基于Matlab環(huán)境下柴油機(jī)氣缸內(nèi)工作過程數(shù)據(jù)處理程序的開發(fā)及應(yīng)用

肖 樺

（北車集團(tuán) （大連）柴油機(jī)有限公司，遼寧大連116022）

柴油機(jī)氣缸內(nèi)工作過程對(duì)柴油機(jī)的功率、指示效率、機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷、噪聲、振動(dòng)、煙度、排氣成分等性能有著決定性的影響，計(jì)算和分析氣缸內(nèi)工作過程的相關(guān)數(shù)據(jù)是研究和改善柴油機(jī)工作的一種簡便而又有效的手段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，氣缸內(nèi)工作過程測(cè)試技術(shù)得到了突破性進(jìn)展。國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)和部門對(duì)氣缸內(nèi)工作過程數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用不斷有所進(jìn)展，并推出了一批與之相關(guān)的商業(yè)軟件，給用戶帶來了很大的方便。但是由于沒有開放源代碼，且不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備有不同的數(shù)據(jù)記錄格式，升級(jí)費(fèi)用高，兼容性、擴(kuò)展性較差，給后續(xù)的科學(xué)研究帶來了很多不便。為此，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的源程序顯得十分必要。本文提出以Matlab軟件為平臺(tái)，對(duì)柴油機(jī)氣缸內(nèi)工作過程測(cè)試數(shù)據(jù)的處理進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，使之具備數(shù)據(jù)后處理、重要參數(shù)計(jì)算和通道效應(yīng)分析的功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)是從AVL燃燒分析儀獲取的。利用該燃燒分析儀的采集系統(tǒng)和Indicom軟件，將待處理工況下的氣缸內(nèi)壓力、油管壓力、針閥升程和曲軸轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)以TXT文件格式導(dǎo)出。在Matlab環(huán)境下運(yùn)行設(shè)計(jì)好的數(shù)據(jù)處理程序，自動(dòng)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理和計(jì)算。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)后處理原理框圖

在設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理程序中，首先輸入待處理的柴油機(jī)工況相關(guān)參數(shù)，并導(dǎo)入氣缸壓力、油壓、針閥升程和曲軸轉(zhuǎn)角TXT數(shù)據(jù)文件。數(shù)據(jù)處理程序結(jié)合柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，從導(dǎo)入的氣缸內(nèi)壓力、油管壓力、針閥升程和曲軸轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，可求出示功圖，并計(jì)算出平均指示壓力、膨脹壓力、爆發(fā)壓力和指示功率等參數(shù)，并進(jìn)行通道效應(yīng)分析，生成相關(guān)圖形，對(duì)柴油機(jī)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。數(shù)據(jù)處理程序流程圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理程序流程圖

2 數(shù)據(jù)處理原理［1］

2.1 氣缸壓力、油壓、針閥升程和曲軸轉(zhuǎn)角均值計(jì)算

從AVL燃燒分析儀導(dǎo)出的氣缸壓力、油壓、針閥升程和曲軸轉(zhuǎn)角TXT文件一般都是在10個(gè)循環(huán)以上的數(shù)組，需要通過均值濾波的方式對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到它們的均值。均值濾波公式為：

式中n—缸內(nèi)工作循環(huán)數(shù)；Xi—第n次循環(huán)時(shí)的氣缸壓力；Y—取均值后的氣缸壓力。

2.2 各指示指標(biāo)的計(jì)算

（1）將示功圖轉(zhuǎn)化為p－V示功圖

從p－φ示功圖轉(zhuǎn)化為p－V示功圖，按氣缸工作容積與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系式進(jìn)行：

式中V為氣缸容積；D為活塞直徑；S為活塞行程；λ為連桿曲柄比；ε為壓縮比；α為曲軸轉(zhuǎn)角（從活塞上止點(diǎn)α＝0算起）。

（2）示功圖熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算

①平均指示壓力pmi與指示功Wi

指示功的Wi大小可以由p－V圖中閉合曲線所占有的面積求得，也可以通過平均指示壓力和氣缸工作容積求得。

②爆發(fā)壓力pmax和爆發(fā)壓力相位θpmax

爆發(fā)壓力是判斷柴油機(jī)機(jī)械負(fù)荷的重要參數(shù)，與氣缸內(nèi)的燃燒也密切相關(guān)，爆發(fā)壓力取最大值，根據(jù)爆發(fā)壓力的索引可以求出爆發(fā)壓力相位。

式中的i＝0～length（p）（即壓力值索引）。

求出爆發(fā)壓力后，其相應(yīng)的 值就是爆發(fā)壓力角度索引值，因此：

③壓縮壓力pcom與膨脹壓力pexp

壓縮壓力定義為柴油機(jī)某個(gè)缸活塞運(yùn)行到上止點(diǎn)時(shí)刻氣缸內(nèi)的氣體壓力，如果壓縮壓力低于平均值，表明活塞環(huán)損壞，活塞頭或氣缸套燒壞；膨脹壓力定義為上止點(diǎn)后40℃A處的氣缸內(nèi)氣體壓力，低膨脹壓力表明低壓縮壓力，低負(fù)荷或燃油噴射定時(shí)早，高膨脹壓力表明了后燃或超負(fù)荷。

壓力升高值。燃燒過程中氣缸內(nèi)壓力的升高，可用壓力升高比Y＝pmax／pcom表示。pcom一定時(shí)，pmax提高，Y增加，定容燃燒的燃料加多，經(jīng)濟(jì)性提高。

2.3 通道效應(yīng)［2］

為了保證氣缸壓力測(cè)量的準(zhǔn)確性，往往需要將氣缸壓力傳感器安裝在氣缸蓋的底平面。而由于氣缸蓋設(shè)計(jì)的復(fù)雜性與緊湊性，這在大多數(shù)情況下難以實(shí)現(xiàn)。因此，實(shí)際上借用柴油機(jī)氣缸蓋上的空氣啟動(dòng)閥或示功閥的位置進(jìn)行氣缸壓力傳感器的安裝。這樣從氣缸燃燒室到傳感器測(cè)點(diǎn)就會(huì)形成較長的測(cè)量通道，產(chǎn)生所謂的通道效應(yīng)，通道越長，干擾越明顯。這表現(xiàn)在原始?xì)飧讐毫η€上會(huì)有明顯的壓力波振蕩。

本文利用頻譜能量分析法對(duì)氣缸壓力曲線進(jìn)行分析，求取其主要干擾頻率。頻譜分析的基本原理是通過一定的數(shù)學(xué)變換將信號(hào)能量或聲級(jí)在時(shí)域上的分布轉(zhuǎn)換為能量或聲級(jí)在頻域上的分布，通過這一變換，可以從一個(gè)受各種干擾形成的復(fù)雜合成信號(hào)中檢測(cè)出其主要組成的諧波成分。本文使用了 Matlab［3］軟件中的離散傅里葉變換工具包對(duì)氣缸壓力信號(hào)進(jìn)行FFT變換，之后進(jìn)行氣缸壓力頻譜計(jì)算，生成氣缸壓力信號(hào)的時(shí)域和頻域圖形。其中氣缸壓力頻譜Lp（f）定義為：

式中Gp（f）為壓力信號(hào)的自功率譜；P0為參考?jí)毫Γ琍0＝20μPa。

能量譜密度計(jì)算公式為：

信號(hào)能量計(jì)算公式為：

3 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證程序的功能和可靠性，在240單缸機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。240單缸機(jī)的主要參數(shù)見表1。

表1 240單缸機(jī)主要參數(shù)

3.1 氣缸內(nèi)工作過程

在1 000r／min、167kW工況下經(jīng)本程序處理后的角基氣缸內(nèi)工作過程圖如圖3所示。

圖3 1 000r／min、167kW工況氣缸內(nèi)工作過程圖

結(jié)合柴油機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，可研究柴油機(jī)氣缸內(nèi)燃燒組織過程。

在上止點(diǎn)－24°之前，高壓油管壓力在8.65MPa附近浮動(dòng)。說明由于上一次噴射過程已結(jié)束，噴油泵出油閥落座，噴油器針閥關(guān)閉，高壓油路內(nèi)保持殘余壓力。

隨著噴油泵凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，噴油泵柱塞頂面上升到與進(jìn)、回油孔上邊緣平齊時(shí)，進(jìn)、回油孔關(guān)閉。柱塞再向上運(yùn)行，燃油開始被壓縮，燃油壓力升高。當(dāng)燃油壓力上升到大于出油閥開啟壓力與高壓油管內(nèi)的殘余壓力之和時(shí)，出油閥開啟，燃油進(jìn)入高壓油管內(nèi)，高壓油管壓力開始急劇上升。此時(shí)，上止點(diǎn)－24°為幾何供油提前角。

噴油泵柱塞繼續(xù)上升，高壓油管內(nèi)壓力不斷升高。當(dāng)油壓達(dá)到并超過噴油器針閥的開啟壓力時(shí)，噴油器針閥打開（單缸臺(tái)所使用的噴油器針閥開啟壓力為34.5 MPa）。在圖3中追蹤油壓曲線，在上止點(diǎn)－19°時(shí)，油壓達(dá)到35MPa，同時(shí)在該曲軸轉(zhuǎn)角附近，針閥升程曲線出現(xiàn)一個(gè)拐角，此時(shí)可認(rèn)為噴油器針閥被頂開，噴油器開始向氣缸噴油。此時(shí)上止點(diǎn)－19°為噴油始點(diǎn)角度。

在上止點(diǎn)－15.8°之前，針閥升程不斷升高，上止點(diǎn)－15.8°之后，針閥升程基本保持不變，說明噴油器針閥已完全開啟。

由于噴油泵柱塞上升速度還在繼續(xù)增加，供油量大于噴油量，燃油壓力又繼續(xù)快速上升，因而出現(xiàn)了上止點(diǎn)－14.9°后的壓力波動(dòng)。

在上止點(diǎn)－5°處，氣缸壓力曲線出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)折，即氣缸氣體壓力脫離了純壓縮曲線軌跡，曲線開始明顯上揚(yáng)。說明此刻氣缸內(nèi)開始燃燒，由于接近上止點(diǎn)，氣缸內(nèi)容積小，燃燒放出的大量熱量很容易造成氣缸內(nèi)壓力迅速上升。

當(dāng)噴油泵柱塞下行至回油孔開始打開，由于開始時(shí)回油孔的開度很小，噴油泵的供油量較大，所以燃油壓力還會(huì)有所上升；隨著回油孔開度的增大，燃油壓力曲線急劇下降，稍后針閥即將關(guān)閉，最后出油閥落座。由于燃油的高速流動(dòng)迅速截止而引起高壓油管壓力發(fā)生震蕩，此震蕩逐漸衰減，壓力趨于平穩(wěn)。

p－φ和p－V示功圖如圖4、圖5所示。

圖4 p－φ示功圖

圖5 p－V示功圖

從示功圖中依據(jù)各指示指標(biāo)的計(jì)算公式可以得到：壓縮壓力11.14MPa，膨脹壓力5.32MPa，平均指示壓力1.53MPa，壓力升高比2.52。

3.2 頻譜分析與濾波

在單缸機(jī)進(jìn)行800r／min、108kW工況試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)氣缸壓力曲線在峰值附近有強(qiáng)烈振蕩，依靠傳統(tǒng)均值濾波仍然無法消除峰值振蕩情況。曲線振蕩表現(xiàn)在氣缸壓力曲線上為峰值附近有許多尖銳的毛刺。如圖6所示。

圖6 800r／min、108kW工況氣缸壓力原始曲線

圖7為計(jì)算缸壓曲線示功通道后氣體壓力級(jí)頻譜的幅頻特性曲線。從示功通道壓力頻譜上可看出，第一峰對(duì)應(yīng)的頻率為6.67Hz（因頻率很低，在曲線圖上的最左邊位置），即氣缸壓力的主頻，相當(dāng)于由800r／min的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的柴油機(jī)工作循環(huán)頻率。在頻率為2 000 Hz的第二峰附近，示功通道氣體壓力幅頻特性曲線出現(xiàn)比較大的振蕩，顯然在2 000Hz后多次出現(xiàn)壓力級(jí)頻譜急劇變化是由于通道效應(yīng)引起的，其相對(duì)幅值的大小則表征通道效應(yīng)引起壓力振蕩的強(qiáng)度。

圖7 800r／min、108kW工況氣缸壓力頻譜圖

從圖8氣缸內(nèi)壓力能量分布上可以看出，氣缸內(nèi)壓力能量主要集中在中低頻部分，在頻率0～2 000Hz內(nèi)所包圍的能量占整個(gè)能量級(jí)的99%以上，這樣可以認(rèn)為頻段0～2 000Hz基本反應(yīng)了氣缸內(nèi)能量譜的分布。而且以第二峰對(duì)應(yīng)的頻率2 000Hz為通道效應(yīng)的干擾頻率。

圖8 800r／min、108kW 工況氣缸內(nèi)氣體壓力能量級(jí)

根據(jù)2 000Hz的干擾頻率，本文利用Matlab里的FilterDesign ＆Analysis Tool設(shè)計(jì)了低通濾波器用以濾掉干擾信號(hào)。選用低通IIR ChebyshevⅡ型濾波器，截止頻率設(shè)為2 000Hz。濾波器的幅頻特性如圖9所示。

圖9 IIR ChebyshevⅡ型低通濾波器幅頻特性圖

考慮到IIR ChebyshevⅡ型濾波器引起的相位移動(dòng)，可根據(jù)濾波處理后的濾波信息中相移值確定。在本例中，濾波后氣缸壓力主頻相位移動(dòng)了2.5°，在氣缸壓力數(shù)據(jù)數(shù)組中通過逆向移動(dòng)調(diào)整至原位。圖給出了經(jīng)逆向相位調(diào)整后的濾波曲線與原始曲線的比較情況。從圖10低通濾波前后氣缸壓力曲線對(duì)比圖中可以看出，原始曲線峰值附近有振蕩，而濾波曲線在峰值附近相當(dāng)平滑，兩者在峰值以外的曲線形態(tài)十分吻合。原始曲線峰值在濾波曲線峰值附近上下穿越，說明經(jīng)過濾波、相位處理后的氣缸作功總能基本不變，濾波效果良好。

圖10 低通濾波前后氣缸壓力曲線對(duì)比圖

4 結(jié)論及展望

（1）對(duì)柴油機(jī)氣缸內(nèi)工作過程數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了研究，完成了氣缸內(nèi)工作過程數(shù)據(jù)處理程序的開發(fā)，獲得了氣缸內(nèi)工作過程圖、示功圖、通道效應(yīng)頻譜圖，結(jié)合柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)可獲得柴油機(jī)的主要性能參數(shù)。

（2）對(duì)峰值附近出現(xiàn)毛刺的氣缸壓力信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，通過尋找頻譜圖上出現(xiàn)波形振蕩所對(duì)應(yīng)的頻率，可找到引起通道效應(yīng)的干擾頻率。

（3）在頻譜能量級(jí)圖中可發(fā)現(xiàn)干擾信號(hào)對(duì)信號(hào)的影響極小，進(jìn)而可設(shè)計(jì)合適的濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行過濾，去掉尖峰毛刺，得到光滑的氣缸壓力信號(hào)曲線。經(jīng)過對(duì)原始信號(hào)與濾波后信號(hào)的對(duì)比，濾波處理后的氣缸作功總能基本不變，說明對(duì)信號(hào)進(jìn)行的濾波是有效的。

（4）本數(shù)據(jù)處理程序結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，擴(kuò)展性強(qiáng)。突破了國外企業(yè)對(duì)該領(lǐng)域源程序的代碼保護(hù)，并在此基礎(chǔ)上拓展了氣缸壓力信號(hào)的通道效應(yīng)分析功能，更適用實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)操作與分析。經(jīng)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證了本處理程序具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

［1］朱訪君，吳 堅(jiān).內(nèi)燃機(jī)工作過程數(shù)值計(jì)算及其優(yōu)化［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1997.

［2］任自中，谷 峰，張 慧.頻譜分析在缸內(nèi)壓力測(cè)試處理中的應(yīng)用［J］.柴油機(jī)，2007，29（6）：1－4.

［3］孫 祥，徐流美，吳 清.MATLAB7.0基礎(chǔ)教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.