缸内压力信号中燃烧激励引起高频谐波的特征参数

赵秀亮, 孔令沂, 汪若尘, 李小华, 王丽梅

(江苏大学 汽车与交通工程学院, 江苏 镇江 212013)

为满足日趋严格的排放法规和进一步提高内燃机经济性,增压、直喷及低温燃烧等技术应运而生.这些新技术的引入带来了着火和变工况运行控制困难等问题,解决这些问题的难点之一在于缺乏有效的燃烧反馈信息,实时获取燃烧过程的反馈信息成为实现新型燃烧技术燃烧过程控制不可或缺的部分[1-2].机体表面振动信号中包含丰富的与燃烧过程相关信息,可用于燃烧特征参数的提取,且振动传感器价格便宜、安装方便,能够实现发动机的不解体监测,因而受到广泛关注[3-5].

利用数字信号技术直接处理振动信号,基于处理后的振动信号特征点与缸内压力信号特征点对应关系,可实现燃烧特征参数的辨识[6-8].然而,在利用振动信号特征点辨识燃烧特征参数时,振动信号特征点相位与基于缸内压力信号识别的相位燃烧特征参数间存在一定的滞后角.CHENG Y.等[9]将该滞后角视为系统偏差予以修正,提高相位燃烧特征参数的识别精度.S. LEE等[10]通过统计分析振动信号特征点与燃烧特征参数的线性关系,建立了描述两者间关系的函数关系式,进而修正相应参数的滞后角.通过系统偏差或拟合手段修正滞后角,可提高部分工况下的相位燃烧特征参数识别精度,但缺乏物理含义.相位滞后角主要由激励信号中高频谐波分量引起,而且不同工况下能够引起相位滞后角的高频谐波分量不同.

文中以单缸柴油机为研究对象,研究相位燃烧特征参数滞后角产生机理,分析缸内压力信号特征参数与高频谐波分量的关联性,进而提出利用振动信号中特征参数定量描述缸内压力激励信号中的高频谐波能量.

1 台架搭建及信号测试

为了便于进行研究,选择了结构简单、激励源较为单一的单缸柴油机作为研究对象.

试验所用柴油机为卧式、四冲程、水冷柴油机,型号为SD195,压缩比为17 ∶1,额定功率为13.2 kW,额定转速为2 200 r·min-1.传感器安装位置如图1所示,缸内压力测量中使用的缸压传感器为Kistler 6054BRU55,电荷放大器为5018A1000,用PCB公司的VO622A01测量振动速度信号,电荷放大器为482C05调理仪.振动传感器安装方式为磁座式,通过磁力吸附到发动机表面;同步信号和齿圈信号通过磁电传感器测得.用北京双诺测控技术有限公司的MP426型数据采集卡采集数据,该采集卡为12通道同步采样,单通道最大采样频率为100 kHz.

图1 传感器布置示意图

利用数据采集卡同步采集转速800～1 400 r·min-1、转矩0～50 N·m范围的缸内压力、振动速度信号、磁电传感器与飞轮齿圈产生的转角信号,以及与相位信号触发块产生的每转一个的同步信号,各通道的采样频率均为50 kHz.数据采集完成后,参考转角及同步信号,利用飞轮每一个齿对应的曲轴转角和齿内的采样点数,将振动信号和缸内压力信号从时间域转到角度域.

2 相位滞后角产生机理分析

图2为1 400 r·min-1，50 N·m工况下振动速度和压升率曲线.由图2可见,燃烧上止点附近,振动速度信号与压升率有近似的变化规律,且在相位上,振动速度信号略微滞后于压升率.通常认为振动速度信号是压升率的响应[11],根据机械振动的基本知识,振动响应的相频特性可表示[12]为

(1)

式中:j为激励信号谐波分量的阶次;β为阻尼比;r为频率比.由式(1)可知,影响相角的因素包括j,β,r;对于某一振动系统,系统固有频率与阻尼比均为定值,激励信号与响应之间的相位差主要取决于激励信号的能量在频谱上的分布.根据傅里叶定理,任何关于时间的周期函数都能用若干阶谐波的和来表示.根据叠加原理,系统响应可以由单个简谐力作用引起响应的叠加得到[12].不同工况下缸内压力信号中高频谐波分量不同,导致了振动信号与激励信号间的相位发生变化.

图2 压升率、振动速度曲线(1400 r·min-1, 50 N·m)

3 高频成分的表征参数

3.1 缸内压力激励的频谱特点

振动响应信号取决于系统特性和激励信号,当振动系统确定时,响应信号主要取决于激励信号.为分析缸内压力激励信号的特点,对1 440 r·min-1拖动工况和1 200 r·min-1, 10 N·m工况下测得的缸内压力信号进行了S变换,变换结果见图3.

图3 缸内压力激励S变换

由图3可见,拖动工况的缸内压力能量频带主要分布于250 Hz以下,而在1 200 r·min-1, 10 N·m工况时,在250～1 500 Hz频带内出现了新的能量分布.参考拖动工况的分析结果,可认为250～1 500 Hz频带的能量主要由燃烧激励引起.如何表征该高频谐波能量,下文将针对不同工况缸内压力信号进行讨论.

3.2 仿真模型建立

为了寻求缸内压力信号中能够表征高频谐波分量的特征参数,同时兼顾不同工况时的可行性,采用AVL Boost构建了195柴油机的一维仿真模型,模型如图4所示,该模型包含进、排气道及单缸模型.其中燃烧模型选择双Vibe函数.柴油机燃烧放热规律具有双峰特性,分别是由于预混燃烧和扩散燃烧引起,在双Vibe函数中,Vibe1用来表征预混燃烧,Vibe2用来表征扩散燃烧.为了验证模型的正确性,图5对比了1 000 r·min-1, 10 N·m工况下仿真得到的缸内压力曲线与实测缸内压力曲线.

由图5可见,实测缸内压力峰值为6.50 MPa,峰值相位为366.6°;仿真得到的缸内压力峰值为6.62 MPa,峰值相位为367.0°.实测峰值与仿真峰值相对误差为1.8 %,相位误差为0.4°,尽管两者之间存在一定的偏差,但本模型主要用于高频谐波分量与特征参数间的关联性,因此所构建的一维模型可用于后面的分析.

图4 柴油机一维仿真模型

图5 仿真与实测缸内压力(1 000 r·min-1, 10 N·m)

3.3 缸内压力信号中高频谐波分量表征参数分析

基于3.2节建立的仿真模型,通过设定不同燃烧持续期,得到了不同工况下的缸内压力曲线,如图6a所示,图中t为燃烧持续期.图6b为仿真得到的缸内压力曲线的傅里叶变换结果.由图6可见,随着燃烧持续期的增加,缸内压力激励信号中的高频能量降低,为了计算了缸内压力激励信号中250～1 500 Hz频带的能量含量,将傅里叶分解后250～1 500 Hz频带的谐波能量求和,即该段频带能量;统计了缸内压力和压升率曲线特征参数和250～1 500 Hz频带能量的关系,结果如图7所示.

图6 不同燃烧持续期状态缸内压力

图7 高频能量与燃烧特征参数之间的关系

3.4 振动速度信号中高频谐波分量表征参数分析

4 结 论

1) 不同工况下缸内压力信号中高频谐波分量存在差异,导致振动速度信号相对压升率信号的相位滞后角随发动机工况变化而改变.

2) 对缸内压力信号进行S变换结果显示,拖动工况的缸内压力能量频带主要分布于250 Hz以下;燃烧工况时,在250～1 500 Hz频带内出现了新的能量分布,表明此段频带的高频谐波能量主要由燃烧激励引起.