基于缸内压力重构的船舶柴油机燃烧起终点识别
时间：2020-12-21 16:03:27 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：为对船舶柴油机缸内燃烧过程进行快速诊断，提出一种船舶柴油机燃烧起终点识别的新方法。该方法通过构建韦伯燃烧模型模拟缸内压力曲线，然后建立缸内燃烧和散热模型。根据计算出的燃烧放热率、缸内温度和缸内压力升高率，分析其燃烧起点，并通过缸内压力变异分析研究燃烧终点。结果表明：与实测压力相比，用韦伯燃烧模型得到的压力在燃烧相和膨胀相上呈现出较好的相似性，可替代实测压力对其波动进行修正，且计算时间短。船舶柴油机瞬时燃烧放热率、缸内温度、缸内压力升高率均能提供燃烧起点特征信息;在燃烧终点缸内压力变异系数有突变现象;瞬时传热对燃烧起点无直接影响。两种传热模型均表明船舶柴油机样机缸内燃烧的速燃期和缓燃期均由两个阶段组成。
关键词：内燃机; 特征识别; 放热率; 燃烧模型; 散热模型; 压力变异
中图分类号： U664.121
文献标志码： A
Abstract：To diagnose the in-cylinder combustion process of a marine diesel engine rapidly， a new method for identifying the combustion start and end of the marine diesel engine is proposed. In this method， Weber combustion model is constructed to simulate the in-cylinder pressure curve， and the in-cylinder combustion and heat dissipation models are established. According to the calculated combustion heat release rate， in-cylinder temperature and in-cylinder pressure increase rate， the combustion start is analyzed， and the combustion end is studied through the analysis on the in-cylinder pressure variation. The results show that： the pressure obtained by Weber combustion model is very similar to the measured pressure in the combustion phase and the expansion phase， and can replace the measured pressure to correct the fluctuation; the calculation time using the model is shorter. The instantaneous combustion heat release rate， the in-cylinder temperature and the increase rate of in-cylinder pressure show the characteristic information of combustion start; at the end of combustion， the coefficient of in-cylinder pressure variation has a sudden change; the instantaneous heat transfer has no direct effect on the combustion start. The two heat transfer models show that both the rapid combustion period and the slow combustion period of the in-cylinder combustion of the marine diesel engine prototype are composed of two stages.
Key words：internal combustion engine; characteristic identification; heat release rate; combustion model; heat dissipation model; pressure variation
0 引 言
不同于点火式内燃机，船舶压燃式内燃机在燃烧时并无明确起点。受燃油物理特性和缸内环境等多因素影响，燃烧起终点常常变化且燃烧特性不易评估。一方面，缸内的燃烧过程极短且发生在缸内不易观察;另一方面，燃烧的起点和终点会影响缸内燃烧过程，不正确的燃烧正时往往会产生异常压力和燃烧敲击，进而引起缸内燃烧不良，烧伤活塞顶，损坏发动机部件等：因此，找到一种有效的监测方法对船舶柴油机燃烧的起终点识别将十分有益。
目前，可利用振动信号变换方法对机械状态进行检测，但基于时频域的内燃机故障诊断方法有一定的不稳定性，这是因为气缸盖的振動响应来自燃油在缸内迅速燃烧膨胀所导致的压力变化，即受燃烧过程的影响，而燃烧过程本身持续时间短，又是一个包含物理、化学、流动、传热、传质的复杂过程，同时也受外界条件（如燃油供油规律、燃油雾化情况、缸内空气运动等因素）的影响。因此，即使柴油机转速、功率保持稳定，每一个工作循环的缸内压力变化过程也存在着一定的随机性。
利用缸内压力来评估燃烧过程可得到更接近真实的燃烧信息，再经过变换可实现柴油机故障自诊，并得到更准确的预测结果，例如：文献[1]做了基于缸内压力控制的热力学研究，在一个点火式内燃机上利用缸内压力估算空燃比来进行失火检测预测;文献[2]通过引入EGR率，考虑了部分压力损失，在一定程度上修正了Powell对空燃比评估不足的影响;文献[3]重点考虑了摩擦、平均有效压力和燃油雾化的影响，模拟发动机燃用生物柴油的燃烧过程，并在0%、50%和100%负载条件下进行试验，通过对气相色谱-质谱结果的分析，标定了排气中碳、氢、氧的含量。
