用时频分析检测柴油机的爆震

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1999.02.062 第21卷第2期 北京科技大学学报 Vol.21 No.2 1999年4月 Journal of University of Science and Technlogy Beijing Apr.1999 用时频分析检测柴油机的爆震 张文明冯雅丽廖明 北京科技大学资源工程学院，北京100083 摘要基于分析爆震对柴油机表面振动的影响，给出了用时频分析检测柴油机爆震的方法，代 替传统的模式识别方法，实验证明，在时频分布图上可以清楚地分辨所对应的不同的频率响应， 关键词柴油机；爆震；时频分析；故障检测 分类号TK428 在实测的柴油机示功图中，气缸压力曲线在 周传播，这就是前进波.前进波碰到燃烧室和气 燃烧区间常有锯齿形的压力波动，试验证明，它 缸的壁面而反射回来，称为反射波；再与原来的 是由燃烧爆震引起的.这种燃烧爆震是燃烧初期 前进波叠加，并反复叠加，从而形成燃烧压力振 燃烧加速度达到一定值（可称为临界燃烧加速 荡波.柴油机的爆震就是这一压力振荡波， 度)时与燃烧伴生的固有的物理现象，而不是由 柴油机的爆震一般发生在上止点前5°一 测试或分析系统造成的 8°左右，迅速发展到最大幅值，然后略按指数规 在柴油机的状态监测和故障诊断中，利用柴 律衰减，持续到上止点后15°~200.图1(a)是 油机表面振动信号进行特征提取和模式识别的 一个典型的发生爆震的示功图，(6)是滤去正常 方法是常用的方法.柴油机爆震的存在使这一 压力的振荡曲线.由图可见，存在明显的、由爆震 方法变得更加复杂和困难，正确识别柴油机的爆 产生的压力振荡。 震无论是对减小柴油机的噪声还是对柴油机进 行故障诊断都有着重要意义.由于柴油机本身是 个复杂噪声源，爆震产生的响应常常与其他激励 的响应混叠在一起，传统的谱分析方法很难将各 个响应区别开来，不能有效地识别爆震. 联合时频分布是分析瞬态、非平稳信号的有 力工具，它能有效地将暂态信号在时域和频域的 变化在“时间一频率平面”表现出来.对于柴油机 的表面振动信号，时频分析就有可能将不同激励 的响应分离开来，能更好地了解柴油机各个激励 (b) 源及其响应的特点，从而能有效识别爆震，本文 用Choi-Williams分布分析了一台WD615型柴油 机的表面振动信号，得到了很好的效果. TDC /(°) 1柴油机的爆震 图1柴汕机爆震时的示功图(a)和压力振荡(b) 在一定的条件下，柴油机产生带有爆炸性质 爆震产生的压力振荡的频率决定于燃烧室 的燃烧，其放热速度和加速度过大，使缸内压力 的几何尺寸和缸内介质的传播声速.这一频率可 升高的速度和加速度也过大，导致气体容积来不 由燃烧室的声学模型来估计.假设气缸在理想情 及正常膨胀和传递压力，从而激发成压力冲击 况下，它的缸壁在声学上是足够硬的，它里面的 波.它借助于缸内介质以当地声速或超声速向四 混合气是均匀的，那么振荡频率可由下式确定. 1998-12-14收稿张文明男，41岁，教授 f.=ka/2D (1) *国家自然科学基金资助课题(No.5965002)

第21 卷 1 9 9 9年 第2 期 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s i ty o f S e i e n c e a o d T e c h n lo gy B eij 恤g V o l . Z I A P r · N o 一 2 1 9 9 9 用 时频分析检测柴油机的爆震 张文明 冯推 丽 廖 明 北京科技大学资源 工 程学院 , 北京 10 00 83 摘 要 基于 分析爆 震对柴油 机表面 振 动的影响 , 给 出了用时频分析检测柴油机爆 震的方法 , 代 替传 统的模 式识别方法 . 实验证 明 , 在时频分 布图 上可 以 清楚地分辨所对应的不同的频率 响应 . 关键词 柴油机; 爆震 ; 时频分析; 故障检测 分 类号 T K 4 2 8 在 实 测 的柴 油 机示 功 图中 , 气缸 压 力 曲线 在 燃 烧 区 间 常 有 锯 齿 形 的压 力 波 动 . 试 验 证 明 , 它 是 由燃 烧 爆震 引 起的 . 这 种 燃 烧爆 震 是燃 烧 初 期 燃 烧 加 速 度 达 到 一 定 值 (可 称 为 临 界 燃 烧加 速 度 ) 时 与燃 烧 伴生 的 固有 的物 理 现象 , 而 不 是 由 测试 或分 析系 统造成 的川 . 在柴 油 机的 状态 监 测 和故 障诊 断中 , 利 用柴 油 机 表 面 振 动 信号 进 行 特 征 提 取 和模 式 识 别 的 方 法 是 常用 的 方法 圈 . 柴 油 机 爆震 的 存在使这 一 方法 变 得 更加 复杂 和 困 难 . 正确 识 别柴 油 机 的爆 震 无论 是 对减 小 柴 油 机 的 噪声 还 是 对柴 油 机进 行 故 障 诊断都有 着 重 要 意义 . 由于 柴油 机 本 身是 个复 杂 噪 声 源 , 爆震 产生 的 响应常常与其他激励 的 响应混 叠在 一起 , 传统 的 谱分 析 方法 很 难将各 个响 应区别 开来 , 不能 有效 地 识别爆 震 . 联 合时 频 分布 是 分析 瞬态 、 非 平稳 信号 的有 力 工 具 , 它 能 有 效地 将 暂态信 号 在 时域 和 频域 的 变化在 “ 时 间一 频率 平 面 ” 表 现 出来 . 对于柴 油 机 的表 面 振 动信号 , 时频分析就 有 可 能将 不 同激 励 的 响应分 离开 来 , 能 更 好地 了解 柴 油机 各个激 励 源及 其 响 应 的 特 点 , 从而 能有效识 别爆 震 . 本 文 用 C h o i 一 W illi a m s 分 布 分析 了一 台 W D 6 15 型 柴油 机 的 表面 振动 信号 , 得 到 了很好 的效 果 . 周 传播 . 这 就 是 前进 波 . 前进 波 碰 到燃烧室 和气 缸 的壁 面而 反 射回来 , 称 为 反射波 ; 再与 原来 的 前进 波 叠加 , 并反 复叠 加 , 从而 形成 燃烧压力振 荡波 . 柴油机 的爆震就是 这一压力振荡波 . 柴 油 机 的爆震 一 般发 生 在 上 止 点前 o5 一 8 。 左 右 , 迅 速 发展 到 最 大 幅值 , 然后 略按指 数规 律衰 减 , 持 续到 上止 点后 15 “ 一 2 0 川 . 图 l (a) 是 一个 典型 的 发生 爆震 的示 功 图 , b( ) 是 滤去 正 常 压 力 的振 荡 曲线 . 由图可见 , 存在 明显 的 、 由爆震 产 生 的压力 振荡 . 1 柴油机的爆震 在 一 定 的条件下 , 柴油 机 产 生带 有爆 炸 性质 的燃 烧 , 其 放 热 速 度 和 加 速 度 过 大 , 使缸 内压 力 升高 的 速度 和 加 速度 也 过 大 , 导 致气体容 积 来 不 及 正 常 膨 胀和 传 递 压 力 , 从而 激 发 成 压 力 冲 击 波 . 它借 助 于缸 内介质 以 当地 声 速或 超 声速 向四 19 9 8 一 12 一 14 收稿 张文 明 男 , 41 岁 , 教授 * 国家 自然科学 基金资助课题 ( N 。 乃9 6 5 0 0 2) T D C 中/ ( o ) 图 1 柴汕机爆展时 的示功图 (a) 和压力振荡 ( b ) 爆震 产 生 的 压 力 振 荡 的 频 率决 定 于燃 烧 室 的 几何 尺 寸和 缸 内介质 的传播 声 速 . 这 一频 率 可 由燃烧室 的声 学模 型 来估 计 . 假 设 气缸 在理 想 情 况 下 , 它 的 缸 壁 在 声 学 上 是 足 够 硬 的 , 它 里 面 的 混 合 气 是 均 匀 的 , 那 么 振 荡频 率 可 由下 式 确 定 . f 。 = ka / ZD ( l ) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1999. 02. 062

VoL21 No.2 张文明等：用时颊分析检测柴油机的爆震 ·217· 其中，∫是振荡频率，a是介质声速(m/s),D是缸 的原则是尽量减小交叉项的干扰.比如， 径(m),k是特征常数，一般取1.10~1.15. Choi-Williams分布就是为了减小交叉干扰设计 介质声速与缸内温度的关系是： 的.Choi-Williams分布的核函数为： a≈20.1VT (2) Y(t,v)=e-(2mm/0) (4) 其中，T为热力学温度(K). 其中：Y(c,)是Y(t,f)的Fourier变换，r和v分别 WD615型柴油机的燃烧最高平均温度约为 是时间和频率的延迟；σ是尺度因子，一般为1~ 2000K左右，D=0.11m,k取1.12，代人式(1)和 10.本文使用Choi-Williams分布. (2),得爆震的振荡频率为4500Hz左右.这与实 3实验分析 测的值相符. 2时频分析 图(2)是在1台WD615型柴油机缸盖主螺 栓上测得振动信号，以及它的时频分布和功率 所有平移不变的二次时频分布都属于二次 谱.从时域上看，它的振动信号与图(1)的压力振 Cohen类.二次Cohen类中最有名的分布是 荡曲线非常相似，出现的位置也一致（在上止点 Wigner分布.每一个Cohen类中的分布都可以表 前约1ms处达到最大值)；从频域上看，它的主频 示为一个经过二维滤波的Wigner分布.即，一个 在4500Hz左右，与估计的值一致；从时频分布 时频分布T,属于Cohen类，C.当且仅当它可以 上看，振动频率变化不大，这是因为缸内温度在 由信号的Wigner分布的时频卷积得到，即： 上止点左右极短的时间内变化不大；振动的能量 Tecn=J∫，-rff'x 随时间迅速衰减，这是因为压力升高率在达到最 大值后，迅速下降. w(t'.f)dt'df' (3) 为了证明这个振动是由爆震产生的，我们还 式中，t,f)是信号x()的Wigner分布.因此， 测取了该柴油机侧壁上止点附近的振动信号，并 Cohen类的每一个时频分布都由一个特定的与信 分析了它的时频分布和功率谱，如图(3)所示.柴 号无关的核函数Y,(,∫)决定.注意，这个核函数 油机燃烧引起的正常压力冲击的能量分布在一 可以理解为一个二维低通滤波器.比如，对于 个很广的频带内(0~4000Hz),而且随频率的升 Wigner分布，Y(x,w)=1.核函数的选择取决于它 高略呈指数衰；同时，柴油机缸盖和侧壁的尺寸、 的用途和被分析信号的特点.一个非常重要 结构和刚度都不一样，传递函数也就不同，在正 10a 10 (b) 6F 6 4 ZHX :OIX// 4 2 2 0 0 -10 -5 0 5 1015 I/ms PSD/X10 400[(e) 人 200- 图2柴油机盖主螺栓振动.(a)联合时频分布； -200 b)功率密度：(c)振动信号 景 -400 -10 -5 0 10 t/ms

V 0 L2 1 N o . 2 张文明等 : 用 时频分析检测柴油机 的爆震 . 2 17 . 其中 , fc 是 振荡频 率 , a 是介质 声速 (m / s ) , D 是 缸 径 ( m ) , k 是特 征常数 , 一 般取 1 . 10 一 1 . 1.5 介质声 速与缸 内温度 的 关系是 : 。 二 2 0 . 1行 ( 2 ) 其 中 , T 为热力 学温度 (K ) . W D 6巧 型 柴油机 的燃 烧最 高平 均温 度约为 Z 0 0 0 K 左 右 , D = o . l l m , 无取 1 . 12 , 代人 式 ( l ) 和 (2 ) , 得 爆震的 振 荡频 率为 4 5 0 H z 左 右 . 这 与实 测的值相 符 . 的 原 则 是 尽 量 减 小 交 叉 项 的 干 扰 . 比 如 , C ho i 一 W il ia m s 分 布 就 是 为 了 减 小 交 叉 干 扰 设计 的 . C h o i 一 w illi a m s 分布 的核 函 数 为 : , ( r , u ) = e 一 `, 兀`” ` a ) ( 4 ) 其 中 : 尹 ( r , v ) 是 尹 : ( r , f ) 的 F o u r i e r 变换 , r 和 v 分别 是 时 间和 频 率的 延 迟 ; a 是 尺 度 因子 , 一 般 为 l 一 10 . 本 文使用 C h o i 一 W illi a m s 分 布 . 2 时频分析 所 有平 移 不 变 的二 次 时频 分布都属 于 二 次 c o h en 类 . 二 次 C o h en 类 中 最 有 名 的 分 布 是 w 妙er 分布 . 每一个 C o h en 类 中的分 布都可以 表 示 为 一个经 过 二 维滤 波 的 w ign er 分 布 . 即 , 一个 时 频分 布 T x 属 于 C ho en 类 , 吼 . 当且仅 当它 可 以 由信号 的 w ign er 分布 的时频卷 积得 到 , 即 : : 。 : “ xT ( T , f ) 一 丁 梦 : (t 一 t , , -f , ) x 城t , , f 〕d t ` df ` ( 3 ) 式 中 , 叭t, f )是 信 号 x( O的 w ig ne r 分 布 . 因 此 , C o h e n 类 的每 一个时频 分 布都 由一个特 定 的与信 号无 关 的核 函数 梦 : (t, f )决定 · 注 意 , 这 个核 函 数 可 以 理 解 为 一 个 二 维 低 通 滤 波 器 . 比 如 , 对 于 w ign er 分 布 , 了(r , v) = 1 . 核 函 数 的 选择 取决 于 它 的 用 途 和 被 分 析 信 号 的 特 点一 个 非 常 重 要 10 隔 3 实验分析 图 ( 2) 是 在 1 台 W D 61 5 型 柴油 机 缸 盖 主螺 栓 上 测 得 振 动 信 号 , 以 及 它 的 时 频 分 布 和 功 率 谱 . 从时 域上 看 , 它 的振 动信 号 与 图 (l ) 的 压力 振 荡 曲线 非 常 相 似 , 出现 的位 置 也 一 致 (在 上 止 点 前 约 1 m s 处达到 最大值 ) ; 从频 域上 看 , 它 的主频 在 4 5 0 0 H z 左 右 , 与估 计 的值一 致 ; 从时 频 分 布 上 看 , 振 动频 率变 化 不 大 , 这 是 因 为 缸 内 温度 在 上 止点 左 右极 短 的 时间 内变 化 不大 ; 振动 的能量 随时 间迅 速 衰减 , 这是 因为压 力 升 高 率在 达 到最 大值后 , 迅速下 降 . 为 了证 明这 个振 动是 由爆震产 生 的 , 我们 还 测 取 了该 柴油 机侧壁 上止 点附近 的 振 动信号 , 并 分 析 了它 的 时频分 布 和 功率 谱 , 如 图 (3) 所示 . 柴 油 机 燃 烧 引起 的正 常 压 力 冲 击 的 能 量分 布 在 一 个 很广 的频 带内 (0 一 4 0 0 0 H )z , 而且 随频 率的 升 高 略呈 指 数衰 ; 同时 , 柴 油 机缸 盖 和 侧壁 的尺 寸 、 结构 和 刚度 都不 一样 , 传递 函 数也 就不 同14 , 在正 1 0 1 ( b ) l 426 乞召一芝日、 钾卜 , 46 川洲N 乞一x、、 O 匕 一 1 0 t / m s 2 4 P S D / x 1 0 4 4 0 0 2 0 0 一 2 0 0 一 4 0 0冲~ 一 I } } } 图2 柴油机盖 主螺栓振动 . ( a) 联合 时频分布 ; 伪)功率密度 ; (c )振动信号 一切 · 飞侧瑕具、 一 10 t / m s

·218· 北京科技大学学报 1999年第2期 10(a 10[b) 8 6 ZHM :01X// 4 2 -15-10 -5 0 10 2 t /ms PSD/X10 200L(c) 400 0 景 -200 图3柴油机侧壁振信号. 400 (a,b),(c)同图2 -15 -10 0 10 t/ms 常情况下，燃烧冲击在缸盖和侧壁处引起的响应 机在额定工况下运行，就会产生爆震，如怠速，负 是不同的.而由图(2)可知，在上止点附近仍然有 载太小，冷却水过冷，进气压力不足，压缩比小等 一个频率约为4500Hz的振动，这是由爆震引起 都会造成爆震.由于柴油机本身是一个复杂的噪 的强迫振动：而在上止点前(-13~2ms)的振动 声源，必然要求用时频分析来分析它的表面振动 主要是活塞撞击缸壁引起的，它的频率在2000~ 信号. 3000Hz左右.这2个不同的响应在时频分布图 参考文献 上很明显地区别开来，而从功率谱上就很难分清 哪个频率对应着哪个响应.这就显示了时频分析 1何学良，李疏松编著.内燃机燃烧学北京：机械工业出 的优势. 版社，1990 2张文明.矿用汽车故障诊断.北京：机械工业出版社， 4结束语 1997 3 Cohen L.Time-Frequency Analysis.Englewood,Cliffs, 利用柴油机表面振动信号对柴油机进行状 NJ:Prentice-Hall,1995 态监测和故障诊断，必须注意是否存在爆震.事 4 Lyon R H.Machinery Noise and Diagnostics.Butter- 实上，在采集柴油机表面振动信号的过程中，由 worth:Butterworth Publishers,1987 于实验条件或现场条件的约束，常常不能使柴油 Diesel Knock Detection Using Time-Frequency Analysis Wenming Zhang,Yali Feng,Ming Liao Resources Engineering School.UST Beijing,Beijing 100083.China ABSTRACT Joint Time-Frequency Distribution is fit for the analysis of transient and non-station- ary signals such as engine surface vibrations.By use of Time-Frequency Analysis,the result of tangi- ble benefits can be obtained on Time-Frequency graphics when detecting knock from the signals generated by these transient phenomena in diesel engines. KEY WORD diesel engines;knock;time-frequency analysis;fault detection

. 2 1 8 . 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 9年 第 2期 4 乞日例工、 xz ()a - 一 - 一一 ~一亨 { ’ 1 1 1 1 1 0 ha z 乞玉一x 、、 一 1 5 一 1 0 一 5 t /m s 0 2 4 P SD / x 1 0 4 2 0 0 4 0 0 0 一 2 0 0 4 0 0 一 ( e ) 二 ~ 砷卜一 1 1 1 1 图 3 柴油机侧 壁振信号 . ( a ) , 伪) , ( c) 同图2 工切 · 飞侧侧具、 一 1 5 一 1 0 一 5 0 t /m s 常情 况 下 , 燃 烧 冲击 在 缸 盖和 侧 壁处引起 的响 应 是 不 同的 . 而 由图 ( 2) 可 知 , 在 上止 点 附 近仍 然 有 一 个 频率 约 为 4 5 0 H z 的振 动 , 这是 由爆震 引起 的强迫 振 动 ; 而 在 上止 点 前 ( 一 13 一 Z m s) 的振 动 主 要是 活 塞撞 击 缸壁 引起 的 , 它 的 频率 在 2 0 0 0 一 3 0 0 0 H z 左 右 . 这 2 个 不 同的 响 应 在 时 频 分 布 图 上 很明 显地 区 别 开来 , 而 从功 率 谱上就 很难 分 清 哪 个 频 率 对应 着 哪 个 响应 . 这 就 显示 了时频 分 析 的优势 . 机 在 额定 工 况下 运 行 , 就 会产生 爆 震 , 如 怠速 , 负 载 太 小 , 冷却 水 过冷 , 进 气 压力 不 足 , 压 缩 比 小等 都 会 造 成爆 震 . 由于 柴 油机 本 身是 一个 复 杂 的噪 声 源 , 必 然要 求 用 时频 分 析来 分 析它 的 表面 振动 信号 . 参 考 文 献 4 结束语 利 用 柴 油 机 表 面 振 动 信 号 对 柴 油 机 进 行状 态监 测 和 故 障诊 断 , 必 须 注 意 是 否 存 在 爆 震 . 事 实 上 , 在 采 集 柴 油 机 表 面 振 动 信 号 的 过 程 中 , 由 于实 验 条件或现 场 条 件 的约 束 , 常 常 不能 使柴油 1 何学 良 , 李疏松 编著 . 内燃机燃 烧学 . 北京 : 机 械工 业 出 版社 , 19 9 0 2 张文 明 . 矿 用 汽 车 故障 诊 断 . 北 京 : 机械 工 业出版 社 , 1 9 9 7 3 C o h e n L . T im e 一 F r e q u e n e y A n a ly s i s . E n g l e w o o d , C li fs , N J: P r e n t i e e 一 H a ll , 19 9 5 4 L y o n R H . M a e h i n e yr N o i s e a n d D i a g n o s t i e s , B u t e r - w o rt h : B u t e r 、 v o rt h P u b li s h e sr . 19 8 7 D i e s e l K n o c k D e t e e t i o n U s i n g T im e 一 F r e q u e n e y A n a ly s i s 脸 n m i n g hZ a n g , aY l i eF n g , R e s o u r e e s E n g i n e e r i n g S e h o o l , U S T B e ij i n g , 材艺n g L ia 口 B e ij i n g 10 0 0 8 3 , C h i n a A B S T R A C T J o i n t T im e 一 F r e q u e n e y D i s tr i b u t i o n 1 5 if t fo r th e an a ly s i s o f tr a n s i e n t a n d n o n 一 s t a t i o n - a ry s i g n a l s s u e h a s e n g in e s u r fa e e v i b r a t i o n s . B y u s e o f T im e 一 F r e q u e n e y A n a l y s i s , t h e r e s u l t o f t a n g i - b l e b e n e if t s e a n b e o b at i n e d o n T im e 一 F r e q u e n e y g r a Ph i e s w h e n d e t e e t i n g kn o e k fr o m t h e s ig n a l s g e n e r a t e d b y t h e s e tr a n s i e n t Ph e n o m e n a i n d i e s e l e n g i n e s . K E Y W O R D d i e s e l e n g i n e s : kn o e k : t im e 一 fr e q u e n e y a n a ly s i s : fa u lt d e t e c t i o n