利用内燃机表面振动信号提取燃烧激励响应信号,评价缸内燃烧状态,对实现内燃机燃烧过程在线监测、闭环控制及故障诊断具有重要的理论意义和实用价值。实际应用过程中,由于振动信号中包含有大量与燃烧无关的干扰信息,燃烧激励响应信号被淹没在诸多非燃烧激励响应信号中,导致燃烧激励响应信号的信噪比较低,很难直接从振动信号中识别出燃烧状态信息。本课题首先分析了燃烧激励响应信号与非燃烧激励响应信号间的耦合特点;针对振动速度和振动加速度信号中非燃烧激励响应信号的特点,分别研究了振动加速度信号和振动速度信号中非燃烧激励响应信号的剔除方法;基于仿真分析,提出了基于振动信号中与燃烧过程相关的参数描述激励信号高频成分含量,计算振动响应信号与激励信号间相位滞后角的方法。论文主要研究工作如下:1.机体表面振动信号与燃烧激励信号间关系的理论分析实测振动信号中包含大幅值的低频干扰信号,对该低频信号进行频谱分析后认为,该信号主要是由往复惯性力激励引起。某些工况下,该信号甚至淹没了燃烧激励响应信号,在振动速度信号中表现尤为明显,导致难以基于实测振动信号识别燃烧特征参数;基于Matlab/Simulink建立的振动系统模型,探索了不同激励输入信号对振动响应信号与激励信号间相位滞后角的影响规律,结果表明,随着内燃机负荷的增加,燃烧激励信号中的高频谐波分量增加,振动响应信号的相位滞后角增加;利用AVLBoost搭建了内燃机一维仿真模型,通过调节不同放热规律,获得了不同工况的缸压曲线。统计了缸压激励信号中250Hz以上频带的能量与燃烧特征参数间的关系,获取了缸压激励信号中能够表征其高频能量含量的特征参数,这为基于振动信号特征值表征激励信号中高频分量比例、推测振动信号相位滞后角奠定了基础。2.机体表面振动速度信号中燃烧激励响应信号的提取及应用根据内燃机往复惯性力激励信号的特点,建立了描述往复惯性力激励响应信号的数学模型。依据实测振动信号,采用模式识别技术辨识模型相关参数,利用模型预测并从实测振动速度信号中直接剔除往复惯性力激励响应信号。利用实测振动速度信号,对用于模型参数辨识的数据范围、模型阶次等因素进行了分析。结果表明建立四阶模型、选用压缩过程初期的数据辨识模型参数,可以获取较好的往复惯性力激励响应信号预测结果,瞬时转速波动对模型参数辨识的影响不大;剔除往复惯性力激励响应信号后的振动速度信号与压升率信号间的相关性明显提高。利用振动速度信号中特征参数表征激励信号中的高频成分含量,对振动速度信号与激励信号间的相位偏差进行描述,提高了基于振动速度信号获取燃烧特征参数的识别精度。3.机体表面振动加速度信号中燃烧激励响应信号的提取机体表面振动加速度信号中也包含有主要由往复惯性力引起的响应信号,以傅里叶变换为理论依据的时频分析方法在分析非平稳信号时,易产生虚假信号和假频等矛盾现象;利用小波分解剔除振动加速度信号低频干扰时,效果取决于小波基的选择,一个基函数很难在所有工况下都取得令人满意的结果。提出了基于经验模式分解(Empirical Mode Decomposition, EMD)技术提高振动加速度信号中燃烧激励响应信号信噪比的方法。首先采用EMD技术对振动加速度信号进行分解,进而利用与燃烧信息相关性较大的本征模式函数重构了振动加速度信号,重构的振动加速度信号与缸压二次导数有很强的相关性。提出了利用“平均压升率”及峰值点前第一个过零点到振动加速度曲线最低点之间的间隔角表征振动加速度信号中的高频成分含量,估算振动加速度信号与激励信号间的相位偏差,识别最大压升率出现时刻及峰值压力出现时刻的方法。4.燃烧激励响应信号提取方法普适性验证基于SD2100TA两缸柴油机,研究了相邻缸的燃烧激励对测量缸燃烧激励响应信号提取的影响。结果表明,当内燃机转速低于7500r/min时,相邻缸燃烧激励响应信号延续不到当前缸的发火时刻;当内燃机转速高于7500r/min时,相邻缸燃烧激励响应信号恢复平稳的时间对应的转角将大于180 ℃A。但随着燃烧过程结束,进入自由振动阶段,自由振动的频率在3000Hz以上,高于燃烧激励响应信号的频率上限。因此,即使相邻缸的燃烧激励引起的自由振动能延续到当前缸的燃烧时刻,也可以用滤波的方法将其去除。基于4W34T2柴油机,研究了相邻缸燃烧激励和气门开启、落座等非燃烧激励与当前缸燃烧激励的耦合情况。与燃烧激励响应信号有耦合的其他缸的激励包括相邻缸燃烧激励、气门开启、落座激励。在负荷较低时,气门激励的影响较为明显,随着负荷的增加,气门激励响应信号在振动速度信号中能量占比逐渐降低,并且气门激励的响应信号的频率高于燃烧激励响应信号,不会影响燃烧激励响应信号的提取。缸盖罩上测得的振动信号中除包含当前缸的燃烧激励信息外,也较明显地包含有相邻缸的部分燃烧信息;受缸盖垫及缸盖罩自身特性的影响,实测振动信号中低于1000Hz和高于2000Hz的频带都有明显的衰减,800Hz以下部分衰减尤为明显。在SD2100TA和GW4D20柴油机上,对利用振动速度信号和振动加速度信号提取燃烧激励响应信号,识别燃烧特征参数的方法进行了验证;试验中柴油机分别燃用柴油、G30和G50燃料,研究结果表明,利用振动信号和利用缸压曲线识别得到的燃烧特征参数都能反映出因燃料改变而引起的燃烧过程的变化。相对于从缸盖表面获取的振动信号,从缸盖罩获取的振动信号存在部分燃烧信息的损失,实测振动信号中非燃烧激励响应信号比例增加,导致识别精度降低。5.基于信息融合技术提取燃烧激励响应信号的研究针对内燃机结构紧凑,传感器无法安装在与燃烧信息密切相关位置的问题,提出基于信息融合技术,利用若干测点的振动加速度信号重构与燃烧信息密切相关的振动加速度信号的方法。引入同步压缩小波变换获取高时频分辨率的频谱图,提出了利用修正Hausdorff距离描述各传感器信号频谱图之间的相似程度,获取各传感器信号的加权系数,实现多传感器信息融合的方法。选择利用不同测点的信号重构振动加速度信号,结果表明,距离被测缸较近的振动加速度信号中包含的燃烧信息更为丰富;利用距离被测缸较近的传感器信号重构得到的振动加速度信号可用于燃烧特征参数的识别,但与沿活塞方向缸盖表面测得的振动加速度信号相比,重构的振动信号中燃烧信息有一定损失。