一種多缸柴油機燃燒故障的循環極坐標圖診斷方法
【專利摘要】本發明公開了一種多缸柴油機燃燒故障的循環極坐標圖診斷方法，通過提取柴油機運行中曲軸轉速信號的循環波動特征，實現柴油機各個氣缸組燃燒故障狀態的識別。該方法使用轉速信號中的特定諧波分量作為標尺，對柴油機轉速波動曲線中各氣缸組的主要做功范圍進行劃分；計算柴油機單個運轉周期中各氣缸組主要做功范圍內的轉速波動均值作為各氣缸組的做功評價指標，按照柴油機的發火順序，將連續運行中各氣缸組做功評價指標的循環波動差值以極坐標的排列形式構成循環極坐標圖；根據循環極坐標圖的畸變程度和畸變位置對柴油機燃燒故障的程度和位置進行識別，該診斷方法結果可靠，實時性好，是一種適用于多缸柴油機的可視化診斷方法。
【專利說明】
一種多缸柴油機燃燒故障的循環極坐標圖診斷方法
技術領域
[0001] 本發明屬于柴油機故障診斷領域，具體涉及一種多缸柴油機燃燒故障的循環極坐 標圖診斷方法。
【背景技術】
[0002] 柴油機自誕生以來，在人類生產生活中一直扮演著舉足輕重的角色，一旦產生故 障，會造成一系列的安全問題、經濟問題和環境問題。簡便而及時地發現柴油機的異常工作 狀態，防患于未然，是現代工業綠色生產、健康運行的客觀需求。
[0003] 在針對柴油機燃燒故障的診斷方法中，基于瞬時轉速信號的診斷方法與基于振動 信號、氣缸壓力信號和聲發射信號的診斷方法相比較而言，具有簡潔、準確、低成本等諸多 優點。作為柴油機重要性能指標之一的瞬時轉速信號，其波動特性和趨勢反映了柴油機各 氣缸組的做功狀態和整體運行的均勻一致性。在正常狀態下，柴油機的各氣缸組燃燒做功 時會對曲軸產生基本一致的波動影響，雖不可能完全相同，但差異處在一個很小范圍內，一 旦其中某一個氣缸組產生故障，就會對這種運行的一致性造成破壞而引起整體失衡，通過 分析各氣缸組做功時瞬時轉速信號的循環波動特征及其變化趨勢，就可以實現柴油機燃燒 故障的識別與定位。
[0004] 現有的基于瞬時轉速信號的燃燒故障診斷技術大多需要充足的故障樣本作為診 斷基礎，才可以利用制定閾值或者模式識別等方式來進行故障判別，這樣的診斷方式往往 面臨程序繁瑣、準確性差、只適用于單一機型、故障樣本難以獲取等技術難題，不利于工程 上的技術實現。發明一種簡單、可靠、通用性強的在線可視化診斷方法，對于該技術的實際 應用與柴油機的視情維修具有很好的促進作用。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于克服上述不足，提供一種多缸柴油機燃燒故障的循環極坐標圖 診斷方法，該方法使用諧波標尺準確構造了柴油機各氣缸組的做功評價指標，通過循環極 坐標圖的形式表示各氣缸組做功評價指標在柴油機運行中的循環波動差值特征，根據循環 極坐標圖的形狀畸變特征實現柴油機燃燒故障的識別與定位。
[0006] 為了達到上述目的，本發明包括以下步驟：
[0007] 步驟一，通過安裝在柴油機曲軸飛輪端處的兩個霍爾傳感器與高速數據采集儀器 采集曲軸的原始轉速方波信號S。和標記止點信號S TDC;
[0008] 步驟二，使用諧波標尺對柴油機轉速波動曲線中各氣缸組的主要做功范圍進行劃 分；
[0009] 步驟三，在劃分的區域內構造各氣缸組的做功評價指標，按照柴油機的發火順序， 將連續運行中各氣缸組做功評價指標的循環波動差值以極坐標的排列形式構成循環極坐 標圖，根據循環極坐標圖的畸變程度和畸變位置對柴油機燃燒故障的程度和位置進行識 別。
[0010] 所述步驟二中，使用諧波標尺準確構造了柴油機各氣缸組的做功評價指標，通過 將原始轉速方波信號S。轉化為瞬時轉速信號S:，對瞬時轉速信號5:分別采用低通濾波和傅 立葉帶通濾波處理，獲取轉速波動信號S。以及用于精確劃分轉速波動信號S。中體現各氣缸 組主要做功范圍的諧波標尺信號。
[0011] 所述步驟二中，使用諧波標尺對柴油機轉速波動曲線中各氣缸組的主要做功范圍 進行劃分的過程包括以下步驟：
[0012] 第一步，根據原始轉速方波信號S。中各個波形周期之間的微小時間間隔A ^求取 瞬時轉速信號S:，每個時間間隔內的平均轉速的計算方法為：
[0014] 其中，Nt為曲軸飛輪上的輪齒數；
[0015] 第二步，采用低通濾波處理技術，去除瞬時轉速信號一:中的高頻干擾項，得到有效 的轉速波動信號&，其截止頻率fP的設置方式如下：
[0016] fp = vfc
[0017]其中，fc為柴油機的轉頻，信號S沖的最高簡諧次數v>24;
[0018]第三步，采用傅立葉帶通濾波技術提取轉速波動信號Sf中的特定諧波分量Sh，將其 作為一種精確劃分轉速波動信號Sf中柴油機各氣缸組主要做功范圍的標尺，該諧波標尺分 量Sh的頻率fh計算方式如下：
[0020] 其中，N。表示柴油機氣缸組的數目，在柴油機為均勻發火形式時，單個氣缸構成一 個氣缸組;而當柴油機為非均勻發火形式時，發火間隔較近的兩個氣缸合并為一個氣缸組；
[0021] 第四步，以標記止點信號STDC為參照，使用諧波標尺分量Sh對轉速波動信號Sf進行 劃分，得到對應于每個氣缸組主要做功范圍T c( i)內的轉速波動值集合：
[0022] Vi=[ A ?i(l)，A ?i(2)，A ?i(3)，."，A ?i(nh)]T，i = l，2,…Nc
[0024] 其中，nh表示每個氣缸組主要做功范圍Tc內的數據點總量。
[0025] 所述步驟三中，在劃分的區域內構造各氣缸組的做功評價指標，包括計算柴油機 單個運轉周期中各氣缸組主要做功范圍內的轉速波動均值作為各氣缸組的做功評價指標。
[0026] 所述步驟三中，根據循環極坐標圖在實時運行狀態中的畸變程度和畸變位置對柴 油機燃燒故障的程度和位置進行識別，步驟如下：
[0027] 第一步，求取第i個氣缸組主要做功范圍Tc(i)內的轉速波動值集合的均值作為該 氣缸組的做功評價指標Ci: ' ％ 、
[0028] C,=碑（n) /%, i = l，2,…風. V J
[0029] 第二步，構造單個柴油機運行周期內的做功評價指標趨勢集合Dd:
[0030] Dd(i) =Dp(i)_min(Dp)，i = l，2,…Nc
[0031] 其中，
[0032] & =[C; C2 ~CV T
[0033]第三步，計算柴油機運行狀態中做功評價指標趨勢集合Dd的循環波動差值集合Dc:
[0034] Dc(i)=Ddj(i)_Ddk(i)，i = l，2,…Nc
[0035] 其中，j、k分別表示兩個不同的柴油機運轉周期，它們之間為連續或間斷；
[0036] 第四步，以柴油機的發火時序為順序，將循環波動差值集合D。按照極坐標圖的形 式進行排列，從而得到循環極坐標圖，根據運行過程中循環極坐標圖的形狀畸變特征來識 別故障，形狀的畸變起點用于故障氣缸組的定位，其畸變程度用于判別燃燒故障的嚴重程 度。
[0037] 與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
[0038] 1、本發明所使用的循環極坐標圖診斷方法使用簡便，無需繁瑣的信號處理過程， 診斷的結果直觀易懂，便于實際工程應用；
[0039] 2、本發明中所涉及的診斷方法無需建立典型的故障樣本數據庫作為參照，具備在 柴油機運行條件下自主監測異常燃燒狀態及其變化趨勢的功能；
[0040] 3、本發明采用瞬時轉速信號中的諧波分量作為標尺，實現了各氣缸組主要做功范 圍的精確劃分及做功評價指標的準確計算；
[0041] 4、反映柴油機各氣缸組整體運行狀態的循環極坐標圖，既可以用于表示燃燒故障 嚴重程度，也可以體現故障的位置所在，相比于其他診斷技術而言，由于不需要進行頻譜分 析和故障模式識別的訓練，所需處理的數據量大大減少，在實時診斷中十分具有優勢。
【附圖說明】
[0042] 圖1為本發明柴油機曲軸飛輪端采集的初始轉速方波信號和標記上止點信號； [0043]圖2為本發明計算所得的柴油機瞬時轉速信號的頻譜圖；
[0044] 圖3為本發明受高頻電磁干擾的瞬時轉速信號和經過低通濾波處理后所得的轉速 波動曲線圖；
[0045] 圖4為本發明用于劃分轉速波動曲線中柴油機各氣缸組主要做功范圍的諧波標尺 圖；
[0046] 圖5為本發明在三種典型狀態下應用循環極坐標圖法得到的柴油機燃燒故障診斷 結果圖，其中，a代表正常狀態，b代表輕微故障狀態，c代表嚴重故障狀態；
[0047]圖6為本發明的流程圖。
【具體實施方式】
[0048] 下面結合附圖對本發明做進一步說明。
[0049] 本發明提出的基于曲軸瞬時轉速波動信號循環極坐標圖的多缸柴油機故障診斷 方法，是一種快速的時域可視化診斷方法。它采用諧波標尺對各氣缸組的主要做功范圍進 行劃分從而實現了做功評價指標的準確計算;利用做功評價指標的循環波動差值構造循環 極坐標圖，在柴油機燃燒故障狀態下，循環極坐標圖的幾何形狀將產生畸變，畸變本質上反 映的是氣缸組燃燒故障引起的整體一致性的失衡，畸變程度和位置可以反映故障等級和故 障位置。本文以非均勻發火十六缸四沖程柴油機的燃燒故障診斷過程為例。
[0050] 圖1中所示為本發明使用所需要的兩路信號，一路是標記止點信號STDC，另一路是 初始轉速方波信號S。，兩種信號使用同樣的兩個霍爾傳感器與數據采集儀器相結合進行采 集。標記止點信號并不一定是柴油機某一缸的真實上止點，可以通過盤車獲得標記止點與 真實上止點之間的相位差，從而滿足各氣缸的定位需要。初始的轉速方波信號的形成是由 于在曲軸飛輪端上存在若干輪齒，每個輪齒經過傳感器時都會造成一次矩形波的形成，轉 動一圈就有與齒數相同周期數的方波信號。采集信號時，需要在柴油機轉速相對穩定的時 候進行。
[0051] 圖1中根據初始轉速方波信號中各個周期之間的微小時間間隔A 可準確求取瞬 時轉速信號S〗，本文使用的柴油機曲軸飛輪上的輪齒數Nt為280,因此在一個運轉周期（曲軸 轉動兩圈）內，所產生的時間間隔為560個。每個時間間隔內的平均轉速的計算方法為：
[0053]圖2所示的是柴油機瞬時轉速信號3〗的頻譜圖（該例中柴油機轉速為835r/min，轉 頻為13.92Hz )，可見有效頻率成分在200Hz以后十分微弱，可忽略不計。
[0054] 圖3所示的是在柴油機一個運轉周期內的瞬時轉速信號，由于受到高頻電磁干擾 的影響，信號中的轉速波動特征并不明顯。采用低通濾波處理技術，去除瞬時轉速信號Sj* 的高頻干擾項，得到有效的轉速波動信號&，其截止頻率f P的設置方式如下：
[0055] fp = vfc
[0056]其中，fc為柴油機的轉頻，信號Sf中的最高簡諧次數v多24,轉速波動信號中的有效 諧波成分得以保留。本例中截止頻率設置為24 X 13.92 = 334.08(Hz )，可見，濾波后的轉速 波動曲線能夠清楚地反映柴油機各氣缸組做功時對轉速波動的整體影響效果。
[0057]圖4中所示的為諧波標尺信號，采用傅立葉帶通濾波技術提取轉速波動信號Sf中 的特定諧波分量Sh，將其作為一種精確劃分轉速波動信號Sf中柴油機各氣缸組主要做功范 圍的標尺，該諧波標尺分量Sh的頻率fh計算方式如下：
[0059] 其中，N。表示柴油機氣缸組的數目，在柴油機為均勻發火形式時，單個氣缸構成一 個氣缸組;而當柴油機為非均勻發火形式時，發火間隔較近的兩個氣缸合并為一個氣缸組。 本文針對非均勻發火的16缸四沖程柴油柴油機，因而氣缸組N。數目為8,采用瞬時轉速波動 信號的4次諧波作為信號標尺，即fh= 13.92 X 8/2 = 55.68Hz。
[0060] 圖4中所示的虛線正弦波形表示諧波標尺，雙箭頭之間的區域代表某個氣缸組的 主要做功范圍Tc (i )，本例中在Tc( i)時間段內的可計算的轉速波動曲線的樣本點共有70個， 可表達為：
[0061] Vi=[ A ?i(l)，A ?i(2)，A ?i(3)，...，A ?i(nh)]T，i = l，2，."8
[0062] 其中：
[0064]圖4中，求取第i個氣缸組主要做功范圍Tc(i)內的轉速波動值集合的均值作為該 氣缸組的做功評價指標Ci:
[0066] 構造單個柴油機運行周期內的做功評價指標趨勢集合Dd:
[0067] Dd(i) =DP(i)_min(DP)，i = l，2, ."8
[0068] 其中，
[0069] DP=[Ci C2 ??? Cs]T
[0070] 圖5中所示的循環極坐標圖的構造方法為:計算柴油機運行狀態中做功評價指標 趨勢集合Dd的循環波動差值集合Dc:
[0071] Dc(i)=Ddj(i)-Ddk(i)，i = l，2，."8
[0072] 其中，j、k分別表示兩個不同的柴油機運轉周期，它們之間可以連續也可以間斷。
[0073] 以柴油機各氣缸組的發火時序為順序，以極坐標圖的形式排列循環波動差值集合 D。，從而得到循環極坐標圖，用以表征柴油機各氣缸組燃燒狀態的整體變化趨勢。
[0074] 圖5中所示的是在柴油機三種不同狀態下使用循環極坐標圖的分析診斷結果，圖 的刻度范圍為-0.5~3。如圖5的a所示，在正常狀態下，循環極坐標圖的各點值基本保持在0 附近，表示柴油機各缸工作時的整體動力性能未發生明顯變化，曲軸運轉平穩性較好；圖5 的b所示為柴油機輕微故障(本文以A5單缸噴油故障為例），可見循環極坐標圖的形狀產生 畸變，不再均勻分布在〇刻度附近，在故障氣缸組B7A5之后，循環極坐標圖中的數據點距離0 刻度的距離最小，之后按照發火順序(順時針排列）呈螺旋上升趨勢，至故障氣缸組B7A5缸 之前，距離〇刻度的距離最大。本文以循環極坐標圖上最大值與最小值之間的數據點作為畸 變點。因此，在確定了循環極坐標圖的最大值(B3A7處)與最小值(B5A1)的位置后，兩者中間 的畸變位置即代表著故障氣缸組B7A5的位置，極半徑的最大值可用于表征故障的嚴重程 度。圖5的c中所示為嚴重故障(A5缸停油故障）狀態下的診斷結果，可見循環極坐標圖的形 狀按照發火順序趨勢同樣是螺旋上升，畸變點為B7A5,圖5的c中循環極坐標圖畸變點之后 的數據值均大于圖5的b中的對應值，極坐標圖中不規則部分的面積繼續增大，形狀畸變更 嚴重，反映了故障程度的增加。
[0075] 綜上所述，本發明提出的燃燒故障循環極坐標圖診斷方法既可以反映柴油機的故 障等級，也可以用于故障氣缸組的定位，可作為一種在線的可視化故障診斷工具。經過多工 況條件下的故障實測數據驗證，該方法有效可靠，且便于工程實現。
【主權項】
1. 一種多缸柴油機燃燒故障的循環極坐標圖診斷方法，其特征在于，包括W下步驟： 步驟一，通過安裝在柴油機曲軸飛輪端處的兩個霍爾傳感器與高速數據采集儀器采集 曲軸的原始轉速方波信號Sd和標記止點信號Stdc; 步驟二，使用諧波標尺對柴油機轉速波動曲線中各氣缸組的主要做功范圍進行劃分； 步驟=，在劃分的區域內構造各氣缸組的做功評價指標，按照柴油機的發火順序，將連 續運行中各氣缸組做功評價指標的循環波動差值W極坐標的排列形式構成循環極坐標圖， 根據循環極坐標圖的崎變程度和崎變位置對柴油機燃燒故障的程度和位置進行識別。2. 根據權利要求1所述的一種多缸柴油機燃燒故障的循環極坐標圖診斷方法，其特征 在于，所述步驟二中，使用諧波標尺準確構造了柴油機各氣缸組的做功評價指標，通過將原 始轉速方波信號Sd轉化為瞬時轉速信號Si,對瞬時轉速信號Si分別采用低通濾波和傅立葉 帶通濾波處理，獲取轉速波動信號SoW及用于精確劃分轉速波動信號S。中體現各氣缸組主 要做功范圍的諧波標尺信號。3. 根據權利要求1所述的一種多缸柴油機燃燒故障的循環極坐標圖診斷方法，其特征 在于，所述步驟二中，使用諧波標尺對柴油機轉速波動曲線中各氣缸組的主要做功范圍進 行劃分的過程包括W下步驟：第一步，根據原始轉速方波信號Sd中各個波形周期之間的微小時間間隔A ti求取瞬時 轉速信號Si，每個時間間隔內的平均掉;巧傳韋?'法*: 其中，Nt為曲軸飛輪上的輪齒數； 第二步，采用低通濾波處理技術，去除瞬時轉速信號Si中的高頻干擾項，得到有效的轉 速波動信號Sf,其截止頻率fp的設置方式如下： fp = Vfc 其中，fc為柴油機的轉頻，信號S沖的最高簡諧次數v>24; 第=步，采用傅立葉帶通濾波技術提取轉速波動信號Sf中的特定諧波分量Sb,將其作為 一種精確劃分轉速波動信號Sf中柴油機各氣缸組主要做功范圍的標尺，該諧波標尺分量化 的頻率fh計算方式如下：其中，N。表示柴油機氣缸組的數目，在柴油機為均勻發火形式時，單個氣缸構成一個氣 缸組;而當柴油機為非均勻發火形式時，發火間隔較近的兩個氣缸合并為一個氣缸組； 第四步，W標記止點信號Stdc為參照，使用諧波標尺分量Sh對轉速波動信號Sf進行劃分， 得到對應于每個氣缸組主要做功范圍Tc( i)內的轉速波動值集合： Vi=[ A Oi(I), A ?i(2)，A ?i(3)，...，A ?i(nh)]T，i = l，2,…Nc其中，趾表示每個氣缸組主要做功范圍Tc內的數據點總量。4. 根據權利要求1所述的一種多缸柴油機燃燒故障的循環極坐標圖診斷方法，其特征 在于，所述步驟=中，在劃分的區域內構造各氣缸組的做功評價指標，包括計算柴油機單個 運轉周期中各氣缸組主要做功范圍內的轉速波動均值作為各氣缸組的做功評價指標。5.根據權利要求1所述的一種多缸柴油機燃燒故障的循環極坐標圖診斷方法，其特征 在于，所述步驟=中，根據循環極坐標圖在實時運行狀態中的崎變程度和崎變位置對柴油 機燃燒故障的程度和位置進行識別，步驟如下： 第一步，求取第i個氣缸組主要做功范圍Tc(i)內的轉速波動值集合的均值作為該氣缸 組的做功評價指標Ci:第二步，構造單個柴油機運行周期內的做功評價指標趨勢集合Dd: Dd(i)=Dp(i)-min(Dp)，i = l，2，...Nc 其中，第=步，計算柴油機運行狀態中做功評價指標趨勢集合Dd的循環波動差值集合Dc: Dc(i)=Ddj(i)-Ddk(i)，i = l，2,…Nc 其中，j、k分別表示兩個不同的柴油機運轉周期，它們之間為連續或間斷； 第四步，W柴油機的發火時序為順序，將循環波動差值集合D。按照極坐標圖的形式進行 排列，從而得到循環極坐標圖，根據運行過程中循環極坐標圖的形狀崎變特征來識別故障， 形狀的崎變起點用于故障氣缸組的定位，其崎變程度用于判別燃燒故障的嚴重程度。
【文檔編號】G01M15/04GK105910828SQ201610256980
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月22日
【發明人】訾艷陽, 張明泉, 成瑋, 王宇, 陳景龍, 牛藺楷, 王帥, 萬志國, 李青, 李一青
【申請人】西安交通大學