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基于瞬时角速度的柴油机故障诊断
杨建国，濮里俊，王志华，周奕辰，严新平
柴油机的瞬时角速度包含了很多有关气缸压力的信息，这些信息可以用来诊断有关燃烧方面和气缸压力的故障，比如燃油系统里燃油泄漏，还有气阀的泄漏等等。在本文中，将用一个动力学模型来模拟瞬时角速度和小型四缸柴油机瞬时角速度波形。由空气压力和垂直不平衡惯性力产生的切向力用推荐的动力学模型来依次计算和分析。它的结论是，气体的压力和垂直不平衡惯性力对瞬时角速度有很大的影响。基于动力学模型的瞬时角速度波动率的模拟结果已经被实验结果证明。在实验室环境中分别测量燃油泄漏和正常情况下不同发动机转速和负荷的瞬时角速度信号波形。成功获得了检测气缸压力故障的特征参数。因此，开发和应用这种诊断技术进一步使用瞬时角速度去检缸内气体压力故障是有研究价值的。
- 引言
柴油机的气缸压力包含很多的信息，这些信息反映了柴油机的工作状态以及燃烧效率，直接测量气缸压力是不切实际的，因为在实际应用中，在气缸内安装压力传感器是很困难并且不经济的。相比之下，测量柴油机的瞬时角速度是很实用、经济、可靠且无破坏性的，瞬时角速度是和气缸压力与作用在曲轴上的动力矩紧密相关的，因此，通过分析瞬时角速度来诊断燃烧故障和其他影响气缸压力的故障是可行的。很多研究人员自从上世纪八十年代末开始关注这个问题，例如Rizzoni，Maner，Citro等。
最近，对发动机瞬时角速度的研究主要集中在瞬时角速度信号的后期处理，例如微波分析，以及神经网络的分析。在本文中，将用一个动力学模型来模拟瞬时角速度和小型四缸柴油机瞬时角速度波形。基于动力学模型的瞬时角速度波动率的模拟结果已经被实验结果证明。气缸压力和垂直不平衡惯性力在瞬时角速度波形图上产生的影响将在动力学模型中进行详细的分析。瞬时角速度的基本参数在模拟结果中找到，垂直不平衡惯性力和气缸压力是影响瞬时角速度波形的主要因素。燃油系统中燃油的泄漏实验在实验室环境里四缸柴油机上进行，并且在这种情况下，瞬时角速度信号被测量和处理。获得了气缸压力故障诊断的特征参数。目前的模拟和实验证实了基于分析瞬时角速度信号的诊断技术有潜力用来当成在线发动机工作状态监控系统去探测有关气缸压力的故障。
2.建模及实验模型
2.1建模
在引入一个简化的四冲程单缸柴油机动力学模型之前，将瞬时角速度波动率定义为瞬时角速度与平均角速度的比，即：
（1）
柴油机的瞬时角速度波动率与作用在曲轴上的总动力矩波动紧密相关，影响总动力矩的因素有气缸压力、垂直不平衡惯性力、摩擦力、发动机负载等等。一个简化的四冲程单缸柴油机的动力学模型在图1中展示，力矩平衡方程式由以下推导（附录A）
(A1)
图1 单缸柴油机动力学模型
曲轴偏转角theta;是时间t的函数，Io 是动力装置的惯性力矩（包括柴油机，电动机，以及柴油机和电动机之间的动力传输机构），TL是动力装置的负荷扭矩，Tx是多缸柴油机的总动力矩。
平均瞬时角速度在一个稳定运行的条件下是一个常量，表达式如下（附录A）
（A13）
根据柴油机的运动学和动力学特性，瞬时角速度推导如下（附录A）
= (A14)
在方程式(A14)中，第一个条件是瞬时角速度波动由所有气缸的压力引起，第二个条件是瞬时角速度波动由所有气缸往复不平衡惯性力引起，最后一个条件是不影响瞬时角速度波动的DC量，瞬时角速度波动与每个气缸的压力密切相关，当影响到气缸压力的故障产生时，例如，燃油泄漏或气缸泄漏时，故障气缸产生的功率将会降低，且传送给总动力矩也会减少，就造成了瞬时角速度波动率的波形失真，因此，瞬时角速度波动率波形可以用来探测气缸压力的故障。
通常，很难精确的得到动力装置的惯性力矩（Io）且实际的瞬时角速度波形也是很难确定的。从方程A13和方程A14可知，瞬时角速度波动率可以在惯性力矩（Io）未知的情况下计算得出：
（2）
瞬时角速度波动率主要影响因素为气缸压力和垂直不平衡惯性力。
2.2. 模拟实验
为了验证动力学模型对于瞬时角速度的有效性而且为了找到瞬时角速度波动率波形的基本特征，因此用MATLAB执行电脑模拟实验，选择一个小型四缸柴油机在动力学模型上来模拟瞬时角速度波动率波形，由于瞬时角速度波动率波形与作用在曲轴上的总动力矩和总动力扭矩曲线相关，单缸和四缸柴油机上的气缸压力和垂直不平衡惯性力产生的扭矩曲线将分别进行计算和分析。惯性力矩对于瞬时角速度波动率波形的影响将在之后详细研究。在不同柴油机转速和负载下产生的角速度波动率波形进行模拟和分析，将模拟结果在时域中标绘出来进行对比。
表1
2.2.1.柴油机的技术规格
选用一个中央冷却四缸四冲程柴油机（型号4120SG）进行模拟实验。其技术规格如表1.
2.2.2.扭矩的计算
为了计算由柴油机气缸压力和动力矩产生的扭矩且模拟角速度波动率波形，必须要提供测量好的指示压力图。石英压力传感器通过在气缸盖上打的孔安装在气缸内。在实验室环境中用压力传感器和负载放大器测出在不同转速和负载下的指示压力图，并且由AVL LSP651数字分析仪进行处理。同时，用电磁传感器测出上止点信号。图2为测量得出的指示压力图，图3展示了计算得出的单缸转矩曲线，气缸的压力和垂直不平衡惯性力组成了单缸的总动力矩。
由多缸柴油机的垂直不平衡惯性力产生的扭矩是多个气缸由发火阶段和发火顺序产生的扭矩的总和。惯性力矩包括柴油机回转频率谐波方程。如方程A10中展示的冲程数和气缸数可以消除一些垂直力矩。例如在四缸四冲程柴油机中，惯性力矩表达式为
（3）
图4为四缸四冲程柴油机的转矩曲线，可以看到主要影响惯性力矩的柴油机的第二个循环频率。随着柴油机循环频率的增长，惯性力矩占总动力矩的比例也相应的在增长。正如方程式A8所示。
图2
图3
这个结果造成了角速度波动率波形的变化，根据柴油机发火顺序和发货阶段，所有气缸内的压力造成了柴油机总动力矩的波动。显然，净功力扭矩的波动取决于垂直不平衡惯性力和气缸压力。
2.2.3.模拟试验结果
为了确定四缸柴油机瞬时角速度波动率波形中的往复不平衡惯性力和气缸压力，在不同的柴油机转速和负载下，模拟出多次瞬时角速度波动率波形和总动力矩曲线。图5展示了在不同柴油机转速和相同负载下的模拟实验结果。很显然在低转速下，瞬时角速度波动率波形只有一个最高值，且气缸内的压力主要造成了主动力矩和瞬时角速度波动率波形随着转速的增加，垂直不平衡惯性力也明显增长。这造成了在压缩和做功冲程（180°曲柄角）瞬时角速度波动率波形上的两个最高值。瞬时角速度波动率波形的第一个峰值由气缸压力造成，第二个峰值由垂直不平衡惯性力造车。在高转速发动机中由垂直不平衡惯性力产生的波动比大于由气缸压力产生的波动比
图 4
另外一个影响瞬时角速度波动率波形的重要因素是与柴油机负载有关的气缸压力。图6展示了在不同柴油机负载和相同转速情况下的模拟实验结果，随着气缸压力的增加和由于转速不变垂直不平衡惯性力也不变，气缸压力对瞬时角速度波动率波形的影响也相应增大。
柴油机的瞬时角速度的物理特性在这个模拟实验的结果中揭露，虽然柴油机和负载设备之间的弹性构件没有考虑，但瞬时角速度波动率波形中的两个峰值分别由气缸压力和垂直不平衡惯性力造成。模拟的瞬时角速度波动率结果可以用来解释说明测量得到的瞬时角速度结果，也可以用来选择适当的负载和转速从而诊断气缸压力相关的故障。因此，从模拟实验的结果中也许可以得到更加灵敏的特征参数来用于故障诊断。
3.实验
除了详细的模拟实验研究得出瞬时角速度波动率波形上气缸压力和垂直不平衡惯性力的波形外，还要进行物理实验来核实模拟实验的结果。
3.1.实验台的设置
建造好一个实验台，由以下几个部分组成：一台型号为4120SG的柴油机，一台电动机，一个连接柴油机和电动机控制设备的动力传动装置。柴油机可以由电动机从传动装置驱动，也可以消耗能量来驱动发电机发电。控制设备可以通过改变电动机的励磁电流来调整柴油机的转速和负载。
利用安装在柴油机上的电磁传感器将瞬时角速度信号和上止点信号同时用作飞轮齿圈和另一个金属齿轮上的触发信号。用电脑上的PCI-MIO-16E-1StarterKit软件对信号取样。
图5
图6
3.2.信号的处理
在测量过的瞬时角速度心哈取样后，获得了离线时间序列的瞬时角速度信号｛x1，x2，x3，hellip;,xn｝。图7显示了连续0值信号的计算图解。0值离散时间序列信号｛P1,P2,P3,hellip;,Pm｝由时间连续信号计算得出
（4）
图7
当xjxj 1le;0时，离散序列瞬时角速度信号｛n1，n2，hellip;,nm-1｝可以计算得出
（5）
Fx是取样频率，z是飞轮齿数，离散序列信号｛n1，n2，hellip;，nm-1｝用MATLAB中的Signal Processing Toolbox的数字过滤功能来清除瞬时角速度信号的噪声信号。
由于负载的不稳定状态，当柴油机运行时速度调节特性和其它随机的因素，测量得到的瞬时角速度波形可能会失真，为了消除由不稳定因素引起的波形失真，用MATLAB来执行瞬时角速度的平均处理。在四冲程柴油机的一个循环当中，瞬时角速度的序列数是一个常数（w=4z），所以在第N个柴油机循环中，平均瞬时角速度序列｛v1，v2，hellip;..，vw｝可以表示为：
（i=1,2，hellip;,w）. （6）
3.3.模拟实验与物理实验的对比
图8展示了物理实验和模拟实验瞬时角速度波动率波形结果之间的对比，模拟实验和测定的瞬时角速度波动率波形的形状和大小具有很强的相似之处。模拟实验的结果在低转速的情况下与测量的结果更相似。在不同柴油机的转速下，物理实验结果和模拟实验的结果的瞬时角速度波动率波形趋势一致。这种一致性表明了电脑模拟实验中数学动力学模型获得了瞬时角速度波动率波形的基本特征。尤其是在低柴油机转速下。但是，物理实验结果比模拟实验结果波动更大。原因是模拟实验结果对于所有气缸来说是依据相同的指示压力图。假设忽略与作用在曲轴上的总动力矩相关的气缸间活塞的尺寸和重量，连杆和其他部件的不同。再假设稳定运行中的柴油机负载力矩是不变的。但是在现实柴油机中，这是不完全正确的。实际上，在多缸柴油机中，气缸压力和运动部件的尺寸和重量在不同气缸间是不同的。在大量的柴油机循环中，以上两个因素的平均值必须保持平衡，从而使柴油机稳定运行。可以确定的是在压缩和做功阶段，是气缸压力和垂直不平衡惯性力导致了瞬时角速度波动率波形上的两个峰值。
图8
4.故障诊断的方法
在一台柴油机中，有许多和气缸压力相关的故障，例如阀门泄漏、燃油泄漏、活塞和气缸套的严重磨损等等。在本文中，选择模拟燃油泄漏作为典型的故障，利用瞬时角速度波动率波形来诊断。
柴油机的瞬时角速度波动率从燃烧的开始阶段上止点的最小值变化到燃烧阶段终点的最大值。在一个多缸柴油机中，做功从一个缸的燃烧阶段驱动另一个缸的其他循环阶段。由一个缸燃烧和另一个缸压缩产生的气缸压力造成的瞬时角速度的最大值基本上是净功率转矩的函数。柴油机的瞬时角速度在正常的情况下由于各气缸压力是相同的。所以应该表现出周期性和一致性。在柴油机故障的情况下。一缸或多缸故障造成了所有气缸燃烧阶段气缸压力的变化且造成了瞬时角速度的变化。因此，瞬时角速度的变化可以用来识别柴油机中气缸压力的故障。例如，燃油泄漏。在不同情况下得出的模拟和测量的瞬时角速度波动率波形。
4.1.故障设定
燃油的泄露由拧松高压油管的螺母引起，燃油泄漏量以观察为根据决定，由运行中的柴油机排气温度和气缸压力检测。燃油泄漏的第四个气缸的排气温度比正常状态降低大约10-20℃，在燃油泄漏状态下的最大气缸压力比正常状态下下降大约10%。燃油泄漏最终影响到总动力矩的畸变和柴油机瞬时角速度波动率波形的扭曲。
4.2.特征参数的整定
为了分析瞬时角速度波动率波形，基于模拟和物理实验的特征参数定义如下：
=- （7）
=- （8）
i是气缸序号，和分别是气缸压缩和膨胀阶段的瞬时角速度波动值。，和 的物理学意义在图9中展示。
4.3.模拟实验的结果
在燃油泄漏和正常情况下的瞬时角速度波动率波形在动力学模型上进行模拟实验，模拟瞬时角速度波动率波形的指示压力图在不同的情况下测量得出。图10展示了瞬时角速度波动率波形模拟实验的结果。根据柴油机发火阶段和发火顺序，瞬时角速度波动率波形从360°曲轴角变化到540°对应第四缸压缩和燃烧阶段被验证。
图10
表2
这表明了瞬时角速度波动率波形在燃油泄漏的情况下比正常情况下变化得更明显，且对应第四缸燃烧阶段的参数减少。该故障气缸比在这之前的发火气缸的压缩和燃烧阶段对瞬时角速度波动率波形的影
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