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    基于缸內(nèi)壓力信號的柴油機工作不均勻性研究

    2012-01-23 01:40:44伯運
    船海工程 2012年1期
    關(guān)鍵詞:噴油量噴油缸內(nèi)

    ,,伯運

    (海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)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(xiàn)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(jìn)氣系統(tǒng)壓力波動產(chǎn)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(huán)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(jīng)濟(jì)性,減輕發(fā)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(jìn)供油系統(tǒng)提供理論依據(jù),通過調(diào)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(zhuǎn)速信號的波動入手,但從缸內(nèi)壓力信號到轉(zhuǎn)速信號,有很多中間傳遞環(huán)節(jié)的干擾。而缸內(nèi)壓力直接反映柴油機的工作性能,包括進(jìn)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(tài)進(jìn)行檢測。測量不同噴油量時各個氣缸的缸內(nèi)壓力信號,對不同氣缸的缸內(nèi)壓力信號進(jìn)行了互相關(guān)分析,比較不同噴油量和互相關(guān)系數(shù)之間的關(guān)系,通過互相關(guān)系數(shù)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(nèi)壓力與噴油量關(guān)系模型建立

    缸內(nèi)氣體做功:

    (1)

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

    (2)

    式中:qf——燃料燃燒所釋放的能量;

    mf(φ)——曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)所燃燒的燃料質(zhì)量;

    η——燃料燃燒所釋放的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械功的效率。

    當(dāng)曲柄自上止點轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為φ的函數(shù):

    λ

    (4)

    式中:β——連桿與垂直方向的夾角。

    由此,式(2)轉(zhuǎn)化為

    (5)

    令:

    (6)

    這樣,建立了缸內(nèi)壓力與噴油量的相互關(guān)系:

    (7)

    柴油機在調(diào)整良好的情況下,各缸的噴油規(guī)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(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律也是相似的。這樣,可以通過調(diào)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(jìn)行。轉(zhuǎn)速置為1 000 r/min,負(fù)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(fā)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(diào)整臺上調(diào)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(shù)據(jù)分析

    采用互相關(guān)系數(shù)ρxy(τ)研究當(dāng)噴油量變化時,各氣缸缸內(nèi)壓力的相似程度。

    (8)

    互相關(guān)系數(shù)的大小在0和1之間變化,它表征兩個信號的相關(guān)性或相似程度。ρxy(τ)=1時表示全相關(guān)[4];ρxy(τ)越小,兩個信號差別越大;當(dāng)約定ρxy(τ)低于某一臨界值時,認(rèn)為氣缸出現(xiàn)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(jù)。

    調(diào)用Matlab的xcov(X,Y,’coeff’)程序?qū)Σ煌瑖娪土繒r各氣缸的缸內(nèi)壓力信號進(jìn)行互相關(guān)分析,結(jié)果見圖1~5。

    1) 正常噴油時,各氣缸缸內(nèi)壓力曲線非常相似,見圖1;各氣缸缸內(nèi)壓力信號相關(guān)系數(shù)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(nèi)壓力信號互相關(guān)系數(shù)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(nèi)壓力曲線有較大變化,其它缸的缸內(nèi)壓力曲線變化不大,最高爆發(fā)壓力升高。5#缸與其它缸的缸內(nèi)壓力信號的互相關(guān)系數(shù)最大值較低,均值為0.95,互相關(guān)系數(shù)均值的下降率為4.13%;而其它氣缸之間壓力信號的互相關(guān)系數(shù)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(nèi)壓力的互相關(guān)系數(shù)最大值為0.955 8,而1#和3#缸的缸內(nèi)壓力信號的互相關(guān)系數(shù)最大值為0.980 7。

    圖1 正常噴油狀態(tài)下,1#、5#、3#氣缸的缸內(nèi)壓力信號示意

    圖2 正常噴油狀態(tài)下,氣缸壓力信號之間的互相關(guān)分析

    3) 5#缸減油40%和斷油工況下,結(jié)果類似。減油40%和斷油工況下,5#缸和其它缸缸內(nèi)壓力信號的互相關(guān)系數(shù)最大值的均值分別是0.92和0.85,互相關(guān)系數(shù)均值的下降率分別為7.15%和15.80%;而正常工作的氣缸,缸內(nèi)壓力信號之間的互相關(guān)系數(shù)最大值接近1,互相關(guān)系數(shù)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(nèi)壓力信號互相關(guān)系數(shù)的最大值分別為0.923 5和0.833 6;1#與3#缸的缸內(nèi)壓力信號互相關(guān)系數(shù)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(guān)系數(shù)示意

    圖4 5#缸減油40%和5#缸斷油工況,各缸壓力缸內(nèi)壓力互相關(guān)分析

    正常噴油時,各氣缸缸內(nèi)壓力信號之間的互相關(guān)系數(shù)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(nèi)壓力信號之間的互相關(guān)系數(shù)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(nèi)壓力信號之間的互相關(guān)系數(shù)最大值依然接近1。由此可知:對不同氣缸的缸內(nèi)壓力信號進(jìn)行互相關(guān)分析,噴油量正常的氣缸,缸內(nèi)壓力信號之間的互相關(guān)系數(shù)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(nèi)壓力信號之間的互相關(guān)系數(shù)最大值會有所下降,并且故障程度越嚴(yán)重,互相關(guān)系數(shù)的最大值下降越大。

    4 結(jié)論

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

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

    [1] 謝永樂,謝三山.多缸發(fā)動機各缸工作不均勻性分析[J].四川大學(xué)學(xué)報:工程科學(xué)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(xué),2002.

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

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