基于缸内压力信号的柴油机工作不均匀性研究

，，伯运

(海军工程大学 船舶与动力学院，武汉 430033)

多缸柴油机工作不均匀性指各缸工作过程以及对外表现出的差异，引起柴油机工作不均匀性的因素较多，主要有：各缸加工制造误差的差异、进气系统压力波动产生的不均匀充气、各缸喷油量的差异、各缸磨损状况不一以及各缸在不同工作循环中的波动性。研究各气缸的工作不均匀性是为了判断故障缸号，提高单缸经济性，减轻发动机振动，避免由于各缸工作不均匀引起的功率下降以及为改进供油系统提供理论依据，通过调整单缸使用性能以提高整机工作性能[1]。分析柴油机的工作不均匀性，可以从转速信号的波动入手，但从缸内压力信号到转速信号，有很多中间传递环节的干扰。而缸内压力直接反映柴油机的工作性能，包括进气过程的好坏、气缸的气密性、燃料燃烧的完整程度。因此，测取压力信号可以对柴油机的工作状态进行检测。测量不同喷油量时各个气缸的缸内压力信号，对不同气缸的缸内压力信号进行了互相关分析，比较不同喷油量和互相关系数之间的关系，通过互相关系数的比较，分析柴油机各缸工作的不均匀性，为故障缸号的诊断和故障程度的判断提供参考。

1 缸内压力与喷油量关系模型建立

缸内气体做功：

(1)

柴油机从燃烧开始到排气门开启，缸内发生复杂的物理化学变化过程，因此，主要研究这一阶段的缸内压力变化。对6135柴油机，单缸独立做功的曲轴转角为120°，因此，提取燃烧做功阶段上止点附近的±90°范围进行分析。燃烧做功阶段，进气门和排气门是关闭的，忽略工质的泄露损失，气缸与外界没有物质交换[2]，燃料燃烧所释放的内能乘以机械效率等于活塞推动曲轴连杆机构所做的机械功，因此，式(1)转化为

(2)

式中：qf——燃料燃烧所释放的能量；

mf(φ)——曲轴转角内所燃烧的燃料质量；

η——燃料燃烧所释放的内能转化为机械功的效率。

当曲柄自上止点转过角度φ后，活塞的位移x为[3]

x=R(1-cosφ)+L(1-cosβ)

(3)

式中：R——曲柄半径；

L——连杆长度。

由正弦定理将β转化为φ的函数：

λ

(4)

式中：β——连杆与垂直方向的夹角。

由此，式(2)转化为

(5)

令：

(6)

这样，建立了缸内压力与喷油量的相互关系：

(7)

柴油机在调整良好的情况下，各缸的喷油规律是相似的，只是相互之间有一定的间隔角，因此，各个气缸的缸内压力随曲轴转角的变化规律也是相似的。这样，可以通过调整单缸喷油量，来比较喷油量的变化对柴油机工作均匀性的影响。

2 实验平台

实验在6135非增压四冲程柴油机上进行。转速置为1 000 r/min，负载400 N·m，压力传感器的采样频率为65 536 Hz。6135柴油机气缸的发火次序为1-5-3-6-2-4，喷油提前角约为20°。实验过程为：拆下5#气缸的喷油泵，在油量调整台上调整喷油量，分别测得正常喷油量、喷油量减少20%、喷油量减少40%和断油故障时5#缸和其它气缸的压力信号。

3 数据分析

采用互相关系数ρxy(τ)研究当喷油量变化时，各气缸缸内压力的相似程度。

(8)

互相关系数的大小在0和1之间变化，它表征两个信号的相关性或相似程度。ρxy(τ)=1时表示全相关[4]；ρxy(τ)越小，两个信号差别越大；当约定ρxy(τ)低于某一临界值时，认为气缸出现故障，那么，ρxy(τ)就可以在一定程度上作为判断故障缸号的依据。

调用Matlab的xcov(X,Y,’coeff’)程序对不同喷油量时各气缸的缸内压力信号进行互相关分析，结果见图1～5。

1) 正常喷油时，各气缸缸内压力曲线非常相似，见图1;各气缸缸内压力信号相关系数的最大值都接近1，见图2；1#和3#缸、5#和3#缸、1#和5#缸的缸内压力信号互相关系数最大值分别为0.989 7、0.992 5和0.990 4，平均为0.990 9。

2) 5#缸减油20%工况下，只有5#缸的缸内压力曲线有较大变化，其它缸的缸内压力曲线变化不大，最高爆发压力升高。5#缸与其它缸的缸内压力信号的互相关系数最大值较低，均值为0.95，互相关系数均值的下降率为4.13%；而其它气缸之间压力信号的互相关系数最大值还是接近于1，均值变化率近似为0，见图3。1#和5#缸的缸内压力的互相关系数最大值为0.955 8，而1#和3#缸的缸内压力信号的互相关系数最大值为0.980 7。

图1 正常喷油状态下，1#、5#、3#气缸的缸内压力信号示意

图2 正常喷油状态下，气缸压力信号之间的互相关分析

3) 5#缸减油40%和断油工况下，结果类似。减油40%和断油工况下，5#缸和其它缸缸内压力信号的互相关系数最大值的均值分别是0.92和0.85，互相关系数均值的下降率分别为7.15%和15.80%；而正常工作的气缸，缸内压力信号之间的互相关系数最大值接近1，互相关系数最大值的均值变化率接近0。见图4，在减油40%和断油工况下，1#和5#缸的缸内压力信号互相关系数的最大值分别为0.923 5和0.833 6;1#与3#缸的缸内压力信号互相关系数的最大值分别为0.982 6和0.982 2。

图3 5#缸减油20%工况，各气缸压力互相关系数示意

图4 5#缸减油40%和5#缸断油工况，各缸压力缸内压力互相关分析

正常喷油时，各气缸缸内压力信号之间的互相关系数最大值接近1，单缸喷油量分别减少20%、40%和断油时，故障缸与正常工作的气缸缸内压力信号之间的互相关系数最大值下降率分别为4.13%、7.15%和15.8%，而正常工作气缸的缸内压力信号之间的互相关系数最大值依然接近1。由此可知：对不同气缸的缸内压力信号进行互相关分析，喷油量正常的气缸，缸内压力信号之间的互相关系数最大值接近1，而喷油量异常的气缸与正常工作的气缸缸内压力信号之间的互相关系数最大值会有所下降，并且故障程度越严重，互相关系数的最大值下降越大。

4 结论

1) 通过对柴油机不同气缸的缸内压力信号进行互相关分析，可以比较压力信号之间的相似程度；通过缸内压力信号之间互相关系数的比较，可以判断故障缸号。

2) 不同气缸缸内压力信号之间的互相关系数的最大值反映了气缸缸内压力信号之间的差异程度，可以通过互相关系数最大值的大小，判断故障的严重程度。

[1] 谢永乐，谢三山.多缸发动机各缸工作不均匀性分析[J].四川大学学报:工程科学版，2000，32(4)：97-100.

[2] 赵同宾.柴油机热工故障仿真研究[D].武汉：武汉理工大学,2002.

[3] 范志勇.基于曲轴转速波动分析的内燃机故障诊断研究[D].大连:大连海事大学,2006.