了燃燒激勵響應(yīng)信號，在振動速度信號中表現(xiàn)尤為明顯，導致難以基于實測振動信號識別燃燒特征參數(shù);
　　基于Matlab/Simulink建立的振動系統(tǒng)模型，探索了不同激勵輸入信號對振動響應(yīng)信號與激勵信號間相位滯后角的影響規(guī)律，結(jié)果表明，隨著內(nèi)燃機負荷的增加，燃燒激勵信號中的高頻諧波分量增加，振動響應(yīng)信號的相位滯后角增加;
　　利用AVLBoost搭建了內(nèi)燃機一維仿真模型，通過調(diào)節(jié)不同放熱規(guī)律，獲得了不同工況的缸壓

4、曲線。統(tǒng)計了缸壓激勵信號中250Hz以上頻帶的能量與燃燒特征參數(shù)間的關(guān)系，獲取了缸壓激勵信號中能夠表征其高頻能量含量的特征參數(shù)，這為基于振動信號特征值表征激勵信號中高頻分量比例、推測振動信號相位滯后角奠定了基礎(chǔ)。
　　2.機體表面振動速度信號中燃燒激勵響應(yīng)信號的提取及應(yīng)用
　　根據(jù)內(nèi)燃機往復(fù)慣性力激勵信號的特點，建立了描述往復(fù)慣性力激勵響應(yīng)信號的數(shù)學模型。依據(jù)實測振動信號，采用模式識別技術(shù)辨識模型相關(guān)參數(shù)，利用模型預(yù)測并從實

5、測振動速度信號中直接剔除往復(fù)慣性力激勵響應(yīng)信號。利用實測振動速度信號，對用于模型參數(shù)辨識的數(shù)據(jù)范圍、模型階次等因素進行了分析。結(jié)果表明建立四階模型、選用壓縮過程初期的數(shù)據(jù)辨識模型參數(shù)，可以獲取較好的往復(fù)慣性力激勵響應(yīng)信號預(yù)測結(jié)果，瞬時轉(zhuǎn)速波動對模型參數(shù)辨識的影響不大;剔除往復(fù)慣性力激勵響應(yīng)信號后的振動速度信號與壓升率信號間的相關(guān)性明顯提高。利用振動速度信號中特征參數(shù)表征激勵信號中的高頻成分含量，對振動速度信號與激勵信號間的相位偏差進行描

6、述，提高了基于振動速度信號獲取燃燒特征參數(shù)的識別精度。
　　3.機體表面振動加速度信號中燃燒激勵響應(yīng)信號的提取
　　機體表面振動加速度信號中也包含有主要由往復(fù)慣性力引起的響應(yīng)信號，以傅里葉變換為理論依據(jù)的時頻分析方法在分析非平穩(wěn)信號時，易產(chǎn)生虛假信號和假頻等矛盾現(xiàn)象;利用小波分解剔除振動加速度信號低頻干擾時，效果取決于小波基的選擇，一個基函數(shù)很難在所有工況下都取得令人滿意的結(jié)果。
　　提出了基于經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?Empir

7、ical Mode Decomposition，END)技術(shù)提高振動加速度信號中燃燒激勵響應(yīng)信號信噪比的方法。首先采用EMD技術(shù)對振動加速度信號進行分解，進而利用與燃燒信息相關(guān)性較大的本征模式函數(shù)重構(gòu)了振動加速度信號，重構(gòu)的振動加速度信號與缸壓二次導數(shù)有很強的相關(guān)性。
　　提出了利用“平均壓升率”及峰值點前第一個過零點到振動加速度曲線最低點之間的間隔角表征振動加速度信號中的高頻成分含量，估算振動加速度信號與激勵信號間的相位偏差，識

8、別最大壓升率出現(xiàn)時刻及峰值壓力出現(xiàn)時刻的方法。
　　4.燃燒激勵響應(yīng)信號提取方法普適性驗證
　　基于SD2100TA兩缸柴油機，研究了相鄰缸的燃燒激勵對測量缸燃燒激勵響應(yīng)信號提取的影響。結(jié)果表明，當內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速低于7500r/min時，相鄰缸燃燒激勵響應(yīng)信號延續(xù)不到當前缸的發(fā)火時刻;當內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速高于7500r/min時，相鄰缸燃燒激勵響應(yīng)信號恢復(fù)平穩(wěn)的時間對應(yīng)的轉(zhuǎn)角將大于180℃A。但隨著燃燒過程結(jié)束，進入自由振動階段，自由振

9、動的頻率在3000Hz以上，高于燃燒激勵響應(yīng)信號的頻率上限。因此，即使相鄰缸的燃燒激勵引起的自由振動能延續(xù)到當前缸的燃燒時刻，也可以用濾波的方法將其去除。
　　基于4W34T2柴油機，研究了相鄰缸燃燒激勵和氣門開啟、落座等非燃燒激勵與當前缸燃燒激勵的耦合情況。與燃燒激勵響應(yīng)信號有耦合的其他缸的激勵包括相鄰缸燃燒激勵、氣門開啟、落座激勵。在負荷較低時，氣門激勵的影響較為明顯，隨著負荷的增加，氣門激勵響應(yīng)信號在振動速度信號中能量占比逐

10、漸降低，并且氣門激勵的響應(yīng)信號的頻率高于燃燒激勵響應(yīng)信號，不會影響燃燒激勵響應(yīng)信號的提取。缸蓋罩上測得的振動信號中除包含當前缸的燃燒激勵信息外，也較明顯地包含有相鄰缸的部分燃燒信息;受缸蓋墊及缸蓋罩自身特性的影響，實測振動信號中低于1000Hz和高于2000Hz的頻帶都有明顯的衰減，800Hz以下部分衰減尤為明顯。
　　在SD2100TA和GW4D20柴油機上，對利用振動速度信號和振動加速度信號提取燃燒激勵響應(yīng)信號，識別燃燒特征參

11、數(shù)的方法進行了驗證;試驗中柴油機分別燃用柴油、G30和G50燃料，研究結(jié)果表明，利用振動信號和利用缸壓曲線識別得到的燃燒特征參數(shù)都能反映出因燃料改變而引起的燃燒過程的變化。相對于從缸蓋表面獲取的振動信號，從缸蓋罩獲取的振動信號存在部分燃燒信息的損失，實測振動信號中非燃燒激勵響應(yīng)信號比例增加，導致識別精度降低。
　　5.基于信息融合技術(shù)提取燃燒激勵響應(yīng)信號的研究
　　針對內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)緊湊，傳感器無法安裝在與燃燒信息密切相關(guān)位置的

12、問題，提出基于信息融合技術(shù)，利用若干測點的振動加速度信號重構(gòu)與燃燒信息密切相關(guān)的振動加速度信號的方法。
　　引入同步壓縮小波變換獲取高時頻分辨率的頻譜圖，提出了利用修正Hausdorff距離描述各傳感器信號頻譜圖之間的相似程度，獲取各傳感器信號的加權(quán)系數(shù)，實現(xiàn)多傳感器信息融合的方法。
　　選擇利用不同測點的信號重構(gòu)振動加速度信號，結(jié)果表明，距離被測缸較近的振動加速度信號中包含的燃燒信息更為豐富;利用距離被測缸較近的傳感器信號