拖拉機發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)優(yōu)化—基于CFD技術(shù)和自適應(yīng)振動信號處理

王建鋒，陳香香

(鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450121)

拖拉機發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)優(yōu)化—基于CFD技術(shù)和自適應(yīng)振動信號處理

王建鋒，陳香香

(鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450121)

為了提高拖拉機發(fā)動機的工作性能，提高燃油的燃燒效率，達到節(jié)能環(huán)保的目的，提出了一種采用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的拖拉機發(fā)動機設(shè)計方法，并利用實驗和仿真模擬兩種方法對其可行性進行了驗證。為了采集得到拖拉機高壓共軌噴油系統(tǒng)在復(fù)雜多噪聲環(huán)境下的振動信號，采用自適應(yīng)Kalman濾波方法對采集信號進行了濾波處理，通過采集信號和故障信號的對比，表明高壓共軌噴油系統(tǒng)工作狀態(tài)正常，從而驗證了其可行性。利用CFD技術(shù)建立了高壓共軌噴油系統(tǒng)的流場模型，影響發(fā)動機正常燃油燃燒的主要因素是空穴，因此采用CFD數(shù)值仿真模擬的方法，通過參數(shù)調(diào)整模擬了多種工況下的噴油空間內(nèi)氣相和速度分布。仿真模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：空穴的發(fā)展主要跟長細比有關(guān)，在不同噴孔直徑和長度時，空穴的發(fā)展與長細比成正比。因此，在設(shè)計拖拉機發(fā)動機高壓共軌噴油系統(tǒng)時，需要選擇合適的長細比，以保證空穴體積較低到最小，提高發(fā)動機的工作效率，降低空穴對發(fā)動機的損害。

拖拉機；發(fā)動機；高壓共軌；CFD技術(shù)；自適應(yīng)濾波

0 引言

隨著世界范圍內(nèi)對保護環(huán)境和節(jié)約能源的日益重視，對能耗低、排放少的柴油機的要求也日益迫切。拖拉機是進行各種農(nóng)作物作業(yè)時最常使用的動力機械，但拖拉機長期存在燃油消耗大和環(huán)境污染問題，只有提高拖拉機發(fā)動機的燃油性能，才能有效地節(jié)省燃油，降低發(fā)動機作業(yè)過程的環(huán)境污染。燃油噴射系統(tǒng)是發(fā)動機的心臟，是發(fā)動機性能優(yōu)劣的決定性因素，電控噴射系統(tǒng)(特別是高壓共軌電控噴射系統(tǒng))以其優(yōu)良的噴油性能成為未來發(fā)動機噴油系統(tǒng)的主要趨勢，將其使用在拖拉機發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)中，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 基于自適應(yīng)Kalman的拖拉機發(fā)動機振動信號處理

為了優(yōu)化拖拉機發(fā)動機的燃油噴射系統(tǒng)，需要對發(fā)動機的燃油噴射系統(tǒng)進行狀態(tài)檢測。受拖拉機工作環(huán)境的影響，檢測信號中一般含有大量的噪聲，因此需要對信號進行濾波處理。Kalman濾波算法是常用的信號濾波算法，可以根據(jù)拖拉機可測參量的狀態(tài)變量模型引入自適應(yīng)濾波算法，以提高Kalman濾波算法的準(zhǔn)確性和計算效率，其原理如圖1所示。

圖1 拖拉機發(fā)動機Kalman濾波算法原理Fig.1 The principle of Kalman filtering algorithm for tractor engine

如果單獨采用發(fā)動機可測參數(shù)的非線性模型來對其狀態(tài)進行估計，由于噪聲影響，會產(chǎn)生較大的誤差；而采用自適應(yīng)Kalman濾波算法，可以利用信號的狀態(tài)估計，降低發(fā)動機狀態(tài)預(yù)測的偏差。在很多文獻中都給出了標(biāo)準(zhǔn)的Kalman濾波的遞推公式，但要對濾波進行自適應(yīng)調(diào)整，需要從濾波的準(zhǔn)則出發(fā)，對濾波的估計偏離和發(fā)散問題進行改進，首先定義系統(tǒng)濾波的狀態(tài)方程和測量方程為

Xk=φk,k-1,Xk-1+Wk

Yk=Hk,Xk+ek

(1)

其中，Xk表示狀態(tài)向量；Yk表示信號測量值；φk,k-1表示第k-1時刻k的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程；Wk表示噪聲矩陣的模型；ek表示發(fā)動機測量的信號中含有的噪聲。對于標(biāo)準(zhǔn)的Kalman濾波，系統(tǒng)狀態(tài)的噪聲Wk和測量噪聲ek是不相關(guān)的白噪聲序列，其協(xié)方差方程為∑Wk和∑k。為了使Kalman濾波遵循最小二乘準(zhǔn)則，使加權(quán)平方和最小，其準(zhǔn)則為

=VkTPkVk+VXkTPXkVXk

(2)

(3)

其中，αk表示濾波器的自適應(yīng)因子。當(dāng)濾波模型的誤差較大時，αk<1；當(dāng)誤差小于設(shè)定值時，αk=1。自適應(yīng)因子可以根據(jù)濾波時的情況進行判斷，每次濾波遞推時可以更新。

2 拖拉機發(fā)動機高壓共軌噴油系統(tǒng)流場CFD仿真計算算法

為了驗證高壓共軌電控噴射結(jié)構(gòu)在拖拉機發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)中使用的可行性，采用數(shù)值仿真模擬的方法對結(jié)構(gòu)的流場性能進行初步分析。在進行仿真模擬時，首先假設(shè)氣體和液體是均勻的混合體，這時的運動學(xué)和連續(xù)性方程與單一流體時相同，密度均采用混合密度。假設(shè)混合密度和粘度分別ρ和μ，其表達式為

ρ=(1-α)ρl+αρv

(4)

μ=(1-α)μl+αμv

(5)

其中，ρl、ρv、μl、μv分別表示當(dāng)混合物為純液體或者純氣體時的粘度和密度，表示氣體所占的體積分數(shù)。將其簡化為均勻的兩相流，可以得到連續(xù)性方程和運動方程，即

(6)

(7)

(8)

其中，n0表示單位體積純液體中所含的氣泡數(shù)，是可以預(yù)先設(shè)定的。 因此，在進行仿真計算過程中氣相的體積分數(shù)發(fā)生變化的變化率為

(9)

為了解決兩相密度差異較大的難題，采用非守恒的連續(xù)性方程，即

(10)

根據(jù)氣相體積分數(shù)α可以推導(dǎo)出一個輸運方程，即所謂的體積分數(shù)方程，也稱為氣相輸運方程，即

(11)

其中，對于單個氣泡的成長破裂過程，根據(jù)Rayleigh-Plesset方程有

(12)

其中，pB表示氣泡內(nèi)的壓力，為蒸汽部分壓力pv和不凝性氣體部分壓力p之和；σ是表面張力系數(shù)。進一步簡化得

(13)

依據(jù)以上公式，為了實現(xiàn)高壓共軌噴油系統(tǒng)的流場仿真模擬，首先在初始條件給定一個壓力場，然后對方程進行離散，求出速度場，其流程如圖2所示。

在計算過程中，通過迭代壓力場可以計算得到速度場，但得到的速度場往往不能夠完全和連續(xù)方程相吻合。為了保證計算能夠順利進行且能夠繼續(xù)迭代，需要對壓力場進行修正，修正后進行仿真模擬，得到修正后的速度和壓力值；最后，判斷計算的收斂，完成整個仿真模擬計算。

圖2 拖拉機發(fā)動機高壓共軌噴油系統(tǒng)仿真流程Fig.2 The simulation flow of high pressure commonrail fuel injection system for tractor engine

3 拖拉機發(fā)動機高壓共軌噴油系統(tǒng)狀態(tài)實驗和流場仿真

為了驗證拖拉機發(fā)動機高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的可行性，在空間較大的場地上對拖拉機發(fā)動機進行了實驗研究。計算機和電荷放大器等裝置安置在場地的控制區(qū)內(nèi)，實驗發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為1 200r/min，采樣頻率為40kHz，實驗過程如圖3所示。

圖3 發(fā)動機裝置實驗場地圖Fig.3 The experimental field diagram of engine unit

實驗在拖拉機發(fā)動機上進行，加速度傳感器粘貼為結(jié)合發(fā)動機故障診斷研究的需要。在實驗過程中，除了正常工況外，還根據(jù)實驗條件人為設(shè)置了故障模式，通過自適應(yīng)Kalman濾波采集得到了發(fā)動機正常工作時的信號，如圖4所示。

圖4 發(fā)動機工作狀態(tài)時采集的時域波形Fig.4 The time domain waveform of engine working status

通過Kalman自適應(yīng)濾波已將發(fā)動機作業(yè)環(huán)境中的噪聲濾除，其中信號大的幅值分量部分主要為發(fā)動缸噴射后的爆燃。通過繼續(xù)采集信號，得到了如圖5所示的幅值波曲線。

圖5 發(fā)動機工作狀態(tài)對比曲線Fig.5 The comparison curve of engine working status

為了驗證高壓共軌噴射系統(tǒng)在拖拉機發(fā)動機上使用的可行性，在設(shè)定缸失火故障的工況下，繼續(xù)采集了發(fā)動機工作狀態(tài)振動波形曲線，并將其和正常工作狀態(tài)進行了對比。結(jié)果表明：正常工作的狀態(tài)曲線和存在故障時明顯不同，不存在失火后的振動大幅值分量消失的情況。這說明，高壓共軌結(jié)構(gòu)在拖拉機燃油噴射系統(tǒng)中使用是可行的。

為了進一步研究拖拉機高壓共軌噴油系統(tǒng)工作狀態(tài)時的流場分布情況，采用CFD數(shù)值仿真模擬的方法模擬了多種工況下的噴油空間內(nèi)氣相和速度分布。由圖6可以看出，影響發(fā)動機正常燃油燃燒的主要因素是空穴。在不同噴孔直徑條件下，空穴的延伸長度和L/D有關(guān)，其值隨著空穴的延長而加大，但是空穴的厚度沒有發(fā)生較大的變化。進一步仿真計算不同噴孔長度下的氣相和速度分布，得到了如圖7所示的結(jié)果。

不同噴孔直徑和長細比工況下氣相和速度分布如圖7所示。由圖7可以看出：在不同噴孔長度條件下，空穴的延伸長度和L/D有關(guān)，其值隨著空穴的延長而加大，但空穴的厚度變的較薄。根據(jù)仿真模擬結(jié)果，在綜合設(shè)計發(fā)動機時，需要選擇合適的長細比，以保障燃燒時空穴的體積最小。

圖6 不同噴孔直徑和長細比工況下氣相和速度分布Fig.6 The distribution of gas phase and velocity under different nozzle ameter and long diameter ratio

di

圖7 不同噴孔長度和長細比工況下氣相和速度分布Fig.7 The distribution of gas phase and velocity under different injection hole length and long

4 結(jié)論

為了達到拖拉機發(fā)動機節(jié)能環(huán)保的目的，設(shè)計了一種采用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的拖拉機發(fā)動機。為了驗證其工作性能，采用振動信號采集的方法，驗證了其工作狀態(tài)正常，不存在機械故障。在信號采集過程中，采用了一種自適應(yīng)的Kalman濾波方法，有效提高了采集信號的信噪比，消除了拖拉機復(fù)雜多噪聲環(huán)境的影響。采用CFD技術(shù)，建立起高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)噴嘴內(nèi)部空穴流動的數(shù)學(xué)模型，對高壓共軌噴射系統(tǒng)，特別是噴嘴內(nèi)部空穴流動進行了變參數(shù)數(shù)值模擬分析，得到了不同噴嘴直徑和長度對不同長細比工況下的噴油系統(tǒng)空穴發(fā)展的影響，為拖拉機發(fā)動機高壓共軌噴油系統(tǒng)的進一步設(shè)計提供了數(shù)據(jù)參考。

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Optimization of Tractor Engine Fuel Injection System—Based on CFD Technology and Adaptive Vibration Signal Processing

Wang Jianfeng, Chen Xiangxiang

(Zhengzhou Technical College, Zhengzhou 450121, China)

In order to improve the working performance of tractor engine, improve fuel efficiency, to achieve the purpose of energy saving, it puts forward a design method of common rail fuel injection system of tractor engine with high pressure, uses experimental and simulation two methods to verify its feasibility. In order to acquire the tractor high pressure common rail injection system in complex vibration signal under noise environment. By using adaptive Kalman filtering method, signal filtering processing is done by comparing the signal acquisition and fault signal so as to verify the high pressure common rail injection system normal working state, so as to verify its feasibility. A flow model of high pressure common rail injection system uses CFD technology, the main factors affecting the normal engine fuel burning hole, uses the method of numerical simulation of CFD simulation, by adjusting the parameters to simulate the gas phase and the injection velocity distribution under various conditions in space. The simulation results showed that the development of the main hole with the slenderness ratio, the diameter and length of different nozzle hole development time, and the slenderness ratio is proportional to the common rail injection system design of tractor engine high pressure. With more than the need to choose the right, in order to guarantee the hole volume low to a minimum, it can improve the efficiency of the engine, reduce the damage to the engine hole.

tractor; engine; high pressure common rail; CFD technology; adaptive filter

2016-12-11

河南省科技攻關(guān)項目(152102110161)

王建鋒(1981-)，男，鄭州人，講師，碩士。

陳香香(1981-)，女，河南洛陽人，講師，碩士，(E-mail)jianfwang371@hotmail.com。

S219；TP229.1

A

1003-188X(2018)02-0247-05