CN110389037A - 一种柴油机进气量测量*** - Google Patents

一种柴油机进气量测量*** Download PDF

Info

Publication number
CN110389037A
CN110389037A CN201910665664.2A CN201910665664A CN110389037A CN 110389037 A CN110389037 A CN 110389037A CN 201910665664 A CN201910665664 A CN 201910665664A CN 110389037 A CN110389037 A CN 110389037A
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
time
diesel engine
frequency
combustion resonance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910665664.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110389037B (zh
Inventor
杜敬涛
陈曦明
刘龙
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Engineering University
Original Assignee
Harbin Engineering University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Engineering University filed Critical Harbin Engineering University
Priority to CN201910665664.2A priority Critical patent/CN110389037B/zh
Publication of CN110389037A publication Critical patent/CN110389037A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110389037B publication Critical patent/CN110389037B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M15/00—Testing of engines
    • G01M15/04—Testing internal-combustion engines
    • G01M15/042—Testing internal-combustion engines by monitoring a single specific parameter not covered by groups G01M15/06 - G01M15/12
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M15/00—Testing of engines
    • G01M15/04—Testing internal-combustion engines
    • G01M15/08—Testing internal-combustion engines by monitoring pressure in cylinders
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/14—Fourier, Walsh or analogous domain transformations, e.g. Laplace, Hilbert, Karhunen-Loeve, transforms
    • G06F17/141—Discrete Fourier transforms
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/14—Fourier, Walsh or analogous domain transformations, e.g. Laplace, Hilbert, Karhunen-Loeve, transforms
    • G06F17/141—Discrete Fourier transforms
    • G06F17/142—Fast Fourier transforms, e.g. using a Cooley-Tukey type algorithm

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Discrete Mathematics (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Testing Of Engines (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

本发明提供了一种柴油机进气量测量***，包括测量所述柴油机的缸内压力信号的信号获取模块，和信号处理模块，所述信号获取模块与所述信号处理模块连接，所述信号处理模块执行下述步骤：步骤一，利用快速傅里叶变换带通滤波处理所述信号获取模块测量的所述柴油机的缸内压力信号，获得燃烧共振时域信号；步骤二，利用递归重排短时傅里叶变换处理所述燃烧共振时域信号，获得所述燃烧共振时域信号的时频谱；步骤三，从所述燃烧共振时域信号的所述时频谱中提取燃烧共振频率信息，进而推算出所述柴油机的进气质量。本发明可以广泛应用于柴油机进气量的测量领域。

Description

一种柴油机进气量测量***
技术领域
本发明涉及一种信号处理技术，特别是通过对柴油机缸内压力信号进行处理进而获取柴油机进气量的技术。
背景技术
柴油机进气量的测量在柴油机燃烧控制中占有非常重要的地位，对进气量的测量和调控能够实时优化柴油机的燃烧状态，从而降低排放并提高燃油的燃烧效率。然而进气量的直接测量受传感器误差影响较大，精确度无法保证，因此对进气量的间接测量引起了广泛的关注。通过对实测的缸压信号进行处理来估算进气量被视为是一种有效的方法。因为通过对实测的缸压信号进行处理，能够提取缸内燃烧共振信息。在所提取的燃烧共振信息中，缸内燃烧共振频率由于与缸内温度有关，所以结合热力学第一定律可以实现对柴油机缸内气体质量的估算。
上述对于柴油机缸内气体质量的获取方法，其中关键之处在于能够获取精确的燃烧共振频率。目前主要有两种方法来确定燃烧共振频率：贝叶斯统计模型和信号处理方法。但这两种方法均存在一定缺陷：贝叶斯模型的局限性在于若统计模型与共振信号不匹配，则模型计算不收敛，使得进气量的计算无法进行；信号处理方法主要是利用时频分析来获得共振频率，但是时频分析如短时傅里叶变换，其时频分辨率较低，导致得到的共振信息可能存在偏差。因此如何提供一种分辨率较高的燃烧共振频率计算方法，成为本领域研究人员需要考虑的问题。
发明内容
为了解决现有柴油机进气量测量技术存在的问题，更精确地获取柴油机进气量，本发明提供了一种柴油机进气量测量***。
本发明的技术方案如下：
一种柴油机进气量测量***，包括测量所述柴油机的缸内压力信号的信号获取模块，和信号处理模块，所述信号获取模块与所述信号处理模块连接，所述信号处理模块执行下述步骤：
步骤一，利用快速傅里叶变换带通滤波处理所述信号获取模块测量的所述柴油机的缸内压力信号，获得燃烧共振时域信号；
步骤二，利用递归重排短时傅里叶变换处理所述燃烧共振时域信号，获得所述燃烧共振时域信号的时频谱；
步骤三，从所述燃烧共振时域信号的所述时频谱中提取燃烧共振频率信息，进而推算出所述柴油机的进气质量。
所述步骤一包括如下子步骤：
所述缸内压力信号包括倒拖信号，燃烧信号和燃烧共振信号，对所述缸内压力信号f(t)进行傅里叶变换获得频谱，并将所述频谱转换成功率谱密度PSD(f)＝F(f)2/fs·N，其中F(f)为频谱，fs为采样频率，N为信号长度，在所述功率谱密度曲线中按照频率的递增识别前三个极小值点，分别设为F1，F2，F3。则所述倒拖信号，所述燃烧信号和所述燃烧共振信号对应的频带分别为[0,F1]，[F1,F2]，[F2,F3]；将所述燃烧共振信号对应的频段提取出来，并进行傅里叶反变换，获得所述燃烧共振时域信号c(t)。
所述步骤二所述递归重排短时傅里叶变换处理包括下列信号处理算法：
其中δ[·]为狄里克莱分布；为时间重排坐标；频率重排坐标；STFTk(t,f)为所述燃烧共振时域信号c(t)的递归短时傅里叶变换谱，其中hk(τ,f)为递归冲击响应，hk(τ,f)＝Wk(τ)ejfτ；τ为递归冲击响应信号对应的时间，t为燃烧共振信号对应时间；f表示频率，j为虚部；Wk(τ)为递归窗函数，其中，u(τ)为单位阶跃响应，k为冲击响应hk(τ,f)的极点数，k≥2，σ为时间控制系数，σ＝t/T1，T1为窗函数的时间跨度。
所述柴油机进气量测量***还包括对STFTk(t,f)进行如下离散化处理的步骤：
其中T和Ω分别为离散化时间间隔和频率间隔，n＝0,1....N-1，N为序列长度，f1＝0,1....F-1，F为信号频谱范围最大值，aj和bj为滤波器因子。
所述柴油机的所述进气量利用如下方式获取：
其中，f1,0为所述燃烧共振子信号的时频谱中提取的共振频率，B′1,0为贝塞尔函数的根，D为柴油机的缸径，γ为绝热指数，p为缸压，V为缸内容积，m为进气质量。
本发明的技术效果：
本发明的柴油机进气量测量***，利用递归重排短时傅里叶变换处理所述燃烧共振时域信号，能够提高时频分析的分辨率，从而使得获取的燃烧共振频率更为精确，也使得最终获取的柴油机进气质量更加精确，实现了本发明的目的。
附图说明
图1为本发明一个实施例的***图。
图2为图1所示实施例的快速傅里叶带通滤波示意图。
图3为图1所示实施例的递归重排短时傅里叶变换获得的时频谱以及燃烧共振频率。
图4为与图3同等条件下，采用传统重排短时傅里叶变换获得的时频谱。
图5为以图3所示时频谱为基础提取燃烧共振频率后获取的柴油机进气质量变化图。
具体实施方式
以下结合附图所示的实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。
图1显示了本发明柴油机进气量测量***的主要组成部分——信号获取模块和信号处理模块。信号获取模块与信号处理模块连接，这里的连接是指能够在两者之间进行信号传输的有线或无线连接。
信号获取模块用于测量柴油机缸内的压力信号，信号处理模块在接收到所述柴油机缸内的压力信号后，执行以下步骤进行处理。
步骤一，利用快速傅里叶变换带通滤波处理所述信号获取模块测量的所述柴油机的缸内压力信号，获得燃烧共振时域信号。
所述柴油机的缸内压力信号主要包括：倒拖信号，燃烧信号和燃烧共振信号。需要从所述柴油机的缸内压力信号中识别出这三个信号。具体的方法是，首先对所述柴油机的缸内压力信号p(t)进行傅里叶变换获得其频谱(公式(1))，t为时间(曲轴转角)，p为缸压，再将频谱转化成功率谱密度(公式(2))。
PSD(f)＝F(f)2/fs·N (2)
其中F(f)为频谱，fs为信号的采样频率，N为信号长度，f为频率，j代表虚部，PSD为功率谱密度。图2显示的是从本发明一个实施例通过上述公式(快速傅里叶带通滤波)获得的功率谱密度图。从图2所示的功率谱密度曲线中按照频率递增的顺序，利用峰值检测方法获得前三个极小值点，分别设为F1，F2，F3。则倒拖信号，燃烧信号和燃烧共振信号对应的频带分别为[0,F1]，[F1,F2]，[F2,F3]。可以看出，燃烧共振信号对应的频率最高，将这一频段对应的频率成分提取出来，并进行傅里叶反变换，即可获得燃烧共振时域信号。因此，利用峰值检测法结合傅里叶反变换的燃烧共振信号提取过程，可依据编程自适应地实现。
步骤二，利用递归重排短时傅里叶变换处理所述燃烧共振时域信号，获得所述燃烧共振时域信号的时频谱。
由于传统的时频分析方法，如短时傅里叶变换，其时频聚集性较差，主要原因是短时傅里叶变换将信号能量均匀分布在每个时频单元内，因此无法准确根据燃烧共振信号的时频谱提取燃烧共振频率，进而精确计算柴油机的进气量。所以为了提高时频分析的分辨率，本发明使用了递归重排短时傅里叶变换的信号处理方法。该方法将信号能量重排于时频单元的重心上，并且结合递归滤波器，进一步提高了时频分辨率。
在步骤一中得到的燃烧共振时域信号c(t)，其递归短时傅里叶变换谱为c(t)和递归冲击响应hk(τ,f)间的一系列线性卷积：
其中
hk(τ,f)＝Wk(τ)ejfτ (4)
τ为递归冲击响应信号对应的时间，t则是燃烧共振信号对应时间，虽然二者都是时间，但公式中积分的对象不同，所以为了防止混淆将其分开标记。f表示频率，j为虚部，STFTk(t,f)为短时傅里叶谱。Wk(τ)为递归窗函数，定义为：
其中u(τ)为单位阶跃响应，k为冲击响应hk(τ,f)的极点数，k≥2。σ为时间控制系数，σ＝t/T1，T1为窗函数的时间跨度，σ一般取0.01到1之间的数。
将公式(3)进行离散化处理：
其中T和Ω分别为离散化时间间隔和频率间隔，n＝0,1....N-1，N为序列长度，f1＝0,1....F-1，F为信号频谱范围最大值。aj和bj为滤波器因子，与阶数因子k相对应，因此参数k要在计算量和时频分辨率间取一个折中的值，k一般取值为：2～5。
在将递归算法应用于短时傅里叶变换后，引入时频谱重排的概念，得到一种基于递归时频重排的信号处理算法：
其中δ[·]表示狄里克莱分布。
时间重排坐标：
频率重排坐标：
这里Re[·]表示取实部，Im[·]表示取虚部。基于这种方法，将公式(6)所得到的燃烧共振信号的时频谱进行重排，获得的细化时频谱如图3所示，在时频谱中将最大振幅对应的频率，即共振频率提取出来并用虚线表示。
在本实施例的步骤二中，采用传统重排短时傅里叶变换进行信号处理，以与本发明的结果进行对比。采用传统重排短时傅里叶变换获得的时频谱如图4所示，与图3对比，其数据的精确度大为降低。
步骤三，从所述燃烧共振时域信号的所述时频谱中提取燃烧共振频率信息，进而推算出所述柴油机的进气质量。
在获得了燃烧共振频率随曲轴转角的变化后，利用燃烧共振频率即可计算柴油机的进气质量。
首先利用柱坐标贝塞尔函数公式(10)，理想气体状态方程(11)以及声速公式(12)来推导进气量的计算公式。
α2＝γRT2 (12)
其中f1,0为步骤二中所提取的共振频率，α为声速，B′1,0为贝塞尔函数的根，D为柴油机的缸径，γ为绝热指数，R为理想气体常数，T2为缸内温度，p为缸压，V为缸内容积，m为进气质量。所推导的共振频率与进气量之间的关系为：
根据公式(13)计算得到的进气量随曲轴转角的变化如图5所示。
值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以采用等同技术进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。

Claims (5)

1.一种柴油机进气量测量***，包括测量所述柴油机的缸内压力信号的信号获取模块，和信号处理模块，所述信号获取模块与所述信号处理模块连接，其特征在于：所述信号处理模块执行下述步骤：
步骤一，利用快速傅里叶变换带通滤波处理所述信号获取模块测量的所述柴油机的缸内压力信号，获得燃烧共振时域信号；
步骤二，利用递归重排短时傅里叶变换处理所述燃烧共振时域信号，获得所述燃烧共振时域信号的时频谱；
步骤三，从所述燃烧共振时域信号的所述时频谱中提取燃烧共振频率信息，进而推算出所述柴油机的进气质量。
2.根据权利要求1所述柴油机进气量测量***，其特征在于：所述步骤一包括如下子步骤：
所述缸内压力信号包括倒拖信号，燃烧信号和燃烧共振信号，对所述缸内压力信号f(t)进行傅里叶变换获得频谱，并将所述频谱转换成功率谱密度PSD(f)＝F(f)2/fs·N，其中F(f)为频谱，fs为采样频率，N为信号长度，在所述功率谱密度曲线中按照频率的递增识别前三个极小值点，分别设为F1，F2，F3。则所述倒拖信号，所述燃烧信号和所述燃烧共振信号对应的频带分别为[0,F1]，[F1,F2]，[F2,F3]；将所述燃烧共振信号对应的频段提取出来，并进行傅里叶反变换，获得所述燃烧共振时域信号c(t)。
3.根据权利要求2所述柴油机进气量测量***，其特征在于：所述步骤二所述递归重排短时傅里叶变换处理包括下列信号处理算法：
其中δ[·]为狄里克莱分布；为时间重排坐标；频率重排坐标；STFTk(t,f)为所述燃烧共振时域信号c(t)的递归短时傅里叶变换谱，其中hk(τ,f)为递归冲击响应，hk(τ,f)＝Wk(τ)ejfτ；τ为递归冲击响应信号对应的时间，t为燃烧共振信号对应时间；f表示频率，j为虚部；Wk(τ)为递归窗函数，其中，u(τ)为单位阶跃响应，k为冲击响应hk(τ,f)的极点数，k≥2，σ为时间控制系数，σ＝t/T1，T1为窗函数的时间跨度。
4.根据权利要求3所述柴油机进气量测量***，其特征在于：还包括对STFTk(t,f)进行如下离散化处理的步骤：
其中T和Ω分别为离散化时间间隔和频率间隔，n＝0,1....N-1，N为序列长度，f1＝0,1....F-1，F为信号频谱范围最大值，aj和bj为滤波器因子。
5.根据权利要求3或4所述柴油机进气量测量***，其特征在于：所述柴油机的所述进气量利用如下方式获取：
其中，f1,0为所述燃烧共振子信号的时频谱中提取的共振频率，B′1,0为贝塞尔函数的根，D为柴油机的缸径，γ为绝热指数，p为缸压，V为缸内容积，m为进气质量。
CN201910665664.2A 2019-07-23 2019-07-23 一种柴油机进气量测量*** Active CN110389037B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910665664.2A CN110389037B (zh) 2019-07-23 2019-07-23 一种柴油机进气量测量***

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910665664.2A CN110389037B (zh) 2019-07-23 2019-07-23 一种柴油机进气量测量***

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110389037A true CN110389037A (zh) 2019-10-29
CN110389037B CN110389037B (zh) 2021-03-09

Family

ID=68287213

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910665664.2A Active CN110389037B (zh) 2019-07-23 2019-07-23 一种柴油机进气量测量***

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110389037B (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN202304902U (zh) * 2011-09-21 2012-07-04 重庆普什机械有限责任公司 柴油机进气流量测量装置
CN104699948A (zh) * 2015-01-15 2015-06-10 东风朝阳朝柴动力有限公司 基于模态分解识别信号源灵敏度的计算方法
JP2016098738A (ja) * 2014-11-21 2016-05-30 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の制御装置
CN108875581A (zh) * 2018-05-17 2018-11-23 江苏大学 一种内燃机表面振动速度信号与缸内压力信号之间相位滞后角的描述方法
CN108921082A (zh) * 2018-06-28 2018-11-30 哈尔滨工程大学 基于经验小波和希尔伯特变换的柴油机燃烧共振频率提取方法
CN109162817A (zh) * 2018-10-31 2019-01-08 潍柴动力股份有限公司 一种柴油机控制方法及装置
CN208474026U (zh) * 2018-06-15 2019-02-05 无锡沃尔福汽车技术有限公司 一种国六柴油机进气计量***

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN202304902U (zh) * 2011-09-21 2012-07-04 重庆普什机械有限责任公司 柴油机进气流量测量装置
JP2016098738A (ja) * 2014-11-21 2016-05-30 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の制御装置
CN104699948A (zh) * 2015-01-15 2015-06-10 东风朝阳朝柴动力有限公司 基于模态分解识别信号源灵敏度的计算方法
CN108875581A (zh) * 2018-05-17 2018-11-23 江苏大学 一种内燃机表面振动速度信号与缸内压力信号之间相位滞后角的描述方法
CN208474026U (zh) * 2018-06-15 2019-02-05 无锡沃尔福汽车技术有限公司 一种国六柴油机进气计量***
CN108921082A (zh) * 2018-06-28 2018-11-30 哈尔滨工程大学 基于经验小波和希尔伯特变换的柴油机燃烧共振频率提取方法
CN109162817A (zh) * 2018-10-31 2019-01-08 潍柴动力股份有限公司 一种柴油机控制方法及装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
蔡丽霞: "递归时频重排算法在跳频信号参数估计中的应用", 《计算机***应用》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110389037B (zh) 2021-03-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Payri et al. Digital signal processing of in-cylinder pressure for combustion diagnosis of internal combustion engines
Galloni Dynamic knock detection and quantification in a spark ignition engine by means of a pressure based method
Asad et al. Precise instrumentation of a diesel single-cylinder research engine
EP0454486B1 (en) Method and apparatus for detecting knock in an internal combustion engine
CN101581257B (zh) 角速度和角加速度计算装置、转矩推算装置、燃烧状态推算装置
CN105736206B (zh) 一种发动机变工况下循环喷油量的在线检测方法及装置
CN103439360B (zh) 固体推进剂多热电偶动态燃烧性能测试***和方法
CN106370347B (zh) 一种航天火工品发火测试压力传感器漂移自适应校正方法
CN110068727B (zh) 一种基于Candan-Rife综合内插的单频信号频率估计方法
WO2017202263A1 (zh) 一种对发动机缸内瞬时压力进行转角编码的方法
Yeryganov et al. Features of the fastest pressure growth point during compression stroke
Millo et al. A methodology to mimic cycle to cycle variations and to predict knock occurrence through numerical simulation
CN103743470A (zh) 一种汽车噪声频谱分析方法
US7454954B2 (en) Knocking presence evaluation circuit for an internal combustion engine, knocking identification and control system and corresponding pressure signal processing method
Siano et al. The use of vibrational signals for on-board knock diagnostics supported by in-cylinder pressure analyses
CN103742277A (zh) 一种发动机摩擦扭矩计算方法及装置
Checkel et al. Testing a third derivative knock indicator on a production engine
CN110927099A (zh) 柴油发动机氮氧化物还原剂的快速检测方法
CN110389037A (zh) 一种柴油机进气量测量***
Bi et al. Knock feature extraction in spark ignition engines using EEMD-Hilbert transform
Bi et al. Knock Detection in Spark Ignition Engines Base on Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition‐Hilbert Transform
Fanelli et al. Efficient on-board pegging calculation from piezo-electric sensor signal for real time in-cylinder pressure offset compensation
Guardiola et al. Integration of intermittent measurement from in-cylinder pressure resonance in a multi-sensor mass flow estimator
CN106324211B (zh) 一种测定柴油十六烷值的方法
Youssef et al. In cylinder trapped mass estimation in diesel engines using cylinder pressure measurements

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant