王建鋒，陳香香

(鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450121)

拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)優(yōu)化—基于CFD技術(shù)和自適應(yīng)振動(dòng)信號(hào)處理

王建鋒，陳香香

(鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450121)

為了提高拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，提高燃油的燃燒效率，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的，提出了一種采用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方法，并利用實(shí)驗(yàn)和仿真模擬兩種方法對(duì)其可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。為了采集得到拖拉機(jī)高壓共軌噴油系統(tǒng)在復(fù)雜多噪聲環(huán)境下的振動(dòng)信號(hào)，采用自適應(yīng)Kalman濾波方法對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行了濾波處理，通過(guò)采集信號(hào)和故障信號(hào)的對(duì)比，表明高壓共軌噴油系統(tǒng)工作狀態(tài)正常，從而驗(yàn)證了其可行性。利用CFD技術(shù)建立了高壓共軌噴油系統(tǒng)的流場(chǎng)模型，影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常燃油燃燒的主要因素是空穴，因此采用CFD數(shù)值仿真模擬的方法，通過(guò)參數(shù)調(diào)整模擬了多種工況下的噴油空間內(nèi)氣相和速度分布。仿真模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：空穴的發(fā)展主要跟長(zhǎng)細(xì)比有關(guān)，在不同噴孔直徑和長(zhǎng)度時(shí)，空穴的發(fā)展與長(zhǎng)細(xì)比成正比。因此，在設(shè)計(jì)拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌噴油系統(tǒng)時(shí)，需要選擇合適的長(zhǎng)細(xì)比，以保證空穴體積較低到最小，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，降低空穴對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的損害。

拖拉機(jī)；發(fā)動(dòng)機(jī)；高壓共軌；CFD技術(shù)；自適應(yīng)濾波

0 引言

隨著世界范圍內(nèi)對(duì)保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源的日益重視，對(duì)能耗低、排放少的柴油機(jī)的要求也日益迫切。拖拉機(jī)是進(jìn)行各種農(nóng)作物作業(yè)時(shí)最常使用的動(dòng)力機(jī)械，但拖拉機(jī)長(zhǎng)期存在燃油消耗大和環(huán)境污染問(wèn)題，只有提高拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油性能，才能有效地節(jié)省燃油，降低發(fā)動(dòng)機(jī)作業(yè)過(guò)程的環(huán)境污染。燃油噴射系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，是發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)劣的決定性因素，電控噴射系統(tǒng)(特別是高壓共軌電控噴射系統(tǒng))以其優(yōu)良的噴油性能成為未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油系統(tǒng)的主要趨勢(shì)，將其使用在拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)中，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 基于自適應(yīng)Kalman的拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)處理

為了優(yōu)化拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)。受拖拉機(jī)工作環(huán)境的影響，檢測(cè)信號(hào)中一般含有大量的噪聲，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。Kalman濾波算法是常用的信號(hào)濾波算法，可以根據(jù)拖拉機(jī)可測(cè)參量的狀態(tài)變量模型引入自適應(yīng)濾波算法，以提高Kalman濾波算法的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率，其原理如圖1所示。

圖1 拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)Kalman濾波算法原理Fig.1 The principle of Kalman filtering algorithm for tractor engine

如果單獨(dú)采用發(fā)動(dòng)機(jī)可測(cè)參數(shù)的非線性模型來(lái)對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，由于噪聲影響，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差；而采用自適應(yīng)Kalman濾波算法，可以利用信號(hào)的狀態(tài)估計(jì)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)預(yù)測(cè)的偏差。在很多文獻(xiàn)中都給出了標(biāo)準(zhǔn)的Kalman濾波的遞推公式，但要對(duì)濾波進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，需要從濾波的準(zhǔn)則出發(fā)，對(duì)濾波的估計(jì)偏離和發(fā)散問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，首先定義系統(tǒng)濾波的狀態(tài)方程和測(cè)量方程為

Xk=φk,k-1,Xk-1+Wk

Yk=Hk,Xk+ek

(1)

其中，Xk表示狀態(tài)向量；Yk表示信號(hào)測(cè)量值；φk,k-1表示第k-1時(shí)刻k的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程；Wk表示噪聲矩陣的模型；ek表示發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量的信號(hào)中含有的噪聲。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的Kalman濾波，系統(tǒng)狀態(tài)的噪聲Wk和測(cè)量噪聲ek是不相關(guān)的白噪聲序列，其協(xié)方差方程為∑Wk和∑k。為了使Kalman濾波遵循最小二乘準(zhǔn)則，使加權(quán)平方和最小，其準(zhǔn)則為

=VkTPkVk+VXkTPXkVXk

(2)

(3)

其中，αk表示濾波器的自適應(yīng)因子。當(dāng)濾波模型的誤差較大時(shí)，αk<1；當(dāng)誤差小于設(shè)定值時(shí)，αk=1。自適應(yīng)因子可以根據(jù)濾波時(shí)的情況進(jìn)行判斷，每次濾波遞推時(shí)可以更新。

2 拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌噴油系統(tǒng)流場(chǎng)CFD仿真計(jì)算算法

為了驗(yàn)證高壓共軌電控噴射結(jié)構(gòu)在拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)中使用的可行性，采用數(shù)值仿真模擬的方法對(duì)結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)性能進(jìn)行初步分析。在進(jìn)行仿真模擬時(shí)，首先假設(shè)氣體和液體是均勻的混合體，這時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和連續(xù)性方程與單一流體時(shí)相同，密度均采用混合密度。假設(shè)混合密度和粘度分別ρ和μ，其表達(dá)式為

ρ=(1-α)ρl+αρv

(4)

μ=(1-α)μl+αμv

(5)

其中，ρl、ρv、μl、μv分別表示當(dāng)混合物為純液體或者純氣體時(shí)的粘度和密度，表示氣體所占的體積分?jǐn)?shù)。將其簡(jiǎn)化為均勻的兩相流，可以得到連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程，即

(6)

(7)

(8)

其中，n0表示單位體積純液體中所含的氣泡數(shù)，是可以預(yù)先設(shè)定的。 因此，在進(jìn)行仿真計(jì)算過(guò)程中氣相的體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化的變化率為

(9)

為了解決兩相密度差異較大的難題，采用非守恒的連續(xù)性方程，即

(10)

根據(jù)氣相體積分?jǐn)?shù)α可以推導(dǎo)出一個(gè)輸運(yùn)方程，即所謂的體積分?jǐn)?shù)方程，也稱(chēng)為氣相輸運(yùn)方程，即

(11)

其中，對(duì)于單個(gè)氣泡的成長(zhǎng)破裂過(guò)程，根據(jù)Rayleigh-Plesset方程有

(12)

其中，pB表示氣泡內(nèi)的壓力，為蒸汽部分壓力pv和不凝性氣體部分壓力p之和；σ是表面張力系數(shù)。進(jìn)一步簡(jiǎn)化得

(13)

依據(jù)以上公式，為了實(shí)現(xiàn)高壓共軌噴油系統(tǒng)的流場(chǎng)仿真模擬，首先在初始條件給定一個(gè)壓力場(chǎng)，然后對(duì)方程進(jìn)行離散，求出速度場(chǎng)，其流程如圖2所示。

在計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)迭代壓力場(chǎng)可以計(jì)算得到速度場(chǎng)，但得到的速度場(chǎng)往往不能夠完全和連續(xù)方程相吻合。為了保證計(jì)算能夠順利進(jìn)行且能夠繼續(xù)迭代，需要對(duì)壓力場(chǎng)進(jìn)行修正，修正后進(jìn)行仿真模擬，得到修正后的速度和壓力值；最后，判斷計(jì)算的收斂，完成整個(gè)仿真模擬計(jì)算。

圖2 拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌噴油系統(tǒng)仿真流程Fig.2 The simulation flow of high pressure commonrail fuel injection system for tractor engine

3 拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌噴油系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)驗(yàn)和流場(chǎng)仿真

為了驗(yàn)證拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的可行性，在空間較大的場(chǎng)地上對(duì)拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。計(jì)算機(jī)和電荷放大器等裝置安置在場(chǎng)地的控制區(qū)內(nèi)，實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 200r/min，采樣頻率為40kHz，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)裝置實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地圖Fig.3 The experimental field diagram of engine unit

實(shí)驗(yàn)在拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行，加速度傳感器粘貼為結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷研究的需要。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，除了正常工況外，還根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件人為設(shè)置了故障模式，通過(guò)自適應(yīng)Kalman濾波采集得到了發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)的信號(hào)，如圖4所示。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)時(shí)采集的時(shí)域波形Fig.4 The time domain waveform of engine working status

通過(guò)Kalman自適應(yīng)濾波已將發(fā)動(dòng)機(jī)作業(yè)環(huán)境中的噪聲濾除，其中信號(hào)大的幅值分量部分主要為發(fā)動(dòng)缸噴射后的爆燃。通過(guò)繼續(xù)采集信號(hào)，得到了如圖5所示的幅值波曲線。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)對(duì)比曲線Fig.5 The comparison curve of engine working status

為了驗(yàn)證高壓共軌噴射系統(tǒng)在拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的可行性，在設(shè)定缸失火故障的工況下，繼續(xù)采集了發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)振動(dòng)波形曲線，并將其和正常工作狀態(tài)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：正常工作的狀態(tài)曲線和存在故障時(shí)明顯不同，不存在失火后的振動(dòng)大幅值分量消失的情況。這說(shuō)明，高壓共軌結(jié)構(gòu)在拖拉機(jī)燃油噴射系統(tǒng)中使用是可行的。

為了進(jìn)一步研究拖拉機(jī)高壓共軌噴油系統(tǒng)工作狀態(tài)時(shí)的流場(chǎng)分布情況，采用CFD數(shù)值仿真模擬的方法模擬了多種工況下的噴油空間內(nèi)氣相和速度分布。由圖6可以看出，影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常燃油燃燒的主要因素是空穴。在不同噴孔直徑條件下，空穴的延伸長(zhǎng)度和L/D有關(guān)，其值隨著空穴的延長(zhǎng)而加大，但是空穴的厚度沒(méi)有發(fā)生較大的變化。進(jìn)一步仿真計(jì)算不同噴孔長(zhǎng)度下的氣相和速度分布，得到了如圖7所示的結(jié)果。

不同噴孔直徑和長(zhǎng)細(xì)比工況下氣相和速度分布如圖7所示。由圖7可以看出：在不同噴孔長(zhǎng)度條件下，空穴的延伸長(zhǎng)度和L/D有關(guān)，其值隨著空穴的延長(zhǎng)而加大，但空穴的厚度變的較薄。根據(jù)仿真模擬結(jié)果，在綜合設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，需要選擇合適的長(zhǎng)細(xì)比，以保障燃燒時(shí)空穴的體積最小。

圖6 不同噴孔直徑和長(zhǎng)細(xì)比工況下氣相和速度分布Fig.6 The distribution of gas phase and velocity under different nozzle ameter and long diameter ratio

di

圖7 不同噴孔長(zhǎng)度和長(zhǎng)細(xì)比工況下氣相和速度分布Fig.7 The distribution of gas phase and velocity under different injection hole length and long

4 結(jié)論

為了達(dá)到拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能環(huán)保的目的，設(shè)計(jì)了一種采用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。為了驗(yàn)證其工作性能，采用振動(dòng)信號(hào)采集的方法，驗(yàn)證了其工作狀態(tài)正常，不存在機(jī)械故障。在信號(hào)采集過(guò)程中，采用了一種自適應(yīng)的Kalman濾波方法，有效提高了采集信號(hào)的信噪比，消除了拖拉機(jī)復(fù)雜多噪聲環(huán)境的影響。采用CFD技術(shù)，建立起高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)噴嘴內(nèi)部空穴流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)高壓共軌噴射系統(tǒng)，特別是噴嘴內(nèi)部空穴流動(dòng)進(jìn)行了變參數(shù)數(shù)值模擬分析，得到了不同噴嘴直徑和長(zhǎng)度對(duì)不同長(zhǎng)細(xì)比工況下的噴油系統(tǒng)空穴發(fā)展的影響，為拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌噴油系統(tǒng)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)參考。

[1] 吳定海,張培林,任國(guó)全,等.基于雙樹(shù)復(fù)小波包的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)特征提取研究[J].振動(dòng)與沖擊,2010, 29(4):160-165.

[2] 沈路,周曉軍,劉莉,等.形態(tài)小波降噪方法在齒輪故障特征提取中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010,41(4): 217-221.

[3] 張登攀,袁銀南,杜家益,等.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)停缸模式下轉(zhuǎn)速波動(dòng)仿真[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010,41(2):25-28.

[4] 李逃昌,胡靜濤,高雷.基于模糊自適應(yīng)純追蹤模型的農(nóng)業(yè)機(jī)械路徑追蹤方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013, 44(1):205-210.

[5] 袁春飛,姚華,劉源.基于機(jī)載自適應(yīng)模型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制[J].推進(jìn)技術(shù),2006,27(4):354-358.

[6] 王仲生,何紅,陳錢(qián).小波分析在發(fā)動(dòng)機(jī)早期故障識(shí)別中的應(yīng)用研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,24(1): 68-71.

[7] 曹建軍,張培林,張英堂,等.基于提升小波包變換的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋振動(dòng)信號(hào)特征提取[J].振動(dòng)與沖擊, 2008,27(2):34-38.

[8] 張永光,張曉蕾,徐健健.DM642圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)和優(yōu)化[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2007,9(17):4484- 4486.

[9] 杜巧連,張克華.基于自身振動(dòng)信號(hào)的液壓泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23(4):120-123.

[10] 徐禮超.基于LabVIEW的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2007(12):176-179.

[11] 陳磊,韓捷,孫俊杰,等.基于ARM和CPLD的振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓,2011,39(7):55-57.

[12] 張永肅,高寶成.基于Linux系統(tǒng)的汽車(chē)噪音故障診斷系統(tǒng)[J].嵌入式技術(shù),2011,34(12):80-83.

[13] 徐偉,胡志忠,肖前貴,等.AD7490與AT91RM9200的SPI接口及其驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2009,17(10):2089-2091.

[14] 牛雨生.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的刀具振動(dòng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2012,8(2):939-941.

[15] 王樹(shù)臣,遲天陽(yáng).氣吸式精密播種機(jī)種肥監(jiān)測(cè)設(shè)備的研制[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2004,32(8):15-16.

[16] 謝竹青,胡建平.精密播種機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究動(dòng)態(tài)[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù),2007,33(2):23-25.

[17] 周建鋒,李昱,盧博友.精密播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)綜述[J].農(nóng)機(jī)化研究,2006(6):37-39.

[18] 萬(wàn)寶瑞.當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)與建議[J].農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題,2014(1):110-114.

[19] 徐茂,鄧蓉.國(guó)內(nèi)外設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展比較[J].北京農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào),2014,29(2):75-79.

[20] 曹冬梅,丁明亞,方繼友.行端邊際效應(yīng)對(duì)玉米品種試驗(yàn)造成的誤差[J].中國(guó)種業(yè),2008(8):52-53.

[21] 金衡模,高煥文.玉米精播機(jī)漏播補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2002,33(5):44-47.

[22] 張曉輝,趙百通.播種機(jī)自動(dòng)補(bǔ)播式監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(7):119-123.

[23] 韓建國(guó),王金斌,于磊.補(bǔ)償式玉米精密播種機(jī)的研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程,2010(8):10-12.

[24] 周利明,王書(shū)茂,張小超,等.基于電容信號(hào)的玉米播種機(jī)排種性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2012,28(13):16-21.

[25] 孟慶寬,何潔,仇瑞承,等.基于機(jī)器視覺(jué)的自然環(huán)境下作物行識(shí)別與導(dǎo)航線提取[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2014,34 (7):1-7.

[26] 劉金龍,鄭澤鋒,丁為民,等.對(duì)靶噴霧紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)與探測(cè)距離測(cè)試[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,41 (7): 368-370.

[27] 尹坤,陸英剛.國(guó)內(nèi)外精細(xì)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用與技術(shù)構(gòu)成[J].黑龍江科技信息,2010(16):25-27.

Optimization of Tractor Engine Fuel Injection System—Based on CFD Technology and Adaptive Vibration Signal Processing

Wang Jianfeng, Chen Xiangxiang

(Zhengzhou Technical College, Zhengzhou 450121, China)

In order to improve the working performance of tractor engine, improve fuel efficiency, to achieve the purpose of energy saving, it puts forward a design method of common rail fuel injection system of tractor engine with high pressure, uses experimental and simulation two methods to verify its feasibility. In order to acquire the tractor high pressure common rail injection system in complex vibration signal under noise environment. By using adaptive Kalman filtering method, signal filtering processing is done by comparing the signal acquisition and fault signal so as to verify the high pressure common rail injection system normal working state, so as to verify its feasibility. A flow model of high pressure common rail injection system uses CFD technology, the main factors affecting the normal engine fuel burning hole, uses the method of numerical simulation of CFD simulation, by adjusting the parameters to simulate the gas phase and the injection velocity distribution under various conditions in space. The simulation results showed that the development of the main hole with the slenderness ratio, the diameter and length of different nozzle hole development time, and the slenderness ratio is proportional to the common rail injection system design of tractor engine high pressure. With more than the need to choose the right, in order to guarantee the hole volume low to a minimum, it can improve the efficiency of the engine, reduce the damage to the engine hole.

tractor; engine; high pressure common rail; CFD technology; adaptive filter

2016-12-11

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(152102110161)

王建鋒(1981-)，男，鄭州人，講師，碩士。

陳香香(1981-)，女，河南洛陽(yáng)人，講師，碩士，(E-mail)jianfwang371@hotmail.com。

S219；TP229.1

A

1003-188X(2018)02-0247-05