劉敏，李志寧，張英堂，范紅波，劉艷利

（1.軍械工程學院，石家莊050003；2.中國北方發(fā)動機研究所，天津300400）

基于瞬時轉速多特征融合的內燃機各缸工作狀態(tài)識別*

劉敏1，李志寧1，張英堂1，范紅波1，劉艷利2

（1.軍械工程學院，石家莊050003；2.中國北方發(fā)動機研究所，天津300400）

為分析內燃機瞬時轉速波動過程與各缸工作相位的對應關系，進而識別各缸工作狀態(tài)，提出了基于硬件計數(shù)原理的內燃機瞬時轉速精確測試方法，在某自行火炮發(fā)動機上測取了發(fā)動機正常工作、燃燒不良和失火工況下的瞬時轉速信號。對信號進行頻譜分析，并利用分頻帶濾波方法分離出電調信號和各缸做功沖擊信號，進而提出5個特征參數(shù)并計算各特征參數(shù)的相對偏差和偏差極性，最后根據(jù)不同特征參數(shù)的相對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。

內燃機，瞬時轉速，特征參數(shù)，相對偏差，偏差極性，狀態(tài)識別

0 引言

內燃機各缸工作相位內的瞬時轉速波動規(guī)律直接反映了內燃機各缸工作狀態(tài)，且轉速信號測取方便，在內燃機狀態(tài)識別和故障診斷領域得到了廣泛應用［1-3］。內燃機瞬時轉速的精確測試是識別其各缸工作狀態(tài)的基礎。目前，軟件計數(shù)法因其測試裝置簡單、精度較高的優(yōu)點，被廣泛用于4缸及其以下內燃機的瞬時轉速計算［4-5］。但是，對于大型軍用裝備中廣泛使用的6缸機、8缸機和12缸機，由于各缸做功沖程存在不同程度的交疊，軟件計數(shù)法無法準確跟蹤并識別與各缸工作相位相對應并反映各缸做功能力的轉速波動［6］。

1 瞬時轉速精確測試與分析

1.1 瞬時轉速精確測試系統(tǒng)

如圖1和圖2所示。

試驗用柴油機為某自行火炮用8V150ZAL-1型8缸4沖程電控柴油機，各缸發(fā)火順序為左1→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。磁電式轉速傳感器正對飛輪輪齒安裝，光電傳感器對準貼于飛輪輸出軸上的反光帶安裝，初始位置對應左1缸壓縮行程上止點。磁電式轉速傳感器輸出的正弦波經(jīng)過濾波和整形轉換為方波輸入脈沖計數(shù)電路，計數(shù)器記錄相鄰兩個脈沖之間的時間間隔ΔT，經(jīng)過MCU處理之后通過串口傳送到PC機。光電傳感器輸出信號經(jīng)過整形轉換為脈沖觸發(fā)信號，觸發(fā)計數(shù)電路開始計數(shù)，從而保證計數(shù)始點對應左1缸壓縮沖程上止點。

易知，計算出的瞬時轉速為等角度采樣信號，每個機器循環(huán)內的采樣點數(shù)相同且均為318，從而消除了等時間間隔采樣中瞬時轉速波動造成的采樣點數(shù)不均勻的問題。

1.2 瞬時轉速波形分析

試驗機正常怠速狀態(tài)（v=800 r/min）下的瞬時轉速波動曲線，如圖3所示。

電控柴油機的瞬時轉速由電控噴油系統(tǒng)和氣缸燃爆沖擊做功兩種機制共同調節(jié)［7］。由圖3（a）可知，在電控噴油系統(tǒng)調速作用下瞬時轉速在780 r/min～830 r/min之間有規(guī)律地均勻波動，其波動周期和強度反映了電控噴油系統(tǒng)對瞬時轉速的調節(jié)能力；圖3（b）為4個工作循環(huán)內的轉速波動細節(jié)，在每個工作循環(huán)內瞬時轉速都會出現(xiàn)8次周期性波動，依次對應柴油機各缸燃爆做功過程，其波動不均勻性反映了各缸做功能力的差異。

為對比說明本測試系統(tǒng)在瞬時轉速精確測試中的優(yōu)勢，設置如下對比試驗：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轉速信號和左1缸油壓信號。下頁圖4為利用拉格朗日插值法計算得到瞬時轉速信號。

由圖4可知，傳統(tǒng)的AD采樣與軟件計數(shù)相結合的方法無法識別電控噴油系統(tǒng)對瞬時轉速的調節(jié)作用，而且單工作循環(huán)內瞬時轉速只出現(xiàn)4次波動，無法分析各缸做功相位內的轉速波動規(guī)律。

分析結果表明，對于6缸及以上大功率柴油機，傳統(tǒng)的瞬時轉速計算方法無法識別各缸工作相位內的轉速波動，無法用于識別各缸工作狀態(tài)。而本文所提測試方法則能夠準確識別瞬時轉速電調分量和各缸做功沖擊分量，進而根據(jù)各缸工作相位內的轉速波動特征可以識別各缸工作狀態(tài)。

圖5為瞬時轉速信號幅頻譜。

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

根據(jù)以上公式計算得到柴油機正常怠速工況下的平均轉速和發(fā)火頻率分別為：=806.5473r/min，fh=53.769 8 Hz。分析圖5可知，瞬時轉速信號的實際發(fā)火頻率為53.49 Hz，與理論計算結果相符，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，對應電調分量；53.49 Hz以上的高頻成分為曲軸扭振、傳感器抖動等產(chǎn)生的高頻噪聲。

以26.74 Hz為截止頻率對瞬時轉速信號進行低通濾波，得到瞬時轉速信號的電調分量如圖6所示。

去除原信號中的電調分量后，以26.74 Hz與53.49 Hz為截止頻率對信號進行帶通濾波，得到柴油機各缸做功沖擊作用下的瞬時轉速波動曲線如圖7所示。

由圖7可以看出，由各缸做功沖擊引起的瞬時轉速波動幅度為±5 r/min，每個工作循環(huán)內的8個波峰按發(fā)火順序依次對應各缸燃爆做功過程。

2 異常狀態(tài)下轉速波形異變分析

試驗中設置如下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（嚴重故障）。試驗方法如圖8所示。

由圖9可知，當氣缸工作不良或斷油時瞬時轉速的電調分量波動幅度下降，周期縮短，這說明柴油機氣缸工作異常時，為糾正瞬時轉速的異常波動，電控噴油系統(tǒng)對瞬時轉速的調控頻率提高，調控能力增強，從而導致不同狀態(tài)下的電調波形在時頻域上表現(xiàn)出明顯的差異，據(jù)此可以識別柴油機不同工作狀態(tài)。

瞬時轉速的波動是缸內氣體壓力和活塞連桿機構往復慣性力相互平衡的結果［8］。由圖10可知，當右4缸噴油器霧化不良時，缸內氣體燃爆壓力下降，導致其做功沖程內的瞬時轉速上升幅度下降至正常狀態(tài)的50%左右，說明此缸做功能力已明顯不足，而在柴油機轉速調控機制的作用下，與其相鄰的左1缸和左3缸做功能力明顯增強，表現(xiàn)為做功能力超強的氣缸［1］。當左4缸斷油時，其失去做功能力，但是由于其壓縮過程儲能，當往復慣性力下降時瞬時轉速有小幅上升，繼而快速大幅度下降，說明此缸做功能力惡化，同時右2缸和右1缸表現(xiàn)為做功能力超強的氣缸。根據(jù)以上分析可知，當單缸發(fā)生故障時，故障缸及其相鄰缸工作相位內的轉速波動特征發(fā)生明顯變化，據(jù)此可以識別并定位狀態(tài)異常缸。

3 狀態(tài)特征指標的提取

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

①電調分量均方差σ，表征電控噴油系統(tǒng)對瞬時轉速的調節(jié)能力。

式中，N為采樣點數(shù)，vi為第i（i=1，2，…，N）個轉速值為平均轉速。

②各缸轉速相對升程βi，表征各缸做功能力的相對強弱。

④各缸瞬時轉速上升加速度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 試驗結果分析

為定量描述正常與故障狀態(tài)時的各特征參數(shù)的變化規(guī)律，根據(jù)各特征參數(shù)的定義計算得到3種工況下的特征參數(shù)，如下頁表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、輕微故障和嚴重故障時，σ的值依次減小，且差別很大，據(jù)此可以判別內燃機工作狀態(tài)及故障的嚴重程度；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)生最大負極性相對偏差，而其左右兩側缸的相應特征參數(shù)產(chǎn)生最大正極性相對偏差，但是由于故障較輕，此缸減速過程變化不大，且加減速過程中轉速波動依舊比較均勻，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）嚴重故障時，由于其做功失效及加減速過程中轉速波動嚴重不均勻，導致其特征參數(shù)5和α5,2產(chǎn)生最大正極性相對偏差，β5產(chǎn)生最大負極性相對偏差，α2,1亦產(chǎn)生較大負極性相對偏差，而其左右兩側缸的相應特征參數(shù)均產(chǎn)生極性相反的較大相對偏差。所以，可以判定嚴重故障缸為左4缸。由圖中可以看出，由于各缸工作不均勻性導致非故障缸的某些特征參數(shù)亦產(chǎn)生較大相對偏差，根據(jù)某單一特征參數(shù)的變化規(guī)律無法判別某缸的工作狀態(tài)，而通過多特征參數(shù)的融合分析便可以準確識別并定位故障缸。以上分析結果證明了多特征參數(shù)融合分析對于故障缸識別與定位的必要性和有效性。

5 結論

①提出了內燃機瞬時轉速精確測試方法，解決了傳統(tǒng)測試方法在6缸及其以上大功率內燃機瞬時轉速計算方面精度不足的問題，分離出電控柴油機瞬時轉速電調波動分量和各缸做功沖擊波動分量，分析了各缸做功相位內的瞬時轉速波動規(guī)律。

②將電調分量波動方差作為特征參數(shù)可以判別內燃機故障程度；通過綜合分析內燃機各缸工作相位內的各轉速波動特征的變化和分布規(guī)律可以進一步識別和定位狀態(tài)異常氣缸。試驗分析結果表明，根據(jù)本方法可以對內燃機各缸的異常工作狀態(tài)進行判別。

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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

國家自然科學基金資助項目（51305454）

劉敏（1990-），男，山東沂水人，博士。研究方向：測試技術與信號處理。