基于Matlab环境下柴油机气缸内工作过程数据处理程序的开发及应用

肖 桦

（北车集团 （大连）柴油机有限公司，辽宁大连116022）

柴油机气缸内工作过程对柴油机的功率、指示效率、机械负荷和热负荷、噪声、振动、烟度、排气成分等性能有着决定性的影响，计算和分析气缸内工作过程的相关数据是研究和改善柴油机工作的一种简便而又有效的手段。随着计算机技术的发展，气缸内工作过程测试技术得到了突破性进展。国内外相关企业和部门对气缸内工作过程数据的处理和应用不断有所进展，并推出了一批与之相关的商业软件，给用户带来了很大的方便。但是由于没有开放源代码，且不同厂家生产的设备有不同的数据记录格式，升级费用高，兼容性、扩展性较差，给后续的科学研究带来了很多不便。为此，开发具有自主知识产权的源程序显得十分必要。本文提出以Matlab软件为平台，对柴油机气缸内工作过程测试数据的处理进行软件设计，使之具备数据后处理、重要参数计算和通道效应分析的功能。

1 系统总体设计

本系统所使用的数据是从AVL燃烧分析仪获取的。利用该燃烧分析仪的采集系统和Indicom软件，将待处理工况下的气缸内压力、油管压力、针阀升程和曲轴转角数据以TXT文件格式导出。在Matlab环境下运行设计好的数据处理程序，自动对测试数据进行相应的处理和计算。系统原理框图如图1所示。

图1 数据后处理原理框图

在设计的数据处理程序中，首先输入待处理的柴油机工况相关参数，并导入气缸压力、油压、针阀升程和曲轴转角TXT数据文件。数据处理程序结合柴油机的基本结构参数，从导入的气缸内压力、油管压力、针阀升程和曲轴转角数据，可求出示功图，并计算出平均指示压力、膨胀压力、爆发压力和指示功率等参数，并进行通道效应分析，生成相关图形，对柴油机的性能进行评价。数据处理程序流程图如图2所示。

图2 数据处理程序流程图

2 数据处理原理［1］

2.1 气缸压力、油压、针阀升程和曲轴转角均值计算

从AVL燃烧分析仪导出的气缸压力、油压、针阀升程和曲轴转角TXT文件一般都是在10个循环以上的数组，需要通过均值滤波的方式对这些数据进行预处理，得到它们的均值。均值滤波公式为：

式中n—缸内工作循环数；Xi—第n次循环时的气缸压力；Y—取均值后的气缸压力。

2.2 各指示指标的计算

（1）将示功图转化为p－V示功图

从p－φ示功图转化为p－V示功图，按气缸工作容积与曲轴转角的关系式进行：

式中V为气缸容积；D为活塞直径；S为活塞行程；λ为连杆曲柄比；ε为压缩比；α为曲轴转角（从活塞上止点α＝0算起）。

（2）示功图热力学参数计算

①平均指示压力pmi与指示功Wi

指示功的Wi大小可以由p－V图中闭合曲线所占有的面积求得，也可以通过平均指示压力和气缸工作容积求得。

②爆发压力pmax和爆发压力相位θpmax

爆发压力是判断柴油机机械负荷的重要参数，与气缸内的燃烧也密切相关，爆发压力取最大值，根据爆发压力的索引可以求出爆发压力相位。

式中的i＝0～length（p）（即压力值索引）。

求出爆发压力后，其相应的 值就是爆发压力角度索引值，因此：

③压缩压力pcom与膨胀压力pexp

压缩压力定义为柴油机某个缸活塞运行到上止点时刻气缸内的气体压力，如果压缩压力低于平均值，表明活塞环损坏，活塞头或气缸套烧坏；膨胀压力定义为上止点后40℃A处的气缸内气体压力，低膨胀压力表明低压缩压力，低负荷或燃油喷射定时早，高膨胀压力表明了后燃或超负荷。

压力升高值。燃烧过程中气缸内压力的升高，可用压力升高比Y＝pmax／pcom表示。pcom一定时，pmax提高，Y增加，定容燃烧的燃料加多，经济性提高。

2.3 通道效应［2］

为了保证气缸压力测量的准确性，往往需要将气缸压力传感器安装在气缸盖的底平面。而由于气缸盖设计的复杂性与紧凑性，这在大多数情况下难以实现。因此，实际上借用柴油机气缸盖上的空气启动阀或示功阀的位置进行气缸压力传感器的安装。这样从气缸燃烧室到传感器测点就会形成较长的测量通道，产生所谓的通道效应，通道越长，干扰越明显。这表现在原始气缸压力曲线上会有明显的压力波振荡。

本文利用频谱能量分析法对气缸压力曲线进行分析，求取其主要干扰频率。频谱分析的基本原理是通过一定的数学变换将信号能量或声级在时域上的分布转换为能量或声级在频域上的分布，通过这一变换，可以从一个受各种干扰形成的复杂合成信号中检测出其主要组成的谐波成分。本文使用了 Matlab［3］软件中的离散傅里叶变换工具包对气缸压力信号进行FFT变换，之后进行气缸压力频谱计算，生成气缸压力信号的时域和频域图形。其中气缸压力频谱Lp（f）定义为：

式中Gp（f）为压力信号的自功率谱；P0为参考压力，P0＝20μPa。

能量谱密度计算公式为：

信号能量计算公式为：

3 系统测试

为了验证程序的功能和可靠性，在240单缸机上进行试验测试。240单缸机的主要参数见表1。

表1 240单缸机主要参数

3.1 气缸内工作过程

在1 000r／min、167kW工况下经本程序处理后的角基气缸内工作过程图如图3所示。

图3 1 000r／min、167kW工况气缸内工作过程图

结合柴油机基本结构参数，可研究柴油机气缸内燃烧组织过程。

在上止点－24°之前，高压油管压力在8.65MPa附近浮动。说明由于上一次喷射过程已结束，喷油泵出油阀落座，喷油器针阀关闭，高压油路内保持残余压力。

随着喷油泵凸轮的转动，喷油泵柱塞顶面上升到与进、回油孔上边缘平齐时，进、回油孔关闭。柱塞再向上运行，燃油开始被压缩，燃油压力升高。当燃油压力上升到大于出油阀开启压力与高压油管内的残余压力之和时，出油阀开启，燃油进入高压油管内，高压油管压力开始急剧上升。此时，上止点－24°为几何供油提前角。

喷油泵柱塞继续上升，高压油管内压力不断升高。当油压达到并超过喷油器针阀的开启压力时，喷油器针阀打开（单缸台所使用的喷油器针阀开启压力为34.5 MPa）。在图3中追踪油压曲线，在上止点－19°时，油压达到35MPa，同时在该曲轴转角附近，针阀升程曲线出现一个拐角，此时可认为喷油器针阀被顶开，喷油器开始向气缸喷油。此时上止点－19°为喷油始点角度。

在上止点－15.8°之前，针阀升程不断升高，上止点－15.8°之后，针阀升程基本保持不变，说明喷油器针阀已完全开启。

由于喷油泵柱塞上升速度还在继续增加，供油量大于喷油量，燃油压力又继续快速上升，因而出现了上止点－14.9°后的压力波动。

在上止点－5°处，气缸压力曲线出现一个转折，即气缸气体压力脱离了纯压缩曲线轨迹，曲线开始明显上扬。说明此刻气缸内开始燃烧，由于接近上止点，气缸内容积小，燃烧放出的大量热量很容易造成气缸内压力迅速上升。

当喷油泵柱塞下行至回油孔开始打开，由于开始时回油孔的开度很小，喷油泵的供油量较大，所以燃油压力还会有所上升；随着回油孔开度的增大，燃油压力曲线急剧下降，稍后针阀即将关闭，最后出油阀落座。由于燃油的高速流动迅速截止而引起高压油管压力发生震荡，此震荡逐渐衰减，压力趋于平稳。

p－φ和p－V示功图如图4、图5所示。

图4 p－φ示功图

图5 p－V示功图

从示功图中依据各指示指标的计算公式可以得到：压缩压力11.14MPa，膨胀压力5.32MPa，平均指示压力1.53MPa，压力升高比2.52。

3.2 频谱分析与滤波

在单缸机进行800r／min、108kW工况试验时，发现气缸压力曲线在峰值附近有强烈振荡，依靠传统均值滤波仍然无法消除峰值振荡情况。曲线振荡表现在气缸压力曲线上为峰值附近有许多尖锐的毛刺。如图6所示。

图6 800r／min、108kW工况气缸压力原始曲线

图7为计算缸压曲线示功通道后气体压力级频谱的幅频特性曲线。从示功通道压力频谱上可看出，第一峰对应的频率为6.67Hz（因频率很低，在曲线图上的最左边位置），即气缸压力的主频，相当于由800r／min的转速决定的柴油机工作循环频率。在频率为2 000 Hz的第二峰附近，示功通道气体压力幅频特性曲线出现比较大的振荡，显然在2 000Hz后多次出现压力级频谱急剧变化是由于通道效应引起的，其相对幅值的大小则表征通道效应引起压力振荡的强度。

图7 800r／min、108kW工况气缸压力频谱图

从图8气缸内压力能量分布上可以看出，气缸内压力能量主要集中在中低频部分，在频率0～2 000Hz内所包围的能量占整个能量级的99%以上，这样可以认为频段0～2 000Hz基本反应了气缸内能量谱的分布。而且以第二峰对应的频率2 000Hz为通道效应的干扰频率。

图8 800r／min、108kW 工况气缸内气体压力能量级

根据2 000Hz的干扰频率，本文利用Matlab里的FilterDesign ＆Analysis Tool设计了低通滤波器用以滤掉干扰信号。选用低通IIR ChebyshevⅡ型滤波器，截止频率设为2 000Hz。滤波器的幅频特性如图9所示。

图9 IIR ChebyshevⅡ型低通滤波器幅频特性图

考虑到IIR ChebyshevⅡ型滤波器引起的相位移动，可根据滤波处理后的滤波信息中相移值确定。在本例中，滤波后气缸压力主频相位移动了2.5°，在气缸压力数据数组中通过逆向移动调整至原位。图给出了经逆向相位调整后的滤波曲线与原始曲线的比较情况。从图10低通滤波前后气缸压力曲线对比图中可以看出，原始曲线峰值附近有振荡，而滤波曲线在峰值附近相当平滑，两者在峰值以外的曲线形态十分吻合。原始曲线峰值在滤波曲线峰值附近上下穿越，说明经过滤波、相位处理后的气缸作功总能基本不变，滤波效果良好。

图10 低通滤波前后气缸压力曲线对比图

4 结论及展望

（1）对柴油机气缸内工作过程数据处理方法进行了研究，完成了气缸内工作过程数据处理程序的开发，获得了气缸内工作过程图、示功图、通道效应频谱图，结合柴油机结构参数可获得柴油机的主要性能参数。

（2）对峰值附近出现毛刺的气缸压力信号进行频谱分析，通过寻找频谱图上出现波形振荡所对应的频率，可找到引起通道效应的干扰频率。

（3）在频谱能量级图中可发现干扰信号对信号的影响极小，进而可设计合适的滤波器对信号进行过滤，去掉尖峰毛刺，得到光滑的气缸压力信号曲线。经过对原始信号与滤波后信号的对比，滤波处理后的气缸作功总能基本不变，说明对信号进行的滤波是有效的。

（4）本数据处理程序结构简单，操作方便，扩展性强。突破了国外企业对该领域源程序的代码保护，并在此基础上拓展了气缸压力信号的通道效应分析功能，更适用实际现场操作与分析。经实际测试验证了本处理程序具有较强的实用性。

［1］朱访君，吴 坚.内燃机工作过程数值计算及其优化［M］.北京：国防工业出版社，1997.

［2］任自中，谷 峰，张 慧.频谱分析在缸内压力测试处理中的应用［J］.柴油机，2007，29（6）：1－4.

［3］孙 祥，徐流美，吴 清.MATLAB7.0基础教程［M］.北京：清华大学出版社，2005.