基于振动信号时频分析的柴油机缸内燃烧状态监测研究

来源 :太原理工大学 | 被引量 : 7次 | 上传用户:Sophie_LGH
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监测并改善柴油机缸内燃烧状况有助于提高柴油机运行可靠性,提高燃烧效率以及降低排放。采用缸压传感器获取燃烧室内燃烧压力信号是最直接的燃烧状态监测方法,但这种方法需在缸盖打孔,对加工精度要求较高,会破坏燃烧室结构的强度,且缸压传感器造价不菲,并不适用于推广应用。使用表面振动信号来进行非介入式缸内燃烧状况监测是关注度较高的一种替代方案。振动传感器具有体积小、价格便宜、安装方便等优点,基于振动信号分析开展缸内燃烧状态识别的工作获得了越来越多研究人员的关注。但实际采集到的振动信号中往往混叠各类机械振动事件和背景噪声的干扰,直接利用振动信号进行燃烧状态识别监测的精度始终不尽人意。柴油机振动峰值事件的主要激励源为燃烧压力冲击和活塞侧击激励,且峰值相位相近不易区分。为了将燃烧冲击事件从振动峰值中识别分离出来,首先在柴油机缸套组件瞬态动力学仿真分析的基础上研究了燃烧冲击与活塞侧击的时频响应分布特性,然后对台架试验测得的表面振动信号和缸内压力信号在时域、频域和时频域的相关性进行分析,最后提出了信号时频结构相似度指数分析方法和工况自适应二维滤波器构建的方法,实现了基于实测振动信号的宽频带(0.1~15 kHz)缸压二阶导曲线重构。首先,从柴油机表面振动信号的产生机理出发,研究了柴油机主要激振源、结构振动响应及它们之间的对应关系。通过有限元仿真分析得出燃烧压力冲击和活塞侧击激励引起缸套振动响应的时频分布范围,明确了缸套在不同激励事件单独作用下的振动响应特征差异。然后,设计搭建单缸柴油机和四缸柴油机台架试验系统,分析实测缸压信号和不同测点的振动信号之间的相关性。研究发现不同测点之间由于结构的频响特性不同,各测点的振动信号具有不同的时域和频域分布特性。分别使用时域相关系数、频域相干性分析及时频域区块划分方法研究柴油机缸内燃烧压力与结构表面振动响应之间的相互关系,发现时频分析方法能够更细致地揭示两类信号在时域和频域上的对应关系。通过比对振动加速度曲线和缸压二阶导曲线之间的拐点和峰值点相位差,发现相较于缸体和缸套振动,缸盖振动信号与缸压信号之间的相位差最小。然后,对缸盖振动信号和燃烧压力二阶导信号的时频矩阵进行结构相似度指数分析,使用形态学重建的方法实现了燃烧压力二阶导时频图的重构。对不同运行工况和燃用不同燃料时两类信号之间的结构相似度指数矩阵变化规律进行了分析,进而基于工况自适应构造结构相似度矩阵的方法,实现了仅凭振动信号的缸压二阶导重构。最后,对四缸增压柴油机台架试验实测的缸盖振动信号和燃烧压力之间的时频关系进行了研究,初步验证了所提出的时频相似度分析和缸压二阶导重构方法应用在多缸柴油机燃烧状态监测的适用性。
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