柴油機振動速度特征參數與供油提前角異常故障關系研究

唐娟，魏慶檀，胡云萍，程勇

(1.聊城大學機械與汽車工程學院，山東 聊城 252000；2.山東大學能源與動力工程學院，山東 濟南 250061)

目前，使用傳統燃料的動力機械依然是最安全、最實用、最可靠的動力源。柴油機因熱效率高、二氧化碳排放低得到了廣泛應用，但其炭煙和NOx排放較高。為滿足節能減排需求，應對柴油機燃燒過程進行監測，使其盡可能工作在設計工況。缸內壓力是燃燒過程的直接反映[1]，但缸內壓力傳感器價格昂貴，測量時易存在通道效應，在線監測燃燒過程存在難度。因此，基于其他易測信號的燃燒狀態監測方法得到了發展，例如，根據轉速信號的波動對各缸燃燒均勻性及失火故障進行監測[2-4]，通過尾氣的測試分析對燃燒狀況進行判斷[5]。另外，鑒于振動信號和燃燒過程的密切關系[6]，利用振動信號對燃燒過程進行監測的研究得到了廣泛關注。振動傳感器安裝方便，價格便宜，有利于實現不解體及在線監測。早在1984年就有研究者利用振動信號對機械系統性能進行控制和故障診斷[7]；海軍工程學院[8]、Szymanski[9]等利用氣門開啟和關閉時段產生的振動信號對氣門間隙異常和漏氣故障進行了分析；史玉鵬[10]、Ftoutou[11]等研究了利用振動信號識別噴油故障的方法；Lowe[12]、Bahri[13]和Kamal[14]等研究了利用振動信號檢測失火故障的方法；Barelli等[15]指出振動加速度的均方根可表征燃燒劇烈程度。可見，基于振動信號分析相關燃燒故障的研究成果豐碩，但要實現燃燒過程的在線評價還有一定距離。

本研究基于振動速度特征參數和燃燒特征參數的理論對應關系[16]，對供油提前角偏離設計值時(變化范圍較小)振動速度特征參數的變化進行了分析研究，為柴油機供油提前角異常故障的診斷提供理論基礎，為燃燒過程在線監測、保證柴油機工作在設計工況提供了重要反饋和控制依據。

1 模擬分析

本研究以195柴油機為模擬研究對象，以1110和295柴油機為試驗驗證對象，試驗用發動機主要參數見表1。

表1 試驗發動機參數

為排除其他激勵的影響，首先基于已驗證的195柴油機有限元模型進行了模擬分析。模型采用十節點四面體網格單元，模型總單元數為63 302個，節點數為19 694個，模型結構圖及細節見文獻[16]，模擬中僅考慮燃燒激勵的作用，燃燒激勵即缸內壓力，由試驗獲得。為分析振動速度特征參數與供油提前角的變化關系，試驗設置了19°，22°和24° 3個供油角。圖1所示為195柴油機在1 200 r/min，30 N·m工況，不同供油提前角下燃燒時段模擬振動速度信號和實測缸內壓力信號對比結果。結果顯示，隨供油提前角的增大，燃燒提前，相應的振動速度相角提前。

圖1 不同供油提前角下實測缸內壓力及模擬振動速度對比

基于模擬振動速度信號提取描述燃燒特征的振動速度特征參數[16]，并與利用缸內壓力計算的燃燒特征參數進行對比，結果見表2。為了對峰值壓力等燃燒幅值特征參數進行對比，對基于振動速度的幅值特征參數的數量級進行了適當調整。其中，基于振動速度的相位特征參數和幅值特征參數隨供油提前角的變化分別見圖2a和圖2b。

表2 1 200 r/min，30 N·m工況，不同供油提前角下燃燒特征參數對比結果

圖2 1 200 r/min，30 N·m工況下，燃燒特征參數與 供油提前角的關系

由圖2可知，振動速度和缸內壓力計算的燃燒特征參數隨供油角度的變化趨勢基本一致，這進一步驗證了基于振動速度計算的特征參數可準確表征燃燒特征的變化[16]。

由圖2a可知，隨供油提前角的增大，燃燒始點、峰值壓力出現時刻和最大壓力升高率出現時刻均近似線性減小，這意味著燃燒始點、峰值壓力出現時刻及最大壓力升高率出現時刻提前，且提前的角度和供油提前角呈近似線性關系。

由圖2b可知，隨著供油提前角的增大，峰值壓力及最大壓力升高率有增大的趨勢，這主要是由供油提前角增大，預混燃燒比例增大所致。而平均指示壓力在22°時最大，平均指示壓力是轉速、負荷和供油提前角等不同因素綜合作用的結果，因此，平均指示壓力隨供油提前角的變化無明顯規律，平均指示壓力不適于作為評價供油提前角異常與否的參數。

模擬分析結果表明，供油提前角和描述燃燒始點、峰值壓力等的振動速度特征參數近似線性相關。隨供油提前角的增大，表征燃燒始點、峰值壓力出現時刻及最大壓力升高率出現時刻的振動速度特征參數線性減小，表征峰值壓力及最大壓力升高率的振動速度特征參數增大。

2 試驗驗證及分析

2.1 測量系統

為驗證模擬分析的正確性，以1110和295柴油機為對象進行了試驗驗證。1110柴油機共設置了19°，21°，22°和24° 4個供油角，295柴油機設置了18°，21°和24° 3個供油角。試驗采用MP426數據采集系統測試不同工況下的振動速度和缸內壓力信號，各信號采樣頻率為50 kHz，振動速度傳感器置于發動機缸蓋。各傳感器及采集系統參數如下：12QP250壓電式缸內壓力傳感器，靈敏度200 pC/MPa，量程15 MPa；PCB VO622A01壓電式振動速度傳感器，量程200 mm/s，靈敏度50 mV；YE5850A電荷放大器，極低頻測量(2 μHz)，靈敏度0.01～1 000 mV/pC，最大輸出幅度±10 V；MP426采集系統，16通道，16位采集卡，測量范圍±10 V。

2.2 實測振動速度信號預處理

以1110柴油機實測振動速度信號為例進行分析，圖3虛線示出1 400 r/min ，30 N·m，供油角為21°工況下，一個循環的振動速度信號。與模擬結果相比，實測振動信號中存在低頻波動，該低頻波動將對特征參數的提取產生較大影響。分析表明該波動的頻率低于200 Hz，主要由50 Hz諧波分量組成，為有效提取燃燒激勵振動速度響應，本研究采用origin軟件中的Savitzky-Golay 光順方法擬合低頻波動，實測數據減掉擬合數據即為燃燒激勵振動速度響應。處理后的振動速度信號見圖3實線。

圖3 實測及預處理后的振動速度信號

2.3 1110柴油機試驗驗證

基于處理后的振動速度提取燃燒特征參數，并與基于缸內壓力計算的燃燒特征參數進行對比。以1 400 r/min，20 N·m工況為例進行分析，各特征參數隨供油提前角的變化見圖4。

圖4 1 400 r/min，20 N·m工況，特征參數隨供油 提前角的變化

由圖4可見，基于實測振動速度與缸內壓力計算的燃燒特征參數變化趨勢一致，表明盡管受干擾信號影響，實測振動速度特征參數仍可較準確地表征燃燒特征參數。

隨供油提前角的增大，描述燃燒始點、峰值壓力出現時刻及最大壓力升高率出現時刻的振動速度相位特征參數減小，代表峰值壓力及最大壓力升高率的振動速度幅值特征參數增大，與理論分析結果一致。

但受各種干擾信息及試驗條件影響，各特征參數隨供油提前角變化的線性度略差。以基于振動速度識別的峰值壓力出現時刻和供油提前角關系為例，以最小二乘法對其進行線性擬合，擬合直線可描述為y=-0.839 82x+25.293 16,R2=0.933 9，說明盡管實測結果存在一定的非線性度，但仍可近似為線性關系。同理，其他振動速度特征參數隨供油提前角的變化關系也可進行線性擬合，擬合線性關系見圖5。

圖5 1110柴油機基于振動速度提取的特征參數和供油 提前角的擬合線性關系

2.4 295柴油機驗證

為驗證結果的普適性，在295柴油機上進行了試驗驗證，選取1 200 r/min，60 N·m工況作為驗證工況。隨供油提前角的增加，基于實測振動速度的特征參數變化規律與前文分析一致。但受干擾信號和工況設置偏差影響，特征參數隨供油角的變化也呈現出一定的非線性特點。同樣，對試驗結果進行線性擬合得出295柴油機各特征參數隨供油提前角的變化關系，結果見圖6。

圖6 295柴油機基于振動信號提取的特征參數隨供油 提前角的變化

振動速度特征參數隨供油提前角變化的線性關系是今后基于振動速度定量判斷供油角大小的基礎。

上述分析結果表明，對于供油提前角異常故障，在供油角偏離設計值范圍較小時，可選擇描述最大壓力升高率、峰值壓力、燃燒始點、峰值壓力出現時刻和最大壓力升高率出現時刻的特征參數作為故障評價參數，根據這些參數的共同變化判斷系統存在供油提前角異常故障的可能性。

3 結論

a) 模擬研究結果表明，對于偏離設計值較小的異常供油提前角，基于振動速度提取的描述峰值壓力出現時刻、燃燒始點和最大壓力升高率出現時刻等特征參數隨著供油提前角的增加而減小，表征峰值壓力、最大壓力升高率的特征參數隨供油提前角的增加而增大，且各特征參數隨供油提前角近似線性變化；

b) 基于振動速度提取的描述平均指示壓力的特征參數隨供油提前角的變化規律不明顯，不適于作為評價供油提前角異常故障的參數。

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