论文摘要：实测了不同工况时的柴油机缸盖振动位移、速度及加速度信号，通过对比振动位移及缸内压力信号，认为缸盖振动位移信号受约束支架振动的影响严重，从中提取燃烧相关信息较为困难。对比缸盖振动速度及压升率信号，认为振动速度信号同样包含了约束支架振动的影响，可以通过去除趋势项及滤波处理的方法对缸盖振动速度信号进行处理，处理后的振动速度信号中包含了丰富的燃烧相关信息。缸盖振动加速度信号对高频成分敏感，约束支架的影响基本可以忽略，通过低通滤波的方法可以得到与缸内燃烧状态密切相关的成分，并用于分析缸内燃烧状况。
论文关键词：柴油机,振动位移,振动速度,振动加速度,信号处理
0前言
柴油机表面振动信号包含丰富的柴油机工作状态信息，利用振动信号对柴油机缸内燃烧状况进行评价具有广阔的应用前景。柴油机振动信号可以通过振动位移、速度及加速度三种方式进行度量，不同度量参数包含的振动信号频率成分都是相同的，只是敏感的频带不同，使其对不同频率分量的计权存在差异。度量参数的选取需要根据振动的特征及研究的目的确定。目前，研究者多采用缸盖振动加速度信号进行了缸内燃烧状态的识别研究，取得了较多的成果。利用振动位移及速度信号反映缸内燃烧状况是否可行，前人进行的研究较少。
作者简介：纪少波(1979-)，男，讲师，博士，内燃机工作过程及测控技术研究
基金项目：国家自然科学基金资助项目（50876055）
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柴油机缸盖振动信号受到多种因素影响，比如柴油机约束支架振动及其它振动激励源干扰等，为了利用振动信号估计缸内燃烧状态，需要首先确定采用的振动信号度量参数是否合适。对缸盖振动信号进行分析时，可以将柴油机作为一个测试系统，缸内压力、压升率及压力升高二次导数是输入信号，缸盖振动位移、速度及加速度是对应的输出信号。本文实测了不同工况的缸盖振动位移、速度及加速度信号，通过信号分析技术进行了处理，并与对应的缸内压力、压升率及压内压力二次导数进行对比，对各度量参数能否用于估计缸内燃烧状态进行了分析。本文的研究结果对利用柴油机缸盖振动信号提取燃烧相关信息的研究具有一定的指导意义。
1柴油机约束支架的影响
采用单缸195型柴油机进行了研究，对该型号柴油机工作过程中受到的各种作用力进行分析，结果如图1所示。
图1单缸195型柴油机受力分析
其中， 为燃烧气体力， 侧压力， 为往复惯性力， 为连杆力， 为曲柄销负荷， 连杆旋转质量产生的离心力， 为主轴颈负荷， 为折算到每一个曲拐单位活塞面积不平衡质量的离心力， 为侧翻力矩， 、 分别为约束支架产生的不同方向的约束反作用力。
研究中主要对活塞运动方向的振动信号进行了分析，侧压力和侧翻力矩对该方向的振动响应影响较小，未进行考虑。活塞运动方向各激励作用最终都将传递到发动机约束支架上，使约束支架产生约束反作用力，图2为单缸195型柴油机内部各激励在活塞运动方向的不平衡作用力，支架约束作用力和该力大小相等，方向相反。柴油机工作过程中，柴油机及约束支架组成的系统会在支架约束作用力的作用下产生振动，使得约束支架产生弹性变形。相对于柴油机的缸盖及机体系统而言，约束支架的刚度小，振动的频率低。
图2缸内压力及活塞运动方向不平衡力对比曲线
2缸盖振动位移分析
柴油机工作过程中，缸内压力的燃烧冲击使得缸盖及机体系统产生振动位移（变形）；由前可知，柴油机工作时产生的不平衡作用力使得约束支架产生振动位移（变形），即实测的缸盖振动响应信号不仅与缸内压力有关，而且受到约束支架系统振动的影响。
为了对两种因素的影响进行研究，实测了不同工况时的缸盖表面振动位移、约束支架振动位移及缸内压力信号，并进行了对比，图3显示了两种工况时的对比结果。由图可见，约束支架自身具有一定的弹性，在不平衡力作用下，约束支架的振动位移有较大的幅值，且与缸盖振动位移具有相近的变化趋势，即缸盖振动位移的主要成分是约束支架的振动位移。结合其他工况测试的振动位移信号综合分析，发现缸盖振动位移的频率约为30Hz，这个频率与柴油机及约束支架组成系统的质量及约束支架的刚度有关系。反映缸内燃烧特征的频率成分一般在300~2000Hz的频带上，为了便于提取缸内燃烧激励的特征信息，可以将30Hz以下的低频成分作为趋势项去除，在此采用了最小二乘拟合方法去除趋势项。
（a）800r/min工况
（b）1000r/min工况
图3缸内压力、缸盖振动速度及约束支架振动速度对比曲线
通过对比不同阶数最小二乘法拟合的效果，认为采用6次多项式，可以取得较好的效果。图4为采用最小二乘法拟合得到的趋势项与实测缸盖振动位移及缸内压力的对比曲线，由图可见，800r/min工况，拟合得到的曲线和实测振动位移存在一定差异，与缸内压力信号对比，认为该差异是由燃烧激励引起的，其幅值约为0.006mm，而拟合得到的趋势项的幅值约为0.112mm，即缸内燃烧激励产生的振动位移幅值仅为趋势项幅值的5.3%，表明缸盖振动位移反映的燃烧信息非常微弱。1000r/min工况，振动位移信号与缸内压力信号从变化趋势上看，没有相关性，而且拟合得到的趋势项与缸盖振动位移信号基本重合，这表明燃烧激励产生的振动位移完全被约束支架的振动位移淹没。
通过上述的分析，认为燃烧阶段缸盖振动位移受到燃烧激励和不平衡力作用力引起的约束支架振动两方面的影响，实测振动位移信号中所包含的燃烧相关的振动位移信息少，利用振动位移信号提取燃烧相关信息较为困难。
（a）800r/min工况
（b）1000r/min工况
图4最小二乘法处理前后振动位移与缸内压力对比曲线
3缸盖振动速度分析
振动速度是振动位移的导数，振动速度信号同样受到缸内燃烧激励及约束支架振动的影响，一般认为，振动速度信号对400Hz~2000Hz的中频成分较为敏感，因此受到约束支架低频振动的影响减弱。 1/3 1 2 3 下一页 尾页 |
