基于氣缸蓋振動(dòng)信號(hào)識(shí)別的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)算方法

陳明 張小明 周東翔

摘 要：要進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)評(píng)估，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速是不可或缺的參數(shù)，而在一些老舊裝甲車(chē)上并未安裝轉(zhuǎn)速傳感器，要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行不解體測(cè)速非常困難。為解決該問(wèn)題，本文提出了基于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋振動(dòng)信號(hào)識(shí)別的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試方法，并在不同工況下多次實(shí)驗(yàn)對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了該算法在各種工況下的的正確性和普遍適用性。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)速測(cè)量；振動(dòng)信號(hào)識(shí)別

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.004

在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)評(píng)估時(shí)，轉(zhuǎn)速是不可或缺的重要參數(shù)。無(wú)論是通過(guò)監(jiān)測(cè)缸壓，還是監(jiān)測(cè)排氣溫度等，甚至基于多參數(shù)信息融合的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)評(píng)估，各參數(shù)的評(píng)估都必須在同轉(zhuǎn)速的情況下進(jìn)行[1]。近年來(lái)，用于監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的傳感技術(shù)已趨成熟，霍爾效應(yīng)測(cè)速法、激光傳感器測(cè)速、光電碼盤(pán)測(cè)速法、表面位移測(cè)量等均能取得良好的測(cè)試結(jié)果[2，3]，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的精確測(cè)量。但在一些老舊裝備上，由于設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮測(cè)速需求，要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行不解體安裝速度傳感器非常困難。

為解決老舊裝甲車(chē)難于測(cè)速的問(wèn)題，本論文提出從發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋振動(dòng)信號(hào)中提取噴油器針閥落座信號(hào)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。

氣缸蓋振動(dòng)信號(hào)識(shí)別本論文選用某型裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該發(fā)動(dòng)機(jī)為V型6缸水冷式發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速2200r/min，起動(dòng)轉(zhuǎn)速在800r/min左右。

測(cè)點(diǎn)位置選擇如圖1所示左一缸氣缸蓋下方一表面平坦處，該測(cè)點(diǎn)距離噴油器針閥較近，且傳感器安裝方向與活塞運(yùn)行方向平行，此方向與噴油器針閥落座激勵(lì)的方向基本一致，且該測(cè)點(diǎn)距離噴油器針閥位置較近，能最大程度上測(cè)取到發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸噴油器針閥落座信號(hào)。采樣頻率設(shè)置為100k。

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，眾多激勵(lì)源均能引起氣缸蓋振動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋振動(dòng)信號(hào)蘊(yùn)含了豐富的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)信息。仔細(xì)觀察發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋振動(dòng)信號(hào)波形，可以觀察到其大致呈準(zhǔn)周期性，有幾個(gè)激勵(lì)總是周期性地出現(xiàn)在波形中，結(jié)合史玉鵬的發(fā)動(dòng)機(jī)工作機(jī)理分析[4]可以知道，信號(hào)中幾個(gè)引起突變的激勵(lì)包括氣缸爆發(fā)、噴油器針閥落座、進(jìn)排氣門(mén)開(kāi)閉等，而由于噴油器針閥需要將柴油高壓快速地噴射進(jìn)氣缸實(shí)現(xiàn)柴油的良好霧化，所以噴油器針閥始終處于在極高壓的工作狀態(tài)，噴油器針閥落座響應(yīng)也成為這幾個(gè)激勵(lì)中尤其明顯的一個(gè)。

截取一段該發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋振動(dòng)信號(hào)如圖1所示，圖中C1，C2，C3以及O點(diǎn)均為測(cè)點(diǎn)所在缸（本文中為左1缸）噴油器針閥落座激勵(lì)，而A1、A2、A3和B1、B2、B3分別為同側(cè)遠(yuǎn)缸（本文中為左3缸）和鄰缸（本文中為左2缸）噴油器針閥落座激勵(lì)。通過(guò)圖2可以看出，在一段氣缸蓋振動(dòng)信號(hào)中搜索定位噴油器針閥落座激勵(lì)是比較容易的，同時(shí)，也可以分析出從O→C1，C1→C2，C2→C3各為一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)周期，而每一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)周期代表發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)兩圈。由此得出結(jié)論，通過(guò)識(shí)別噴油器針閥落座信號(hào)可以推算出發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。

1 實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的求取

1.1 穩(wěn)態(tài)工況下實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速求取

根據(jù)上文分析，由于噴油器針閥落座激勵(lì)明顯強(qiáng)于其他激勵(lì)的性質(zhì)，且正常情況下一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)周期只有一次噴油器針閥落座信號(hào)，所以本文以相鄰兩次噴油器針閥落座信號(hào)作為一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)周期的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，通過(guò)不斷搜索定位本缸（本文中指左1缸）的噴油器針閥落座信號(hào)在時(shí)域中的位置推算出一個(gè)周期的時(shí)間長(zhǎng)度，從而計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。具體算法流程如圖3所示：

選取一段裝甲車(chē)輛停止間發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在800r/min左右的氣缸蓋振動(dòng)信號(hào)驗(yàn)證算法的正確性，計(jì)算結(jié)果如圖4所示，計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在800r/min左右，符合實(shí)際情況，基本可以確定計(jì)算結(jié)果的正確性。

1.2 算法的優(yōu)化

圖2中所提出的算法雖然在穩(wěn)態(tài)工況下較好的計(jì)算出了發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，但在實(shí)際工作狀態(tài)下往往難以保證計(jì)算結(jié)果的正確性，原因有如下幾點(diǎn)：（1）對(duì)處于變速情況下的發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算其實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速；（2）非穩(wěn)態(tài)工況導(dǎo)致信號(hào)變化，如圖5所示為發(fā)動(dòng)機(jī)處于從1000r/min向1200r/min加速的過(guò)程中，藍(lán)色圖形為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)，圖中紅線為本缸噴油器針閥落座信號(hào)所處的位置，從圖中可以看到由于非平穩(wěn)狀態(tài)導(dǎo)致A、B、C三個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)了鄰缸噴油器針閥落座的信號(hào)強(qiáng)度大于本缸噴油器針閥落座響應(yīng)信號(hào)的現(xiàn)象；（3）發(fā)動(dòng)機(jī)二次噴油，在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用過(guò)程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)二次噴油導(dǎo)致在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)兩次噴油器針閥落座信號(hào)。針對(duì)這兩種情況，如果不對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化，將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差。

為解決上述問(wèn)題，在仔細(xì)分析發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用規(guī)律后，本文提出縮小周期結(jié)束點(diǎn)尋址范圍的方法，從而有效避免上述錯(cuò)誤信號(hào)被判定為周期結(jié)束點(diǎn)的情況發(fā)生。

發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過(guò)程中，其轉(zhuǎn)速變化是需要一定時(shí)間的，并不會(huì)從0瞬間加速到最大速度。在加速過(guò)程中，相鄰兩周期的時(shí)間長(zhǎng)之比必然不會(huì)超過(guò)某個(gè)固定的取值范圍。該取值范圍于發(fā)動(dòng)機(jī)急加速特性有關(guān)，急加速時(shí)間長(zhǎng)，該取值范圍小，反之則大，減速過(guò)程同理。而在振動(dòng)信號(hào)分析中，確定了相鄰兩周期的時(shí)間長(zhǎng)之比的取值范圍則可以在已知上一周期時(shí)間長(zhǎng)的情況下確定后一周期結(jié)束點(diǎn)的尋址范圍。

為確定相鄰兩周期的時(shí)間長(zhǎng)之比的取值范圍，本文測(cè)取了多組該型發(fā)動(dòng)機(jī)急加速急減速過(guò)程中的振動(dòng)信號(hào)，并選取其中加速時(shí)間最短的一組作為分析依據(jù)。在充分分析該組數(shù)據(jù)加速過(guò)程中每?jī)蓚€(gè)相鄰周期時(shí)間長(zhǎng)之比后，發(fā)現(xiàn)其取值范圍為（0.87，1.13）。雖然這已經(jīng)是急加速時(shí)的取值范圍，可以認(rèn)為該范圍已經(jīng)是周期結(jié)束點(diǎn)的取值最大范圍，但為保證實(shí)驗(yàn)中若出現(xiàn)意外點(diǎn)時(shí)該算法仍然能夠?qū)⑵湔业剑趦?yōu)化算法中將此范圍稍擴(kuò)大，可以認(rèn)為：第i個(gè)周期結(jié)束點(diǎn)的尋址范圍必然在（ti-1+0.85*Ti-1，ti-1+1.15*Ti-1）。

經(jīng)改進(jìn)后的算法如圖6所示。