CN111120095B - 一种天然气发动机爆震识别的方法及系统 - Google Patents

一种天然气发动机爆震识别的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种天然气发动机爆震识别的方法及系统，涉及发动机领域，通过采集发动机转速和各缸振动信号，先对振动信号进行变换，根据预设定爆震频率，确认爆震发生角度，然后在爆震发生时以100HZ为频率步长，在爆震频率区间内进行幅值累加，累加结果为各缸爆震强度，再根据各缸爆震强度计算各缸不均匀度，将各缸不均匀度值与预设定不均匀度阈值进行匹配，当确认发生爆震时修正点火提前角。可见，本发明主要利用发生爆震时各缸振动差异大的特点，通过对振动信号的不均匀度进行分析，实现爆震的有效识别，提高了发动机的可靠性和安全性，解决了爆震加速度振动信号信噪比低，无法合理标定爆震的问题。

Description

一种天然气发动机爆震识别的方法及系统
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种天然气发动机爆震识别的方法及系统。
背景技术
天然气发动机作为车辆的动力来源，必须要在保证正常使用的前提下有较强的可靠性。受气源地及提炼工艺的限值，目前各地的天然气成分差异较大，抗爆性不同，在大负荷工作时容易发生爆震燃烧问题，导致排放恶化、发动机可靠性降低，从而降低了发动机的适用性和使用寿命。
现有技术进行爆震识别，主要是在确认爆震频率的基础上，通过将爆震传感器采集到的信号频率转化为相应的电压信号，通过对电压信号进行阈值标定从而判定是否发生爆震。然而在某天然气发动机实际标定时出现有无爆震情况电压信号变化很小，即信噪比很低(主要受到机体振动传递的影响，但此路径在整机设计完成后已无法进行更改)，无法进行爆震阈值的合理标定，如阈值设定过低，存在尽管未发生爆震而判定为发生爆震的情况，如阈值设定过高，则情况相反。
发明内容
针对上述不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种天然气发动机爆震识别的方法及系统，可以有效识别爆震,提高发动机的可靠性和安全性。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种天然气发动机爆震识别的方法，包括以下步骤：
获取各缸振动信号；
对各缸振动信号进行变换，根据预设定爆震频率，确定各缸爆震发生角度；
在爆震发生时以100HZ为频率步长，在爆震频率区间内进行幅值累加，累加结果为各缸爆震强度；
根据各缸爆震强度，计算各缸的不均匀度Ui，
Figure BDA0002335949650000011
其中Ui为第i缸的不均匀度，Ai为第i缸的爆震强度，N为柴油机缸数，j为小于等于N的自然数；
判断各缸不均匀度Ui是否与预设定不均匀度阈值相匹配；
如果是，则生成对应的控制信号；
根据所述控制信号修正点火提前角或正常运行。
优选方式为，所述对各缸振动信号进行变换步骤，包括以下步骤：
获取发动机转速和相位；
根据发动机转速和相位获取对应的压缩上止点；
根据压缩上止点和发动机转速将各缸振动信号转换成角度域信号；
对角度域信号进行变换，变换成以频率为横坐标角度为纵坐标的频域信号；
在预设定爆震频率区间内，以预设定步长查找频域信号，振幅最大处角度，为各缸爆震发生角度。
优选方式为，对角度域信号进行小波变换。
优选方式为，所述预设定爆震频率的确认，包括以下步骤：
模拟爆震的边界条件；
利用燃烧分析仪采集各缸压力并判定爆震与否；
利用振动测试设备采集发动机转速信号及振动信号；
对振动信号进行分析，由时域信号转换成角度域信号，角度域信号进行小波变换，转换成对应的频域信号；
将非爆震工况的频域信号与爆震工况的频率信号进行对比，确认爆震频率。
优选方式为，获取所述不均匀度阈值，包括以下步骤：
在非爆震工况和爆震工况下分别采集振动信号，对振动信号进行变换；
在爆震频率内进行非爆震工况及爆震工况下各缸不均匀度计算，并以发生爆震时的各缸振动不均匀度作为不均匀度阈值ui，各缸不均匀度阈值ui计算公式为：
Figure BDA0002335949650000021
其中ui为第i缸的不均匀度阈值，ai为第i缸的振动加速度，N为柴油机缸数，j为小于等于N的自然数。
优选方式为，所述角度域信号的角度范围为0～720°。
一种天然气发动机爆震识别的系统，包括电控单元以及分别与所述电控单元电连接的信号采集单元、信号处理单元、爆震判定单元和工况调节单元；所述信号采集单元用于采集发动机转速和振动信号；所述信号处理单元用于对各缸振动信号进行变换，根据预设定爆震频率，确定各缸爆震发生角度，并在爆震发生时以100HZ为频率步长，在爆震频率区间内进行幅值累加，累加结果为各缸爆震强度，再根据各缸爆震强度计算各缸的不均匀度Ui，
Figure BDA0002335949650000031
其中Ui为第i缸的不均匀度，Ai为第i缸的爆震强度，N为柴油机缸数，j为小于等于N的自然数；所述爆震判断单元用于判断各缸不均匀度Ui是否与预设定不均匀度阈值相匹配；如果是，则生成对应的控制信号；所述工况调节单元用于根据控制信号修正点火提前角或正常运行。
优选方式为，所述信号处理单元包括角度分析模块、小波变换模块、爆震强度计算模块和不均匀度计算模块；所述角度分析模块根据发动机转速和相位，获取压缩上止点，根据压缩上止点和发动机转速，将各缸振动信号转换成角度域信号；所述小波变换模块对角度域信号进行变换，变换成以频率为横坐标角度为纵坐标的频率信号；所述爆震强度计算模块根据预设定爆震频率和频域信号，先确认爆震发生角度，然后在爆震发生时以100HZ为频率步长，在爆震频率区间内进行幅值累加，累加结果为各缸爆震强度；所述不均匀度计算模块根据各缸爆震强度计算各缸不均匀度Ui。
优选方式为，所述信号采集单元包括转速传感器、相位传感器和爆震传感器。
优选方式为，还包括与所述电控单元电连接的预设定单元，所述预设定单元通过台架试验预设爆震频率和不均匀度阈值。
采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：
由于本发明的天然气发动机爆震识别的方法及系统，通过采集发动机转速和各缸振动信号，先对振动信号进行变换，根据预设定爆震频率，确认爆震发生角度，然后在爆震发生时以100HZ为频率步长，在爆震频率区间内进行幅值累加，累加结果为各缸爆震强度，再根据各缸爆震强度计算各缸不均匀度，将缸不均匀度值与预设定不均匀度阈值进行匹配，当确认发生爆震时修正点火提前角。可见，本发明利用发生爆震时各缸振动差异大的特点，对振动信号的不均匀度进行分析，实现爆震的有效识别，提高了发动机的可靠性和安全性，解决了爆震加速度振动信号信噪比低，无法进行合理标定爆震的问题。
由于对角度域信号进行小波变换；能够在时域和频域上适应信号的不同频率，通过调节步长对信号问题进行处理，在时域和频域都具有表征信号局部特征的能力，利于分析信号的瞬态和奇异点。
附图说明
图1是本发明天然气发动机爆震识别的方法的流程图；
图2是本发明天然气发动机爆震识别的系统的原理框图；
图3是本发明天然气发动机爆震识别的系统示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：
如图1所示，一种天然气发动机爆震识别的方法，包括以下步骤：
步骤S1、获取各缸振动信号；此振动信号由设在机体上的爆震传感器采集。
步骤S2、对各缸振动信号进行变换，根据预设定爆震频率，确定各缸爆震发生角度；
步骤S3、在爆震发生时以100HZ为频率步长，在爆震频率区间内进行幅值累加，累加结果为各缸爆震强度；
步骤S4、根据各缸爆震强度，计算各缸的不均匀度Ui，
Figure BDA0002335949650000041
其中Ui为第i缸的不均匀度，Ai为第i缸的爆震强度，N为柴油机缸数，j为小于等于N的自然数；
步骤S5、判断各缸不均匀度Ui是否与预设定不均匀度阈值相匹配；
步骤S6、如果是，则生成对应的控制信号；
步骤S7、根据控制信号修正点火提前角或正常运行。
本发明的方法，通过采集发动机转速和各缸振动信号，先对振动信号进行变换，根据预设定爆震频率，确认爆震发生角度，然后在爆震发生时以100HZ为频率步长，在爆震频率区间内进行幅值累加，累加结果为各缸爆震强度，再根据各缸爆震强度计算各缸不均匀度，将缸不均匀度值与预设定不均匀度阈值进行匹配，当确认发生爆震时修正点火提前角。可见，本发明利用发生爆震时各缸振动差异大的特点，对振动信号的不均匀度进行分析，实现爆震的有效识别，提高了发动机的可靠性和安全性，解决了爆震加速度振动信号信噪比低，无法进行合理标定爆震的问题。
步骤S2中，对各缸振动信号进行变换步骤，包括以下步骤：
步骤S20、获取发动机转速和相位；通过转速传感器和相位传感器；
步骤S21、根据发动机转速和相位，获取对应的压缩上止点；具体是：根据发动机转速、缺齿以及信号盘，获取压缩上止点，此步骤为本领域公知常识，在此不再详细描述。
步骤S22、根据压缩上止点和发动机转速将各缸振动信号转换成角度域信号，此角度域信号的横坐标为时间，纵坐标为角度；在获取发动机转速的前提下，可得知一定时间内，转过的角度，故，可将时域信号转换成角度域信号，本例中角度域信号的角度范围为0～720°。因时域信号转换成角度域信号为公知常识，在此不再详细描述。
步骤S23、对角度域信号进行分析，得到对应的频域信号；本例中对角度域信号进行小波变换，得到对应的频域信号，此频率信号以频率为横坐标，以角度为纵坐标。其中，小波变换能够在频域和时域上适应信号的不同频率，通过调节步长对信号问题进行处理，在时域和频域都具有表征信号局部特征的能力，利于分析信号的瞬态和奇异点，即通过小波变换精准识别爆震频率和时刻，提高爆震识别的有效性。
步骤S24、在预设定爆震频率区间内，以预设定步长查找频域信号，振幅最大处角度，为各缸爆震发生角度；预设定步长可为1°。
比如：某缸压缩上止点为120°，则根据小波变化结果在120°±20°角度区间内以1°为步长寻找振动幅值最大角度，该角度即为爆震发生时刻。
本实施例中预设定爆震频率的确认，包括以下步骤：
模拟爆震的边界条件；
利用燃烧分析仪采集各缸压力并判定爆震与否；
利用振动测试设备采集发动机转速信号及振动信号；
对振动信号进行分析，由时域信号转换成角度域信号，角度域信号进行小波变换，转换成对应的频域信号；
将非爆震工况的频域信号与爆震工况的频率信号进行对比，确认爆震频率。
本实施例中获取不均匀度阈值，包括以下步骤：
在非爆震工况和爆震工况下分别采集振动信号，对振动信号进行分析，得到对应频域信号；
在爆震频率内进行非爆震工况及爆震工况下各缸不均匀度计算，并以发生爆震时的各缸振动不均匀度作为不均匀度阈值ui，各缸不均匀度阈值ui计算公式为：
Figure BDA0002335949650000061
其中ui为第i缸的不均匀度阈值，ai为第i缸的振动加速度，N为柴油机缸数，j为小于等于N的自然数。
根据台架实际测试结果，天然气发动机正常工作情况下各缸振动不均匀性在10％以内，发生轻度爆震时各缸振动不均匀性在60％以上，发生剧烈爆震时各缸振动不均匀性在60％以上。即不均匀度阈值分别为10％和60％，当各缸不均匀度Ui<10％时，未发生爆震发动机正常运行；当10％≤Ui<60％，发生轻度爆震，当60％≤Ui时，发生剧烈爆震，发生爆震时修正点火提前角。
综上所述，采用本发明的方法，能够有效识别爆震，可提升天然气发动机燃气成分的适用性，保证天然气发动机的可靠性，拓展其适用范围；爆震传感器成本低、耐久性好，直接布置在发动机机体上，精确度高，无需格外增加辅助监测设备。
实施例二：
如图2和图3所示，一种天然气发动机爆震识别的系统，包括电控单元以及分别与电控单元电连接的信号采集单元、信号处理单元、爆震判定单元和工况调节单元。
其中信号采集单元用于采集发动机转速和振动信号；本例中信号采集单元包括转速传感器、相位传感器和爆震传感器。
其中信号处理单元用于对各缸振动信号进行变换，根据预设定爆震频率，确定各缸爆震发生角度，并在爆震发生时以100HZ为频率步长，在爆震频率区间内进行幅值累加，累加结果为各缸爆震强度，再根据各缸爆震强度计算各缸的不均匀度Ui，
Figure BDA0002335949650000071
其中Ui为第i缸的不均匀度，Ai为第i缸的爆震强度，N为柴油机缸数，j为小于等于N的自然数。
其中爆震判断单元用于判断各缸不均匀度Ui是否与预设定不均匀度阈值相匹配；如果是，则生成对应的控制信号；工况调节单元用于根据控制信号修正点火提前角或正常运行。
如图3所示，本例中信号处理单元包括角度分析模块、小波变换模块、爆震强度计算模块和不均匀度计算模块；角度分析模块根据发动机转速和相位，获取压缩上止点，根据压缩上止点和发动机转速，将各缸振动信号由时域信号转换成角度域信号；小波变换模块对角度域信号进行分析，转换成对应的频域信号；爆震强度计算模块根据预设定爆震频率和频域信号，先确认爆震发生角度，然后在爆震发生时以100HZ为频率步长，在爆震频率区间内进行幅值累加，累加结果为各缸爆震强度；不均匀度计算模块根据各缸爆震强度计算各缸不均匀度Ui。
本系统还包括与电控单元电连接的预设定单元，所述预设定单元通过台架试验预设爆震频率和不均匀度阈值。
如图2和图3所示，本天然气发动机爆震识别的系统，由信号采集单元来采集所需信号，包括转速、相位和振动信号，根据转速和相位，由信号处理单元将振动信号由时域信号转换成角度域信号，再进行小波变换，使角度域信号转换成以频率为横坐标，角度为纵坐标的频率信号，此时再根据预设定爆震频率，在频率信号上查找振动幅度最大处对应的角度，此角度为爆震发生角度，利用爆震发生角度和爆震频率计算出爆震强度，最后利用爆震强度计算处各缸不均匀度，由爆震判定单元将确认是否发生爆震，发生爆震后由工况调节单元执行点火提前角的修正，使发动机正常运行。可见，本发明能够有效识别发动机爆震，从而提高了发发动机运行的可靠性和安全性，且结构简单，成本低，易实现。
以上所述本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同一种天然气发动机爆震识别的方法及系统的改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天然气发动机爆震识别的方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取各缸振动信号；
对各缸振动信号进行变换，根据预设定爆震频率，确定各缸爆震发生角度；
在爆震发生时以100HZ为频率步长，在爆震频率区间内进行幅值累加，累加结果为各缸爆震强度；
根据各缸爆震强度，计算各缸的不均匀度Ui，
Figure FDA0002680208460000011
其中Ui为第i缸的不均匀度，Ai为第i缸的爆震强度，N为柴油机缸数，j为小于等于N的自然数；
判断各缸不均匀度Ui是否与预设定不均匀度阈值相匹配；
如果是，则生成对应的控制信号；
根据所述控制信号修正点火提前角或正常运行。
2.根据权利要求1所述的天然气发动机爆震识别的方法，其特征在于，所述对各缸振动信号进行变换步骤，包括以下步骤：
获取发动机转速和相位；
根据发动机转速和相位获取对应的压缩上止点；
根据压缩上止点和发动机转速将各缸振动信号转换成角度域信号；
对角度域信号进行变换，变换成以频率为横坐标角度为纵坐标的频域信号；
在预设定爆震频率区间内，以预设定步长查找频域信号，振幅最大处角度为各缸爆震发生角度。
3.根据权利要求2所述的天然气发动机爆震识别的方法，其特征在于，对角度域信号进行小波变换。
4.根据权利要求1所述的天然气发动机爆震识别的方法，其特征在于，所述预设定爆震频率的确认，包括以下步骤：
模拟爆震的边界条件；
利用燃烧分析仪采集各缸压力并判定爆震与否；
利用振动测试设备采集发动机转速信号及振动信号；
对振动信号进行分析，由时域信号转换成角度域信号，角度域信号进行小波变换，转换成对应的频域信号；
将非爆震工况的频域信号与爆震工况的频率信号进行对比，确认爆震频率。
5.根据权利要求1所述的天然气发动机爆震识别的方法，其特征在于，获取所述不均匀度阈值，包括以下步骤：
在非爆震工况和爆震工况下分别采集振动信号，对振动信号进行变换；
在爆震频率内进行非爆震工况及爆震工况下各缸不均匀度计算，并以发生爆震时的各缸振动不均匀度作为不均匀度阈值ui，各缸不均匀度阈值ui计算公式为：
Figure FDA0002680208460000021
其中ui为第i缸的不均匀度阈值，ai为第i缸的振动加速度，N为柴油机缸数，j为小于等于N的自然数。
6.根据权利要求2至4任一项所述的天然气发动机爆震识别的方法，其特征在于，所述角度域信号的角度范围为0～720°。
7.一种天然气发动机爆震识别的系统，其特征在于，包括电控单元以及分别与所述电控单元电连接的信号采集单元、信号处理单元、爆震判定单元和工况调节单元；
所述信号采集单元用于采集发动机转速和振动信号；
所述信号处理单元用于对各缸振动信号进行变换，根据预设定爆震频率，确定各缸爆震发生角度，并在爆震发生时以100HZ为频率步长，在爆震频率区间内进行幅值累加，累加结果为各缸爆震强度，再根据各缸爆震强度计算各缸的不均匀度Ui，
Figure FDA0002680208460000022
其中Ui为第i缸的不均匀度，Ai为第i缸的爆震强度，N为柴油机缸数，j为小于等于N的自然数；
所述爆震判定单元用于判断各缸不均匀度Ui是否与预设定不均匀度阈值相匹配；如果是，则生成对应的控制信号；
所述工况调节单元用于根据控制信号修正点火提前角或正常运行。
8.根据权利要求7所述的天然气发动机爆震识别的系统，其特征在于，所述信号处理单元包括角度分析模块、小波变换模块、爆震强度计算模块和不均匀度计算模块；
所述角度分析模块根据发动机转速和相位，获取压缩上止点，根据压缩上止点和发动机转速，将各缸振动信号转换成角度域信号；
所述小波变换模块对角度域信号进行变换，变换成以频率为横坐标角度为纵坐标的频域信号；
所述爆震强度计算模块根据预设定爆震频率和频域信号，先确认爆震发生角度，然后在爆震发生时以100HZ为频率步长，在爆震频率区间内进行幅值累加，累加结果为各缸爆震强度；
所述不均匀度计算模块根据各缸爆震强度计算各缸不均匀度Ui。
9.根据权利要求7所述的天然气发动机爆震识别的系统，其特征在于，所述信号采集单元包括转速传感器、相位传感器和爆震传感器。
10.根据权利要求7所述的天然气发动机爆震识别的系统，其特征在于，还包括与所述电控单元电连接的预设定单元，所述预设定单元通过台架试验预设爆震频率和不均匀度阈值。
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