基于缸內(nèi)壓力信號的柴油機工作不均勻性研究

，，伯運

(海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，武漢 430033)

多缸柴油機工作不均勻性指各缸工作過程以及對外表現(xiàn)出的差異，引起柴油機工作不均勻性的因素較多，主要有：各缸加工制造誤差的差異、進(jìn)氣系統(tǒng)壓力波動產(chǎn)生的不均勻充氣、各缸噴油量的差異、各缸磨損狀況不一以及各缸在不同工作循環(huán)中的波動性。研究各氣缸的工作不均勻性是為了判斷故障缸號，提高單缸經(jīng)濟(jì)性，減輕發(fā)動機振動，避免由于各缸工作不均勻引起的功率下降以及為改進(jìn)供油系統(tǒng)提供理論依據(jù)，通過調(diào)整單缸使用性能以提高整機工作性能[1]。分析柴油機的工作不均勻性，可以從轉(zhuǎn)速信號的波動入手，但從缸內(nèi)壓力信號到轉(zhuǎn)速信號，有很多中間傳遞環(huán)節(jié)的干擾。而缸內(nèi)壓力直接反映柴油機的工作性能，包括進(jìn)氣過程的好壞、氣缸的氣密性、燃料燃燒的完整程度。因此，測取壓力信號可以對柴油機的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測。測量不同噴油量時各個氣缸的缸內(nèi)壓力信號，對不同氣缸的缸內(nèi)壓力信號進(jìn)行了互相關(guān)分析，比較不同噴油量和互相關(guān)系數(shù)之間的關(guān)系，通過互相關(guān)系數(shù)的比較，分析柴油機各缸工作的不均勻性，為故障缸號的診斷和故障程度的判斷提供參考。

1 缸內(nèi)壓力與噴油量關(guān)系模型建立

缸內(nèi)氣體做功：

(1)

柴油機從燃燒開始到排氣門開啟，缸內(nèi)發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程，因此，主要研究這一階段的缸內(nèi)壓力變化。對6135柴油機，單缸獨立做功的曲軸轉(zhuǎn)角為120°，因此，提取燃燒做功階段上止點附近的±90°范圍進(jìn)行分析。燃燒做功階段，進(jìn)氣門和排氣門是關(guān)閉的，忽略工質(zhì)的泄露損失，氣缸與外界沒有物質(zhì)交換[2]，燃料燃燒所釋放的內(nèi)能乘以機械效率等于活塞推動曲軸連桿機構(gòu)所做的機械功，因此，式(1)轉(zhuǎn)化為

(2)

式中：qf——燃料燃燒所釋放的能量；

mf(φ)——曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)所燃燒的燃料質(zhì)量；

η——燃料燃燒所釋放的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械功的效率。

當(dāng)曲柄自上止點轉(zhuǎn)過角度φ后，活塞的位移x為[3]

x=R(1-cosφ)+L(1-cosβ)

(3)

式中：R——曲柄半徑；

L——連桿長度。

由正弦定理將β轉(zhuǎn)化為φ的函數(shù)：

λ

(4)

式中：β——連桿與垂直方向的夾角。

由此，式(2)轉(zhuǎn)化為

(5)

令：

(6)

這樣，建立了缸內(nèi)壓力與噴油量的相互關(guān)系：

(7)

柴油機在調(diào)整良好的情況下，各缸的噴油規(guī)律是相似的，只是相互之間有一定的間隔角，因此，各個氣缸的缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律也是相似的。這樣，可以通過調(diào)整單缸噴油量，來比較噴油量的變化對柴油機工作均勻性的影響。

2 實驗平臺

實驗在6135非增壓四沖程柴油機上進(jìn)行。轉(zhuǎn)速置為1 000 r/min，負(fù)載400 N·m，壓力傳感器的采樣頻率為65 536 Hz。6135柴油機氣缸的發(fā)火次序為1-5-3-6-2-4，噴油提前角約為20°。實驗過程為：拆下5#氣缸的噴油泵，在油量調(diào)整臺上調(diào)整噴油量，分別測得正常噴油量、噴油量減少20%、噴油量減少40%和斷油故障時5#缸和其它氣缸的壓力信號。

3 數(shù)據(jù)分析

采用互相關(guān)系數(shù)ρxy(τ)研究當(dāng)噴油量變化時，各氣缸缸內(nèi)壓力的相似程度。

(8)

互相關(guān)系數(shù)的大小在0和1之間變化，它表征兩個信號的相關(guān)性或相似程度。ρxy(τ)=1時表示全相關(guān)[4]；ρxy(τ)越小，兩個信號差別越大；當(dāng)約定ρxy(τ)低于某一臨界值時，認(rèn)為氣缸出現(xiàn)故障，那么，ρxy(τ)就可以在一定程度上作為判斷故障缸號的依據(jù)。

調(diào)用Matlab的xcov(X,Y,’coeff’)程序?qū)Σ煌瑖娪土繒r各氣缸的缸內(nèi)壓力信號進(jìn)行互相關(guān)分析，結(jié)果見圖1～5。

1) 正常噴油時，各氣缸缸內(nèi)壓力曲線非常相似，見圖1;各氣缸缸內(nèi)壓力信號相關(guān)系數(shù)的最大值都接近1，見圖2；1#和3#缸、5#和3#缸、1#和5#缸的缸內(nèi)壓力信號互相關(guān)系數(shù)最大值分別為0.989 7、0.992 5和0.990 4，平均為0.990 9。

2) 5#缸減油20%工況下，只有5#缸的缸內(nèi)壓力曲線有較大變化，其它缸的缸內(nèi)壓力曲線變化不大，最高爆發(fā)壓力升高。5#缸與其它缸的缸內(nèi)壓力信號的互相關(guān)系數(shù)最大值較低，均值為0.95，互相關(guān)系數(shù)均值的下降率為4.13%；而其它氣缸之間壓力信號的互相關(guān)系數(shù)最大值還是接近于1，均值變化率近似為0，見圖3。1#和5#缸的缸內(nèi)壓力的互相關(guān)系數(shù)最大值為0.955 8，而1#和3#缸的缸內(nèi)壓力信號的互相關(guān)系數(shù)最大值為0.980 7。

圖1 正常噴油狀態(tài)下，1#、5#、3#氣缸的缸內(nèi)壓力信號示意

圖2 正常噴油狀態(tài)下，氣缸壓力信號之間的互相關(guān)分析

3) 5#缸減油40%和斷油工況下，結(jié)果類似。減油40%和斷油工況下，5#缸和其它缸缸內(nèi)壓力信號的互相關(guān)系數(shù)最大值的均值分別是0.92和0.85，互相關(guān)系數(shù)均值的下降率分別為7.15%和15.80%；而正常工作的氣缸，缸內(nèi)壓力信號之間的互相關(guān)系數(shù)最大值接近1，互相關(guān)系數(shù)最大值的均值變化率接近0。見圖4，在減油40%和斷油工況下，1#和5#缸的缸內(nèi)壓力信號互相關(guān)系數(shù)的最大值分別為0.923 5和0.833 6;1#與3#缸的缸內(nèi)壓力信號互相關(guān)系數(shù)的最大值分別為0.982 6和0.982 2。

圖3 5#缸減油20%工況，各氣缸壓力互相關(guān)系數(shù)示意

圖4 5#缸減油40%和5#缸斷油工況，各缸壓力缸內(nèi)壓力互相關(guān)分析

正常噴油時，各氣缸缸內(nèi)壓力信號之間的互相關(guān)系數(shù)最大值接近1，單缸噴油量分別減少20%、40%和斷油時，故障缸與正常工作的氣缸缸內(nèi)壓力信號之間的互相關(guān)系數(shù)最大值下降率分別為4.13%、7.15%和15.8%，而正常工作氣缸的缸內(nèi)壓力信號之間的互相關(guān)系數(shù)最大值依然接近1。由此可知：對不同氣缸的缸內(nèi)壓力信號進(jìn)行互相關(guān)分析，噴油量正常的氣缸，缸內(nèi)壓力信號之間的互相關(guān)系數(shù)最大值接近1，而噴油量異常的氣缸與正常工作的氣缸缸內(nèi)壓力信號之間的互相關(guān)系數(shù)最大值會有所下降，并且故障程度越嚴(yán)重，互相關(guān)系數(shù)的最大值下降越大。

4 結(jié)論

1) 通過對柴油機不同氣缸的缸內(nèi)壓力信號進(jìn)行互相關(guān)分析，可以比較壓力信號之間的相似程度；通過缸內(nèi)壓力信號之間互相關(guān)系數(shù)的比較，可以判斷故障缸號。

2) 不同氣缸缸內(nèi)壓力信號之間的互相關(guān)系數(shù)的最大值反映了氣缸缸內(nèi)壓力信號之間的差異程度，可以通過互相關(guān)系數(shù)最大值的大小，判斷故障的嚴(yán)重程度。

[1] 謝永樂，謝三山.多缸發(fā)動機各缸工作不均勻性分析[J].四川大學(xué)學(xué)報:工程科學(xué)版，2000，32(4)：97-100.

[2] 趙同賓.柴油機熱工故障仿真研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2002.

[3] 范志勇.基于曲軸轉(zhuǎn)速波動分析的內(nèi)燃機故障診斷研究[D].大連:大連海事大學(xué),2006.