基于瞬时转速测量的指示扭矩估计技术评述

论述了四种基于瞬时转速的指示扭矩估计方法的基本思想以及近十年的研究现状。指出了各方法存在的问题,其中,负载扭矩估计是各方法共同面临的难点。对于曲轴模型法,刚性曲轴的假设条件受曲轴扭振和发火重叠的影响,而弹性模型则面临病态方程的求解问题。随机分析法在高转速低负载和偶然性失火条件下的估计能力需进一步研究。频率分析法只适合在各缸工作均匀条件下估计气缸的指示扭矩。合成转速法需要预先测量、计算的参数多,且不适用于4缸以上的内燃机。     

发动机飞轮转速的传递函数分析

就如何分析曲轴的扭振对飞轮瞬时转速的影响进行了探讨。提出了采用各缸转矩到飞轮转速的传递函数分析新方法,并对各缸传递函数的分布特点进行了研究。在曲轴角度域及其频率域内建立了离散的弹性曲轴模型,利用该模型与刚性曲轴模型的飞轮输出响应对比,研究了发动机各缸不均匀与扭振对飞轮转速波动的相互关系。结果表明：扭振在高速工况下的影响较大,且当各缸工作不均匀程度较大时,其影响相对较小。     

利用转速波动信号在线识别内燃机气缸压力的研究

提出一种利用转速波动信号在线识别内燃机气缸压力的方法,通过分析曲轴飞轮系统的动力学特性,建立一个简明实用的内燃机动力学模型,揭示瞬时转速波动信号与气体力抟矩及各缸气体压力之间的本质联系,给出气缸压力波形成的在线识别方法及其快速实现算法,试验及分析结果表明这种方法的可行性和有效性,为进一步诊断内燃机各缸工作不均匀性及单缸或多缸失火故障奠定了基础。     

柴油机曲轴减振器失效实时监测研究

为避免柴油机曲轴减振器失效,对曲轴减振器的实时监测进行研究,利用柴油机电子控制单元(electronic control unit,ECU)和前端转速信号盘获取转速信号并实时计算出曲轴扭振振幅,通过共振转速下曲轴扭振振幅的变化判断减振器是否失效。以某4缸柴油机为例,通过转速信号计算曲轴扭振振幅判断曲轴减振器状态,并进行试验验证。结果表明,该方法能够实时判断出曲轴减振器状态,达到曲轴减振器失效实时监测的效果。     

断油回流停缸策略对发动机油耗及轴系扭振的影响

在一台1.5L自然吸气发动机上,设计了基于断油回流策略的发动机停缸机构,该机构可以使进气供给自由切换为新鲜混合气供给或废气回流两种模式,同时发动机电控单元可以切断指定气缸的燃油供给和点火,从而实现停缸操作。利用该停缸机构开展了中低转速不同负荷下的油耗与扭振特性试验。试验结果表明:在中低转速部分负荷下采用停缸技术发动机节油效果明显,节油率最高可以达到15%。但停缸之后曲轴系统扭振以低阶滚振为主,且飞轮端扭振变化显著,部分谐次扭振幅值超过自由端,因此在应用停缸技术时需要关注飞轮端的扭振问题。     

利用实测发动机瞬态转速波动估计平均指示压力

本文针对四缸发动机建立了四自由度有阻尼强迫振动数学模型和反求平均指示压力的数学模型。通过发动机瞬态转速测量，可为扭振分析、单缸熄火、稳态及动态测功、单缸功率(一缸熄火时)测定、气缸密封性等状态监测及诊断提供数据，还可为车辆及发动机开环自适应控制策略等提供必要的转速、扭矩数据。     

斯太尔WD615系列柴油发动机扭振测量与分析

利用浙江大学新研制的高精度数字化扭振测试系统,对装用国产扭振减振器的斯太尔WD615系列发动机进行了全负荷工况下的曲轴扭振特性台架测试.通过对全转速范围内各稳定转速下的扭振时域波形和各谐次扭振幅频特性曲线的综合分析表明,该机型配用国产扭振减振器完全满足扭振减振要求.     

某型柴油机曲轴系的扭振性能分析

扭振是曲轴最为主要的振动形式之一,对曲轴的危害也最为严重。扭振过程中曲轴运转不均匀,伴有机械敲击和抖动等现象,长期运行会发生曲轴断裂、减振器爆裂等故障。我们采用多体动力学AVL-EXCITE Designer软件建立某型柴油机曲轴系统模型,通过CREO、有限元软件、AVL-Boost软件计算某型柴油机曲轴系统转动惯量、结构尺寸、质量、扭转刚度、缸压曲线等参数作为某型柴油机曲轴系统模型的输入,分析某型柴油机正常工况下和某缸停火下的自由振动和强迫振动情况,得到了扭振系统图、临界转速图、扭转系统模态、固有频率、最大总扭矩,确定出柴油机的临界转速、振型、振幅、扭转角位移、扭振应力,为柴油机运转过程中的扭振状况提供重要的理论支撑。     

内燃机过渡工况扭振特性研究

提出了一种去除过渡工况中趋势项的方法以提高内燃机轴系扭振幅频特性分析精度。利用过渡工况下扭振信号的各简谐成分实部和虚部等于该转速下稳定工况扭振信号各简谐成分实部和虚部与趋势项各简谐成分实部和虚部线性叠加的性质,可通过消去趋势项得到该转速下稳态工况的各简谐成分准确幅值。通过仿真和实验研究,不仅验证了所提方法的实用性,并且发现过渡工况中的趋势项具有对0.5、1.0等低简谐成分幅值影响最大,而对中、高简谐成分幅值影响相对较小的性质。     

内燃机轴系可控扭振模拟试验台的研制

设计并建造了一种双电机结构的内燃机轴系可控扭振激励模拟试验台.试验台以调速直流电动机作为转速驱动装置,发电机作为扭振激励源.可控扭振激励采用单片机技术,通过改变单片机提供的PWM信号的频率和占空比,来调节发电机励磁电流,以达到对扭振激励频率的控制.该试验台工作转速、扭振激励可调范围大,信号采集、分析处理及存储均可自动完成,能满足多种轴系不同工况的试验要求.对某无裂纹轴系和裂纹轴系进行了扭振试验研究,试验结果表明:无裂纹轴扭振优势频率在60Hz,而裂纹轴扭振优势频率集中在20Hz左右.     

基于变分模态分解和交叉小波变换的柴油机失火故障诊断

针对强噪声干扰下柴油机失火故障难以诊断的问题,提出一种基于变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)与交叉小波变换(cross wavelet transform,XWT)的柴油机失火故障诊断方法。该方法首先通过VMD将缸盖振动信号进行分解、自适应消噪及信号重构,再利用XWT对任意两个连续工作循环信号进行时频相关分析,进一步消除振动信号中的干扰噪声以提取柴油机燃烧特征,最后通过计算时频空间各缸能量占比进行柴油机失火故障诊断。通过对仿真信号分析及柴油机失火故障诊断,结果表明:该方法可以消除强噪声干扰,提取柴油机燃烧周期瞬态振动冲击特征,有效地识别柴油机失火故障。     

内燃机加速工况下曲轴旋转信号的转速跟踪滤波

测试分析内燃机曲轴的瞬时转速是识别内燃机做功状况和曲轴扭转振动特性的一种重要手段.内燃机在加速状况下采集到的曲轴旋转信号通常包含各种干扰信号,影响瞬时转速计算的准确性.提出了一种新的曲轴转速分析方法,设计一种中心频率随转速变化的窄带通滤波器,对曲轴旋转信号进行预处理,然后利用滤波后的信号计算曲轴的瞬时转速.基于曲轴实测旋转信号的分析结果表明:该方法修复了旋转信号中的失真部分,提高了曲轴瞬时转速的计算精度.     

船舶模拟推进装置的结构设计及其试验研究

基于结构相似性原理，提出了一种以柴油机喷油泵为激振源的船舶模拟推进试验装置。讨论了模拟推进装置的系统结构以及扭振测试诊断原理，通过对轮子不平衡、轴系不对中、轴承磨损、油压负载激振和多缸断油等工况的扭振特性试验，验证了模拟推进装置是一种理想的船舶轴系扭振试验和软件性能测试设备。     

基于阶比跟踪与VMD的瞬变工况发动机故障特征提取

针对发动机加速过程振动信号的非平稳性和存在强背景噪声的特点,提出阶比跟踪与变分模态分解(VMD)相结合的方法。对于柴油机曲轴轴承故障和汽油机连杆轴承模拟试验振动信号,利用阶比跟踪技术将时域上的非平稳信号转化为角域上的伪平稳信号,利用VMD对重采样信号进行分解,选择包含故障信息的模态分量,计算其阶比、转速、功率谱所构成的三维阶比谱阵,提取故障特征。仿真分析和故障模拟试验验证了该方法的有效性。     

用相干函数分析内燃机曲轴纵向振动产生的机理

采用信号处理技术中的相干函数来分析高速柴油机曲轴纵向振动产生的机理。通过对一台四缸柴油机曲轴自由端扭转／弯曲／纵向振动加速度信号进行相干分析，结果表明：曲轴的纵向振动是由弯曲振动和扭转振动的共同作用所产生。在高转速大负荷下，弯曲纵向耦合是纵向振动的主导因素，扭转耦合的纵向振动相对较小；垂直方向的弯曲纵向耦合比水平方向的弯曲耦合振动剧烈；在低转速下扭转耦合的纵向振动也比较强；扭转纵向振动为二倍频振动，弯曲耦合的纵振为同频振动。     

发动机曲轴系扭振测量的谐次提取及精度分析

发动机曲轴系扭转振动的准确测量对研究其扭转振动及振动控制具有重要意义。针对发动机特点,对电磁传感器输出转速信号的处理算法和精度进行研究,给出了一种实用的扭振信号处理方法。采用标准信号进行监测并结合扭振测量台架,分析了平均转速、采样密度对测量精度的影响。     

基于改进段角加速度和神经网络的柴油机失火诊断研究

针对失火故障中存在的高速轻载诊断困难,失火程度无法判别的问题,通过对比分析正常状态与失火情况下瞬时转速的特征,发现缩短段角加速度段长度,能够有效提升特征对失火故障的敏感度,同时,用神经网络方法代替阈值规则,能够很好地利用各缸特征值间的联系诊断失火。基于此,提出一种改进段角加速度和神经网络相结合的失火故障诊断方法。该方法能够实现对全转速范围单缸完全失火的诊断,且利用二级诊断的方式可以对失火程度进行有效判别,在高速轻载工况依旧具有很好的准确率。同时,提出的方法在学习阶段所需数据量小,适用于发动机失火故障的在线诊断。     

用单缸熄火转速法测定柴油机各缸工作均匀性

提出了简单实用的单缸熄火转速法,用以测量柴油机各缸工作均匀性,并进行了实验研究。实验是在6135ZJ型柴油机上进行的。实验结果表明：新方法测量简便,并能达到与单缸熄火法相同的测量结果。     

基于曲轴扭振谐次幅值特性的内燃机功率监测新方法

基于内燃机动力学和多缸内燃机轴系任意测点简谐角振动与各缸对应简谐力矩的关系式,推导了内燃机曲轴测点角振动响应与内燃机功率的关系式,提出了基于曲轴角振动谐次幅值实现内燃机在线有负荷测功的方法;基于线性叠加的原理,比较不同燃烧介质的大功率内燃机气体激振力矩和往复惯性力矩对曲轴测点处角振动特征谐次幅值的影响。对某天然气内燃机和某柴油机进行仿真和试验研究,特征谐次幅值曲线证明了理论的正确性;利用曲轴测点扭振角位移特征谐次幅值计算内燃机的实际运行功率,最大误差为3.5%。     

YC12VC型高速柴油机发火顺序的分析研究

基于AVL-EXCITE软件搭建了YC12VC发电用高速柴油机轴系动力学模型,其模拟值与试验值吻合性较好,验证了该模型可以较好地模拟不同工况条件下轴系的运动情况。基于平衡性和均匀发火等原则,设计了8种不同的发火顺序,并针对轴承受力、轴承润滑、轴系扭振和转速不均匀性开展影响规律研究。结果表明:通过发火顺序的优化,在保证最大主轴承负荷和最小油膜厚度满足设计要求的前提下,标定工况下的曲轴扭振总振幅从0.465°降低到0.259°,转速不均匀系数从0.018降低到0.009。