冀树德 张兴刚 孙学东 闫瑞琦 高海涛

（中国北方发动机研究所）

基于相关系数法的柴油机动态特征提取

冀树德 张兴刚 孙学东 闫瑞琦 高海涛

（中国北方发动机研究所）

以某12缸柴油机装车后行驶的砂石路面为基础，针对不同驾驶员在车辆实际行驶中进行的7次加速过程，利用高速采集设备同步采集了柴油机输出端的转速和扭矩信号，并以动作响应快的转速信号为主要参数设计了典型的特征波形。利用相关系数法分析了7次加速信号及不同特征波形信号间的相关性，获得了砂石路行驶条件下柴油机动态特征信号。所提取的特征波形信号图形可表明，采用相关系数法分析典型动态特征信号是可行的。

1 前言

在柴油机的设计研发过程中，其性能验证主要以稳态工况为主，而柴油机装车后的实际使用过程中60%以上是动态运行工况，因此，基于柴油机的实际运行情况，提取可用于台架研究的动态运转特征，摸索柴油机的动态性能，获取重要的试验数据和资料，是柴油机产品设计及研发环节的重要补充。

对于柴油机动态特性的研究，目前广泛开展的是以排放研究为主的瞬态试验循环[1，4～9]。对于柴油机典型动态特征的提取，主要是试验为主的统计方法研究。相关系数法作为统计学的一种重要方法，广泛应用于实测响应空间的负荷动态特征分类提取、多传感器信号动态特征分析等方面[2，3，5]。

本文以某柴油机装车后行驶的砂石路面为基础，针对不同驾驶员在车辆实际行驶中进行的7次同样方式的加速过程，利用相关系数法分析、提取柴油机运转中的典型动态工况，以研究柴油机动态性能。

2 相关系数法的基本原理

相关系数反映了变量间相关关系的密切程度。相关系数按积差方法计算，以两变量与各自平均值的离差为基础，2个离差相乘来反映两变量间的相关程度。通常相关系数法用以度量不同变量间存在相关关系的可能性。本文以相同变量——柴油机转速为基础，分析不同时间段转速历程的相似性，以获得柴油机动态运行条件下的典型运行工况。

相关系数的具体算法如下:

式中:x、y为变量；n为变量个数；σx和σy分别为变量x和y的方差；σxy为变量x和y的协方差；γ为相关系数。

3 柴油机参数及载荷数据获取

某柴油机（主要技术参数见表1）装车后以常用的砂石路面为基础，由不同驾驶员驾驶车辆在此路面连续进行7次相同方式的加速，同时采用高速采集设备实时采集、记录柴油机输出端的转速和扭矩，构成柴油机的动态载荷数据，采样频率为500 Hz。

表1 柴油机技术参数

4 典型特征波形的设计

柴油机在砂石路面连续7次加速获得的道路载荷数据见图1。由图1可看出，与扭矩信号相比，转速信号对于驾驶操作变化、路面工况变化等有更快的响应特性。因此，以转速信号为基础进行柴油机基于砂石路面的运行特征研究，通过比较和分析7次道路载荷数据，并结合路面和既定的驾驶员操作，设计图2的波形为典型特征波形。

5 道路载荷特征提取

为进一步分析7次加速信号间的相似性及共有特征存在的可能性，对7次加速信号进行相关系数法分析，其结果见表2。由表2可知，第5次加速信号与其它信号间的最大相关系数绝对值仅为0.23，几乎接近于0，由此推测该加速信号与其他信号间基本不存在相关关系。由于选取信号的变量相同，只是时间段不同，可进一步推测该信号与其它信号间几乎不存在相似性。在路面特征、车辆结构和柴油机未发生变化的情况下，驾驶习惯的变化是导致其与其它信号相关关系较小的最可能原因。在所有7次加速中，第5次加速信号与其它信号间的相关系数都较小（表2中阴影部分）。为分析路面固有特征引起柴油机运行工况或特性的变化情况，在此项研究中忽略第5次加速信号。在剩余的信号中，某一信号与其余信号之间的相关关系系数同时存在较小可忽略、较大不可忽略的情况，为保持分析信息的完整性，不再进行信号的剔除处理。

表2 不同加速信号间的相关系数

从去除第5次外的其它加速信号中提取典型特征波形信号，如图3所示。针对每种特征的波形信号进行不同加速信号间的相关性分析，结果见表3～表6。由表3可知，第1种特征的第1次加速信号与第6次、第7次加速信号间的相关性较小；由表4可知，第2种特征的第4次加速信号与第3次、第6次加速信号间的相关系数较小，与第7次加速信号间的相关系数较小或负相关；由表5可知，第3种特征的第7次加速信号与其它5次加速信号间主要以负相关性为主，其值也较小；由表6可知，第4种特征的第6次加速信号与其它5次加速信号间相关性较小。表3～表6中，阴影部分表示加速信号间相关系数大于0.50的部分，即路面特征变化引起的2次加速行为具有一定的继承性或相似性。基于以上分析及图3的特征图形可知，相关系数分析结果与实际图形是相吻合的。

表3 第1种特征不同加速信号间的相关性

表4 第2种特征不同加速信号间的相关性

表5 砂石路第3种特征不同加速信号间的相关性

表6 第4种特征不同加速信号间的相关性

为了获得特征信号间的相似性或共有特征，舍去信号中不相关或相关性小的信号，将特征中剩余部分信号计算平均值，同步扭矩的特征即构成柴油机砂石路面条件下加速状态的运行特征信号，即动态特征信号，见图4。

6 结束语

采用相关系数法分析了车辆7次加速过程中柴油机的运行特征，比较了加速信号之间相似性和差异性。通过7次加速信号的相关系法分析，最大程度地保留了加速信号的共有特征，也表征了柴油机实际应用过程中的典型动态特征，将其应用于基于台架试验验证的设计开发，可拓展、完善产品设计验证方法，提高产品成品率。

1Constantine D.Rakopoulos，Evangelos Gikoumis.Diesel engine transient operation.London:Springer，2009.

2李欣然，林舜江，刘杨华，等.基于实测响应空间的负荷特性分类原理与方法.中国电机工程学报，2006，26（8）:39～43.

3赵鸣，柳莹.结构动态响应多传感器监测信号数据融合分析.同济大学学报（自然科学版），2008，36（5）:574-578.

4冀树德，许世永，张伟，等.柴油机瞬态试验循环的线性回归分析.车用发动机，2010（5）:52～55.

5刘波澜，黄英，张付军，等.车用柴油机加速瞬态过程控制策略研究.车用发动机，2008（6）:8～19.

6王忠恕，吴楠，许允，等.增压直喷柴油机瞬态工况燃烧参数的变化规律.内燃机学报，2007（5）:385～389.

7郭红霞.相关系数及其应用.武警工程学院学报，2010（5）: 18～21.

8吴建国，周鋐，陈栋华.目标用户道路谱与试验场道路谱的载荷当量等效模拟研究.汽车技术，2007（7）:21～24.

9刘再生，霍福祥，王长明，等.轿车悬架台架多轴疲劳试验载荷开发.汽车技术，2012（06）:47～50.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为年月日

Extraction of Dynamic Characteristic for Diesel Engine Based on Correlation Coefficient Method

Ji Shude，Zhang Xinggang，Sun Xuedong，Yan Ruiqi，Gao Haitao
（China North Engine Research Institute）

For the regularly running sandstone road of vehicle powered by a 12-cylinder diesel engine，and seven accelerations by different drivers at actual driving，we collect the output speed and torque signals of diesel engine with the high-speed acquisition unit，and use the speed signal which has rapid response as main parameter to design the typical characteristic waveform.The correlation between acceleration signals and different characteristic wave signals is analyzed with the correlation coefficient method，and finally the dynamic characteristic signal in sandstone road driving is acquired. The extracted characteristic wave signal graph shows that the correlation coefficient method is feasible to analyze the typical dynamic characteristic signal.

Diesel engine，Dynamic performance，Road load;Correlation coefficient method

柴油机动态特性道路载荷相关系数法

U464.12+1

A

1000-3703（2014）12-0018-04