，，

(1．海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033;2．海軍駐興平地區(qū)軍事代表室 西安 710000)

通過(guò)分析柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)度的變化從而測(cè)出氣缸對(duì)總發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的貢獻(xiàn)的不一致，整個(gè)過(guò)程可分4步進(jìn)行： 樣本識(shí)別，統(tǒng)計(jì)學(xué)評(píng)估，參數(shù)范圍選擇和最后的歸納總結(jié)。

樣本識(shí)別模型需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這需要在已知故障原因的發(fā)動(dòng)機(jī)上，通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載獲得。這些參考模型將作為基準(zhǔn)與所測(cè)波形進(jìn)行比較。 統(tǒng)計(jì)評(píng)估模型建立在由轉(zhuǎn)速波動(dòng)帶來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行粗暴參數(shù)之上的[1-2]。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，所有影響發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的因素呈現(xiàn)周期性變化，這時(shí)候曲軸的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)完全能夠由線性微分方程組準(zhǔn)確描述出來(lái)。 如果能夠得到柴油機(jī)曲軸的準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模型，預(yù)測(cè)結(jié)果將和實(shí)際測(cè)量更加接近。 所有這些方法需通過(guò)大量計(jì)算從而發(fā)現(xiàn)并且確定故障氣缸。

1 曲軸的動(dòng)力學(xué)模型

應(yīng)用多體扭轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)模型可以更貼切地描述曲軸的轉(zhuǎn)角與每個(gè)氣缸氣壓力矩之間的關(guān)系[3]。 這個(gè)模型是基于所測(cè)得的轉(zhuǎn)速變化，預(yù)測(cè)和控制扭轉(zhuǎn)的振動(dòng)，以及研究曲軸轉(zhuǎn)速變化主諧波幅度和發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效指示壓力之間的關(guān)聯(lián)性從而發(fā)現(xiàn)單缸工況間的差別。

各缸的氣壓力矩和往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性矩主要與作用在曲軸上的外力矩平衡。 在穩(wěn)定運(yùn)行情況下，認(rèn)為所有氣缸往復(fù)慣性矩的變化一致并隨發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火次序在曲軸上移動(dòng)。缸與缸之間的氣壓力矩可能不同，但在穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，對(duì)于單缸每循環(huán)的氣壓力矩幾乎不變。這種情況下，單缸轉(zhuǎn)矩是時(shí)間或轉(zhuǎn)角的周期函數(shù)，可以用傅里葉級(jí)數(shù)表示。對(duì)于四沖程柴油機(jī)，描述氣壓力矩需采用24諧波分量。

作用在曲軸上的總力矩為各缸力矩之和。這種關(guān)系還可從諧波分量的關(guān)系看出來(lái)，當(dāng)所有諧波分量幅度增加時(shí)，總的轉(zhuǎn)矩也在增加。 曲軸的動(dòng)態(tài)響應(yīng)源于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)力矩的每諧波分量的反應(yīng)重疊。

圖1和圖2標(biāo)出了4缸和6缸的四沖程柴油機(jī)典型周期角度圖，氣壓力矩諧波分量均取較低的值。 如果全部氣缸做功相同，在組合力矩頻譜范圍之內(nèi)主頻率組合依然存在。事實(shí)上，所有氣缸的運(yùn)行并非完全一致，在氣壓力矩主諧波中存在非主諧波的影響。

圖2 四沖程，6缸柴油機(jī)典型相位圖及相應(yīng)低諧波參數(shù)圖

2 實(shí)驗(yàn)

分別在4缸機(jī)DDC50和6缸機(jī)康明斯6CAT8.3這2臺(tái)四沖程直噴柴油機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)以恒定的轉(zhuǎn)速度和不同的負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，幾種運(yùn)行不一致已經(jīng)被模擬。 為了模擬一個(gè)不良的氣缸， 將相應(yīng)連接噴油泵和高壓燃油管的螺母松動(dòng)，造成該缸的供油泄漏?？刂七@條高壓的燃油管的松緊程度，可將注入到氣缸的燃油量逐漸從額定值降到零， 從而模擬該缸運(yùn)行由全負(fù)荷到完全的不發(fā)火。

壓電型壓力轉(zhuǎn)換器基斯特勒6123通過(guò)電荷放大器基斯特勒5010在全部氣缸里測(cè)量壓力。使用一臺(tái)擁有360分度高精密空心的光電轉(zhuǎn)速傳感器PEI-5 VL-670 HAZ 10確定曲軸轉(zhuǎn)速變化。中空的編碼器被安裝在飛輪上。 一臺(tái)絕對(duì)壓力轉(zhuǎn)換器PX176-025 A5V用來(lái)測(cè)量曲軸箱壓力， 內(nèi)部時(shí)鐘頻率10 MHz的24通道數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(DSP 技術(shù))記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

記錄每個(gè)氣缸的平均有效壓力(IMEP)，所測(cè)速度轉(zhuǎn)化為離散傅里葉變換(DFT)來(lái)確定它諧波分量的幅度和周期。

3 合成氣壓力矩的諧波結(jié)構(gòu)

從每缸的壓力變化算得組合壓力矩，對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換獲得波譜。當(dāng)全部氣缸工作一致時(shí)， 總氣壓力矩波譜以主波譜為主。不論4缸機(jī)還是6缸機(jī)都是如此。

圖3顯示的是當(dāng)所有缸工作一致時(shí)，4缸機(jī)合氣壓力矩。 合氣壓力矩的諧波部分基本上是4缸機(jī)的主諧波(主諧波指的是k為氣缸數(shù)一半的倍數(shù)，這里是k=2,4,6, 8, 10, 12 的情況)。 缸與缸間小的差別導(dǎo)致的非主諧波的影響微不足道。非主要諧波(k=1)的最大振幅只有第2諧波(k=2)的1%。

圖3 4缸機(jī)在720 r/min時(shí)組合氣壓力矩的頻譜范圍

當(dāng)各缸的合氣壓力矩一致時(shí)，6缸機(jī)也存在同樣的情況。相反，當(dāng)抑制某缸燃油噴射而引起較大不一致時(shí)，較低的非主要頻譜將在合力矩頻譜中占有很大的比重。由圖4分析可知，不管氣缸工作一致或不一致，起主導(dǎo)作用的部分是第3波譜，也是該機(jī)的第一主頻譜。同時(shí)，第3波譜幅值影響到2種工況下的平均發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的差別。

圖4b)顯示出了氣缸運(yùn)行在兩類不規(guī)則情況下且發(fā)動(dòng)機(jī)有相同的平均轉(zhuǎn)矩時(shí)的氣壓合力矩頻譜。對(duì)圖4b)的分析顯示，在平均轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)力相同的情況下，盡管柴油機(jī)在不同的氣缸負(fù)荷下工作，主轉(zhuǎn)矩的諧波幅值基本一致。在圖4b)所示的2種情況下，各缸做功不一致，使較低諧波部分(k=1/2，k=1)幅值影響了不一致的程度。

a) 各缸工作一致，第5缸斷油

b) 第2缸減少供油，第5缸斷油圖4 6缸機(jī)1 200 r/min時(shí)組合氣壓力矩頻譜

4 估計(jì)平均氣壓轉(zhuǎn)矩

如果最低的主要系數(shù)有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離于第一個(gè)自然頻率，在曲軸轉(zhuǎn)速波譜里找到其振幅，它將與對(duì)應(yīng)的組合氣壓轉(zhuǎn)矩波譜振幅成正比。這種關(guān)系可以用來(lái)確定在發(fā)動(dòng)機(jī)的第一個(gè)主系數(shù)與IMEP或者氣壓力矩之間的定量關(guān)系。第一個(gè)主系數(shù)是對(duì)測(cè)得的轉(zhuǎn)速進(jìn)行傅里葉變換得到的。

圖4a)考慮了2種情況，圖5a)顯示了同樣兩種情況下測(cè)得的速度頻譜。兩種情況里曲軸轉(zhuǎn)速和氣壓轉(zhuǎn)矩譜之間的關(guān)系都非常接近。主要的差別發(fā)生在系數(shù)k=7.5和k=8.0的時(shí)侯。在轉(zhuǎn)速譜里效果明顯，而在氣壓轉(zhuǎn)矩譜里卻一點(diǎn)都看不出來(lái)。原因在于發(fā)動(dòng)機(jī)在1 200 r/min 運(yùn)行時(shí)，曲軸在第8諧波頻率運(yùn)行時(shí)接近其共振頻率。這種情況表明有必要選擇一個(gè)較低的主系數(shù)。

即使氣缸的做功各不相同，主軸轉(zhuǎn)速譜最低諧波振幅總是反應(yīng)出IMEP值。在相同轉(zhuǎn)速(1 200 r/min)和負(fù)載(IMEP=0.604 MPa)情況下，通過(guò)比較2種不同情況下的幅值(見(jiàn)圖5)可以對(duì)以上情況得到進(jìn)一步驗(yàn)證。

a) 各缸工作一致，第5缸斷油

b) 第2缸減少供油第5缸斷油圖5 6缸機(jī)1 200 r/min時(shí)曲軸轉(zhuǎn)速的頻譜圖

基于這個(gè)特性，實(shí)驗(yàn)用6缸機(jī)在1 200 r/min轉(zhuǎn)速下加以不同載荷，并且都同時(shí)讓氣缸在一致和不一致2種情況下運(yùn)行，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 平均氣壓力矩和所測(cè)速度第3諧波系數(shù)間的關(guān)系圖

由圖6可知，對(duì)于給定發(fā)動(dòng)機(jī)速度，平均氣壓力矩與曲軸轉(zhuǎn)速之間的第3 項(xiàng)諧波對(duì)應(yīng)幅值成完全線性關(guān)系。 從其他發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速中也可得到相似的線關(guān)系，從而可以繪制出一張平均氣壓力矩與轉(zhuǎn)速之間的第3諧波對(duì)應(yīng)幅值關(guān)系圖。

5 建立檢測(cè)系統(tǒng)

當(dāng)各氣缸對(duì)整個(gè)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩是一致的時(shí)候，前3個(gè)諧波系數(shù)(k=1/2,k=1,k=3/2)在整個(gè)氣壓轉(zhuǎn)矩頻率譜中只占很小的一部(如圖3,4),自然,在曲軸轉(zhuǎn)速頻率譜中存在同樣的情況。反之,如果一個(gè)氣缸相對(duì)其他缸工作在較小負(fù)載下,前3個(gè)頻率譜系數(shù)在氣壓頻率譜種占有較大比重，決定著曲軸轉(zhuǎn)速頻譜中相應(yīng)幅值較大的部分。

如果將氣缸均勻工作下的曲軸轉(zhuǎn)速頻譜與有一個(gè)缸故障時(shí)的頻譜作比較會(huì)發(fā)現(xiàn)主要差別來(lái)自于前3個(gè)諧波對(duì)應(yīng)幅值。 氣缸均勻工作，這些幅度就被限制在一定范圍之內(nèi)。 一旦某個(gè)氣缸的做功降低，前3 諧波系列的幅值開(kāi)始增加。 這些幅度可以用來(lái)確定一個(gè)氣缸轉(zhuǎn)矩相對(duì)總轉(zhuǎn)矩輸出降低的程度，見(jiàn)圖5。當(dāng)?shù)?缸斷油時(shí)，k=1/2的幅值幾乎與k=3處幅值相同； 當(dāng)一個(gè)氣缸力矩輸出相對(duì)其他缸被降低了35%，k=1/2的諧波幅值只有大約第一主諧波幅值的1/2， 發(fā)動(dòng)機(jī)的總氣壓力矩輸出不變。 由此可以建立起一種衡量機(jī)器故障的尺度。

分析最低的3相諧波就可以對(duì)不良?xì)飧走M(jìn)行鑒別。

詳細(xì)情況見(jiàn)圖7。

圖7 由曲軸轉(zhuǎn)速最低的3個(gè)諧波相位判斷故障氣缸

圖7中最上的圖顯示的是5號(hào)缸斷油其他缸依次發(fā)火的壓力圖，其下對(duì)應(yīng)的是通過(guò)測(cè)得的幅值和相位數(shù)據(jù)描繪的前3諧波曲線，對(duì)應(yīng)著所測(cè)速度的最低的3個(gè)系數(shù)k=1/2,1,3/2。 可以看到，所有3個(gè)曲線中只有5號(hào)缸的膨脹沖程對(duì)應(yīng)的斜率全部為負(fù)值。右側(cè)是這些諧波的相位圖，圖上還描述了相應(yīng)所測(cè)速度諧波矢量。 可看到，在考慮的3個(gè)系數(shù)中，矢量總是指向負(fù)荷較低的那一組氣缸。在做功較低的那一組氣缸中連續(xù)3次出現(xiàn)的那個(gè)氣缸就是故障氣缸。

基于這些試驗(yàn)結(jié)果，就可形成一個(gè)系統(tǒng)的規(guī)則：

1) 根據(jù)發(fā)火次序繪制前3諧波的角度相位圖(由k=1/2開(kāi)始)，起始點(diǎn)在上止點(diǎn)，發(fā)火角度由0°開(kāi)始。

2) 在這些相位角度圖上，以余弦值為豎直分量，正弦值的負(fù)數(shù)為水平分量作所測(cè)速度的矢量。見(jiàn)圖7。

3) 矢量所指氣缸是做功較少的氣缸，并做“-”的標(biāo)記。 如果有氣缸在3個(gè)諧波中都被做了“-”的標(biāo)記，就可確認(rèn)這些就是做功較少的氣缸。

4) 當(dāng)某缸做功比其他缸小15%，系統(tǒng)就能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)。

6 結(jié)論

1) 在恒定負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行情況下，所測(cè)曲軸轉(zhuǎn)速的傅里葉變換顯示，最低諧波部分的幅值幾無(wú)變化，在各缸做功輸出一樣或不一樣時(shí)都是如此。在給定轉(zhuǎn)速的情況下，最低諧波分量的幅值通常與氣壓轉(zhuǎn)矩或平均指示有效壓力有關(guān)。這種關(guān)系可以以圖表的形式儲(chǔ)存在發(fā)動(dòng)機(jī)控制芯片里，聯(lián)機(jī)確定發(fā)動(dòng)機(jī)的氣壓轉(zhuǎn)矩或平均指示有效壓力。

2) 所測(cè)諧波最低分量(k=1/2或k=1)幅值可用來(lái)量度氣缸做功粗暴程度。

3) 這種規(guī)則系統(tǒng)是基于所測(cè)速度的最低3個(gè)諧波相位(k=1/2,k=1或k=3/2)，可以確認(rèn)故障工作缸。

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[2] 楊 華，白雷石.用模糊式識(shí)別法診斷柴油機(jī)燃油系統(tǒng)故障[J].柴油機(jī)，2002(5)：10-16.

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