徐魯杰，聶志斌

(1.海軍駐洛陽407廠軍事代表室，河南 洛陽471039;2.河南柴油機(jī)重工有限責(zé)任公司，河南 洛陽471039)

柴油機(jī)示功圖可提供40多種信息量［1］，既是研究和判斷柴油機(jī)工作狀態(tài)、基本性能參數(shù)計(jì)算及放熱規(guī)律分析的重要依據(jù)和不可缺少的資料，又是燃燒過程數(shù)字模型精度程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)?？色@得準(zhǔn)確提取示功圖，有效除去示功圖中的各種誤差，是獲得準(zhǔn)確信息的根本保證。但在示功圖的測(cè)量中，由于系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差或過失誤差的影響，使測(cè)量的示功圖產(chǎn)生誤差，需要進(jìn)行示功圖的修正處理。觀察測(cè)量的實(shí)際效果，由于測(cè)量通道導(dǎo)致氣體振蕩，測(cè)壓通道對(duì)示功圖的影響很大，使得測(cè)量的示功圖不可避免地存在誤差。而這些誤差是測(cè)量中系統(tǒng)本身帶有的，利用多循環(huán)平均不可能消除。柴油機(jī)的示功圖計(jì)算放熱規(guī)律，是研究柴油機(jī)氣缸內(nèi)燃燒過程的重要手段。有效去除示功圖中的各種誤差、準(zhǔn)確提取示功圖是整個(gè)分析工作的基礎(chǔ)。

1 性能試驗(yàn)臺(tái)架組成

整個(gè)性能測(cè)試臺(tái)架由某型船用高速柴油機(jī)、Y1900-S型水力測(cè)功器、傳感器和測(cè)試系統(tǒng)組成。試驗(yàn)臺(tái)架組成見圖1。

1)傳感器。全方位獲取柴油機(jī)壓力、轉(zhuǎn)速信號(hào);

2)電源模板。給整個(gè)系統(tǒng)提供電源;

圖1 性能測(cè)試臺(tái)

3)壓力模板。對(duì)輸入的壓力信號(hào)進(jìn)行放大變換;

4)轉(zhuǎn)速模板。對(duì)輸入的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行放大處理;

5)A/D轉(zhuǎn)換模板。將輸入的各種模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào);

6)計(jì)算機(jī)。對(duì)輸入的各種信號(hào)進(jìn)行處理，并將結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示。

為了進(jìn)行氣缸內(nèi)壓力的測(cè)量，必須安裝傳感器將缸內(nèi)的壓力信號(hào)送到測(cè)量分析元件。從理論上來說，一般要求將傳感器與氣缸壁面平齊安裝，以避免通道效應(yīng)［2］，而在實(shí)際應(yīng)用中，許多結(jié)構(gòu)緊湊的內(nèi)燃機(jī)沒有足夠的空間來安裝傳感器，特別是帶水冷卻的傳感器。同時(shí)，平齊安裝傳感器會(huì)使其膜片受到強(qiáng)烈的熱沖擊，因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)的每一個(gè)工作循環(huán)中，直接暴露在燃燒室內(nèi)的傳感器交替接觸高溫火焰和低溫氣體，引起傳感器膜片產(chǎn)生周期性的熱應(yīng)變，膜片在壓縮沖程末期和燃燒期間暴露在高溫氣體中受熱產(chǎn)生熱應(yīng)力，使作用于壓電晶體上的有效壓力減少，導(dǎo)致測(cè)量氣體壓力低于實(shí)際壓力，使測(cè)量結(jié)果失真;在膨脹、排氣和進(jìn)氣期間膜片冷卻、松弛，此時(shí)作用于壓電晶體上的有效壓力接近于氣缸壓力單獨(dú)產(chǎn)生的作用力［3］。熱沖擊可能造成膨脹沖程中壓力測(cè)量低到令人難以置信的地步而無法進(jìn)行放熱率計(jì)算。再者，平齊安裝會(huì)造成傳感器工作環(huán)境惡劣，影響傳感器的使用壽命。分析各種因素后認(rèn)為，在進(jìn)行示功圖測(cè)量時(shí)往往保留一定的測(cè)壓通道。

2 消除通道效應(yīng)的方法

測(cè)壓通道的存在對(duì)精確地測(cè)量示功圖帶來負(fù)面影響，其影響主要有:在示功圖最高壓力附近產(chǎn)生頻率較高幅值不大的壓力波動(dòng);使壓力波形產(chǎn)生“相位滯后”。為此，必須采用合適的方法對(duì)通道效應(yīng)予以消除。消除通道效應(yīng)的方法很多，運(yùn)用較多的主要有光順法和頻域?yàn)V波法［4］。

本文采用頻域?yàn)V波法來消除通道效應(yīng)對(duì)示功圖的影響。

3 示功圖頻譜分析

通過對(duì)信號(hào)的傅里葉變換，可以進(jìn)行頻譜分析，從中掌握信號(hào)的頻域特征，達(dá)到提取信號(hào)中有用信息的目的。利用工程計(jì)算軟件Matlab內(nèi)部的工具箱，可以很方便地對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換，得到信號(hào)的頻譜圖。應(yīng)用上面的方法，對(duì)實(shí)際測(cè)錄的示功圖進(jìn)行處理。

圖2、圖3分別為額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，Ne=938、1 251 kW時(shí)所測(cè)示功圖的頻譜圖。

分析所測(cè)信號(hào)的頻譜，發(fā)現(xiàn)信號(hào)能量主要集中在低頻段，在基頻50倍頻程，1 250 Hz(基頻為25 Hz)以內(nèi)，信號(hào)的能量占到整個(gè)信號(hào)能量的95%。在1 250～1 500 Hz之間，又有較大的信號(hào)能量，該部分能量占總能量的3.5%左右;到1 500 Hz以后，信號(hào)能量只占總能量的1.5%左右。這說明在高頻段，信號(hào)能量很少;在1 250～1 500 Hz之間能量的突然增加。分析認(rèn)為是由于測(cè)量中通道效應(yīng)引起的，需要對(duì)其進(jìn)行濾波處理。并且，相同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷工況的頻譜特征基本上是相同的。

如果將柴油機(jī)測(cè)壓通道視為一個(gè)系統(tǒng)，氣缸內(nèi)“真實(shí)”壓力信號(hào)x(t)作為系統(tǒng)的輸入，傳感器測(cè)得的壓力信號(hào)y(t)為系統(tǒng)的輸出。但對(duì)于設(shè)計(jì)的濾波器來說，y(t)則變?yōu)檩斎?，x(t)是輸出，濾波器傳遞函數(shù)h(n)則是設(shè)計(jì)中要確定的。根據(jù)以上的分析，要消除柴油機(jī)測(cè)壓通道引起的誤差，應(yīng)該選用帶阻濾波器，即當(dāng)確定了通道效應(yīng)的固有頻率的大致范圍后，只需濾掉這一頻率范圍內(nèi)的信號(hào)，這樣在消除通道效應(yīng)后不致使測(cè)量的信號(hào)失真?？紤]到還有一些高頻雜波的干擾，本文確定設(shè)計(jì)濾波器的類型為低通濾波器。這樣雖然濾掉一小部分高頻有用信號(hào)，但通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)在基頻60倍以后信號(hào)所含能量相當(dāng)?shù)?，占整個(gè)信號(hào)能量的1.5%左右。濾去這些信號(hào)后，對(duì)于示功圖及柴油機(jī)燃燒過程的分析不會(huì)造成很大的影響。

在該工況下低通濾波器要求的通帶截止頻率取Fs=1 250 Hz。為了避免信號(hào)由于濾波產(chǎn)生新的相位歧變，采用具有較好線性相頻特性的優(yōu)先沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器(FIR)。設(shè)計(jì)的FIR低通濾波器的幅頻和相頻特性見圖4。

圖4 FIR低通濾波器的幅頻和相頻

4 濾波消除通道效應(yīng)

分析結(jié)果表明，在進(jìn)行示功圖測(cè)量時(shí)往往要保留一定的測(cè)壓通道。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速不變，負(fù)荷變化時(shí)，其缸內(nèi)燃燒過程必然發(fā)生變化，即隨著負(fù)荷的增加，缸內(nèi)氣體的溫度和壓力增加，導(dǎo)致了缸內(nèi)壓力傳播速度增加，通道效應(yīng)的固有頻率相應(yīng)提高，但增高的幅度并不大。通道效應(yīng)的固有頻率主要取決于通道的幾何尺寸，而發(fā)動(dòng)機(jī)的工況對(duì)其影響較?。?］。由于本文測(cè)量的是額定轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷特性，所以確定各個(gè)工況對(duì)示功圖濾波所用濾波器的截止頻率為1 250 Hz。

利用所設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)5%、10%、25%、50%、75%、100%負(fù)荷工況下采集的示功圖壓力信號(hào)進(jìn)行濾波處理。圖5～8為濾波后10%、75%負(fù)荷下的時(shí)域示功圖和各自對(duì)應(yīng)的頻譜圖。

可以清楚地看到在濾掉1 250 Hz以后的高頻成分后，時(shí)域圖上壓力峰值部分的波動(dòng)完全消除，即通道效應(yīng)完全消除，同時(shí)一些雜波干擾也被一同濾掉。從頻域上分析，在1 250 Hz以后，高頻成分的波動(dòng)減弱，特別是1 500 Hz附近的突起完全被消除;從能量上來分析，發(fā)現(xiàn)濾波后信號(hào)的能量是濾波前信號(hào)能量的97%左右，這說明濾波并沒造成信號(hào)的失真，即絕大部分有用信號(hào)并沒有被消除。這樣就得到了各個(gè)工況下有效地消除通道效應(yīng)后的示功圖。

5 結(jié)論

如何減小通道效應(yīng)的不利影響、對(duì)示功圖進(jìn)行修正是工程實(shí)際中亟待解決的問題。本文研究結(jié)果表明，頻域?yàn)V波法能夠有效消除示功圖測(cè)量過程中通道效應(yīng)的不利影響，且對(duì)有用信號(hào)的影響較小。

［1］楊 海，鄧名華.國內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)示功圖的研究與發(fā)展［J］.內(nèi)燃機(jī)，2005(6):6-9.

［2］孫 亮.Windows NT平臺(tái)下內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)的研究［D］.長沙:湖南大學(xué)，2002.

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