徐宏宇， 王迪， 肖友洪， 楊晰宇， 董全

(哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)苛，現(xiàn)代柴油機(jī)對(duì)排放、噪聲、燃油消耗率等都提出了更高的要求，研究人員也從不同的方面對(duì)柴油機(jī)性能展開(kāi)了研究，如缸內(nèi)熄燃、爆震、放熱率曲線重構(gòu)[1-5]等。由于燃燒過(guò)程十分復(fù)雜，有很多影響因素，各個(gè)因素之間又相互影響，并且燃燒過(guò)程中存在熱損失。缸壓可以很好地檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的燃燒情況，但卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)噴油過(guò)程的精確檢測(cè)。精確的燃油噴射過(guò)程是缸內(nèi)混合氣良好組織及高效燃燒的前提。而噴油過(guò)程的關(guān)鍵時(shí)間特征可以準(zhǔn)確確定噴油開(kāi)始、結(jié)束的時(shí)刻及穩(wěn)定的噴油時(shí)長(zhǎng)。但是目前沒(méi)有很好的方法實(shí)現(xiàn)噴油過(guò)程關(guān)鍵時(shí)間特征的無(wú)接觸在線識(shí)別。

時(shí)頻分析常用于機(jī)械設(shè)備故障的檢測(cè)和診斷[6-9]，在分析非定常和脈沖信號(hào)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。一種基于噴射過(guò)程中軌壓信號(hào)的時(shí)頻分析方法被用于對(duì)共軌噴射系統(tǒng)進(jìn)行診斷，主要是判斷噴射是否發(fā)生，確定各缸是否正常運(yùn)行。Guerrassi等[10]利用壓力微分信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)噴射過(guò)程的相關(guān)診斷，并提出一種新的油軌(分軌)形式，可以利用軌壓信號(hào)檢測(cè)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射過(guò)程的關(guān)鍵信息。此外，Mancaruso等[11-12]也對(duì)噴射過(guò)程進(jìn)行了診斷分析。這些研究主要是為了檢查噴射過(guò)程中的一些特征，如噴霧進(jìn)入燃燒室的過(guò)程、噴霧角度、噴霧均勻性和噴油器老化等問(wèn)題，但它不包括與注入質(zhì)量或注入相關(guān)的時(shí)刻信息。最重要的是，這種方法不能用于在實(shí)際條件下監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)。

由于噴油器入口壓力信號(hào)直接由燃油的噴射過(guò)程產(chǎn)生，是十分理想的噴油過(guò)程檢測(cè)信號(hào)。因此本文基于噴油器入口壓力信號(hào)，提出一種在線識(shí)別噴油過(guò)程關(guān)鍵時(shí)間特征的方法，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油過(guò)程的精準(zhǔn)識(shí)別，為今后對(duì)噴油器的故障診斷奠定了基礎(chǔ)。該方法可用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)單次和多次噴射過(guò)程中噴油器動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)利用燃油噴射過(guò)程中的噴射壓力對(duì)噴油過(guò)程關(guān)鍵時(shí)間特征參數(shù)的識(shí)別并驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性,本文搭建了燃油系統(tǒng)聯(lián)合測(cè)試平臺(tái)，能夠?qū)娪推魅肟趬毫Α⑨橀y升程等參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由燃油系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及測(cè)試系統(tǒng)3部分組成。燃油系統(tǒng)主要包括油箱、高壓油泵、濾清器、高壓油管、高壓油軌、共軌噴油器?？刂葡到y(tǒng)主包括高壓油泵的控制系統(tǒng)、噴油器的驅(qū)動(dòng)及測(cè)試系統(tǒng)的同步控制。測(cè)試系統(tǒng)主要包括用于測(cè)量噴油器入口壓力波動(dòng)的燃油壓力傳感器；用于測(cè)量針閥升程的位移傳感器；用于測(cè)量噴油規(guī)律的燃油噴射規(guī)律測(cè)量?jī)x。其中燃油壓力傳感器在噴油器與高壓油管連接處打孔安裝進(jìn)行測(cè)量。針閥升程傳感器在噴油器1/3處打孔安裝。測(cè)試設(shè)備參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of experimental test system

表1 測(cè)試設(shè)備參數(shù)Table 1 Test device parameters

2 基于時(shí)頻分析的關(guān)鍵時(shí)間特征識(shí)別

噴油器入口處壓力波動(dòng)情況直接關(guān)系著噴油器的噴油狀態(tài)，因此該處壓力信號(hào)蘊(yùn)藏著豐富的燃油噴射信息，但是傳統(tǒng)的時(shí)域分析無(wú)法得到時(shí)域和頻域的聯(lián)合分布信息。而噴射過(guò)程具有瞬時(shí)性和精確性，時(shí)域分析無(wú)法精確識(shí)別噴油過(guò)程的關(guān)鍵時(shí)間特征。因此，本文采用時(shí)頻分析的方法對(duì)壓力信號(hào)的瞬時(shí)頻率進(jìn)行分析研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油過(guò)程關(guān)鍵時(shí)間特征的精準(zhǔn)識(shí)別。

2.1 短時(shí)傅里葉變換

短時(shí)傅里葉變換是和傅里葉變換相關(guān)的一種數(shù)學(xué)變換，用以確定時(shí)變信號(hào)局部區(qū)域正弦波的頻率與相位[13-14]。它將一個(gè)時(shí)變或非平穩(wěn)信號(hào)的普通傅里葉變換投影到時(shí)域中，觀察信號(hào)頻率如何隨時(shí)間變化。

將實(shí)驗(yàn)中的壓力信號(hào)x(t)乘以一個(gè)窗口函數(shù)h(t-τ)，然后計(jì)算局部加窗信號(hào)在時(shí)間τ附近的傅里葉變換F(x)，在接下來(lái)的時(shí)間里該窗口沿信號(hào)平移為：

式中h*是h的共軛。窗函數(shù)h(t)的表示為：

式中T是窗口函數(shù)的寬度(即時(shí)間長(zhǎng)度)。將Fx的平方定義為光譜圖Sx，因此Sx是一個(gè)非負(fù)分布：

則壓力信號(hào)全局范圍內(nèi)的能量分布為：

計(jì)算出壓力信號(hào)的光譜圖作為加權(quán)函數(shù)，并計(jì)算出壓力信號(hào)的平均瞬時(shí)頻率：

2.2 壓力信號(hào)時(shí)頻分析結(jié)果

圖2的最上方表示的是實(shí)驗(yàn)壓力為120 MPa、噴油脈寬為1 ms時(shí)壓力信號(hào)的頻譜圖。從圖2中可以看出壓力信號(hào)的頻率不高于10 kHz且在5 kHz以下尤為顯著。同時(shí)圖2表示了聯(lián)合測(cè)試結(jié)果及對(duì)壓力信號(hào)平均瞬時(shí)頻率的計(jì)算結(jié)果。

圖2 單次噴射過(guò)程壓力信號(hào)的時(shí)頻分析(P=120 MPa，ET=1 ms)Fig.2 Time-frequency analysis diagram of pressure signal in a single injection process(P=120 MPa，ET=1 ms)

圖2中的a、b、c分別表示針閥位移傳感器實(shí)際測(cè)試所得出的針閥開(kāi)啟時(shí)刻、針閥最大開(kāi)度所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻及針閥關(guān)閉時(shí)刻。a′、b′、c′表示根據(jù)實(shí)驗(yàn)壓力的平均瞬時(shí)頻率所識(shí)別出的關(guān)鍵時(shí)間特征點(diǎn)。由于噴油過(guò)程中壓力波的傳遞導(dǎo)致追蹤到的關(guān)鍵時(shí)間特征點(diǎn)存在一定延遲，同時(shí)所識(shí)別出的關(guān)鍵時(shí)間特征點(diǎn)的時(shí)間延遲均為0.16 ms左右，由于時(shí)間延遲均由同一因素影響，所以延遲時(shí)間也是一致的。

圖2中的a′表示噴油器入口處壓力的平均瞬時(shí)頻率局部最大，a′點(diǎn)之后逐漸減小，該時(shí)刻表示噴油器開(kāi)始噴油，即a′為針閥開(kāi)啟時(shí)刻；隨著噴油過(guò)程的逐漸進(jìn)行，針閥不斷開(kāi)啟直到b′處針閥達(dá)到最大開(kāi)度，這是因?yàn)閎′點(diǎn)為局部最大點(diǎn)且該點(diǎn)后噴油器入口處壓力的平均瞬時(shí)頻率逐漸減小，符合實(shí)際壓力變化情況；c′點(diǎn)為針閥關(guān)閉時(shí)刻，此時(shí)壓力信號(hào)的平均瞬時(shí)頻率最大。該方法不僅可以對(duì)短脈寬情況下的噴油器入口處壓力信號(hào)進(jìn)行分析，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)脈寬條件下關(guān)鍵時(shí)間特征參數(shù)的精準(zhǔn)識(shí)別。圖3表示實(shí)驗(yàn)壓力為120 MPa、噴油脈寬為2 ms時(shí)壓力信號(hào)的平均瞬時(shí)頻率及聯(lián)合測(cè)試結(jié)果。

圖3 單次噴射過(guò)程壓力信號(hào)的時(shí)頻分析(P=120 MPa，ET=2 ms)Fig.3 Time-frequency analysis diagram of pressure signal in a single injection process(P=120 MPa，ET=2 ms)

在長(zhǎng)脈寬的情況下，針閥在最高位置處將維持一段時(shí)間。因此，在長(zhǎng)脈寬條件下，本方法不僅可以對(duì)針閥達(dá)到最大開(kāi)度的時(shí)刻進(jìn)行識(shí)別，也可以對(duì)針閥開(kāi)始關(guān)閉的時(shí)刻進(jìn)行識(shí)別，即b′、c′(a′、b′分別為針閥開(kāi)啟及關(guān)閉時(shí)刻)。從圖3中可以看到，b′點(diǎn)至c′點(diǎn)的過(guò)程中，噴油器入口處壓力信號(hào)的平均瞬時(shí)頻率較為平穩(wěn)，c′點(diǎn)后平均瞬時(shí)頻率發(fā)生明顯下降，與實(shí)際液力過(guò)程變化情況相符。

對(duì)于單次噴射，本文所提出的方法可以對(duì)噴射過(guò)程中關(guān)鍵時(shí)間特征進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別。同時(shí)，本文對(duì)多次噴射過(guò)程的壓力信號(hào)也進(jìn)行了處理分析，如圖4所示。

從多次噴射過(guò)程中噴油器入口壓力信號(hào)的分析結(jié)果可以看出，本方法僅能對(duì)預(yù)噴過(guò)程進(jìn)行識(shí)別。由于多次噴射存在壓力波疊加，致使本方法無(wú)法對(duì)主噴過(guò)程進(jìn)行識(shí)別。因此，對(duì)于多次噴射過(guò)程，本文提出另一種在線測(cè)試方法，用于識(shí)別多次噴射中主噴過(guò)程的關(guān)鍵時(shí)間特征。

圖4 多次噴射過(guò)程壓力信號(hào)的時(shí)頻分析圖(P=120 MPa，ET=0.6～1.4～3 ms)Fig.4 Time-frequency analysis diagram of pressure signal in multiple injection process(P=120 MPa，ET=0.6～1.4～3 ms)

3 多次噴射過(guò)程關(guān)鍵時(shí)間特征識(shí)別

在預(yù)噴+主噴的噴射策略中，噴油器同一循環(huán)內(nèi)相鄰2次噴射的時(shí)間間隔很短，預(yù)噴引起的水錘壓力波動(dòng)現(xiàn)象是導(dǎo)致主噴壓力信號(hào)發(fā)生畸變的主要原因。因此需要研究預(yù)噴引起的水錘振蕩現(xiàn)象并對(duì)其進(jìn)行解耦才能實(shí)現(xiàn)對(duì)主噴過(guò)程中關(guān)鍵時(shí)間特征的識(shí)別。

3.1 燃油系統(tǒng)水錘壓力振蕩機(jī)理

燃油系統(tǒng)的水錘振蕩過(guò)程屬于典型的有阻尼振蕩過(guò)程，通過(guò)液電?；梢愿玫乩斫馑N壓力波在高壓油管的傳遞及演化過(guò)程。柴油機(jī)燃油系統(tǒng)中包括容性元、感性元和阻性元。其中容性元主要包括油軌和盛油槽；感性元主要包括高壓油管和噴油器內(nèi)的輸油管；阻性元主要為燃油流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦阻力。

對(duì)于容性元壓力部件來(lái)說(shuō)，進(jìn)出容腔的燃油質(zhì)量與壓力變化的關(guān)系可以描述為：

(1)

因此定義液容為：

(2)

感性元液壓部件一般為細(xì)長(zhǎng)管路系統(tǒng)，燃油在管內(nèi)的流動(dòng)可以視為一維非定常流動(dòng)。因此感性元內(nèi)壓力和流量的變化可以描述為：

(3)

因此定義液感為：

(4)

由于燃油流動(dòng)過(guò)程中與管壁存在摩擦等能量耗散現(xiàn)象，因此水錘壓力振蕩過(guò)程是典型的欠阻尼振蕩過(guò)程，定義液阻大小為：

(5)

根據(jù)液電模擬原理可以將燃油系統(tǒng)模擬為如圖5所示的RLC振蕩電路形式。

注：C1為油軌的液容，L1為高壓油管的液感，R1、R2分別為高壓油管和噴油器輸油管內(nèi)耗散作用產(chǎn)生的液阻，L2為噴油器內(nèi)部噴孔輸油管液感，C2為控制腔的液容。圖5 燃油系統(tǒng)的電路?；疽釬ig.5 Schematic diagram of circuit modeling of fuel system

因此根據(jù)基爾霍夫第二定律可以得出：

式中：

因此可以得到如下的振蕩方程：

(6)

將式(1)～(5)代入式(6)中可以得出燃油系統(tǒng)水錘壓力振蕩方程：

(7)

因此可以看出燃油系統(tǒng)的水錘壓力振蕩形式僅與起振壓力及燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，欠阻尼振蕩的衰減系數(shù)僅與燃油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖6為不同噴射條件下的水錘振蕩形式。由圖6(a)中可以看出，不同噴射脈寬條件下水錘現(xiàn)象都是噴射過(guò)程中最強(qiáng)烈的波源。若將不同脈寬條件下的水錘壓力波在時(shí)域上對(duì)齊，如圖6(b)所示，可以發(fā)現(xiàn)各條曲線重合程度很好。因此，噴射形式僅對(duì)水錘壓力振蕩的幅值稍有影響，而對(duì)水錘振蕩的發(fā)展及演化形式影響不大，證明了式(7)所得水錘振蕩方程的正確性。

圖6 不同噴射條件下的水錘振蕩形式Fig.6 Oscillation patterns of water hammer under different injection conditions

在主噴過(guò)程中，燃油系統(tǒng)內(nèi)的壓力波動(dòng)主要由主噴射過(guò)程和預(yù)噴結(jié)束后的水錘振蕩2個(gè)分量組成。因此若將主噴射引起的壓力波動(dòng)從疊加壓力波中解耦出來(lái)，就可以實(shí)現(xiàn)主噴噴油過(guò)程關(guān)鍵時(shí)間特征的識(shí)別。

由于柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)內(nèi)的壓力波屬于微波，各列壓力波在管路內(nèi)均以聲速傳播，可以忽略不同微波同向追趕相遇的情況。而對(duì)于相向傳遞的壓力波，當(dāng)各列壓力波相遇后，仍各自繼續(xù)以單波的形式向前行進(jìn)而不影響各自壓力波的性質(zhì)。合成波僅反應(yīng)瞬間有狀態(tài)合成，因此測(cè)量點(diǎn)處測(cè)得的壓力變化是主噴射過(guò)程壓力波動(dòng)及預(yù)噴水錘壓力波振蕩共同作用的結(jié)果。

圖7(a)為單次噴射過(guò)程的微分壓力波動(dòng)(dPp)，圖7(b)為主噴+預(yù)噴噴射條件的微分壓力波動(dòng)(dPp+M)。燃油系統(tǒng)內(nèi)壓力波以dPp形式傳播，因此根據(jù)壓力波疊加及解耦理論可以得出主噴引起的壓力波動(dòng)(dPM)：

dPM=dPP-dPP+M

(8)

圖7 單次噴射與預(yù)噴+主噴壓力波動(dòng)微分曲線Fig.7 Differential curve of single injection and multiple injection pressure fluctuation

根據(jù)式(1)對(duì)圖7中的2條壓力微分曲線解耦，得出主噴過(guò)程中燃油的微分壓力曲線。圖8為主噴壓力波動(dòng)解耦效果圖。從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，解耦算法可以很好地還原信號(hào)特征?？捎糜趯?duì)多次噴射過(guò)程中主噴過(guò)程的關(guān)鍵時(shí)間特征進(jìn)行識(shí)別。

圖8 主噴壓力波動(dòng)解耦效果Fig.8 Decoupling effect of main injection pressure fluctuation

本文對(duì)于噴油過(guò)程關(guān)鍵時(shí)間特征的識(shí)別方法及流程如圖9所示。

圖9 噴油過(guò)程關(guān)鍵時(shí)間特征識(shí)別流程Fig.9 Flow chart of identification of key time characteristics during fuel injection process

4 識(shí)別結(jié)果修正

本文利用時(shí)頻分析方法對(duì)不同噴油壓力、不同噴油脈寬情況下單次噴射過(guò)程的關(guān)鍵時(shí)間特征信息進(jìn)行識(shí)別，即針閥開(kāi)啟時(shí)刻、針閥達(dá)到最大高度對(duì)應(yīng)時(shí)刻、針閥關(guān)閉時(shí)刻，如圖10所示。結(jié)果顯示，利用時(shí)頻分析方法進(jìn)行識(shí)別時(shí)存在一定的時(shí)間延遲，且不同工況下的時(shí)間延遲均為0.16 ms左右。同時(shí)，利用解耦算法對(duì)多次噴射過(guò)程關(guān)鍵時(shí)間特征進(jìn)行識(shí)別時(shí)也存在約0.16 ms左右的誤差。因此造成識(shí)別過(guò)程中的時(shí)間延遲均由同一因素造成，即壓力波。

為了實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的識(shí)別，對(duì)最終的識(shí)別結(jié)果進(jìn)行修正。噴油過(guò)程關(guān)鍵時(shí)間特征識(shí)別所存在的時(shí)間延遲是由于壓力波傳遞到壓力傳感器存在一定的時(shí)間間隔，該延遲主要由壓力傳感器的安裝位置及壓力波傳播速度共同影響：

(9)

式中：td為延遲時(shí)間;Linj為噴嘴到傳感器距離;a為燃油聲速。

本文所測(cè)試的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，壓力傳感器距噴嘴約20 cm。利用式(9)所計(jì)算出的時(shí)間延遲為0.16 ms，與識(shí)別過(guò)程中的時(shí)間延遲相符。因此經(jīng)過(guò)修正可以有效地消除時(shí)間延遲問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的在線識(shí)別。

圖10 不同工況下噴油過(guò)程關(guān)鍵時(shí)間特征發(fā)生時(shí)間對(duì)比Fig.10 Comparison diagram of occurrence time of key time characteristics in oil injection process under different working conditions

5 結(jié)論

1)提出了一種時(shí)頻分析的方法用于處理噴油器入口壓力信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單次噴射過(guò)程中針閥開(kāi)啟時(shí)刻、針閥最大開(kāi)度所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻及針閥關(guān)閉時(shí)刻等關(guān)鍵時(shí)間特征的精準(zhǔn)識(shí)別。該方法具有識(shí)別速度快、識(shí)別精度高等優(yōu)點(diǎn)。但由于多次噴射過(guò)程中存在壓力波疊加等問(wèn)題，本方法無(wú)法對(duì)多次噴射過(guò)程進(jìn)行在線識(shí)別。

2)為實(shí)現(xiàn)多次噴射過(guò)程的在線識(shí)別，本文提出了另一種預(yù)噴水錘振蕩模擬算法，并驗(yàn)證了該算法的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，利用解耦后的壓力微分信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多次噴射中主噴過(guò)程關(guān)鍵時(shí)間特征的精準(zhǔn)識(shí)別。

3)本文利用燃油聲速對(duì)壓力波傳遞過(guò)程進(jìn)行了修正，解決由于壓力傳感器安裝位置所導(dǎo)致的時(shí)間延遲問(wèn)題，提高了算法的準(zhǔn)確性與魯棒性。