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《山东大学》 2010年
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基于振动信号评价柴油机缸内燃烧状态的研究

唐娟  
【摘要】:内燃机燃烧过程决定了内燃机的动力性、经济性和排放性,对内燃机缸内燃烧状态进行检测,可及时发现缸内燃烧过程中存在的问题,使内燃机始终处于较为理想的运行工况,提高内燃机的使用性能和经济性能。内燃机燃烧状态检测方法有多种,如缸内压力法、瞬时转速法及振动信号法等。缸内压力法在试验研究中得到了广泛应用,但缸压传感器安装复杂,难以实现燃烧状态的不解体检测;瞬时转速法可实现燃烧状态的不解体检测,但在高转速低负荷工况下,发动机旋转不均匀度减小,瞬时转速波动的信噪比降低,同时,曲轴扭振的影响也导致瞬时转速信号无法有效反映缸内燃烧状态信息;振动信号法测量简便,且振动信号中包含丰富的缸内燃烧状态信息,是实现缸内燃烧过程不解体检测最有潜力的方法之一。因此,基于振动信号评价缸内燃烧状态的研究,具有重要的研究意义和实用价值。 前期研究结果表明,燃烧时段振动信号具有分段特征,为更深入分析振动信号和缸内燃烧过程的关系,本课题采用模拟计算及试验研究相结合的方法,分析了缸内燃烧过程和不同形式振动信号的关系,讨论了利用缸盖表面振动信号描述缸内燃烧状态特征参数的方法,研究了非燃烧激励对燃烧激励振动响应信号的影响,并利用振动信号实现了缸内燃烧特征参数的提取。论文主要研究工作如下: 1.燃烧激励及其振动响应信号关系的研究 论文采用模拟计算的方法对燃烧激励及其振动响应信号的关系进行了分析。以195柴油机为对象,建立了195柴油机单质量受力模型及有限元分析模型,基于建立的模型分析了195柴油机的系统特性,结合燃烧激励频谱,对燃烧激励振动位移信号的特点进行了分析,对燃烧激励及其振动响应信号之间的关系进行了讨论。结果指出,燃烧激励振动位移存在明显的分段特征,缸内峰值压力前,振动位移和缸内压力为近似线性关系,振动位移可有效表征缸内压力的变化。峰值压力后,在惯性及弹性作用下,系统产生振动,振动位移取决于系统特性和激励频谱。振动速度和加速度分别是振动位移的一次和二次导数,因此,振动速度和加速度也具有分段特征,峰值压力前,振动速度和加速度也能较真实的表征压力升高率和压力二次导数的变化。据此,课题将研究重点放在峰值压力前振动信号的分析上,并利用峰值压力前的振动信号对缸内燃烧状态进行了估计。 2.不同形式振动信号特征参数和缸内燃烧特征参数关系的研究 峰值压力前,缸盖表面振动位移、振动速度和振动加速度分别与缸内压力、压力升高率和压力二次导数有相近的变化规律,因此,可利用峰值压力前的振动信号特征参数表征缸内燃烧状态特征参数。分析指出,刚性约束条件下,缸盖表面振动位移峰值、位移峰值出现时刻及平均位移分别和峰值压力、峰值压力出现时刻及平均指示压力存在对应关系;振动速度在压缩冲程中的折点、振动速度峰值后的第一个过零点、振动速度峰值出现时刻及振动速度峰值分别和燃烧始点、峰值压力出现时刻、最大压力升高率出现时刻及最大压力升高率相对应;最大振动加速度峰值前的第一个过零点和燃烧始点相对应,最大振动加速度峰值后的第一个过零点和最大压力升高率出现时刻相对应。 3.非燃烧激励对燃烧激励振动响应信号输出结果影响的研究 除燃烧激励外,活塞换向撞击、侧压力、曲轴主轴颈负荷及相邻缸气门开启、关闭激励等都可能激发缸盖表面振动,分析非燃烧激励振动响应信号的时频特点及其与燃烧激励振动响应信号之间的耦合关系,可为燃烧激励振动响应信号的提取提供理论依据。 在195柴油机有限元模型上,模拟了活塞换向撞击、侧压力及曲轴主轴颈负荷等激励单独作用时的缸盖表面振动响应信号,对各激励振动响应信号的时频特点进行了分析。结果指出,在时域上,侧压力及曲轴主轴颈负荷激励振动响应信号的幅值比燃烧激励振动响应信号的幅值小两个数量级,两者不影响燃烧激励振动响应信号特征参数的提取;活塞换向撞击激励振动位移及振动速度分别比燃烧激励振动位移及振动速度小两个和一个数量级,对燃烧激励振动位移及振动速度信号输出结果也不产生影响,但活塞换向撞击激励振动加速度和燃烧激励振动加速度在同一数量级上,其影响不能忽略。在频域上,活塞换向撞击激励振动加速度主要分布在2000Hz以上的频带范围内,而燃烧激励振动加速度主要分布在2000Hz以下的频带范围内,其影响可通过频域方法去除。 为分析相邻缸气门开启、关闭激励对燃烧激励振动响应信号输出结果的影响,建立了495柴油机有限元模型,分别模拟了燃烧激励单独作用时和燃烧激励与相邻缸气门开启、关闭激励共同作用时的缸盖表面振动响应信号。对比模拟分析结果表明,在时域上,燃烧激励较强时,实测振动响应信号的信噪比较高,相邻缸气门开启、关闭激励对燃烧激励振动响应信号的分析不产生影响;燃烧激励较弱时,实测信号的信噪比降低,气门开启、关闭激励振动响应信号对燃烧特征参数的提取将产生影响,但通过频域方法可滤除气门开启、关闭激励振动响应信号,提取仅与燃烧激励相关的振动响应信号。 4.支架约束作用对燃烧激励振动响应输出结果影响的研究 除内燃机内部激励作用外,发动机支架的约束作用也会影响燃烧激励振动响应输出结果,为分析其影响,在195柴油机有限元模型上模拟了不同约束条件下的缸盖表面振动响应信号。结果指出,缸盖表面振动响应是约束作用引起的系统自由振动和燃烧激励受迫振动的叠加。时域上,支架约束作用对缸盖表面振动位移信号输出结果的影响很大,某些工况下,燃烧激励振动位移完全被系统自由振动位移淹没,导致振动位移信号不能有效应用于缸内燃烧状态的识别。相对振动位移信号,自由振动对燃烧激励振动速度信号输出结果的影响减弱,对燃烧激励振动加速度信号输出结果的影响几乎可以忽略,实测振动速度和加速度都可反映出缸内燃烧状态的相关信息。在频域上,自由振动信号的频率远低于燃烧激励振动速度信号的频率,自由振动对燃烧激励振动速度信号输出结果的影响可采用适当的频域方法予以剔除。 5.基于振动速度信号识别缸内燃烧特征参数的研究 在195、495、C6190ZLC及CP12V190ZL柴油机上进行的试验研究结果表明,实测燃烧激励振动速度信号中混杂有支架约束引起的系统自由振动的干扰,系统自由振荡主要集中在250Hz以内的低频频带上,该振动信号可通过适当的时域或频域方法去除。利用处理后的振动速度信号对燃烧特征参数进行了识别,结果表明,基于振动速度可识别燃烧始点、峰值压力出现时刻及最大压力升高率出现时刻,但受系统特性影响,振动速度识别的燃烧特征点出现时刻和压力升高率识别的燃烧特征点出现时刻之间存在一定偏差,对同一发动机来说,该偏差可视为系统偏差。此外,利用振动速度峰值的大小可对最大压力升高率随负荷的变化趋势进行定性分析。 6.基于振动加速度信号提取缸内燃烧特征参数的研究 分析了195、495、C6190ZLC及CP12V190ZL柴油机缸盖表面振动加速度信号的时频特点及影响因素。指出支架约束作用引起的自由振动加速度信号较弱,与燃烧激励振动加速度信号相比,其影响可以忽略。相邻缸气门开启、关闭激励及活塞换向撞击激励振动加速度信号主要集中在2000Hz以上的频带内,燃烧激励振动加速度信号则主要集中2000Hz以下的谐波分量,且随负荷的增大,2000Hz以下的谐波分量所占比例明显增大。分析结果表明,2000Hz以下的振动加速度信号含有足够的信息用于燃烧始点及最大压力升高率出现时刻的识别。 7.振动信号在HCCI发动机着火时刻识别中的应用 HCCI发动机着火时刻是HCCI燃烧控制的重要反馈参数,基于论文的研究结果,引入振动速度及振动加速度信号对HCCI发动机着火时刻进行了识别。实测结果指出,HCCI发动机缸盖表面振动信号也是燃烧激励响应信号及系统自由振动信号的叠加,利用滤波后的振动速度或加速度信号,可实现HCCI发动机着火时刻的识别。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TK421

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