姜耀华，邓 军，王 斌，王 静

（镇江船艇学院 内燃机教研室，江苏 镇江212003）

在线监测与故障诊断技术是保证柴油机安全高效运转的重要手段。某些故障会导致各缸做功能力不均匀，如活塞环密封失效，气门漏气，喷油定时不正确，均会使柴油机的输出转矩发生变化，从而导致瞬时转速的波动。因此柴油机瞬时转速蕴含了丰富的机械运行状态的有用信息，通过分析瞬时转速的变化可以诊断柴油机故障。关于瞬时转速的测量以及转速信号的处理已有很多研究。现以康明斯NTA855-M350柴油机为例，利用瞬时转速波动诊断柴油机故障。

1 瞬时转速测量系统

利用瞬时转速波动进行柴油机故障的诊断关键是掌握柴油机实测瞬时转速的波形，为此，采用图1所示的测量系统。

图1 检测系统框图

通过对信号的处理计算得到各缸均匀工作时，瞬时转速随曲轴转角的变化曲线见图2。

图2 各缸均匀工作时瞬时转速的变化曲线

2 故障诊断

2.1 基于数值计算的故障诊断

对于N缸柴油机，将每循环采集的转速信号等分成N组，对于每一组（某一缸）的数据定义

式中：Mn——一组数据的个数；

xi（k）——瞬时转速采样值；

xim、σi——xi（k）的均值和均方差；

xjm、σj——xj（k）的均值和方差。

将每个气缸的工作状态分为正常和故障两种，对两个处于正常状态的气缸i和j作互相关分析，则Sij应接近1；否则Sij较小。

Ti对应着第i缸和每缸作相关分析，但是在不同工况下直接比较Ti易形成较大的误差。定义单缸状态判别值ti＝，式中T为T的平均值。通过大量实验确定ti的限值til。如果某次测试的ti≥til，则判定第i缸处于正常工作状态，否则判定第i缸处于故障工作状态［1］。以NTA855-M350柴油机为例，确定til为0.8时测定单缸失火故障是可靠的。

2.2 基于诊断模型的故障诊断

根据曲轴飞轮系统的动力学分析，有转矩平衡方程：

式中：θ——曲轴转角；

θ..——角加速度；

J——整个轴系运动部分的有效集中转动惯量；

Te（θ）——整个轴系的旋转惯性转矩；

Te（θ）、Tr（θ）、TL（θ）——分别为所有气缸总的气体力转矩、总的往复惯性转矩、总的阻力转矩。

将Tp（θ）、Te（θ）、Tr（θ）、TL（θ）、θ..进行傅立叶变换得到Tp（ω）、Te（ω）、Tr（ω）、TL（ω）、A（ω）；转角频率ω与曲轴转角θ互为傅立叶变换对。从而有：

通过分析可知，Tp（ω）中的低阶谐波分量反映了各缸气体转矩力的不均匀度，据此可以定义无量纲的转矩谐波分量比R作为衡量柴油机工作不均匀性的特征参数：

式中：N——气缸数；

Tp（nωc）——循环内气体力转矩的n阶谐波分量；

ωc——内燃机工作循环频率；

Nωc——内燃机发火频率。

利用R设定一个简单的阈槛值，即可识别和诊断出柴油机的失火或工作的不均匀性［2］。

2.3 基于波形的故障诊断

若柴油机正常工作，则每缸的瞬时转速波动间隔和幅度大致相同，如果某缸发生故障就会影响瞬时转速，从而在转速波形上有所反应。可取故障特征比较明显的参数作为特征参数，如一个工作循环内第i缸作功行程对应的瞬时转速波动的峰值nit与前一个谷值nib之差，即

Δni越小，说明第i缸作功越少或密封性越差［3］。为了尽可能减小循环转速和负荷变化对诊断的影响，定义第i缸作功行程对应的瞬时转速波动Δni与循环内所有缸对应的瞬时转速波动的平均值之比为第i缸的瞬时转速波动率fi，则有：

fi越小说明第i缸作功越少；各缸瞬时转速波动率差值越小说明发动机各缸工作均匀性越好。

图3为NTA855-M350柴油机在4号缸断油时瞬时转速波形图。显然4号缸的转速的最大波动值相对于其它缸而言最为明显，即Δn4最小，即可判定4号缸发生故障。

图3 4号缸断油时瞬时转速波形图

3 结论

通过测量柴油机瞬时转速的波动可以监测和诊断其运行故障。相比而言基于计算和模型的故障诊断计算量大，但是对故障判断的可靠性高。基于波形的故障诊断计算量小、通用性较好，能满足在线监测和实时诊断。

［1］于明进，孟祥录.瞬时转速在发动机性能与故障检测中的应用［J］.山东交通学院学报，2004（2）：18-21.

［2］郭文勇，朴甲哲.基于瞬时转速的内燃机故障诊断方法［J］.海军工程大学学报，2001（6）：55-58.

［3］濮立俊，杨建国.利用发动机瞬时转速波动诊断气门漏气故障［J］.武汉交通科技大学学报，2000（1）：59-63.