基于缸內壓力信號的柴油機工作不均勻性研究

，，伯運

(海軍工程大學 船舶與動力學院，武漢 430033)

多缸柴油機工作不均勻性指各缸工作過程以及對外表現出的差異，引起柴油機工作不均勻性的因素較多，主要有：各缸加工制造誤差的差異、進氣系統壓力波動產生的不均勻充氣、各缸噴油量的差異、各缸磨損狀況不一以及各缸在不同工作循環中的波動性。研究各氣缸的工作不均勻性是為了判斷故障缸號，提高單缸經濟性，減輕發動機振動，避免由于各缸工作不均勻引起的功率下降以及為改進供油系統提供理論依據，通過調整單缸使用性能以提高整機工作性能[1]。分析柴油機的工作不均勻性，可以從轉速信號的波動入手，但從缸內壓力信號到轉速信號，有很多中間傳遞環節的干擾。而缸內壓力直接反映柴油機的工作性能，包括進氣過程的好壞、氣缸的氣密性、燃料燃燒的完整程度。因此，測取壓力信號可以對柴油機的工作狀態進行檢測。測量不同噴油量時各個氣缸的缸內壓力信號，對不同氣缸的缸內壓力信號進行了互相關分析，比較不同噴油量和互相關系數之間的關系，通過互相關系數的比較，分析柴油機各缸工作的不均勻性，為故障缸號的診斷和故障程度的判斷提供參考。

1 缸內壓力與噴油量關系模型建立

缸內氣體做功：

(1)

柴油機從燃燒開始到排氣門開啟，缸內發生復雜的物理化學變化過程，因此，主要研究這一階段的缸內壓力變化。對6135柴油機，單缸獨立做功的曲軸轉角為120°，因此，提取燃燒做功階段上止點附近的±90°范圍進行分析。燃燒做功階段，進氣門和排氣門是關閉的，忽略工質的泄露損失，氣缸與外界沒有物質交換[2]，燃料燃燒所釋放的內能乘以機械效率等于活塞推動曲軸連桿機構所做的機械功，因此，式(1)轉化為

(2)

式中：qf——燃料燃燒所釋放的能量；

mf(φ)——曲軸轉角內所燃燒的燃料質量；

η——燃料燃燒所釋放的內能轉化為機械功的效率。

當曲柄自上止點轉過角度φ后，活塞的位移x為[3]

x=R(1-cosφ)+L(1-cosβ)

(3)

式中：R——曲柄半徑；

L——連桿長度。

由正弦定理將β轉化為φ的函數：

λ

(4)

式中：β——連桿與垂直方向的夾角。

由此，式(2)轉化為

(5)

令：

(6)

這樣，建立了缸內壓力與噴油量的相互關系：

(7)

柴油機在調整良好的情況下，各缸的噴油規律是相似的，只是相互之間有一定的間隔角，因此，各個氣缸的缸內壓力隨曲軸轉角的變化規律也是相似的。這樣，可以通過調整單缸噴油量，來比較噴油量的變化對柴油機工作均勻性的影響。

2 實驗平臺

實驗在6135非增壓四沖程柴油機上進行。轉速置為1 000 r/min，負載400 N·m，壓力傳感器的采樣頻率為65 536 Hz。6135柴油機氣缸的發火次序為1-5-3-6-2-4，噴油提前角約為20°。實驗過程為：拆下5#氣缸的噴油泵，在油量調整臺上調整噴油量，分別測得正常噴油量、噴油量減少20%、噴油量減少40%和斷油故障時5#缸和其它氣缸的壓力信號。

3 數據分析

采用互相關系數ρxy(τ)研究當噴油量變化時，各氣缸缸內壓力的相似程度。

(8)

互相關系數的大小在0和1之間變化，它表征兩個信號的相關性或相似程度。ρxy(τ)=1時表示全相關[4]；ρxy(τ)越小，兩個信號差別越大；當約定ρxy(τ)低于某一臨界值時，認為氣缸出現故障，那么，ρxy(τ)就可以在一定程度上作為判斷故障缸號的依據。

調用Matlab的xcov(X,Y,’coeff’)程序對不同噴油量時各氣缸的缸內壓力信號進行互相關分析，結果見圖1～5。

1) 正常噴油時，各氣缸缸內壓力曲線非常相似，見圖1;各氣缸缸內壓力信號相關系數的最大值都接近1，見圖2；1#和3#缸、5#和3#缸、1#和5#缸的缸內壓力信號互相關系數最大值分別為0.989 7、0.992 5和0.990 4，平均為0.990 9。

2) 5#缸減油20%工況下，只有5#缸的缸內壓力曲線有較大變化，其它缸的缸內壓力曲線變化不大，最高爆發壓力升高。5#缸與其它缸的缸內壓力信號的互相關系數最大值較低，均值為0.95，互相關系數均值的下降率為4.13%；而其它氣缸之間壓力信號的互相關系數最大值還是接近于1，均值變化率近似為0，見圖3。1#和5#缸的缸內壓力的互相關系數最大值為0.955 8，而1#和3#缸的缸內壓力信號的互相關系數最大值為0.980 7。

圖1 正常噴油狀態下，1#、5#、3#氣缸的缸內壓力信號示意

圖2 正常噴油狀態下，氣缸壓力信號之間的互相關分析

3) 5#缸減油40%和斷油工況下，結果類似。減油40%和斷油工況下，5#缸和其它缸缸內壓力信號的互相關系數最大值的均值分別是0.92和0.85，互相關系數均值的下降率分別為7.15%和15.80%；而正常工作的氣缸，缸內壓力信號之間的互相關系數最大值接近1，互相關系數最大值的均值變化率接近0。見圖4，在減油40%和斷油工況下，1#和5#缸的缸內壓力信號互相關系數的最大值分別為0.923 5和0.833 6;1#與3#缸的缸內壓力信號互相關系數的最大值分別為0.982 6和0.982 2。

圖3 5#缸減油20%工況，各氣缸壓力互相關系數示意

圖4 5#缸減油40%和5#缸斷油工況，各缸壓力缸內壓力互相關分析

正常噴油時，各氣缸缸內壓力信號之間的互相關系數最大值接近1，單缸噴油量分別減少20%、40%和斷油時，故障缸與正常工作的氣缸缸內壓力信號之間的互相關系數最大值下降率分別為4.13%、7.15%和15.8%，而正常工作氣缸的缸內壓力信號之間的互相關系數最大值依然接近1。由此可知：對不同氣缸的缸內壓力信號進行互相關分析，噴油量正常的氣缸，缸內壓力信號之間的互相關系數最大值接近1，而噴油量異常的氣缸與正常工作的氣缸缸內壓力信號之間的互相關系數最大值會有所下降，并且故障程度越嚴重，互相關系數的最大值下降越大。

4 結論

1) 通過對柴油機不同氣缸的缸內壓力信號進行互相關分析，可以比較壓力信號之間的相似程度；通過缸內壓力信號之間互相關系數的比較，可以判斷故障缸號。

2) 不同氣缸缸內壓力信號之間的互相關系數的最大值反映了氣缸缸內壓力信號之間的差異程度，可以通過互相關系數最大值的大小，判斷故障的嚴重程度。

[1] 謝永樂，謝三山.多缸發動機各缸工作不均勻性分析[J].四川大學學報:工程科學版，2000，32(4)：97-100.

[2] 趙同賓.柴油機熱工故障仿真研究[D].武漢：武漢理工大學,2002.

[3] 范志勇.基于曲軸轉速波動分析的內燃機故障診斷研究[D].大連:大連海事大學,2006.