基于聲學信號的柴油機燃燒始點觀測方法研究*

朱仲文，謝 輝

(天津大學，內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072)

前言

內(nèi)燃機的一個重要發(fā)展方向是全壽命周期的清潔高效燃燒。然而，不同產(chǎn)地以及煉油工藝生產(chǎn)的柴油組分常常發(fā)生改變，導致柴油物化特性(如十六烷值)發(fā)生變化。受能源危機的影響，各種替代燃料研究得到了迅速發(fā)展，并逐漸應(yīng)用于實際發(fā)動機上。燃油系統(tǒng)的執(zhí)行器(如噴油器)在使用過程中，隨著使用時間的增加其關(guān)鍵性能參數(shù)(如流量特性)也會發(fā)生變化。燃燒系統(tǒng)本身在不同的環(huán)境參數(shù)下(如空氣濕度的影響)和使用時間的變化引起的性能參數(shù)變化(如缸內(nèi)積碳引起的壓縮比變化)也會對缸內(nèi)實際燃燒過程產(chǎn)生影響。上述影響因素，使缸內(nèi)燃燒狀態(tài)偏離預(yù)期值，導致燃燒惡化，經(jīng)濟性下降和排放增加。

面對越來越嚴格的排放法規(guī)和經(jīng)濟性要求，柴油機燃燒過程傳統(tǒng)的開環(huán)控制模式已越來越難以滿足要求。文獻［1］的研究表明，不同燃燒持續(xù)期和CA50位置可使柴油機的指示熱效率在33.30%～49.03%之間波動。文獻［2］的研究成果表明，燃料特性的變化會導致柴油機燃燒相位的改變，進而導致經(jīng)濟性和排放偏離預(yù)期值。

高壓共軌柴油機ECU通過控制燃油噴射時刻來間接控制燃燒始點，其中間過程包含噴油器的電磁延時、液力延時、機械延時和燃油進入缸內(nèi)后的滯燃期。滯燃期的長短又與缸內(nèi)的溫度場、濃度場分布和油品的物理化學屬性相關(guān)，這些因素共同決定了燃燒實際發(fā)生的時刻。實際燃燒著火時刻的變化會影響到燃燒持續(xù)期和CA50的位置，進而對經(jīng)濟性和排放性能產(chǎn)生很大的影響。

柴油機燃燒始點觀測和閉環(huán)反饋控制具有重要的現(xiàn)實意義。傳統(tǒng)的缸內(nèi)燃燒始點觀測是基于缸壓信號的分析得到［3］。然而缸壓傳感器固有的價格昂貴、使用壽命短和安裝困難的缺點制約了該方法的推廣使用［4］。

對于目前廣泛應(yīng)用的缸內(nèi)直噴式柴油機，其燃燒噪聲的能量占噪聲總能量的50%以上［5－6］，包含了豐富的缸內(nèi)燃燒過程信息。本文中通過對實驗平臺采集的高壓共軌柴油機聲學信號進行時頻聯(lián)合分析，研究柴油機聲學信號與缸內(nèi)燃燒始點之間的關(guān)系。通過在聲學信號定義特征量，建立可用于實際控制器的基于聲學信號的高壓共軌柴油機缸內(nèi)燃燒始點觀測模型。

1 實驗平臺

研究工作在一臺裝備高壓共軌燃油系統(tǒng)的排量6.5L立式直列水冷四沖程六缸柴油機上進行。實驗臺架的系統(tǒng)示意如圖1所示，發(fā)動機參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機參數(shù)

將原機的6號缸選為聲學信號實驗缸，加裝了缸壓傳感器，并在缸蓋上方8cm處加裝一頻響范圍為0.02～20kHz的駐極體傳聲器，傳聲器的主要參數(shù)如表2所示。有研究表明，內(nèi)燃機缸蓋正上方是燃燒噪聲信號信噪比最佳的測量點［7－10］。本文中傳聲器所處的位置靠近聲源，基本是直達聲場，反射聲對采集信號的影響較弱。

表2 傳聲器參數(shù)

實驗平臺數(shù)據(jù)記錄采用多通道記錄式示波器連續(xù)記錄實驗缸聲學信號、缸壓信號以及發(fā)動機角標信號和同步信號。

本文中研究的是面向發(fā)動機實際控制需求基于聲學信號的高壓共軌柴油機缸內(nèi)燃燒始點觀測方法，故聲學數(shù)據(jù)在普通動力間實驗環(huán)境下采集，實驗環(huán)境如圖2所示。

實驗過程中，1～5號非實驗缸由原機電控系統(tǒng)控制，工作在小負荷狀態(tài)，共發(fā)出50N·m的轉(zhuǎn)矩，用于發(fā)動機轉(zhuǎn)速維持。實驗缸工作在不同負荷和控制參數(shù)下，用于研究不同負荷和控制參數(shù)下聲學信號的特點。

為了突破原機電控系統(tǒng)限制，在實驗缸靈活采集分析不同工況和控制參數(shù)下的聲學信號，為實驗缸加裝了一套獨立的燃油系統(tǒng)和進排氣系統(tǒng)，并開發(fā)了控制器和上位機監(jiān)控標定軟件。實驗過程中通過上位機監(jiān)控標定軟件設(shè)定實驗缸的軌壓、噴油量和噴油提前角等參數(shù)，并實時監(jiān)控轉(zhuǎn)速和實驗缸軌壓等參數(shù)。開發(fā)的ECU和上位機監(jiān)控標定軟件界面如圖3所示。

2 聲學信號特征分析

柴油機聲學信號是多個聲源構(gòu)成的復雜噪聲信號，相對缸壓信號是一種低信噪比的缸內(nèi)燃燒過程間接觀測信號，需要通過現(xiàn)代信號處理技術(shù)來提高原始信號的信噪比。

采用小波變換方法對未燃燒階段和燃燒階段的聲學信號進行時頻聯(lián)合分析，探尋燃燒始點時刻聲學信號的特點。

對任意函數(shù) f(t)∈L2(R)，其對小波函數(shù)ψa，b(t)的連續(xù)小波變換為

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果［8，11］，選擇 Complex Morlet小波作為小波基函數(shù)，其定義如下:

式中:fb為帶寬參數(shù);fc為中心頻率參數(shù)。Complex Morlet小波在MATLAB調(diào)用時的命名規(guī)則是cmor(fb－fc)。本文中采用cmor(3－5)作為小波變換的基函數(shù)。

發(fā)動機在轉(zhuǎn)速1 000r/min、噴油提前角11°CA和噴油量65mg時某一循環(huán)的缸壓信號和聲學信號時域波形見圖4，聲學信號小波變換后得到的時頻圖見圖5。

由缸壓信號的分析可知，缸內(nèi)的燃燒始點發(fā)生在上止點前4°CA。由圖5可見，在上止點附近4～6kHz頻段聲學信號能量突然增加。缸內(nèi)壓力信號作為聲學信號的初始激勵源，缸蓋和缸體構(gòu)成的振動系統(tǒng)會有起振延遲并且聲音信號從缸蓋經(jīng)8cm的空氣間隙傳播到傳聲器處需要時間。所以4～6kHz頻段聲學信號在上止點附近的突增有可能反映缸內(nèi)著火燃燒時刻。

從機理角度分析，缸內(nèi)柴油壓燃為滯燃期形成的可燃混合氣瞬間多點同時著火過程。這一行為具有爆炸性特點，導致放熱速度和加速度過大，缸內(nèi)壓力升高速度和加速度過大，氣體容積來不及正常膨脹和傳遞壓力，從而激發(fā)了壓力沖擊波，并在缸內(nèi)迅速傳播、反射、反復疊加，形成高頻壓力振蕩［12］，并作為聲學信號的激勵源在聲學信號對應(yīng)頻段有所反映。從這一過程看，缸內(nèi)壓力的高頻振蕩只會開始于滯燃期結(jié)束后的著火瞬間［13］。所以，利用聲學信號的高頻段(4～6kHz頻段)去觀測反饋燃燒開始時刻是一種可行的技術(shù)方案。

研究了不同工況(工況分布見圖6)、同一工況下不同控制參數(shù)(控制參數(shù)分布見圖7)的高壓共軌柴油機實際工作循環(huán)聲學信號。對采集到的原始信號進行連續(xù)小波變換在時頻域?qū)β晫W信號的頻譜特征進行分析，均表明缸內(nèi)燃燒事件開始后會導致4～6kHz頻段聲學信號能量的突增。

3 未燃燒階段聲學信號高斯噪聲模型

高斯分布又稱為正態(tài)分布，是一種在很多場合都能遇到的概率密度分布，在統(tǒng)計學的許多方面有著重要的應(yīng)用。高斯噪聲是指噪聲信號瞬時幅值的概率密度函數(shù)服從高斯分布的一種隨機信號模型。在任意瞬時采樣高斯噪聲的N個值，這N個值的大小服從高斯分布，它的概率密度函數(shù)如下:

采用的噴油器噴射延時經(jīng)油泵實驗臺測試在軌壓100MPa時約為0.4ms，對應(yīng)于800r/min時曲軸轉(zhuǎn)角為2°，2 000r/min時曲軸轉(zhuǎn)角約為5°。缸蓋到傳聲器的距離為8cm，以空氣中聲速340m/s計算，聲學信號傳播需要的時間為 0.24ms，對應(yīng)于800r/min時曲軸轉(zhuǎn)角為1°，2 000r/min曲軸轉(zhuǎn)角約為3°。故在各轉(zhuǎn)速下噴油提前角3°CA傳聲器感知的肯定仍是未燃燒階段聲學信號，由該點向前推15°CA為未燃燒階段聲學信號研究樣本的始點(采樣周期為0.1°CA，研究樣本為150個數(shù)據(jù)點)。

未燃燒階段聲學信號原始采樣波形和4～6kHz頻段帶通濾波后波形如圖8所示。

帶通濾波后的聲學信號消除了原始信號的幅值突變，其波形更加接近于真正意義上的正弦函數(shù)。4～6kHz濾波后的未燃燒階段聲學信號瞬時采樣值直方圖如圖9所示，其平均值μ=－0.000 6，方差σ=0.057。

高斯性檢驗分為圖示法和計算法兩大類。圖示法主要采用概率圖(probability-probability plot，P-P圖)和分位數(shù)圖(quantile-quantile plot，Q-Q圖)。其中，P-P圖以樣本的累積頻率作為橫坐標，以按照正態(tài)分布擬合計算的相應(yīng)累積頻率期望值作為縱坐標。如果樣本服從正態(tài)分布，則數(shù)據(jù)點應(yīng)在直角坐標系的對角線。Q-Q圖則是以樣本的分位數(shù)作為橫坐標，以按照正態(tài)分布擬合計算的分位數(shù)期望值為縱坐標。如果樣本服從正態(tài)分布，則數(shù)據(jù)點同樣應(yīng)是直角坐標系的對角線。將未燃燒階段4～6kHz頻段濾波后的聲學信號進行P-P圖和Q-Q圖分析如圖10所示。由圖可見，P-P圖和Q-Q圖數(shù)據(jù)點均分布在理想對角線附近。

高斯性檢測也可以通過計算法。計算法又分為兩類:一種是對偏度和峰度各用一個指標來評定;另一種是對偏度和峰度用一個綜合指標來評定，如W檢驗。

借助SPSS軟件對未燃燒階段聲學信號進行計算分析，得到偏度和峰度值分別為0.027和0.674。偏度和峰度的值均為0是真正意見上的高斯分布，實際樣本的偏度和峰度均非常接近于0，可以認為是高斯分布。同樣，適合于小樣本容量高斯性分析的W檢驗值為0.129，超過通常認為的0.05臨界值，認定樣本的分布特性符合高斯分布。并且未燃燒階段全頻段聲學信號的W檢驗值為0.072小于0.129，可見4～6kHz的特征頻段帶通濾波后提高了實際信號的高斯性。

綜合以上高斯性分析，可以認為4～6kHz頻段未燃燒階段聲學信號其瞬時幅值的分布服從高斯分布，可以用高斯噪聲模型處理。此時得到的3倍置信區(qū)間(99.7%概率)為［－0.171 6，0.170 4］，實際信號的150個采樣值也的確都在這個置信區(qū)間內(nèi)。

4 聲學信號特征量與燃燒始點相關(guān)性分析

由上節(jié)的分析可知，未燃燒階段4～6kHz頻段的聲學信號可以認為是高斯噪聲，其瞬時幅值分布在［μ－3σ，μ+3σ］的99.7%置信區(qū)間內(nèi)。當缸內(nèi)燃燒過程發(fā)生后，缸內(nèi)壓力急劇上升，并激發(fā)出缸內(nèi)壓力高頻振蕩，缸內(nèi)壓力高頻振蕩引起機體相應(yīng)頻段的振動能量增強并產(chǎn)生明顯的聲學信號被傳聲器采集到。此時，聲學信號瞬時幅值的分布將不再服從未燃燒階段參數(shù)μ和σ定義的高斯分布，將4～6kHz聲學信號打破高斯分布置信區(qū)間的點作為聲學信號感知的燃燒始點記作特征量θ(為了防止偶然誤觸發(fā)，必須連續(xù)3個點打破置信區(qū)間邊界)，如圖11所示。

將聲學信號特征量θ與由缸壓信號計算放熱率獲得CA01時刻(燃料有1%的熱量被放出的時刻，表征燃燒始點)進行相關(guān)性分析。通過改變實驗循環(huán)的轉(zhuǎn)速、噴油提前角、負荷等工況參數(shù)和控制參數(shù)，比較多個循環(huán)下二者之間的相關(guān)性。

θ與CA01之間的相關(guān)性用線性相關(guān)系數(shù)量化表征。在部分轉(zhuǎn)速下，θ和CA01之間的關(guān)系如表3所示。

表3 各轉(zhuǎn)速下相關(guān)性系數(shù)

由表3可見，聲學信號特征量θ與缸壓信號計算得到的燃燒始點CA01具有很好的相關(guān)性，在常用轉(zhuǎn)速范圍其相關(guān)系數(shù)均超過0.95，可以將θ用作燃燒始點觀測。

5 基于聲學信號的高壓共軌柴油機燃燒始點觀測模型

聲學信號特征量θ與燃燒始點有著很好的相關(guān)性，同時發(fā)動機轉(zhuǎn)速對燃燒始點與θ之間的延時有顯著影響。采用聲學信號特征量θ與轉(zhuǎn)速作為模型的輸入量，通過多項式回歸建模的數(shù)學方法，建立實際燃燒始點的觀測模型。模型的架構(gòu)如圖12所示。

在高壓共軌柴油機常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)(800～2 000r/min)，選取多個循環(huán)作為訓練樣本，運用最小二乘法求解回歸系數(shù)，得到CA01觀測器函數(shù)如下:

式中:n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min。

以上述樣本數(shù)據(jù)對CA01觀測器模型進行回代分析，CA01觀測器模型的精度如圖13所示。

基于多項式回歸建模的CA01觀測器模型在訓練樣本數(shù)據(jù)下均方根誤差為0.96°CA，其誤差分布近似服從μ=0，σ=0.96的正態(tài)分布，觀測器模型達到了較好的精度。

6 基于聲學信號的高壓共軌柴油機燃燒始點觀測模型驗證

為了進一步驗證該模型對燃燒始點的觀測能力，實驗中將普通柴油更換為70%正庚烷+30%甲苯(體積比)的替代燃料，用以模擬油品的變化。以800～2 000r/min范圍內(nèi)70%正庚烷+30%甲苯作為燃料的多個循環(huán)作為測試樣本，評價CA01觀測器模型在油品發(fā)生變化后的觀測精度，結(jié)果如圖14所示。

當油品發(fā)生變化后，基于模型得到CA01觀測值與實際值的均方根誤差為1.03°CA，誤差分布為±5°CA，落在±2°CA區(qū)間內(nèi)的概率為93.4%。表明該模型可以在不同的油品下觀測到實際燃燒始點。

圖15為轉(zhuǎn)速1 400r/min、循環(huán)噴油量35mg、噴油提前角－11°CA、軌壓100MPa的工況下，分別以柴油和70%正庚烷+30%甲苯作為燃料的CA01實際值和模型觀測值。在普通柴油循環(huán)，CA01的實際值約為－3.1°CA，CA01模型觀測值分布在 －2.4°CA ～ －3.4°CA，平均值為 －2.8°CA，均方根誤差為0.41°CA。替代燃料由于更長的滯燃期，其實際著火時刻(CA01)從普通柴油的約－3.1°CA推遲到約－1.3°CA，推遲了約 1.8°CA。CA01 模型觀測值分布在 －1.9°CA ～0.2°CA，平均值為 －0.82°CA，均方根誤差為0.60°CA。以上數(shù)據(jù)表明，基于聲學信號的CA01觀測器模型能較好地辨識出由于油品變化導致的實際著火燃燒時刻推遲。

7 結(jié)論

(1)對采集的高壓共軌柴油機聲學信號進行基于小波變換的時頻聯(lián)合分析，表明4～6kHz頻段的聲學信號在燃燒始點前后能量變化明顯，該頻段聲學信號可用于燃燒始點觀測。

(2)將未燃燒階段4～6kHz頻段聲學信號抽象為數(shù)學上的高斯噪聲，將高斯界限打破的點定義為聲學信號感知的燃燒始點特征量。并將聲學信號燃燒始點特征量與實際燃燒始點進行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)超過0.9，表現(xiàn)出很好的相關(guān)性。

(3)以聲學信號特征量和轉(zhuǎn)速作為輸入，采用多項式回歸建模的方法建立基于聲學信號的燃燒始點觀測模型。

(4)測試結(jié)果表明，該模型對燃燒始點觀測的均方根誤差為1.03°CA，達到了較好的觀測精度，可為柴油機燃燒過程的閉環(huán)反饋控制提供依據(jù)。

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