基于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速多特征融合的內(nèi)燃機(jī)各缸工作狀態(tài)識(shí)別*

劉敏，李志寧，張英堂，范紅波，劉艷利

（1.軍械工程學(xué)院，石家莊050003；2.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，天津300400）

基于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速多特征融合的內(nèi)燃機(jī)各缸工作狀態(tài)識(shí)別*

劉敏1，李志寧1，張英堂1，范紅波1，劉艷利2

（1.軍械工程學(xué)院，石家莊050003；2.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，天津300400）

為分析內(nèi)燃機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)過(guò)程與各缸工作相位的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而識(shí)別各缸工作狀態(tài)，提出了基于硬件計(jì)數(shù)原理的內(nèi)燃機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速精確測(cè)試方法，在某自行火炮發(fā)動(dòng)機(jī)上測(cè)取了發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作、燃燒不良和失火工況下的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)。對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，并利用分頻帶濾波方法分離出電調(diào)信號(hào)和各缸做功沖擊信號(hào)，進(jìn)而提出5個(gè)特征參數(shù)并計(jì)算各特征參數(shù)的相對(duì)偏差和偏差極性，最后根據(jù)不同特征參數(shù)的相對(duì)偏差幅值和偏差極性分布規(guī)律判別各缸工作狀態(tài)并定位狀態(tài)異常缸。

內(nèi)燃機(jī)，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，特征參數(shù)，相對(duì)偏差，偏差極性，狀態(tài)識(shí)別

0 引言

內(nèi)燃機(jī)各缸工作相位內(nèi)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)規(guī)律直接反映了內(nèi)燃機(jī)各缸工作狀態(tài)，且轉(zhuǎn)速信號(hào)測(cè)取方便，在內(nèi)燃機(jī)狀態(tài)識(shí)別和故障診斷領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1-3］。內(nèi)燃機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的精確測(cè)試是識(shí)別其各缸工作狀態(tài)的基礎(chǔ)。目前，軟件計(jì)數(shù)法因其測(cè)試裝置簡(jiǎn)單、精度較高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于4缸及其以下內(nèi)燃機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速計(jì)算［4-5］。但是，對(duì)于大型軍用裝備中廣泛使用的6缸機(jī)、8缸機(jī)和12缸機(jī)，由于各缸做功沖程存在不同程度的交疊，軟件計(jì)數(shù)法無(wú)法準(zhǔn)確跟蹤并識(shí)別與各缸工作相位相對(duì)應(yīng)并反映各缸做功能力的轉(zhuǎn)速波動(dòng)［6］。

1 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速精確測(cè)試與分析

1.1 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速精確測(cè)試系統(tǒng)

如圖1和圖2所示。

試驗(yàn)用柴油機(jī)為某自行火炮用8V150ZAL-1型8缸4沖程電控柴油機(jī)，各缸發(fā)火順序?yàn)樽?→右4→左3→右2→左4→右1→左2→右3，發(fā)火間隔角為90°，飛輪齒數(shù)為159。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器正對(duì)飛輪輪齒安裝，光電傳感器對(duì)準(zhǔn)貼于飛輪輸出軸上的反光帶安裝，初始位置對(duì)應(yīng)左1缸壓縮行程上止點(diǎn)。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出的正弦波經(jīng)過(guò)濾波和整形轉(zhuǎn)換為方波輸入脈沖計(jì)數(shù)電路，計(jì)數(shù)器記錄相鄰兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔ΔT，經(jīng)過(guò)MCU處理之后通過(guò)串口傳送到PC機(jī)。光電傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)整形轉(zhuǎn)換為脈沖觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)計(jì)數(shù)電路開(kāi)始計(jì)數(shù)，從而保證計(jì)數(shù)始點(diǎn)對(duì)應(yīng)左1缸壓縮沖程上止點(diǎn)。

易知，計(jì)算出的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速為等角度采樣信號(hào)，每個(gè)機(jī)器循環(huán)內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)相同且均為318，從而消除了等時(shí)間間隔采樣中瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)造成的采樣點(diǎn)數(shù)不均勻的問(wèn)題。

1.2 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形分析

試驗(yàn)機(jī)正常怠速狀態(tài)（v=800 r/min）下的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)曲線，如圖3所示。

電控柴油機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速由電控噴油系統(tǒng)和氣缸燃爆沖擊做功兩種機(jī)制共同調(diào)節(jié)［7］。由圖3（a）可知，在電控噴油系統(tǒng)調(diào)速作用下瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在780 r/min～830 r/min之間有規(guī)律地均勻波動(dòng)，其波動(dòng)周期和強(qiáng)度反映了電控噴油系統(tǒng)對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)能力；圖3（b）為4個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)細(xì)節(jié)，在每個(gè)工作循環(huán)內(nèi)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速都會(huì)出現(xiàn)8次周期性波動(dòng)，依次對(duì)應(yīng)柴油機(jī)各缸燃爆做功過(guò)程，其波動(dòng)不均勻性反映了各缸做功能力的差異。

為對(duì)比說(shuō)明本測(cè)試系統(tǒng)在瞬時(shí)轉(zhuǎn)速精確測(cè)試中的優(yōu)勢(shì)，設(shè)置如下對(duì)比試驗(yàn)：選用丹麥BK公司生產(chǎn)的BK數(shù)據(jù)采集卡，以65 536 Hz的采樣頻率同步采集瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)和左1缸油壓信號(hào)。下頁(yè)圖4為利用拉格朗日插值法計(jì)算得到瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)。

由圖4可知，傳統(tǒng)的AD采樣與軟件計(jì)數(shù)相結(jié)合的方法無(wú)法識(shí)別電控噴油系統(tǒng)對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)作用，而且單工作循環(huán)內(nèi)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速只出現(xiàn)4次波動(dòng)，無(wú)法分析各缸做功相位內(nèi)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)規(guī)律。

分析結(jié)果表明，對(duì)于6缸及以上大功率柴油機(jī)，傳統(tǒng)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速計(jì)算方法無(wú)法識(shí)別各缸工作相位內(nèi)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，無(wú)法用于識(shí)別各缸工作狀態(tài)。而本文所提測(cè)試方法則能夠準(zhǔn)確識(shí)別瞬時(shí)轉(zhuǎn)速電調(diào)分量和各缸做功沖擊分量，進(jìn)而根據(jù)各缸工作相位內(nèi)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)特征可以識(shí)別各缸工作狀態(tài)。

圖5為瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)幅頻譜。

由各缸做功引起的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)有效頻帶分布于氣缸發(fā)火頻率及其各倍頻位置［7］。柴油機(jī)發(fā)火頻率可以由式（2）與式（3）求得。

根據(jù)以上公式計(jì)算得到柴油機(jī)正常怠速工況下的平均轉(zhuǎn)速和發(fā)火頻率分別為：=806.5473r/min，fh=53.769 8 Hz。分析圖5可知，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)的實(shí)際發(fā)火頻率為53.49 Hz，與理論計(jì)算結(jié)果相符，26.74 Hz為其0.5倍頻，兩者之間的頻帶即為氣缸做功沖擊的有效頻帶。1.305 Hz附近的低頻成分幅值最大，對(duì)應(yīng)電調(diào)分量；53.49 Hz以上的高頻成分為曲軸扭振、傳感器抖動(dòng)等產(chǎn)生的高頻噪聲。

以26.74 Hz為截止頻率對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行低通濾波，得到瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)的電調(diào)分量如圖6所示。

去除原信號(hào)中的電調(diào)分量后，以26.74 Hz與53.49 Hz為截止頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，得到柴油機(jī)各缸做功沖擊作用下的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)曲線如圖7所示。

由圖7可以看出，由各缸做功沖擊引起的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度為±5 r/min，每個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的8個(gè)波峰按發(fā)火順序依次對(duì)應(yīng)各缸燃爆做功過(guò)程。

2 異常狀態(tài)下轉(zhuǎn)速波形異變分析

試驗(yàn)中設(shè)置如下3種工況：正常工況，右4缸噴油器霧化不良（輕微故障），左4缸斷油（嚴(yán)重故障）。試驗(yàn)方法如圖8所示。

由圖9可知，當(dāng)氣缸工作不良或斷油時(shí)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的電調(diào)分量波動(dòng)幅度下降，周期縮短，這說(shuō)明柴油機(jī)氣缸工作異常時(shí)，為糾正瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的異常波動(dòng)，電控噴油系統(tǒng)對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的調(diào)控頻率提高，調(diào)控能力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致不同狀態(tài)下的電調(diào)波形在時(shí)頻域上表現(xiàn)出明顯的差異，據(jù)此可以識(shí)別柴油機(jī)不同工作狀態(tài)。

瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)是缸內(nèi)氣體壓力和活塞連桿機(jī)構(gòu)往復(fù)慣性力相互平衡的結(jié)果［8］。由圖10可知，當(dāng)右4缸噴油器霧化不良時(shí)，缸內(nèi)氣體燃爆壓力下降，導(dǎo)致其做功沖程內(nèi)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速上升幅度下降至正常狀態(tài)的50%左右，說(shuō)明此缸做功能力已明顯不足，而在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)控機(jī)制的作用下，與其相鄰的左1缸和左3缸做功能力明顯增強(qiáng)，表現(xiàn)為做功能力超強(qiáng)的氣缸［1］。當(dāng)左4缸斷油時(shí)，其失去做功能力，但是由于其壓縮過(guò)程儲(chǔ)能，當(dāng)往復(fù)慣性力下降時(shí)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速有小幅上升，繼而快速大幅度下降，說(shuō)明此缸做功能力惡化，同時(shí)右2缸和右1缸表現(xiàn)為做功能力超強(qiáng)的氣缸。根據(jù)以上分析可知，當(dāng)單缸發(fā)生故障時(shí)，故障缸及其相鄰缸工作相位內(nèi)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)特征發(fā)生明顯變化，據(jù)此可以識(shí)別并定位狀態(tài)異常缸。

3 狀態(tài)特征指標(biāo)的提取

為識(shí)別各缸工作狀態(tài)并定位狀態(tài)異常缸，分別根據(jù)電調(diào)分量和各缸做功沖擊分量的波動(dòng)特性提取特征參數(shù)作為狀態(tài)識(shí)別指標(biāo)。

①電調(diào)分量均方差σ，表征電控噴油系統(tǒng)對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)能力。

式中，N為采樣點(diǎn)數(shù)，vi為第i（i=1，2，…，N）個(gè)轉(zhuǎn)速值為平均轉(zhuǎn)速。

②各缸轉(zhuǎn)速相對(duì)升程βi，表征各缸做功能力的相對(duì)強(qiáng)弱。

④各缸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速上升加速度αi，1與下降加速度αi，2，表征各缸做功能力。

以上參數(shù)的物理意義如圖11所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

為定量描述正常與故障狀態(tài)時(shí)的各特征參數(shù)的變化規(guī)律，根據(jù)各特征參數(shù)的定義計(jì)算得到3種工況下的特征參數(shù)，如下頁(yè)表1所示。

表1中工況1為正常工況，工況2為右4缸噴油器霧化不良，工況3為左4缸斷油。由表中數(shù)據(jù)可知：正常工況、輕微故障和嚴(yán)重故障時(shí)，σ的值依次減小，且差別很大，據(jù)此可以判別內(nèi)燃機(jī)工作狀態(tài)及故障的嚴(yán)重程度；與正常工況相比，故障缸特征參數(shù)βi和αi，1減小，i和αi，2增大，且其變化幅度與故障程度成正比。

表1 特征參數(shù)

式中，ωn表示正常工況下的特征參數(shù)，ωf表示故障

不同工況下的各缸特征參數(shù)相對(duì)偏差變化曲線如圖12所示。

由圖12（a）可知，右4缸（i=2）的特征參數(shù)β2和α2,1產(chǎn)生最大負(fù)極性相對(duì)偏差，而其左右兩側(cè)缸的相應(yīng)特征參數(shù)產(chǎn)生最大正極性相對(duì)偏差，但是由于故障較輕，此缸減速過(guò)程變化不大，且加減速過(guò)程中轉(zhuǎn)速波動(dòng)依舊比較均勻，所以α2,2和2基本不變。因此，可以判定輕微故障缸為右4缸。由圖12（b）可知，左4缸（i=5）嚴(yán)重故障時(shí)，由于其做功失效及加減速過(guò)程中轉(zhuǎn)速波動(dòng)嚴(yán)重不均勻，導(dǎo)致其特征參數(shù)5和α5,2產(chǎn)生最大正極性相對(duì)偏差，β5產(chǎn)生最大負(fù)極性相對(duì)偏差，α2,1亦產(chǎn)生較大負(fù)極性相對(duì)偏差，而其左右兩側(cè)缸的相應(yīng)特征參數(shù)均產(chǎn)生極性相反的較大相對(duì)偏差。所以，可以判定嚴(yán)重故障缸為左4缸。由圖中可以看出，由于各缸工作不均勻性導(dǎo)致非故障缸的某些特征參數(shù)亦產(chǎn)生較大相對(duì)偏差，根據(jù)某單一特征參數(shù)的變化規(guī)律無(wú)法判別某缸的工作狀態(tài)，而通過(guò)多特征參數(shù)的融合分析便可以準(zhǔn)確識(shí)別并定位故障缸。以上分析結(jié)果證明了多特征參數(shù)融合分析對(duì)于故障缸識(shí)別與定位的必要性和有效性。

5 結(jié)論

①提出了內(nèi)燃機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速精確測(cè)試方法，解決了傳統(tǒng)測(cè)試方法在6缸及其以上大功率內(nèi)燃機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速計(jì)算方面精度不足的問(wèn)題，分離出電控柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速電調(diào)波動(dòng)分量和各缸做功沖擊波動(dòng)分量，分析了各缸做功相位內(nèi)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)規(guī)律。

②將電調(diào)分量波動(dòng)方差作為特征參數(shù)可以判別內(nèi)燃機(jī)故障程度；通過(guò)綜合分析內(nèi)燃機(jī)各缸工作相位內(nèi)的各轉(zhuǎn)速波動(dòng)特征的變化和分布規(guī)律可以進(jìn)一步識(shí)別和定位狀態(tài)異常氣缸。試驗(yàn)分析結(jié)果表明，根據(jù)本方法可以對(duì)內(nèi)燃機(jī)各缸的異常工作狀態(tài)進(jìn)行判別。

［1］喬新勇，劉春華，劉君，等.基于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速分析的柴油機(jī)氣缸壓縮性能檢測(cè)方法［J］.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2014（6）：79-83.

［2］馬晉，江志農(nóng)，高金吉.基于轉(zhuǎn)速分析的裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)失缸判別方法［J］.振動(dòng)與沖擊，2012，31（13）：119-124.

［3］肖小勇，向陽(yáng)，錢(qián)思沖，等.多諧次相位法在柴油機(jī)故障診斷上的應(yīng)用［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35（8）：954-960.

［4］孫云嶺，樸甲哲，張永祥.插值算法在內(nèi)燃機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量中的應(yīng)用研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2002，20（4）：335-338.

［5］孫云嶺，樸甲哲，李軍，等.應(yīng)用逆傅利葉變換進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)提純［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2005，34（4）：20-22.

［6］胡重慶，李艾華，朱春紅，等.基于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)分析的內(nèi)燃機(jī)失火檢測(cè)［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2009，27（5）：446-451.

［7］周泉，王貴勇，申立中.基于帶通濾波的電控柴油機(jī)各缸不均勻性檢測(cè)［J］.汽車(chē)工程，2012，34（9）：825-829.

［8］喬新勇，劉春華，謝曉陽(yáng)，等.基于轉(zhuǎn)速分析的裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)失缸判別方法［J］.兵工學(xué)報(bào)，2011，32（8）：945-948.

Recognition of Cylinder Working Condition in Internal Combustion Engine Based on Multi-feature Fusion of Instantaneous Speed

LIU Min1，LI Zhi-ning1，ZHANG Ying-tang1，F(xiàn)AN Hong-bo1，LIU Yan-li2
（1.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；
2.China North Engine Research Institute，Tianjin 300400，China）

In order to identify the working condition of each cylinder of the internal combustion engine by analyzing the corresponding relation of the instantaneous speed fluctuation process and each cylinder work phase，an accurate test method of the internal combustion engine instantaneous speed based on the hardware counting principle is proposed.The tests are carried out on a self-propelled gun engine，and the instantaneous speed signals were measured in the conditions of normal work，incomplete combustion and misfire.Fourier analysis was done to the signal，the electronicallycontrolled component and the fluctuation component caused by each cylinder acting impulse are separated by filtering according to different frequency bands，and then five characteristic parameters are extracted.Then，the relative deviation of each characteristic parameter and its polarity are calculated.Finally，the working condition of each cylinder and the position of the abnormal cylinder are distinguished according to the amplitude of each relative deviation and its polarity distribution regular rule.

internalcombustionengine，instantaneousspeed，characteristicparameter，relative deviation，deviation polarity，state recognition

TK421

A

1002-0640（2017）01-0097-05

2015-11-10

2016-01-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51305454）

劉敏（1990-），男，山東沂水人，博士。研究方向：測(cè)試技術(shù)與信號(hào)處理。