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基于排气系统声源特性的柴油机燃烧监测技术
摘要
声学方法是监测机器状态最有效的技术之一。然而，背景噪声的影响是实施这一方法需要面临的主要问题，本文介绍了一种监测柴油机燃烧状态的有效方法，这种方法的基础是声学单端口源理论和排气声学测量技术。研究发现，就压力而言，发动机声源的强度能够更准确的反映出发动机的燃烧状况。因为，它是通过最小化排气系统里的反射效果得到的。因此，声学多负载测量法被发展起来，用以确定一台四缸柴油机在喷油器和排气阀出现故障时的压力信号。实验结果显示，双负载声学方法足以检测和诊断出由故障引起的压力信号的异常。因此，这提供了一种新颖且可靠的方法，以实现对柴油发动机的状态监测，即使这些设备在船舱和备用电站这样的高噪音环境里运行。
关键词：状态监测; 燃烧诊断; 单端口源; 排气声学; 柴油发动机
1.引言
排气气流与燃烧过程直接相关，并且包含关于发动机燃烧状况的丰富信息。最近，随着人们对状态监测的兴趣日益增加，越来越多的先进技术被引入，以通过从排气气流获取的信息来检测和诊断内燃机的故障，例如排气温度技术[1]，涡轮增压器速度测量技术[2,3]和排气压力波动[4-6]。由此可见，压力波动方法能够有效地检测内燃机失火和诊断内燃机燃烧状况。然而，不可避免地存在排气管内的声反射和驻波效应的问题。
直接将传感器的输出结果作为判断依据就不那么可靠了，因为测量的压力数值会随着传感器在管道上安装位置的不同而变化。实际上，传感器安装在一些位置上时可以检测出异常燃烧，但安装在某些位置时，可能就检测不出异常燃烧。所以为了提高可靠性，必须考虑驻波效应，并且在测量排气源特性时必须排除来自下游部件反射的影响。
这种测量方法已经在内燃机排气系统开发中得到了广泛应用。为了有效地设计消声器系统以及发动机进气和排气过程，通常在声学单端口模型的基础上来对声音的产生机制和源的量化进行理解。特别的，当没有来自排气系统的任何影响时，排气源（即，发动机燃烧和排气过程）被假设成在频率域中是一个线性不变源，并且可以通过两个特征参数来完全描述：源强度和源阻抗。
基于声学单端口模型，已经开发了各种实验方法来确定声源的特性，包括驻波方法，传递函数方法和多负载方法。它们最初是为消声器的设计而开发的[11-13]。由于声学参数在描述声源的特性方面令人印象深刻的性能。因此，在各种流体机械，如泵，风扇和发动机上，已经进行了大量的关于这方面的研究工作。
Ross和Crocker [14]测量了八缸发动机的声阻抗。处理记录的信号以获得各种频率的驻波。发动机的速度和负载都被认为是影响发动机状态的重要因素。他们观察到随着声频增高，发动机的内部阻抗趋近于特性阻抗。
Doige和Thawani [15]使用驻波技术来测量一台非运行压缩机的源阻抗。对流效应被认为是对阻抗的修正。Munjal [16]给出了修正的方法，因此获得了良好的一致性。Prasad和Crocker [17]使用传递函数方法（具有随机激励源）测量了运行状况下八缸发动机的内部源阻抗。获得的结果与早期研究者用驻波方法获得的结果一致。在这些方法中，多负载方法是最有趣的。特别地，Boden等人[8，9，18]讨论了一系列用于确定单端口系统源阻抗的多负载方法，包括双负载方法，四负载方法和直接相关最小二乘法。通过比较来自不同方法的结果，Boden [18]得出结论，当实验中没有使用外部源时，应首先考虑双负载方法，因为它受输入错误数据的影响程度比其他方法小。
除了可以获得良好的结果之外，双负载方法也容易在线实现，因为仅需要两个声负载条件。因此，本文重点研究使用双负荷方法开发内燃机燃烧监测技术。研究来自四缸柴油发动机燃烧过程中的声源参数，以找到用于燃烧诊断的重要特征。监测由不同的常见故障如燃油异常喷射和气门正时异常引起的异常燃烧，来评估使用这些特征进行性能监测的准确性。
2.发动机燃烧和排气系统的声学模型
为了达到控制噪声和优化流量的目的，声学单端口源方法已被广泛用于描述包括内燃机排气系统在内的流体机械[8]中声源的特性。为了开发基于该源模型的发动机燃烧监测方法，在本节将概述其背后的理论基础，使得可以利用双传感器和双负载方法来实验测定源特性，并且可以从源数据中提取故障特征。
2.1.声学模型
为了开发用于设计排气系统的简单程序，在参考文献[17,20]中引入了声学单端口源，以避免在声学计算中流体通过排气阀时动力过程的复杂性。如图1（a）所示，其利用两个参数处理包括燃烧及其排气过程中的发动机声源：源强度Ps和源阻抗Zs。排气阀下游的所有部件被视为施加到发动机源的阻抗Z1里的声负载。基于这些简化，复杂的燃烧和排气声学可以由如图1（b）所示的等效电路表示。并且可以使用源参数简单地表示源和负载接口处的声压。
图.1.发动机排气系统的声源和负载模型。（a）发动机燃烧和消声器的示意图，（b）类似的等效电路。
（1）
基于这种关系，可以容易地预测诸如辐射声功率的声学性能和消声器的插入损耗，简化排气系统的设计和评估。虽然这个模型采用线性不变源来表示，但预测结果与测试结果显示出良好的一致性[21]。
有趣的是，公式（1）还表明，源参数可以由下游的声负载参数表示。这意味着对排气系统进行适当的声学测量可以用于预测通过直接测量难以获得的燃烧源特性。然后，这些预测的源参数可以用于实现发动机燃烧的状态监测。
为了实现基于燃烧监测方案的排气声学，需要进一步探索声学参数背后的物理手段。Dokumaci [22]基于非一维流动的基本流体动力学方程的研究表明，声源参数与发动机燃烧过程密切相关：
（2）
（3）
其中g是比热系数，m是废气注入阀口时的质量比率，S是阀的横截面积，h是气缸中气体的比焓，和分别表示源不连续平面（排气阀）下游的平均压力和平均流速。
从公式（2）和（3）可知源强度与滞止焓的波动成比例，并且与平均流速成反比。另一方面，源阻抗仅取决于平均压力和速度。这与实验观察结果一致，即排气气流中的声波与发动机燃烧状况以及排气系统密切相关。高强度的燃烧通常导致排气管中的高振幅声波。当排气阀打开和关闭时，排气口的不同轮廓将导致气体流量的变化，并因此导致不同的声波形状。 此外，不适当的轮廓将导致发动机在排气冲程中性能变差，这又将影响燃烧效率。这些关系为基于声学排气的监测技术的可行性提供了基础。然而，这种声学方法明显地受到来自下游部件（例如消声器，管道接头等）的声反射的影响。因此，抑制反射并确定真实声源是开发监测方案的关键任务。
另一方面，线性不变的假设不符合发动机的现实情况。在大多数情况下，发动机发出具有高振幅的声波形。进一步通过反射叠加，总体声波很容易达到非线性水平。这将导致传播期间波形的频移。此外，发动机发出的声信号不是严格随时间保持不变的，因为排气阀的操作过程是与时间高度相关。最近已经进行了的几项研究[21,23]探索了这个问题，并且已经获得了一些改进方法。然而，考虑到这两个方面将使计算过程变得非常复杂。为了达到状态监测的目的，所开发的方法必须容易且简单地能够在线或在现场实施。因此，研究使用线性不变模型来定义发动机系统是实现有效的状态监测系统的首选。
此外，检测轻微故障是另一个需要执行的任务。在以前大多数的研究中，频域分析就足以完成这个任务。然而，该方法在面对具有随机噪声的小故障信号的时候，作用不佳。与此相反，进行时域波形分析能实现这一点。因此，本文将仔细研究在各种条件下的故障声波波形。
2.2.源的确定
在Boden的综述文章中[18]讲解了以前的工作和可用于估计线性单端口源特性的测量方法包含。他们将现有的测量方法分为两组。第一组中的方法需要使用外部声源，而第二组中的方法需要使用外部负载。当能在源平面上进行复杂的压力测量时，本文将有助于第二组方法的实现。在这种情况下，如果等效源随时间不变，则可以通过仅使用两个外部负载来确定单端口源的特性。这被称为双负载方法。
如图2所示，柴油发动机的燃烧和排气系统可以被建模成由长直管道连接源（发动机及其歧管）和下游消声器组成的的声学系统。在图2中，位置0代表参考平面; 位置1和2是安装两个压力传感器的位置。PI和PR分别表示向前（远离发动机）和向后（从消声器反射）传播的压力波。
对于平面波传播，前向波PI和后向波PR表示为：
（4）
其中omega;是角频率， k = omega;/c是波数，t是时间，x是距离，。
图.2.柴油发动机和排气系统的示意图。
然后，前向速度和后向速度vI和vR可以分别表示为
（5）
因为在位置1处测量的压力是：
（6）
在位置2是：
（7）
通过求解方程组 （6）和（7），前向波Pi和后向波Pr可以由压力P1和P2以及传感器位置l1和l2表示：
（8）
因此，参考平面x = 0处的压力P0可以表示为：
（9）
该位置的体积速度为：
（10）
然后，可以获得参考阻抗：
（11）
应当注意，等式（10）和（11）中的P0和v0只是参考参数，不能直接用来直接描述声源。由图1中的等效电路可得，声源的压力和声阻抗Ps和Zs可以通过P0和v0获得：
（12）
由于公式（12）中有两个未知数Ps和Zs。当源保持恒定时，只需要两个方程就能确定它们。这意味着必须向源施加两个不同的声学负载以构成两个参考条件：
（13）
这也是将该方法称为双负载方法的原因。 根据公式（13），Ps和Zs可以推导为：
（14）
等式（14）表明为了获得源阻抗和压力，必须使用两个不同的声学负载。这可以以许多方式实现，例如使用两个不同的消声器或可变长度的排气管道。然而，根据误差分析结果[19]，当其中一个负载阻抗远小于或远大于另一个时，Zs和Ps的结果可能会产生小于1％的小误差。为了易于实施，可以使用简单的节流阀来稍微调节排气流，这在下面的部分中将详细描述。
此外，为了计算效率，在频域中进行源阻抗和压力的计算。为了获得它们，在时域中测量的压力信号必须首先通过快速傅里叶变换转换到频域。然而，当声负载改变时，难以保持发动机的状态恒定。如果时间间隔是严格的，这将导致波形的缩小。而波形缩小将导致FFT（快速傅里叶变换）中产生误差。为了避免该误差，使用将单次积分波形调整为标准时间段的算法。
3.实验技术
3.1.测试系统
在这项工作中使用的所有实验数据都是是从一台FSD 425型号四缸2.5升直接喷射柴油发动机上收集的。发动机的主要规格参数如表1所示。发动机被连接到水力测功器，使得可以向发动机施加不同的负载以用于声学特性的研究。
为了实现双负载声阻抗测量，将一个特殊的排气系统安装到发动机上。如图3和4所示，废气可以由通过装有两个节流阀的Y型接头连接起来的两个不同的排气系统流出。使用这种构造可以对发动机源应用至少三个不同的声负载，通过调节两个节流阀的开关来实现，形成下面三种配置：（1）两个阀都打开；（2）阀A打开，阀B关闭；（3）阀B打开，阀A关闭。可以将这三种配置通过两两组合来形成三种组合，用来进行阻抗计算。计算结果发现使用这三种组合获得的结果彼此接近。因此，下面仅使用配置2和3之间的组合来进行阻抗计算。
表格1
测试发动机规格
|
排量 |
2496mm3 |
|
发火顺序 |
1-2-4-3 |
|
燃油喷射压力 |
250bar |
|
缸径 |
93.67mm |
|
冲程 |
90.54mm |
|
压缩比 |
19:1 |
|
排气阀打开角 |
51°BBDC |
|
排气阀关闭角 |
13°ATDC |
|
进气阀打开角 |
13°BTDC |
|
进气阀关闭角 |
39° |
图.3.压力传感器在发动机排气管上的位置。
图.4.声负载控制阀。
两个压力传感器和温度传感器安装在沿着图3所示的排气管的直线部分的两个不同位置上。从这两个位置测量的波形受管形状变化的影响最小。两个压力传感器之间的距离为320 mm。该距离确保在20到800Hz之间的频率范围内计算是精确的
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