內(nèi)燃機(jī)表面振動(dòng)信號(hào)中燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)提取方法的研究.pdf

1、利用內(nèi)燃機(jī)表面振動(dòng)信號(hào)提取燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)，評(píng)價(jià)缸內(nèi)燃燒狀態(tài)，對(duì)實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)燃燒過程在線監(jiān)測(cè)、閉環(huán)控制及故障診斷具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。實(shí)際應(yīng)用過程中，由于振動(dòng)信號(hào)中包含有大量與燃燒無關(guān)的干擾信息，燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)被淹沒在諸多非燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)中，導(dǎo)致燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)的信噪比較低，很難直接從振動(dòng)信號(hào)中識(shí)別出燃燒狀態(tài)信息。
　　本課題首先分析了燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)與非燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)間的耦合特點(diǎn);針對(duì)振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度信號(hào)中非燃燒

2、激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)的特點(diǎn)，分別研究了振動(dòng)加速度信號(hào)和振動(dòng)速度信號(hào)中非燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)的剔除方法;基于仿真分析，提出了基于振動(dòng)信號(hào)中與燃燒過程相關(guān)的參數(shù)描述激勵(lì)信號(hào)高頻成分含量，計(jì)算振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)間相位滯后角的方法。
　　論文主要研究工作如下:
　　1.機(jī)體表面振動(dòng)信號(hào)與燃燒激勵(lì)信號(hào)間關(guān)系的理論分析
　　實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)中包含大幅值的低頻干擾信號(hào)，對(duì)該低頻信號(hào)進(jìn)行頻譜分析后認(rèn)為，該信號(hào)主要是由往復(fù)慣性力激勵(lì)引起。某些工況下

3、，該信號(hào)甚至淹沒了燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)，在振動(dòng)速度信號(hào)中表現(xiàn)尤為明顯，導(dǎo)致難以基于實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)識(shí)別燃燒特征參數(shù);
　　基于Matlab/Simulink建立的振動(dòng)系統(tǒng)模型，探索了不同激勵(lì)輸入信號(hào)對(duì)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)間相位滯后角的影響規(guī)律，結(jié)果表明，隨著內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷的增加，燃燒激勵(lì)信號(hào)中的高頻諧波分量增加，振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的相位滯后角增加;
　　利用AVLBoost搭建了內(nèi)燃機(jī)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(jì)了缸壓激勵(lì)信號(hào)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(lì)信號(hào)中能夠表征其高頻能量含量的特征參數(shù)，這為基于振動(dòng)信號(hào)特征值表征激勵(lì)信號(hào)中高頻分量比例、推測(cè)振動(dòng)信號(hào)相位滯后角奠定了基礎(chǔ)。
　　2.機(jī)體表面振動(dòng)速度信號(hào)中燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)的提取及應(yīng)用
　　根據(jù)內(nèi)燃機(jī)往復(fù)慣性力激勵(lì)信號(hào)的特點(diǎn)，建立了描述往復(fù)慣性力激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)的數(shù)學(xué)模型。依據(jù)實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)，采用模式識(shí)別技術(shù)辨識(shí)模型相關(guān)參數(shù)，利用模型預(yù)測(cè)并從實(shí)

5、測(cè)振動(dòng)速度信號(hào)中直接剔除往復(fù)慣性力激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)。利用實(shí)測(cè)振動(dòng)速度信號(hào)，對(duì)用于模型參數(shù)辨識(shí)的數(shù)據(jù)范圍、模型階次等因素進(jìn)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(shí)模型參數(shù)，可以獲取較好的往復(fù)慣性力激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)預(yù)測(cè)結(jié)果，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)模型參數(shù)辨識(shí)的影響不大;剔除往復(fù)慣性力激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)后的振動(dòng)速度信號(hào)與壓升率信號(hào)間的相關(guān)性明顯提高。利用振動(dòng)速度信號(hào)中特征參數(shù)表征激勵(lì)信號(hào)中的高頻成分含量，對(duì)振動(dòng)速度信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)間的相位偏差進(jìn)行描

6、述，提高了基于振動(dòng)速度信號(hào)獲取燃燒特征參數(shù)的識(shí)別精度。
　　3.機(jī)體表面振動(dòng)加速度信號(hào)中燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)的提取
　　機(jī)體表面振動(dòng)加速度信號(hào)中也包含有主要由往復(fù)慣性力引起的響應(yīng)信號(hào)，以傅里葉變換為理論依據(jù)的時(shí)頻分析方法在分析非平穩(wěn)信號(hào)時(shí)，易產(chǎn)生虛假信號(hào)和假頻等矛盾現(xiàn)象;利用小波分解剔除振動(dòng)加速度信號(hào)低頻干擾時(shí)，效果取決于小波基的選擇，一個(gè)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(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?Empir

7、ical Mode Decomposition，END)技術(shù)提高振動(dòng)加速度信號(hào)中燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)信噪比的方法。首先采用EMD技術(shù)對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行分解，進(jìn)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(dòng)加速度信號(hào)，重構(gòu)的振動(dòng)加速度信號(hào)與缸壓二次導(dǎo)數(shù)有很強(qiáng)的相關(guān)性。
　　提出了利用“平均壓升率”及峰值點(diǎn)前第一個(gè)過零點(diǎn)到振動(dòng)加速度曲線最低點(diǎn)之間的間隔角表征振動(dòng)加速度信號(hào)中的高頻成分含量，估算振動(dòng)加速度信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)間的相位偏差，識(shí)

8、別最大壓升率出現(xiàn)時(shí)刻及峰值壓力出現(xiàn)時(shí)刻的方法。
　　4.燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)提取方法普適性驗(yàn)證
　　基于SD2100TA兩缸柴油機(jī)，研究了相鄰缸的燃燒激勵(lì)對(duì)測(cè)量缸燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)提取的影響。結(jié)果表明，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速低于7500r/min時(shí)，相鄰缸燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)延續(xù)不到當(dāng)前缸的發(fā)火時(shí)刻;當(dāng)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速高于7500r/min時(shí)，相鄰缸燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)恢復(fù)平穩(wěn)的時(shí)間對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角將大于180℃A。但隨著燃燒過程結(jié)束，進(jìn)入自由振動(dòng)階段，自由振

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

10、漸降低，并且氣門激勵(lì)的響應(yīng)信號(hào)的頻率高于燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)，不會(huì)影響燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)的提取。缸蓋罩上測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)中除包含當(dāng)前缸的燃燒激勵(lì)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(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)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(jī)上，對(duì)利用振動(dòng)速度信號(hào)和振動(dòng)加速度信號(hào)提取燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)，識(shí)別燃燒特征參

11、數(shù)的方法進(jìn)行了驗(yàn)證;試驗(yàn)中柴油機(jī)分別燃用柴油、G30和G50燃料，研究結(jié)果表明，利用振動(dòng)信號(hào)和利用缸壓曲線識(shí)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(duì)于從缸蓋表面獲取的振動(dòng)信號(hào)，從缸蓋罩獲取的振動(dòng)信號(hào)存在部分燃燒信息的損失，實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)中非燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)比例增加，導(dǎo)致識(shí)別精度降低。
　　5.基于信息融合技術(shù)提取燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)的研究
　　針對(duì)內(nèi)燃機(jī)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(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度信號(hào)重構(gòu)與燃燒信息密切相關(guān)的振動(dòng)加速度信號(hào)的方法。
　　引入同步壓縮小波變換獲取高時(shí)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(hào)頻譜圖之間的相似程度，獲取各傳感器信號(hào)的加權(quán)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)多傳感器信息融合的方法。
　　選擇利用不同測(cè)點(diǎn)的信號(hào)重構(gòu)振動(dòng)加速度信號(hào)，結(jié)果表明，距離被測(cè)缸較近的振動(dòng)加速度信號(hào)中包含的燃燒信息更為豐富;利用距離被測(cè)缸較近的傳感器信號(hào)