CN115341994A - 一种往复式发动机燃烧状态评价方法、装置及计算机设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种往复式发动机燃烧状态评价方法、装置及计算机设备，涉及发动机故障诊断技术领域。所述方法是在获取由加速度传感器在往复式发动机的运行期间所采集的且在指定方向上的加速度时域信号后，先通过一系列的信号处理，得到在诺谟坐标系下的诺谟标绘图谱，然后根据所述诺谟标绘图谱，剥离出在所述诺谟坐标系中的且用于等效绝对刚体冲击加速度线的冲击加速度线，最后根据所述冲击加速度线和与所述往复式发动机、所述运行期间及所述指定方向对应的燃烧状态分级标准，确定所述往复式发动机在所述指定方向上的燃烧状态分级结果，如此可在任意工况下评价往复式发动机的燃烧状态，有效拓展适用场景，并可以有效提升评价结果的准确性。
Description
技术领域
本发明属于发动机故障诊断技术领域，具体涉及一种往复式发动机燃烧状态评价方法、装置及计算机设备。
背景技术
往复式发动机也叫活塞发动机，是一种利用一个或者多个活塞将压力转换成旋转动能的发动机，也是一种将活塞的动能转化为其他机械能的机械，其主要是利用燃料燃烧产生高压气体膨胀，进而推动活塞做功，实现将热能转化为机械动能的目的。
作为往复式发动机的其中一种，柴油机是一种热效率高的经济型发动机，在各行各业得到广泛应用，在视情维修情况下，柴油机状态监测及性能监测手段被广泛使用，采用的监测手段主要有振动监测手段、油液(基于铁谱或光谱等)监测手段和红外监测手段等，其中的振动监测手段是最为方便和高效的诊断方法。
柴油机的燃烧室相关故障(如：燃烧状态不合格、磨损严重、拉缸、漏气、定时以及喷油过大或过小等故障)占比超过柴油机所有故障50％以上。若利用振动监测手段对柴油机进行故障诊断，由于柴油机振动特点，到处都是机械冲击和燃烧爆炸振动，因此将导致测试的振动信号非常复杂。
目前的振动监测方向主要为：通过机体表面振动信号来识别柴油机气缸内的压力示功图；用瞬时转速推算缸内压力变化；利用时频分析、小波分析或载荷识别等新的信号分析与处理方法来处理柴油机表面振动信号。但是这些振动监测技术，几十年来几乎没有什么实用性进展，导致仍普偏采用ISO10816.6(GBT7184)标准来对柴油机进行基于振动监测手段的振动评价，而这个标准只能在额定工况下评价柴油机的振动是否合格，并不能诊断出柴油机是因何种故障引起燃烧状态不合格；以及对于船舶主柴油机，当船舶停靠在码头时，是无法进行在额定工况下来评价柴油机的燃烧状态是否合格的，一旦船舶离开码头远航才发现柴油机有问题是非常麻烦的事情；同时在码头只能使柴油机低速空车运行，而在空车工况下用GBT7184(ISO10816.6)标准对柴油机进行燃烧状态评价永远是正常合格的。
发明内容
本发明的目的是提供一种往复式发动机燃烧状态评价方法、装置、计算机设备及计算机可读存储介质，用以解决现有振动监测技术所存在因只能在额定工况下评价往复式发动机燃烧状态而导致适用场景受限及评价结果可能不准确的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，提供了一种往复式发动机燃烧状态评价方法，包括：
获取由加速度传感器在往复式发动机的运行期间所采集的且在指定方向上的加速度时域信号a(t)，其中，所述加速度传感器安装在所述往复式发动机的气缸盖上，所述指定方向为所述往复式发动机的垂直轴方向、横向或轴向，t表示时间变量；
根据所述加速度时域信号a(t)，通过傅立叶变换得到加速度频谱A(fn)，其中，fn表示在频谱中的第n根谱线频率，n表示非零自然数；
根据所述加速度频谱A(fn)，按照如下公式计算得到速度频谱V(fn)和位移频谱D(fn)：
式中，π表示180度；
根据所述加速度频谱A(fn)、所述速度频谱V(fn)和所述位移频谱D(fn)分别与谱线频率fn的函数关系，绘制得到在诺谟坐标系下的诺谟标绘图谱，其中，所述诺谟坐标系包含有横坐标、纵坐标、向左倾斜坐标和向右倾斜坐标，所述横坐标为对数形式的频率值，所述纵坐标为对数形式的速度值，所述向左倾斜坐标为对数形式的加速度值，所述向右倾斜坐标为对数形式的位移值；
根据所述诺谟标绘图谱，剥离出在所述诺谟坐标系中的且用于等效绝对刚体冲击加速度线的冲击加速度线；
根据所述冲击加速度线和与所述往复式发动机、所述运行期间及所述指定方向对应的燃烧状态分级标准，确定所述往复式发动机在所述指定方向上的燃烧状态分级结果，其中，所述燃烧状态分级标准包含有至少两个燃烧状态级别以及与各个所述燃烧状态级别对应的且预先确定的加速度数值范围。
基于上述发明内容，提供了一种基于冲击加速度进行往复式发动机燃烧状态评价的新方案，即在获取由加速度传感器在往复式发动机的运行期间所采集的且在指定方向上的加速度时域信号后，先通过一系列的信号处理，得到在诺谟坐标系下的诺谟标绘图谱，然后根据所述诺谟标绘图谱，剥离出在所述诺谟坐标系中的且用于等效绝对刚体冲击加速度线的冲击加速度线，最后根据所述冲击加速度线和与所述往复式发动机、所述运行期间及所述指定方向对应的燃烧状态分级标准，确定所述往复式发动机在所述指定方向上的燃烧状态分级结果，如此可在任意工况下评价往复式发动机的燃烧状态，有效拓展适用场景，并可以有效提升评价结果的准确性，便于实际应用和推广。
在一个可能的设计中，所述运行期间包括有空车工况运行期间和/或额定工况运行期间。
在一个可能的设计中，当所述运行期间包括有空车工况运行期间和额定工况运行期间且所述燃烧状态分级标准包含有与不合格工作状态对应的燃烧状态级别时，在确定所述往复式发动机在所述指定方向上的燃烧状态分级结果之后，所述方法还包括：
根据所述燃烧状态分级结果，判断所述往复式发动机在所述空车工况运行期间或所述额定工况运行期间的燃烧状态是否为不合格工作状态；
若是，则按照如下公式计算得到冲击加速度比值ra：
式中，arp表示与所述额定工况运行期间对应的所述冲击加速度线的加速度数值，aep表示与所述空车工况运行期间对应的所述冲击加速度线的加速度数值；
比较所述冲击加速度比值ra与预设阈值的大小关系，若发现所述冲击加速度比值ra大于所述预设阈值，则确定所述往复式发动机存在喷料提前角大的故障，反之若发现所述冲击加速度比值ra小于所述预设阈值，则确定所述往复式发动机存在喷料提前角小的故障。
在一个可能的设计中，在计算得到冲击加速度比值ra之后，所述方法还包括：
比较所述冲击加速度比值ra与预设阈值的大小关系，若发现所述冲击加速度比值ra大于raic×η或小于
则确定所述往复式发动机还存在其它故障，其中，raic表示所述预设阈值，η表示预设的倍数。
在一个可能的设计中，当所述燃烧状态分级标准包含有与不合格工作状态对应的燃烧状态级别时，在确定所述往复式发动机分别在垂直轴方向、横向和轴向上的燃烧状态分级结果之后，所述方法还包括：
根据所述燃烧状态分级结果，判断所述往复式发动机在所述垂直轴方向、所述横向和所述轴向上的燃烧状态是否均为不合格工作状态；
若是，则确定所述往复式发动机存在燃烧故障，否则根据所述燃烧状态分级结果，判断所述往复式发动机在所述垂直轴方向、所述横向和所述轴向中的任一方向上的燃烧状态是否为不合格工作状态；
若判定所述往复式发动机在所述垂直轴方向、所述横向和所述轴向中的某个方向上的燃烧状态为不合格工作状态，则确定在所述某个方向上存在运动机械故障。
在一个可能的设计中，所述燃烧状态分级标准按照如下步骤预先确定：
根据ISO10816.6标准，获取与所述往复式发动机、所述运行期间及所述指定方向对应的且用于划分出M个燃烧状态级别的M-1个位移标准分界值，其中，M表示大于2或等于2的自然数，所述M个燃烧状态级别中的M-1对相邻两燃烧状态级别与所述M-1个位移标准分界值一一对应；
针对所述M-1对相邻两燃烧状态级别中的各对相邻两燃烧状态级别，根据对应的位移标准分界值Dic和方程
求解得到对应的等值冲击加速度标准aic，其中，f表示频率；
针对所述各对相邻两燃烧状态级别，根据对应的所述等值冲击加速度标准aic，计算得到对应的总冲击加速度标准
其中，k为负荷系数；
针对所述各对相邻两燃烧状态级别，将对应的所述总冲击加速度标准Aic作为对应的冲击加速度分界值；
汇总与所述M-1对相邻两燃烧状态级别一一对应的M-1个冲击加速度分界值，得到所述燃烧状态分级标准。
在一个可能的设计中，所述往复式发动机包括有柴油发动机、汽油发动机或氢燃料发动机。
第二方面，提供了一种往复式发动机燃烧状态评价装置，包括有信号获取模块、傅立叶变换模块、计算模块、图谱绘制模块、线条剥离模块和分级确定模块；
所述信号获取模块，用于获取由加速度传感器在往复式发动机的运行期间所采集的且在指定方向上的加速度时域信号a(t)，其中，所述加速度传感器安装在所述往复式发动机的气缸盖上，所述指定方向为所述往复式发动机的垂直轴方向、横向或轴向，t表示时间变量；
所述傅立叶变换模块，通信连接所述信号获取模块，用于根据所述加速度时域信号a(t)，通过傅立叶变换得到加速度频谱A(fn)，其中，fn表示在频谱中的第n根谱线频率，n表示非零自然数；
所述计算模块，通信连接所述傅立叶变换模块，用于根据所述加速度频谱A(fn)，按照如下公式计算得到速度频谱V(fn)和位移频谱D(fn)：
式中，π表示180度；
所述图谱绘制模块，分别通信连接所述傅立叶变换模块和所述计算模块，用于根据所述加速度频谱A(fn)、所述速度频谱V(fn)和所述位移频谱D(fn)分别与谱线频率fn的函数关系，绘制得到在诺谟坐标系下的诺谟标绘图谱，其中，所述诺谟坐标系包含有横坐标、纵坐标、向左倾斜坐标和向右倾斜坐标，所述横坐标为对数形式的频率值，所述纵坐标为对数形式的速度值，所述向左倾斜坐标为对数形式的加速度值，所述向右倾斜坐标为对数形式的位移值；
所述线条剥离模块，通信连接所述图谱绘制模块，用于根据所述诺谟标绘图谱，剥离出在所述诺谟坐标系中的且用于等效绝对刚体冲击加速度线的冲击加速度线；
所述分级确定模块，通信连接所述线条剥离模块，用于根据所述冲击加速度线和与所述往复式发动机、所述运行期间及所述指定方向对应的燃烧状态分级标准，确定所述往复式发动机在所述指定方向上的燃烧状态分级结果，其中，所述燃烧状态分级标准包含有至少两个燃烧状态级别以及与各个所述燃烧状态级别对应的且预先确定的加速度数值范围。
第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括有依次通信连接的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如第一方面或第一方面中任意可能设计所述的往复式发动机燃烧状态评价方法。
第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如第一方面或第一方面中任意可能设计所述的往复式发动机燃烧状态评价方法。
第五方面，本发明提供了一种包含指令的计算机程序产品，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行如第一方面或第一方面中任意可能设计所述的往复式发动机燃烧状态评价方法。
上述方案的有益效果：
(1)本发明创造性提供了一种基于冲击加速度进行往复式发动机燃烧状态评价的新方案，即在获取由加速度传感器在往复式发动机的运行期间所采集的且在指定方向上的加速度时域信号后，先通过一系列的信号处理，得到在诺谟坐标系下的诺谟标绘图谱，然后根据所述诺谟标绘图谱，剥离出在所述诺谟坐标系中的且用于等效绝对刚体冲击加速度线的冲击加速度线，最后根据所述冲击加速度线和与所述往复式发动机、所述运行期间及所述指定方向对应的燃烧状态分级标准，确定所述往复式发动机在所述指定方向上的燃烧状态分级结果，如此可在任意工况下评价往复式发动机的燃烧状态，有效拓展适用场景，并可以有效提升评价结果的准确性；
(2)可以进一步诊断出是否存在喷料提前角大/小的故障、燃烧故障和某个方向上存在的运动机械故障等，利于便捷、快速和精确地排除故障，便于实际应用和推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的往复式发动机燃烧状态评价方法的评价分析及故障诊断流程示意图。
图2为本申请实施例提供的加速度频谱的示例图。
图3为本申请实施例提供的诺谟标绘图谱及冲击加速度线的示例图。
图4为本申请实施例提供的故障柴油机在700rpm空车工况运行时A列8个气缸的诺谟标绘图谱的示例图。
图5为本申请实施例提供的故障柴油机在1600rpm额定工况运行时A列8个气缸的诺谟标绘图谱的示例图。
图6为本申请实施例提供的正常柴油机在700rpm空车工况运行时A列8个气缸的诺谟标绘图谱的示例图。
图7为本申请实施例提供的正常柴油机在1600rpm额定工况运行时A列8个气缸的诺谟标绘图谱的示例图。
图8为本申请实施例提供的对往复式发动机燃烧状态进行在线监测的流程示意图。
图9为本申请实施例提供的往复式发动机燃烧状态评价装置的结构示意图。
图10为本申请实施例提供的计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图和实施例或现有技术的描述对本发明作简单地介绍，显而易见地，下面关于附图结构的描述仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
应当理解，尽管本文可能使用术语第一和第二等等来描述各种对象，但是这些对象不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个对象和另一个对象。例如可以将第一对象称作第二对象,并且类似地可以将第二对象称作第一对象，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。
应当理解，对于本文中可能出现的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A、单独存在B或者同时存在A和B等三种情况；又例如，A、B和/或C，可以表示存在A、B和C中的任意一种或他们的任意组合；对于本文中可能出现的术语“/和”，其是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A或者同时存在A和B等两种情况；另外，对于本文中可能出现的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
实施例：
如图1所示，本实施例第一方面提供的所述往复式发动机燃烧状态评价方法，可以但不限于由具有一定计算资源的计算机设备执行，例如由柴油机手持式故障诊断仪、多通道振动采集分析设备、个人计算机(Personal Computer，PC，指一种大小、价格和性能适用于个人使用的多用途计算机；台式机、笔记本电脑到小型笔记本电脑和平板电脑以及超级本等都属于个人计算机)、智能手机、个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)或可穿戴设备等电子设备执行。如图1所示，所述往复式发动机燃烧状态评价方法，可以但不限于包括有如下步骤S1～S6。
S1.获取由加速度传感器在往复式发动机的运行期间所采集的且在指定方向上的加速度时域信号a(t)，其中，所述加速度传感器安装在所述往复式发动机的气缸盖上，所述指定方向为所述往复式发动机的垂直轴方向、横向或轴向，t表示时间变量。
在所述步骤S1中，所述加速度传感器是一种能够测量冲击加速度的现有传感器，为了能够采集得到在所述往复式发动机的垂直轴方向、横向和轴向(此三个方向均为发动机结构中的常规术语)上的加速度时域信号a(t)，所述加速度传感器优选为三轴加速度传感器，以便使三轴分别对应所述往复式发动机的垂直轴方向、横向和轴向(即这三个方向也是两两垂直的)。具体的，所述往复式发动机包括但不限于有柴油发动机、汽油发动机或氢燃料发动机等；所述运行期间包括但不限于有空车工况运行期间和/或额定工况运行期间等。此外，为了实现实时评价的目的，所述加速度时域信号a(t)的获取方式优选为：使本地计算机设备与所述加速度传感器通信相连，然后实时接收来自所述加速度传感器的所述加速度时域信号a(t)。
S2.根据所述加速度时域信号a(t)，通过傅立叶变换得到加速度频谱A(fn)，其中，fn表示在频谱中的第n根谱线频率，n表示非零自然数。
在所述步骤S2中，所述傅里叶变换是一种线性积分变换,用于对信号进行在时域(或空域)与频域之间的变换,目前在物理学和工程学中有许多应用，因此可以基于常规的连续傅里叶变换方式或离散傅里叶变换方式对所述加速度时域信号a(t)进行傅立叶变换，得到如图2举例所示的加速度频谱A(fn)。
S3.根据所述加速度频谱A(fn)，按照如下公式计算得到速度频谱V(fn)和位移频谱D(fn)：
式中，π表示180度。
S4.根据所述加速度频谱A(fn)、所述速度频谱V(fn)和所述位移频谱D(fn)分别与谱线频率fn的函数关系，绘制得到在诺谟坐标系下的诺谟标绘图谱，其中，所述诺谟坐标系包含有横坐标、纵坐标、向左倾斜坐标和向右倾斜坐标，所述横坐标为对数形式的频率值，所述纵坐标为对数形式的速度值，所述向左倾斜坐标为对数形式的加速度值，所述向右倾斜坐标为对数形式的位移值。
在所述步骤S4中，所述诺谟坐标系是一种基于诺谟图工具(即一种利用图像来进行计算/查图的工具，具体为一个二维图像，用来进行非精确的计算)原理而建立的且在任意一点可同时观察到频率(即谱线频率fn)、速度(即速度频谱V(fn))、加速度(即加速度频谱A(fn))和位移(即位移频谱D(fn))等四个物理量的多参量对数坐标系，因此可以根据所述加速度频谱A(fn)、所述速度频谱V(fn)和所述位移频谱D(fn)分别与谱线频率fn的函数关系，绘制得到在所述诺谟坐标系下的所述诺谟标绘图谱，举例的，与图2举例所示的加速度频谱A(fn)对应的诺谟标绘图谱如图3所示。
S5.根据所述诺谟标绘图谱，剥离出在所述诺谟坐标系中的且用于等效绝对刚体冲击加速度线的冲击加速度线。
在所述步骤S5中，考虑诸如柴油机等往复式发动机的机体结构是弹性体，虽然在该机体结构上有无穷多个模态频率，而且相同型号机体的模态频率、幅值以及阻尼都有所不同，相同的燃烧爆炸当量对不同机器产生的振动不一样，很难使用某个特定频率去评价和诊断发动机故障，但是如果假设前述的机体结构是绝对刚体，会使得燃烧爆炸不会产生各阶模态频率振动(因为绝对刚体没有模态频率)，进而会使得在所述诺谟坐标系中的诺谟标绘图谱为一条直线(称为绝对刚体冲击加速度线)，因此针对实际上的弹性机体结构，也应该在所述诺谟坐标系中产生对应的且用于等效绝对刚体冲击加速度线的冲击加速度线(其具有如下特点：不受结构模态频率影响；不受噪声和干扰信号影响；不受加速度传感器安装方式影响；具有明确可靠的故障指向性；与汽缸盖厚度和内部结构无关，只与燃烧爆炸当量与提前角大小有关；易于在低频段提取得到，而且低频部分的冲击加速度传播衰减比较小，对于传感器安装位置要求较低)，不过这个冲击加速度线会因与其它振动频率成分以及模态频率振动混合在一起而形成了如图3所示的诺谟标绘图谱，此时可参照诺谟图工具的常规计算方法，根据所述诺谟标绘图谱，在所述诺谟坐标系中确定出用于等效绝对刚体冲击加速度线的冲击加速度线，实现将冲击加速度线从实际的诺谟标绘图谱中剥离出来的目的，如图3所示，在低频段的直线即为所述冲击加速度线。
S6.根据所述冲击加速度线和与所述往复式发动机、所述运行期间及所述指定方向对应的燃烧状态分级标准，确定所述往复式发动机在所述指定方向上的燃烧状态分级结果，其中，所述燃烧状态分级标准包含但不限于有至少两个燃烧状态级别以及与各个所述燃烧状态级别对应的且预先确定的加速度数值范围等。
在所述步骤S6中，如图3所示，所述冲击加速度线在向左倾斜坐标轴上会有一个加速度数值(若所述冲击加速度线为等值冲击加速度线，则为端点值，否则为一个区间值)，同时由于在所述燃烧状态分级标准中，各个所述燃烧状态级别对应有预先确定的加速度数值范围，因此可以根据该加速度数值与加速度数值范围的归属情况，确定所述往复式发动机在所述指定方向上的燃烧状态分级结果，例如若该加速度数值位于与某个燃烧状态级别对应的加速度数值范围内，则可确定所述往复式发动机在所述指定方向上的燃烧状态分级结果为所述某个燃烧状态级别。此外，当所述往复式发动机包括有多个气缸时，可以针对每个所述气缸，在对应的气缸盖上安装所述加速度传感器，然后通过前述步骤S1～S6确定对应的且在所述指定方向上的燃烧状态分级结果。
优选的，所述燃烧状态分级标准可以但不限于按照如下步骤S601～S605来预先确定。
S601.根据ISO10816.6标准，获取与所述往复式发动机、所述运行期间及所述指定方向对应的且用于划分出M个燃烧状态级别的M-1个位移标准分界值，其中，M表示大于2或等于2的自然数，所述M个燃烧状态级别中的M-1对相邻两燃烧状态级别与所述M-1个位移标准分界值一一对应。
在所述步骤S601中，举例的，若所述M个燃烧状态级别包含有与优质工作状态对应的燃烧状态级别A、与良好工作状态对应的燃烧状态级别B、与合格工作状态对应的燃烧状态级别C和与不合格工作状态对应的燃烧状态级别D，则M等于4，会有3个位移标准分界值，并与3对相邻两燃烧状态级别(即燃烧状态级别A与燃烧状态级别B、燃烧状态级别B与燃烧状态级别C以及燃烧状态级别C与燃烧状态级别D)一一对应。
S602.针对所述M-1对相邻两燃烧状态级别中的各对相邻两燃烧状态级别，根据对应的位移标准分界值Dic和方程
求解得到对应的等值冲击加速度标准aic，其中，f表示频率。
在所述步骤S602中，所述等值冲击加速度标准aic为在所述诺谟坐标系下的一个加速度常数，因此可以通过常规的反函数求解方法，求解得到具体的常数值。
S603.针对所述各对相邻两燃烧状态级别，根据对应的所述等值冲击加速度标准aic，计算得到对应的总冲击加速度标准
其中，k为负荷系数。
S604.针对所述各对相邻两燃烧状态级别，将对应的所述总冲击加速度标准Aic作为对应的冲击加速度分界值。
S605.汇总与所述M-1对相邻两燃烧状态级别一一对应的M-1个冲击加速度分界值，得到所述燃烧状态分级标准。
以柴油发动机为例，针对七大类柴油发动机及空车工况运行期间和额定工况运行期间，可以通过前述步骤S601～S605得到如下表1所示的燃烧状态分级标准：
表1.七大类柴油发动机在空车工况和额定工况下的燃烧状态冲击加速度分级标准表
上述表1中的冲击加速度分界值保留了小数点后两位，可能还不规范，还可以在经过数值规范化处理后得到如下表2。
表2.七大类柴油发动机在空车工况和额定工况下的燃烧状态冲击加速度分级标准规范表
优选的，当所述运行期间包括有空车工况运行期间和额定工况运行期间且所述燃烧状态分级标准包含有与不合格工作状态对应的燃烧状态级别时，在确定所述往复式发动机在所述指定方向上的燃烧状态分级结果之后，所述方法还包括但不限于有如下步骤S711～S713。
S711.根据所述燃烧状态分级结果，判断所述往复式发动机在所述空车工况运行期间或所述额定工况运行期间的燃烧状态是否为不合格工作状态。
S712.若是，则按照如下公式计算得到冲击加速度比值ra：
式中，arp表示与所述额定工况运行期间对应的所述冲击加速度线的加速度数值，aep表示与所述空车工况运行期间对应的所述冲击加速度线的加速度数值。
在所述步骤S712中，若所述冲击加速度线的加速度数值为区间值，则在计算冲击加速度比值ra时取区间中点值参与计算。
S713.比较所述冲击加速度比值ra与预设阈值的大小关系，若发现所述冲击加速度比值ra大于所述预设阈值，则确定所述往复式发动机存在喷料提前角大的故障，反之若发现所述冲击加速度比值ra小于所述预设阈值，则确定所述往复式发动机存在喷料提前角小的故障。
在所述步骤S713中，所述预设阈值用于作为判断喷料提前角是否过大或过小的依据，其可以但不限于为基于ISO10816.6(GBT7184)标准预先确定的理论比率值，具体为10.05。此外，考虑在实际情况中，如何精确计算所述冲击加速度线的加速度数值是一个非常难的技术问题，而按照ISO10816.6(GBT7184)标准的要求：增加1.6倍，说明参数已经发生了有意义的变化，此时就必须考虑其它故障的存在，即在计算得到冲击加速度比值ra之后，所述方法还包括但不限于有：比较所述冲击加速度比值ra与预设阈值的大小关系，若发现所述冲击加速度比值ra大于raic×η或小于
则确定所述往复式发动机还存在其它故障，其中，raic表示所述预设阈值，η表示预设的倍数，例如为1.6。
优选的，当所述燃烧状态分级标准包含有与不合格工作状态对应的燃烧状态级别时，在确定所述往复式发动机分别在垂直轴方向、横向和轴向上的燃烧状态分级结果之后，所述方法还包括但不限于有如下步骤S721～S723。
S721.根据所述燃烧状态分级结果，判断所述往复式发动机在所述垂直轴方向、所述横向和所述轴向上的燃烧状态是否均为不合格工作状态。
S722.若是，则确定所述往复式发动机存在燃烧故障，否则根据所述燃烧状态分级结果，判断所述往复式发动机在所述垂直轴方向、所述横向和所述轴向中的任一方向上的燃烧状态是否为不合格工作状态。
S723.若判定所述往复式发动机在所述垂直轴方向、所述横向和所述轴向中的某个方向上的燃烧状态为不合格工作状态，则确定在所述某个方向上存在运动机械故障，其中，所述运动机械故障也称“运动件故障”，例如：柴油机曲轴(旋转运动)、连杆(平面运动)、活塞(往复机运动)和气阀(往复运动)等故障现象。
本实施例的现场测试分析如下：
(A)一台16V故障柴油机的评价与诊断，即这台柴油机是船舶左机，振动很大，一直查不出来原因，通过使用本实施例的往复式发动机燃烧状态评价方法进行分析，有：
(1)在目标转速为700rpm的空车工况运行期间且在垂直轴方向上，A列8个气缸的诺谟标绘图谱如图4所示，所得的燃烧状态评价结果如下表3所示：
表3.故障柴油机在目标转速为700rpm的空车工况运行期间的燃烧状态评价结果
根据上述表3可知，最严重的是气缸3和气缸4，对应的燃烧状态分别为与不合格工作状态对应的燃烧状态级别D；
(2)在目标转速为1600rpm的额定工况运行期间且在垂直轴方向上，A列8个气缸的诺谟标绘图谱如图5所示，所得的燃烧状态评价结果如下表4所示：
表4.故障柴油机在目标转速为1600rpm的额定工况运行期间的燃烧状态评价结果
根据上述表4可知，最严重的是气缸1～4和气缸7，对应的燃烧状态分别为与不合格工作状态对应的燃烧状态级别D；
(3)基于前述表3和表4，还可以得到故障柴油机的燃烧状态故障诊断结果，如下表5所示：
表5.故障柴油机的燃烧状态故障诊断结果
根据上述表5可知，气缸1～2和气缸7分别存在喷油提前角大的故障，而气缸3～4分别存在提前角小且喷油大的故障，进而在根据表5对该故障柴油机进行调整后，可使柴油机的燃烧状态恢复正常。
(B)一台16V正常柴油机的评价与诊断，即这台柴油机是同一船舶的右机，感觉振动正常，与前面故障柴油机一起通过使用本实施例的往复式发动机燃烧状态评价方法进行分析，有：
(4)在目标转速为700rpm的空车工况运行期间且在垂直轴方向上，A列8个气缸的诺谟标绘图谱如图6所示，所得的燃烧状态评价结果如下表6所示：
表6.正常柴油机在目标转速为700rpm的空车工况运行期间的燃烧状态评价结果
根据上述表6可知，所有气缸的燃烧状态分别为与良好工作状态对应的燃烧状态级别B；
(5)在目标转速为1600rpm的额定工况运行期间且在垂直轴方向上，A列8个气缸的诺谟标绘图谱如图7所示，所得的燃烧状态评价结果如下表7所示：
表7.正常柴油机在目标转速为1600rpm的额定工况运行期间的燃烧状态评价结果
根据上述表7可知，气缸1～4和气缸6～7的燃烧状态分别为与良好工作状态对应的燃烧状态级别B，而气缸5和气缸8的燃烧状态甚至能分别为与优质工作状态对应的燃烧状态级别A；
(6)基于前述表6和表7，还可以得到正常柴油机的燃烧状态故障诊断结果，如下表8所示：
表8.正常柴油机的燃烧状态故障诊断结果
根据上述表8可知，所有气缸均正常，无需调整。
由此基于前述步骤S1～S6所描述的往复式发动机燃烧状态评价方法，提供了一种基于冲击加速度进行往复式发动机燃烧状态评价的新方案，即在获取由加速度传感器在往复式发动机的运行期间所采集的且在指定方向上的加速度时域信号后，先通过一系列的信号处理，得到在诺谟坐标系下的诺谟标绘图谱，然后根据所述诺谟标绘图谱，剥离出在所述诺谟坐标系中的且用于等效绝对刚体冲击加速度线的冲击加速度线，最后根据所述冲击加速度线和与所述往复式发动机、所述运行期间及所述指定方向对应的燃烧状态分级标准，确定所述往复式发动机在所述指定方向上的燃烧状态分级结果，如此可在任意工况下评价往复式发动机的燃烧状态，有效拓展适用场景，并可以有效提升评价结果的准确性。此外，还可以进一步诊断出是否存在喷料提前角大/小的故障、燃烧故障和某个方向上存在的运动机械故障等，利于便捷、快速和精确地排除故障，便于实际应用和推广。
如图8所示，还可基于前述步骤S1～S6所描述的往复式发动机燃烧状态评价方法对往复式发动机燃烧状态进行在线监测，即包括但不限于有如下步骤S100～S300：S100.根据由加速度传感器实时采集的加速度时域信号，采用但不限于前述步骤S1～S6所描述的往复式发动机燃烧状态评价方法，来实时得到往复式发动机的燃烧状态分级结果/和故障诊断结果；S200.实时输出并展示所述燃烧状态分级结果/和所述故障诊断结果，并判断所述燃烧状态分级结果是否指示有不合格工作状态或判断所述故障诊断结果是否指示有故障(例如有喷料提前角大/小的故障、燃烧故障和某个方向上存在的运动机械故障等)；S300.若是，则输出并展示基于所述加速度时域信号而得的诺谟标绘图谱，以便人工检查确定是否有误判，并确定是否需要停机维修。前述步骤S300中的诺谟标绘图谱可以但不限于是基于前述步骤S1～S4所得的处理结果。
如图9所示，本实施例第二方面提供了一种实现第一方面所述的往复式发动机燃烧状态评价方法的虚拟装置，包括有信号获取模块、傅立叶变换模块、计算模块、图谱绘制模块、线条剥离模块和分级确定模块；
所述信号获取模块，用于获取由加速度传感器在往复式发动机的运行期间所采集的且在指定方向上的加速度时域信号a(t)，其中，所述加速度传感器安装在所述往复式发动机的气缸盖上，所述指定方向为所述往复式发动机的垂直轴方向、横向或轴向，t表示时间变量；
所述傅立叶变换模块，通信连接所述信号获取模块，用于根据所述加速度时域信号a(t)，通过傅立叶变换得到加速度频谱A(fn)，其中，fn表示在频谱中的第n根谱线频率，n表示非零自然数；
所述计算模块，通信连接所述傅立叶变换模块，用于根据所述加速度频谱A(fn)，按照如下公式计算得到速度频谱V(fn)和位移频谱D(fn)：
式中，π表示180度；
所述图谱绘制模块，分别通信连接所述傅立叶变换模块和所述计算模块，用于根据所述加速度频谱A(fn)、所述速度频谱V(fn)和所述位移频谱D(fn)分别与谱线频率fn的函数关系，绘制得到在诺谟坐标系下的诺谟标绘图谱，其中，所述诺谟坐标系包含有横坐标、纵坐标、向左倾斜坐标和向右倾斜坐标，所述横坐标为对数形式的频率值，所述纵坐标为对数形式的速度值，所述向左倾斜坐标为对数形式的加速度值，所述向右倾斜坐标为对数形式的位移值；
所述线条剥离模块，通信连接所述图谱绘制模块，用于根据所述诺谟标绘图谱，剥离出在所述诺谟坐标系中的且用于等效绝对刚体冲击加速度线的冲击加速度线；
所述分级确定模块，通信连接所述线条剥离模块，用于根据所述冲击加速度线和与所述往复式发动机、所述运行期间及所述指定方向对应的燃烧状态分级标准，确定所述往复式发动机在所述指定方向上的燃烧状态分级结果，其中，所述燃烧状态分级标准包含有至少两个燃烧状态级别以及与各个所述燃烧状态级别对应的且预先确定的加速度数值范围。
本实施例第二方面提供的前述装置的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见第一方面所述的往复式发动机燃烧状态评价方法，于此不再赘述。
如图10所示，本实施例第三方面提供了一种执行如第一方面所述的往复式发动机燃烧状态评价方法的计算机设备，包括有依次通信连接的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如第一方面所述的往复式发动机燃烧状态评价方法。具体举例的，所述存储器可以但不限于包括随机存取存储器(Random-Access Memory，RAM)、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、闪存(Flash Memory)、先进先出存储器(First Input First Output，FIFO)和/或先进后出存储器(First Input Last Output，FILO)等等；所述处理器可以但不限于采用型号为STM32F105系列的微处理器。此外，所述计算机设备还可以但不限于包括有电源模块、显示屏和其它必要的部件。
本实施例第三方面提供的前述计算机设备的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见第一方面所述的往复式发动机燃烧状态评价方法，于此不再赘述。
本实施例第四方面提供了一种存储包含如第一方面所述的往复式发动机燃烧状态评价方法的指令的计算机可读存储介质，即所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如第一方面所述的往复式发动机燃烧状态评价方法。其中，所述计算机可读存储介质是指存储数据的载体，可以但不限于包括软盘、光盘、硬盘、闪存、优盘和/或记忆棒(Memory Stick)等计算机可读存储介质，所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络或者其他可编程装置。
本实施例第四方面提供的前述计算机可读存储介质的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见如第一方面所述的往复式发动机燃烧状态评价方法，于此不再赘述。
本实施例第五方面提供了一种包含指令的计算机程序产品，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行如第一方面所述的往复式发动机燃烧状态评价方法。其中，所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络或者其他可编程装置。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种往复式发动机燃烧状态评价方法，其特征在于，包括：
获取由加速度传感器在往复式发动机的运行期间所采集的且在指定方向上的加速度时域信号a(t)，其中，所述加速度传感器安装在所述往复式发动机的气缸盖上，所述指定方向为所述往复式发动机的垂直轴方向、横向或轴向，t表示时间变量；
根据所述加速度时域信号a(t)，通过傅立叶变换得到加速度频谱A(fn)，其中，fn表示在频谱中的第n根谱线频率，n表示非零自然数；
根据所述加速度频谱A(fn)，按照如下公式计算得到速度频谱V(fn)和位移频谱D(fn)：
式中，π表示180度；
根据所述加速度频谱A(fn)、所述速度频谱V(fn)和所述位移频谱D(fn)分别与谱线频率fn的函数关系，绘制得到在诺谟坐标系下的诺谟标绘图谱，其中，所述诺谟坐标系包含有横坐标、纵坐标、向左倾斜坐标和向右倾斜坐标，所述横坐标为对数形式的频率值，所述纵坐标为对数形式的速度值，所述向左倾斜坐标为对数形式的加速度值，所述向右倾斜坐标为对数形式的位移值；
根据所述诺谟标绘图谱，剥离出在所述诺谟坐标系中的且用于等效绝对刚体冲击加速度线的冲击加速度线；
根据所述冲击加速度线和与所述往复式发动机、所述运行期间及所述指定方向对应的燃烧状态分级标准，确定所述往复式发动机在所述指定方向上的燃烧状态分级结果，其中，所述燃烧状态分级标准包含有至少两个燃烧状态级别以及与各个所述燃烧状态级别对应的且预先确定的加速度数值范围。
2.根据权利要求1所述的往复式发动机燃烧状态评价方法，其特征在于，所述运行期间包括有空车工况运行期间和/或额定工况运行期间。
3.根据权利要求1所述的往复式发动机燃烧状态评价方法，其特征在于，当所述运行期间包括有空车工况运行期间和额定工况运行期间且所述燃烧状态分级标准包含有与不合格工作状态对应的燃烧状态级别时，在确定所述往复式发动机在所述指定方向上的燃烧状态分级结果之后，所述方法还包括：
根据所述燃烧状态分级结果，判断所述往复式发动机在所述空车工况运行期间或所述额定工况运行期间的燃烧状态是否为不合格工作状态；
若是，则按照如下公式计算得到冲击加速度比值ra：
式中，arp表示与所述额定工况运行期间对应的所述冲击加速度线的加速度数值，aep表示与所述空车工况运行期间对应的所述冲击加速度线的加速度数值；
比较所述冲击加速度比值ra与预设阈值的大小关系，若发现所述冲击加速度比值ra大于所述预设阈值，则确定所述往复式发动机存在喷料提前角大的故障，反之若发现所述冲击加速度比值ra小于所述预设阈值，则确定所述往复式发动机存在喷料提前角小的故障。
4.根据权利要求3所述的往复式发动机燃烧状态评价方法，其特征在于，在计算得到冲击加速度比值ra之后，所述方法还包括：
比较所述冲击加速度比值ra与预设阈值的大小关系，若发现所述冲击加速度比值ra大于raic×η或小于
则确定所述往复式发动机还存在其它故障，其中，raic表示所述预设阈值，η表示预设的倍数。
5.根据权利要求1所述的往复式发动机燃烧状态评价方法，其特征在于，当所述燃烧状态分级标准包含有与不合格工作状态对应的燃烧状态级别时，在确定所述往复式发动机分别在垂直轴方向、横向和轴向上的燃烧状态分级结果之后，所述方法还包括：
根据所述燃烧状态分级结果，判断所述往复式发动机在所述垂直轴方向、所述横向和所述轴向上的燃烧状态是否均为不合格工作状态；
若是，则确定所述往复式发动机存在燃烧故障，否则根据所述燃烧状态分级结果，判断所述往复式发动机在所述垂直轴方向、所述横向和所述轴向中的任一方向上的燃烧状态是否为不合格工作状态；
若判定所述往复式发动机在所述垂直轴方向、所述横向和所述轴向中的某个方向上的燃烧状态为不合格工作状态，则确定在所述某个方向上存在运动机械故障。
6.根据权利要求1所述的往复式发动机燃烧状态评价方法，其特征在于，所述燃烧状态分级标准按照如下步骤预先确定：
根据ISO10816.6标准，获取与所述往复式发动机、所述运行期间及所述指定方向对应的且用于划分出M个燃烧状态级别的M-1个位移标准分界值，其中，M表示大于2或等于2的自然数，所述M个燃烧状态级别中的M-1对相邻两燃烧状态级别与所述M-1个位移标准分界值一一对应；
针对所述M-1对相邻两燃烧状态级别中的各对相邻两燃烧状态级别，根据对应的位移标准分界值Dic和方程
求解得到对应的等值冲击加速度标准aic，其中，f表示频率；
针对所述各对相邻两燃烧状态级别，根据对应的所述等值冲击加速度标准aic，计算得到对应的总冲击加速度标准
其中，k为负荷系数；
针对所述各对相邻两燃烧状态级别，将对应的所述总冲击加速度标准Aic作为对应的冲击加速度分界值；
汇总与所述M-1对相邻两燃烧状态级别一一对应的M-1个冲击加速度分界值，得到所述燃烧状态分级标准。
7.根据权利要求1所述的往复式发动机燃烧状态评价方法，其特征在于，所述往复式发动机包括有柴油发动机、汽油发动机或氢燃料发动机。
8.一种往复式发动机燃烧状态评价装置，其特征在于，包括有信号获取模块、傅立叶变换模块、计算模块、图谱绘制模块、线条剥离模块和分级确定模块；
所述信号获取模块，用于获取由加速度传感器在往复式发动机的运行期间所采集的且在指定方向上的加速度时域信号a(t)，其中，所述加速度传感器安装在所述往复式发动机的气缸盖上，所述指定方向为所述往复式发动机的垂直轴方向、横向或轴向，t表示时间变量；
所述傅立叶变换模块，通信连接所述信号获取模块，用于根据所述加速度时域信号a(t)，通过傅立叶变换得到加速度频谱A(fn)，其中，fn表示在频谱中的第n根谱线频率，n表示非零自然数；
所述计算模块，通信连接所述傅立叶变换模块，用于根据所述加速度频谱A(fn)，按照如下公式计算得到速度频谱V(fn)和位移频谱D(fn)：
式中，π表示180度；
所述图谱绘制模块，分别通信连接所述傅立叶变换模块和所述计算模块，用于根据所述加速度频谱A(fn)、所述速度频谱V(fn)和所述位移频谱D(fn)分别与谱线频率fn的函数关系，绘制得到在诺谟坐标系下的诺谟标绘图谱，其中，所述诺谟坐标系包含有横坐标、纵坐标、向左倾斜坐标和向右倾斜坐标，所述横坐标为对数形式的频率值，所述纵坐标为对数形式的速度值，所述向左倾斜坐标为对数形式的加速度值，所述向右倾斜坐标为对数形式的位移值；
所述线条剥离模块，通信连接所述图谱绘制模块，用于根据所述诺谟标绘图谱，剥离出在所述诺谟坐标系中的且用于等效绝对刚体冲击加速度线的冲击加速度线；
所述分级确定模块，通信连接所述线条剥离模块，用于根据所述冲击加速度线和与所述往复式发动机、所述运行期间及所述指定方向对应的燃烧状态分级标准，确定所述往复式发动机在所述指定方向上的燃烧状态分级结果，其中，所述燃烧状态分级标准包含有至少两个燃烧状态级别以及与各个所述燃烧状态级别对应的且预先确定的加速度数值范围。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括有依次通信连接的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如权利要求1～7中任意一项所述的往复式发动机燃烧状态评价方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如权利要求1～7中任意一项所述的往复式发动机燃烧状态评价方法。
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|---|---|
| CN115341994B (zh) | 2023-02-24 |
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