某型柴油機示功圖通道效應消除方法

徐魯杰，聶志斌

(1.海軍駐洛陽407廠軍事代表室，河南 洛陽471039;2.河南柴油機重工有限責任公司，河南 洛陽471039)

柴油機示功圖可提供40多種信息量［1］，既是研究和判斷柴油機工作狀態、基本性能參數計算及放熱規律分析的重要依據和不可缺少的資料，又是燃燒過程數字模型精度程度的評價標準。可獲得準確提取示功圖，有效除去示功圖中的各種誤差，是獲得準確信息的根本保證。但在示功圖的測量中，由于系統誤差、隨機誤差或過失誤差的影響，使測量的示功圖產生誤差，需要進行示功圖的修正處理。觀察測量的實際效果，由于測量通道導致氣體振蕩，測壓通道對示功圖的影響很大，使得測量的示功圖不可避免地存在誤差。而這些誤差是測量中系統本身帶有的，利用多循環平均不可能消除。柴油機的示功圖計算放熱規律，是研究柴油機氣缸內燃燒過程的重要手段。有效去除示功圖中的各種誤差、準確提取示功圖是整個分析工作的基礎。

1 性能試驗臺架組成

整個性能測試臺架由某型船用高速柴油機、Y1900-S型水力測功器、傳感器和測試系統組成。試驗臺架組成見圖1。

1)傳感器。全方位獲取柴油機壓力、轉速信號;

2)電源模板。給整個系統提供電源;

圖1 性能測試臺

3)壓力模板。對輸入的壓力信號進行放大變換;

4)轉速模板。對輸入的轉速信號進行放大處理;

5)A/D轉換模板。將輸入的各種模擬信號變換為數字信號;

6)計算機。對輸入的各種信號進行處理，并將結果進行存儲、顯示。

為了進行氣缸內壓力的測量，必須安裝傳感器將缸內的壓力信號送到測量分析元件。從理論上來說，一般要求將傳感器與氣缸壁面平齊安裝，以避免通道效應［2］，而在實際應用中，許多結構緊湊的內燃機沒有足夠的空間來安裝傳感器，特別是帶水冷卻的傳感器。同時，平齊安裝傳感器會使其膜片受到強烈的熱沖擊，因為在發動機的每一個工作循環中，直接暴露在燃燒室內的傳感器交替接觸高溫火焰和低溫氣體，引起傳感器膜片產生周期性的熱應變，膜片在壓縮沖程末期和燃燒期間暴露在高溫氣體中受熱產生熱應力，使作用于壓電晶體上的有效壓力減少，導致測量氣體壓力低于實際壓力，使測量結果失真;在膨脹、排氣和進氣期間膜片冷卻、松弛，此時作用于壓電晶體上的有效壓力接近于氣缸壓力單獨產生的作用力［3］。熱沖擊可能造成膨脹沖程中壓力測量低到令人難以置信的地步而無法進行放熱率計算。再者，平齊安裝會造成傳感器工作環境惡劣，影響傳感器的使用壽命。分析各種因素后認為，在進行示功圖測量時往往保留一定的測壓通道。

2 消除通道效應的方法

測壓通道的存在對精確地測量示功圖帶來負面影響，其影響主要有:在示功圖最高壓力附近產生頻率較高幅值不大的壓力波動;使壓力波形產生“相位滯后”。為此，必須采用合適的方法對通道效應予以消除。消除通道效應的方法很多，運用較多的主要有光順法和頻域濾波法［4］。

本文采用頻域濾波法來消除通道效應對示功圖的影響。

3 示功圖頻譜分析

通過對信號的傅里葉變換，可以進行頻譜分析，從中掌握信號的頻域特征，達到提取信號中有用信息的目的。利用工程計算軟件Matlab內部的工具箱，可以很方便地對測量信號進行快速傅立葉變換，得到信號的頻譜圖。應用上面的方法，對實際測錄的示功圖進行處理。

圖2、圖3分別為額定轉速1 500 r/min，Ne=938、1 251 kW時所測示功圖的頻譜圖。

分析所測信號的頻譜，發現信號能量主要集中在低頻段，在基頻50倍頻程，1 250 Hz(基頻為25 Hz)以內，信號的能量占到整個信號能量的95%。在1 250～1 500 Hz之間，又有較大的信號能量，該部分能量占總能量的3.5%左右;到1 500 Hz以后，信號能量只占總能量的1.5%左右。這說明在高頻段，信號能量很少;在1 250～1 500 Hz之間能量的突然增加。分析認為是由于測量中通道效應引起的，需要對其進行濾波處理。并且，相同轉速、不同負荷工況的頻譜特征基本上是相同的。

如果將柴油機測壓通道視為一個系統，氣缸內“真實”壓力信號x(t)作為系統的輸入，傳感器測得的壓力信號y(t)為系統的輸出。但對于設計的濾波器來說，y(t)則變為輸入，x(t)是輸出，濾波器傳遞函數h(n)則是設計中要確定的。根據以上的分析，要消除柴油機測壓通道引起的誤差，應該選用帶阻濾波器，即當確定了通道效應的固有頻率的大致范圍后，只需濾掉這一頻率范圍內的信號，這樣在消除通道效應后不致使測量的信號失真。考慮到還有一些高頻雜波的干擾，本文確定設計濾波器的類型為低通濾波器。這樣雖然濾掉一小部分高頻有用信號，但通過計算發現在基頻60倍以后信號所含能量相當低，占整個信號能量的1.5%左右。濾去這些信號后，對于示功圖及柴油機燃燒過程的分析不會造成很大的影響。

在該工況下低通濾波器要求的通帶截止頻率取Fs=1 250 Hz。為了避免信號由于濾波產生新的相位歧變，采用具有較好線性相頻特性的優先沖激響應數字濾波器(FIR)。設計的FIR低通濾波器的幅頻和相頻特性見圖4。

圖4 FIR低通濾波器的幅頻和相頻

4 濾波消除通道效應

分析結果表明，在進行示功圖測量時往往要保留一定的測壓通道。當柴油機轉速不變，負荷變化時，其缸內燃燒過程必然發生變化，即隨著負荷的增加，缸內氣體的溫度和壓力增加，導致了缸內壓力傳播速度增加，通道效應的固有頻率相應提高，但增高的幅度并不大。通道效應的固有頻率主要取決于通道的幾何尺寸，而發動機的工況對其影響較小［5］。由于本文測量的是額定轉速下的負荷特性，所以確定各個工況對示功圖濾波所用濾波器的截止頻率為1 250 Hz。

利用所設計的濾波器對5%、10%、25%、50%、75%、100%負荷工況下采集的示功圖壓力信號進行濾波處理。圖5～8為濾波后10%、75%負荷下的時域示功圖和各自對應的頻譜圖。

可以清楚地看到在濾掉1 250 Hz以后的高頻成分后，時域圖上壓力峰值部分的波動完全消除，即通道效應完全消除，同時一些雜波干擾也被一同濾掉。從頻域上分析，在1 250 Hz以后，高頻成分的波動減弱，特別是1 500 Hz附近的突起完全被消除;從能量上來分析，發現濾波后信號的能量是濾波前信號能量的97%左右，這說明濾波并沒造成信號的失真，即絕大部分有用信號并沒有被消除。這樣就得到了各個工況下有效地消除通道效應后的示功圖。

5 結論

如何減小通道效應的不利影響、對示功圖進行修正是工程實際中亟待解決的問題。本文研究結果表明，頻域濾波法能夠有效消除示功圖測量過程中通道效應的不利影響，且對有用信號的影響較小。

［1］楊 海，鄧名華.國內外內燃機示功圖的研究與發展［J］.內燃機，2005(6):6-9.

［2］孫 亮.Windows NT平臺下內燃機數據采集和分析系統的研究［D］.長沙:湖南大學，2002.

［3］程 鵬.內燃機數據采集分析系統的研究［D］.長春:吉林大學，2004.

［4］王艷武，安士杰，張 波，等.消除柴油機示功圖通道效應的方法研究［J］.車用發動機，2003(1):13-15.

［5］常漢寶，劉伯運，劉敏林.基于虛擬測試技術的柴油機燃燒分析系統［J］.柴油機，2003(1):22-24.