朱仲文，謝 輝

(天津大學(xué)，內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

前言

內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向是全壽命周期的清潔高效燃燒。然而，不同產(chǎn)地以及煉油工藝生產(chǎn)的柴油組分常常發(fā)生改變，導(dǎo)致柴油物化特性(如十六烷值)發(fā)生變化。受能源危機(jī)的影響，各種替代燃料研究得到了迅速發(fā)展，并逐漸應(yīng)用于實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)上。燃油系統(tǒng)的執(zhí)行器(如噴油器)在使用過(guò)程中，隨著使用時(shí)間的增加其關(guān)鍵性能參數(shù)(如流量特性)也會(huì)發(fā)生變化。燃燒系統(tǒng)本身在不同的環(huán)境參數(shù)下(如空氣濕度的影響)和使用時(shí)間的變化引起的性能參數(shù)變化(如缸內(nèi)積碳引起的壓縮比變化)也會(huì)對(duì)缸內(nèi)實(shí)際燃燒過(guò)程產(chǎn)生影響。上述影響因素，使缸內(nèi)燃燒狀態(tài)偏離預(yù)期值，導(dǎo)致燃燒惡化，經(jīng)濟(jì)性下降和排放增加。

面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)格的排放法規(guī)和經(jīng)濟(jì)性要求，柴油機(jī)燃燒過(guò)程傳統(tǒng)的開環(huán)控制模式已越來(lái)越難以滿足要求。文獻(xiàn)［1］的研究表明，不同燃燒持續(xù)期和CA50位置可使柴油機(jī)的指示熱效率在33.30%～49.03%之間波動(dòng)。文獻(xiàn)［2］的研究成果表明，燃料特性的變化會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)燃燒相位的改變，進(jìn)而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性和排放偏離預(yù)期值。

高壓共軌柴油機(jī)ECU通過(guò)控制燃油噴射時(shí)刻來(lái)間接控制燃燒始點(diǎn)，其中間過(guò)程包含噴油器的電磁延時(shí)、液力延時(shí)、機(jī)械延時(shí)和燃油進(jìn)入缸內(nèi)后的滯燃期。滯燃期的長(zhǎng)短又與缸內(nèi)的溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)分布和油品的物理化學(xué)屬性相關(guān)，這些因素共同決定了燃燒實(shí)際發(fā)生的時(shí)刻。實(shí)際燃燒著火時(shí)刻的變化會(huì)影響到燃燒持續(xù)期和CA50的位置，進(jìn)而對(duì)經(jīng)濟(jì)性和排放性能產(chǎn)生很大的影響。

柴油機(jī)燃燒始點(diǎn)觀測(cè)和閉環(huán)反饋控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)的缸內(nèi)燃燒始點(diǎn)觀測(cè)是基于缸壓信號(hào)的分析得到［3］。然而缸壓傳感器固有的價(jià)格昂貴、使用壽命短和安裝困難的缺點(diǎn)制約了該方法的推廣使用［4］。

對(duì)于目前廣泛應(yīng)用的缸內(nèi)直噴式柴油機(jī)，其燃燒噪聲的能量占噪聲總能量的50%以上［5－6］，包含了豐富的缸內(nèi)燃燒過(guò)程信息。本文中通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采集的高壓共軌柴油機(jī)聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻聯(lián)合分析，研究柴油機(jī)聲學(xué)信號(hào)與缸內(nèi)燃燒始點(diǎn)之間的關(guān)系。通過(guò)在聲學(xué)信號(hào)定義特征量，建立可用于實(shí)際控制器的基于聲學(xué)信號(hào)的高壓共軌柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒始點(diǎn)觀測(cè)模型。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

研究工作在一臺(tái)裝備高壓共軌燃油系統(tǒng)的排量6.5L立式直列水冷四沖程六缸柴油機(jī)上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的系統(tǒng)示意如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

將原機(jī)的6號(hào)缸選為聲學(xué)信號(hào)實(shí)驗(yàn)缸，加裝了缸壓傳感器，并在缸蓋上方8cm處加裝一頻響范圍為0.02～20kHz的駐極體傳聲器，傳聲器的主要參數(shù)如表2所示。有研究表明，內(nèi)燃機(jī)缸蓋正上方是燃燒噪聲信號(hào)信噪比最佳的測(cè)量點(diǎn)［7－10］。本文中傳聲器所處的位置靠近聲源，基本是直達(dá)聲場(chǎng)，反射聲對(duì)采集信號(hào)的影響較弱。

表2 傳聲器參數(shù)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)記錄采用多通道記錄式示波器連續(xù)記錄實(shí)驗(yàn)缸聲學(xué)信號(hào)、缸壓信號(hào)以及發(fā)動(dòng)機(jī)角標(biāo)信號(hào)和同步信號(hào)。

本文中研究的是面向發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際控制需求基于聲學(xué)信號(hào)的高壓共軌柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒始點(diǎn)觀測(cè)方法，故聲學(xué)數(shù)據(jù)在普通動(dòng)力間實(shí)驗(yàn)環(huán)境下采集，實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，1～5號(hào)非實(shí)驗(yàn)缸由原機(jī)電控系統(tǒng)控制，工作在小負(fù)荷狀態(tài)，共發(fā)出50N·m的轉(zhuǎn)矩，用于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持。實(shí)驗(yàn)缸工作在不同負(fù)荷和控制參數(shù)下，用于研究不同負(fù)荷和控制參數(shù)下聲學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)。

為了突破原機(jī)電控系統(tǒng)限制，在實(shí)驗(yàn)缸靈活采集分析不同工況和控制參數(shù)下的聲學(xué)信號(hào)，為實(shí)驗(yàn)缸加裝了一套獨(dú)立的燃油系統(tǒng)和進(jìn)排氣系統(tǒng)，并開發(fā)了控制器和上位機(jī)監(jiān)控標(biāo)定軟件。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控標(biāo)定軟件設(shè)定實(shí)驗(yàn)缸的軌壓、噴油量和噴油提前角等參數(shù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控轉(zhuǎn)速和實(shí)驗(yàn)缸軌壓等參數(shù)。開發(fā)的ECU和上位機(jī)監(jiān)控標(biāo)定軟件界面如圖3所示。

2 聲學(xué)信號(hào)特征分析

柴油機(jī)聲學(xué)信號(hào)是多個(gè)聲源構(gòu)成的復(fù)雜噪聲信號(hào)，相對(duì)缸壓信號(hào)是一種低信噪比的缸內(nèi)燃燒過(guò)程間接觀測(cè)信號(hào)，需要通過(guò)現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)來(lái)提高原始信號(hào)的信噪比。

采用小波變換方法對(duì)未燃燒階段和燃燒階段的聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻聯(lián)合分析，探尋燃燒始點(diǎn)時(shí)刻聲學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)。

對(duì)任意函數(shù) f(t)∈L2(R)，其對(duì)小波函數(shù)ψa，b(t)的連續(xù)小波變換為

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果［8，11］，選擇 Complex Morlet小波作為小波基函數(shù)，其定義如下:

式中:fb為帶寬參數(shù);fc為中心頻率參數(shù)。Complex Morlet小波在MATLAB調(diào)用時(shí)的命名規(guī)則是cmor(fb－fc)。本文中采用cmor(3－5)作為小波變換的基函數(shù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速1 000r/min、噴油提前角11°CA和噴油量65mg時(shí)某一循環(huán)的缸壓信號(hào)和聲學(xué)信號(hào)時(shí)域波形見圖4，聲學(xué)信號(hào)小波變換后得到的時(shí)頻圖見圖5。

由缸壓信號(hào)的分析可知，缸內(nèi)的燃燒始點(diǎn)發(fā)生在上止點(diǎn)前4°CA。由圖5可見，在上止點(diǎn)附近4～6kHz頻段聲學(xué)信號(hào)能量突然增加。缸內(nèi)壓力信號(hào)作為聲學(xué)信號(hào)的初始激勵(lì)源，缸蓋和缸體構(gòu)成的振動(dòng)系統(tǒng)會(huì)有起振延遲并且聲音信號(hào)從缸蓋經(jīng)8cm的空氣間隙傳播到傳聲器處需要時(shí)間。所以4～6kHz頻段聲學(xué)信號(hào)在上止點(diǎn)附近的突增有可能反映缸內(nèi)著火燃燒時(shí)刻。

從機(jī)理角度分析，缸內(nèi)柴油壓燃為滯燃期形成的可燃混合氣瞬間多點(diǎn)同時(shí)著火過(guò)程。這一行為具有爆炸性特點(diǎn)，導(dǎo)致放熱速度和加速度過(guò)大，缸內(nèi)壓力升高速度和加速度過(guò)大，氣體容積來(lái)不及正常膨脹和傳遞壓力，從而激發(fā)了壓力沖擊波，并在缸內(nèi)迅速傳播、反射、反復(fù)疊加，形成高頻壓力振蕩［12］，并作為聲學(xué)信號(hào)的激勵(lì)源在聲學(xué)信號(hào)對(duì)應(yīng)頻段有所反映。從這一過(guò)程看，缸內(nèi)壓力的高頻振蕩只會(huì)開始于滯燃期結(jié)束后的著火瞬間［13］。所以，利用聲學(xué)信號(hào)的高頻段(4～6kHz頻段)去觀測(cè)反饋燃燒開始時(shí)刻是一種可行的技術(shù)方案。

研究了不同工況(工況分布見圖6)、同一工況下不同控制參數(shù)(控制參數(shù)分布見圖7)的高壓共軌柴油機(jī)實(shí)際工作循環(huán)聲學(xué)信號(hào)。對(duì)采集到的原始信號(hào)進(jìn)行連續(xù)小波變換在時(shí)頻域?qū)β晫W(xué)信號(hào)的頻譜特征進(jìn)行分析，均表明缸內(nèi)燃燒事件開始后會(huì)導(dǎo)致4～6kHz頻段聲學(xué)信號(hào)能量的突增。

3 未燃燒階段聲學(xué)信號(hào)高斯噪聲模型

高斯分布又稱為正態(tài)分布，是一種在很多場(chǎng)合都能遇到的概率密度分布，在統(tǒng)計(jì)學(xué)的許多方面有著重要的應(yīng)用。高斯噪聲是指噪聲信號(hào)瞬時(shí)幅值的概率密度函數(shù)服從高斯分布的一種隨機(jī)信號(hào)模型。在任意瞬時(shí)采樣高斯噪聲的N個(gè)值，這N個(gè)值的大小服從高斯分布，它的概率密度函數(shù)如下:

采用的噴油器噴射延時(shí)經(jīng)油泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試在軌壓100MPa時(shí)約為0.4ms，對(duì)應(yīng)于800r/min時(shí)曲軸轉(zhuǎn)角為2°，2 000r/min時(shí)曲軸轉(zhuǎn)角約為5°。缸蓋到傳聲器的距離為8cm，以空氣中聲速340m/s計(jì)算，聲學(xué)信號(hào)傳播需要的時(shí)間為 0.24ms，對(duì)應(yīng)于800r/min時(shí)曲軸轉(zhuǎn)角為1°，2 000r/min曲軸轉(zhuǎn)角約為3°。故在各轉(zhuǎn)速下噴油提前角3°CA傳聲器感知的肯定仍是未燃燒階段聲學(xué)信號(hào)，由該點(diǎn)向前推15°CA為未燃燒階段聲學(xué)信號(hào)研究樣本的始點(diǎn)(采樣周期為0.1°CA，研究樣本為150個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn))。

未燃燒階段聲學(xué)信號(hào)原始采樣波形和4～6kHz頻段帶通濾波后波形如圖8所示。

帶通濾波后的聲學(xué)信號(hào)消除了原始信號(hào)的幅值突變，其波形更加接近于真正意義上的正弦函數(shù)。4～6kHz濾波后的未燃燒階段聲學(xué)信號(hào)瞬時(shí)采樣值直方圖如圖9所示，其平均值μ=－0.000 6，方差σ=0.057。

高斯性檢驗(yàn)分為圖示法和計(jì)算法兩大類。圖示法主要采用概率圖(probability-probability plot，P-P圖)和分位數(shù)圖(quantile-quantile plot，Q-Q圖)。其中，P-P圖以樣本的累積頻率作為橫坐標(biāo)，以按照正態(tài)分布擬合計(jì)算的相應(yīng)累積頻率期望值作為縱坐標(biāo)。如果樣本服從正態(tài)分布，則數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)在直角坐標(biāo)系的對(duì)角線。Q-Q圖則是以樣本的分位數(shù)作為橫坐標(biāo)，以按照正態(tài)分布擬合計(jì)算的分位數(shù)期望值為縱坐標(biāo)。如果樣本服從正態(tài)分布，則數(shù)據(jù)點(diǎn)同樣應(yīng)是直角坐標(biāo)系的對(duì)角線。將未燃燒階段4～6kHz頻段濾波后的聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行P-P圖和Q-Q圖分析如圖10所示。由圖可見，P-P圖和Q-Q圖數(shù)據(jù)點(diǎn)均分布在理想對(duì)角線附近。

高斯性檢測(cè)也可以通過(guò)計(jì)算法。計(jì)算法又分為兩類:一種是對(duì)偏度和峰度各用一個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)定;另一種是對(duì)偏度和峰度用一個(gè)綜合指標(biāo)來(lái)評(píng)定，如W檢驗(yàn)。

借助SPSS軟件對(duì)未燃燒階段聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算分析，得到偏度和峰度值分別為0.027和0.674。偏度和峰度的值均為0是真正意見上的高斯分布，實(shí)際樣本的偏度和峰度均非常接近于0，可以認(rèn)為是高斯分布。同樣，適合于小樣本容量高斯性分析的W檢驗(yàn)值為0.129，超過(guò)通常認(rèn)為的0.05臨界值，認(rèn)定樣本的分布特性符合高斯分布。并且未燃燒階段全頻段聲學(xué)信號(hào)的W檢驗(yàn)值為0.072小于0.129，可見4～6kHz的特征頻段帶通濾波后提高了實(shí)際信號(hào)的高斯性。

綜合以上高斯性分析，可以認(rèn)為4～6kHz頻段未燃燒階段聲學(xué)信號(hào)其瞬時(shí)幅值的分布服從高斯分布，可以用高斯噪聲模型處理。此時(shí)得到的3倍置信區(qū)間(99.7%概率)為［－0.171 6，0.170 4］，實(shí)際信號(hào)的150個(gè)采樣值也的確都在這個(gè)置信區(qū)間內(nèi)。

4 聲學(xué)信號(hào)特征量與燃燒始點(diǎn)相關(guān)性分析

由上節(jié)的分析可知，未燃燒階段4～6kHz頻段的聲學(xué)信號(hào)可以認(rèn)為是高斯噪聲，其瞬時(shí)幅值分布在［μ－3σ，μ+3σ］的99.7%置信區(qū)間內(nèi)。當(dāng)缸內(nèi)燃燒過(guò)程發(fā)生后，缸內(nèi)壓力急劇上升，并激發(fā)出缸內(nèi)壓力高頻振蕩，缸內(nèi)壓力高頻振蕩引起機(jī)體相應(yīng)頻段的振動(dòng)能量增強(qiáng)并產(chǎn)生明顯的聲學(xué)信號(hào)被傳聲器采集到。此時(shí)，聲學(xué)信號(hào)瞬時(shí)幅值的分布將不再服從未燃燒階段參數(shù)μ和σ定義的高斯分布，將4～6kHz聲學(xué)信號(hào)打破高斯分布置信區(qū)間的點(diǎn)作為聲學(xué)信號(hào)感知的燃燒始點(diǎn)記作特征量θ(為了防止偶然誤觸發(fā)，必須連續(xù)3個(gè)點(diǎn)打破置信區(qū)間邊界)，如圖11所示。

將聲學(xué)信號(hào)特征量θ與由缸壓信號(hào)計(jì)算放熱率獲得CA01時(shí)刻(燃料有1%的熱量被放出的時(shí)刻，表征燃燒始點(diǎn))進(jìn)行相關(guān)性分析。通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)循環(huán)的轉(zhuǎn)速、噴油提前角、負(fù)荷等工況參數(shù)和控制參數(shù)，比較多個(gè)循環(huán)下二者之間的相關(guān)性。

θ與CA01之間的相關(guān)性用線性相關(guān)系數(shù)量化表征。在部分轉(zhuǎn)速下，θ和CA01之間的關(guān)系如表3所示。

表3 各轉(zhuǎn)速下相關(guān)性系數(shù)

由表3可見，聲學(xué)信號(hào)特征量θ與缸壓信號(hào)計(jì)算得到的燃燒始點(diǎn)CA01具有很好的相關(guān)性，在常用轉(zhuǎn)速范圍其相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.95，可以將θ用作燃燒始點(diǎn)觀測(cè)。

5 基于聲學(xué)信號(hào)的高壓共軌柴油機(jī)燃燒始點(diǎn)觀測(cè)模型

聲學(xué)信號(hào)特征量θ與燃燒始點(diǎn)有著很好的相關(guān)性，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)燃燒始點(diǎn)與θ之間的延時(shí)有顯著影響。采用聲學(xué)信號(hào)特征量θ與轉(zhuǎn)速作為模型的輸入量，通過(guò)多項(xiàng)式回歸建模的數(shù)學(xué)方法，建立實(shí)際燃燒始點(diǎn)的觀測(cè)模型。模型的架構(gòu)如圖12所示。

在高壓共軌柴油機(jī)常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)(800～2 000r/min)，選取多個(gè)循環(huán)作為訓(xùn)練樣本，運(yùn)用最小二乘法求解回歸系數(shù)，得到CA01觀測(cè)器函數(shù)如下:

式中:n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

以上述樣本數(shù)據(jù)對(duì)CA01觀測(cè)器模型進(jìn)行回代分析，CA01觀測(cè)器模型的精度如圖13所示。

基于多項(xiàng)式回歸建模的CA01觀測(cè)器模型在訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)下均方根誤差為0.96°CA，其誤差分布近似服從μ=0，σ=0.96的正態(tài)分布，觀測(cè)器模型達(dá)到了較好的精度。

6 基于聲學(xué)信號(hào)的高壓共軌柴油機(jī)燃燒始點(diǎn)觀測(cè)模型驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該模型對(duì)燃燒始點(diǎn)的觀測(cè)能力，實(shí)驗(yàn)中將普通柴油更換為70%正庚烷+30%甲苯(體積比)的替代燃料，用以模擬油品的變化。以800～2 000r/min范圍內(nèi)70%正庚烷+30%甲苯作為燃料的多個(gè)循環(huán)作為測(cè)試樣本，評(píng)價(jià)CA01觀測(cè)器模型在油品發(fā)生變化后的觀測(cè)精度，結(jié)果如圖14所示。

當(dāng)油品發(fā)生變化后，基于模型得到CA01觀測(cè)值與實(shí)際值的均方根誤差為1.03°CA，誤差分布為±5°CA，落在±2°CA區(qū)間內(nèi)的概率為93.4%。表明該模型可以在不同的油品下觀測(cè)到實(shí)際燃燒始點(diǎn)。

圖15為轉(zhuǎn)速1 400r/min、循環(huán)噴油量35mg、噴油提前角－11°CA、軌壓100MPa的工況下，分別以柴油和70%正庚烷+30%甲苯作為燃料的CA01實(shí)際值和模型觀測(cè)值。在普通柴油循環(huán)，CA01的實(shí)際值約為－3.1°CA，CA01模型觀測(cè)值分布在 －2.4°CA ～ －3.4°CA，平均值為 －2.8°CA，均方根誤差為0.41°CA。替代燃料由于更長(zhǎng)的滯燃期，其實(shí)際著火時(shí)刻(CA01)從普通柴油的約－3.1°CA推遲到約－1.3°CA，推遲了約 1.8°CA。CA01 模型觀測(cè)值分布在 －1.9°CA ～0.2°CA，平均值為 －0.82°CA，均方根誤差為0.60°CA。以上數(shù)據(jù)表明，基于聲學(xué)信號(hào)的CA01觀測(cè)器模型能較好地辨識(shí)出由于油品變化導(dǎo)致的實(shí)際著火燃燒時(shí)刻推遲。

7 結(jié)論

(1)對(duì)采集的高壓共軌柴油機(jī)聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行基于小波變換的時(shí)頻聯(lián)合分析，表明4～6kHz頻段的聲學(xué)信號(hào)在燃燒始點(diǎn)前后能量變化明顯，該頻段聲學(xué)信號(hào)可用于燃燒始點(diǎn)觀測(cè)。

(2)將未燃燒階段4～6kHz頻段聲學(xué)信號(hào)抽象為數(shù)學(xué)上的高斯噪聲，將高斯界限打破的點(diǎn)定義為聲學(xué)信號(hào)感知的燃燒始點(diǎn)特征量。并將聲學(xué)信號(hào)燃燒始點(diǎn)特征量與實(shí)際燃燒始點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.9，表現(xiàn)出很好的相關(guān)性。

(3)以聲學(xué)信號(hào)特征量和轉(zhuǎn)速作為輸入，采用多項(xiàng)式回歸建模的方法建立基于聲學(xué)信號(hào)的燃燒始點(diǎn)觀測(cè)模型。

(4)測(cè)試結(jié)果表明，該模型對(duì)燃燒始點(diǎn)觀測(cè)的均方根誤差為1.03°CA，達(dá)到了較好的觀測(cè)精度，可為柴油機(jī)燃燒過(guò)程的閉環(huán)反饋控制提供依據(jù)。

［1］ 陳慧．重型柴油機(jī)燃燒過(guò)程優(yōu)化的仿真研究［D］．天津:天津大學(xué)，2011．

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