CN113062811B - 一种根据喷油器入口压力信号的频谱特征对喷油过程关键时间特征识别的方法 - Google Patents

一种根据喷油器入口压力信号的频谱特征对喷油过程关键时间特征识别的方法 Download PDF

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Abstract

一种根据喷油器入口压力信号的频谱特征对喷油过程关键时间特征识别的方法，本发明在喷油器入口处加装压力传感器用于获取喷油器入口处压力信号；同时在喷油器上加装针阀位移传感器用于获取针阀实时位置信息；利用短时傅里叶变换对喷油器入口处压力信号进行时频分析并获取喷油器入口处压力信号的平均瞬时频率，通过对压力信号平均瞬时频率的分析，实现对喷油过程关键时间特征识别；本发明可应用于各类喷油器入口处压力信号的处理，具有良好的普适性。

Description

一种根据喷油器入口压力信号的频谱特征对喷油过程关键时 间特征识别的方法
技术领域
本发明属于柴油机技术领域，涉及喷油器入口压力信号，具体地，涉及一种根据喷油器入口压力信号的频谱特征对喷油过程关键时间特征识别的方法。
背景技术
随着排放法规的日益严苛，现代柴油机对排放、噪声、燃油消耗率等都提出了更高的要求，研究人员也从不同的方面对柴油机性能展开了研究，如缸内熄燃、爆震、放热率曲线重构等。
现阶段多数研究人员对压力信号展开分析并利用压力信号对燃烧过程进行判别。目前为了对喷油过程关键时间点进行识别，主要是直接分析喷油器入口处压力波动情况；也有研究人员对喷油器入口压力进行频谱分析，获取压力波的最大功率密度所对应的频率，进而对喷油器的喷油能力进行判别。
对喷油器入口压力波动及针阀升程进行对比分析，可以根据针阀升程曲线对压力波动进行分析，但是无法实现对关键特征参数的识别。
发明内容
根据以上情况，为了对喷油器入口处压力信号进行分析进而实现对喷油程关键时间特征的识别，提出一种根据喷油器入口压力信号的频谱特征对喷油过程关键时间特征识别的方法，对喷油器入口处压力信号进行处理后，可以精准的判别出喷油过程的关键时间特征参数。
本发明是通过以下方法实现的：
一种根据喷油器入口压力信号的频谱特征对喷油过程关键时间特征识别的方法，所述方法包括以下步骤
步骤1：在喷油器5入口处加装一个压力传感器6，用于获取获取喷油器入口处压力信号；同时在喷油器5上加装一个针阀升程传感器7，用于获取针阀实时位置信息；
步骤2：利用压力传感器6获取喷油器5入口的压力信号，得到压力信号的时域分布；
步骤3：对压力传感器6的压力信号进行短时傅里叶变换，得到所述压力信号的频谱图；
步骤4：获取喷油器5入口处的平均瞬时频率，计算出压力信号的平均瞬时频率；
步骤5：通过针阀位移传感器和压力信号的平均瞬时频率，识别针阀达到最大开度的时刻和针阀开始关闭的时刻，实现对喷油关键时间特征的识别。
进一步地，在步骤2中，喷油器5入口的压力波动受高压油管管长、管径的影响，但喷油压力不会导致喷油器5入口的压力波动发生变化，仅是数值上的改变。
进一步地，在步骤3中，喷油器5入口处压力信号主要分布在10kHz以下且集中分布在0.5kHz至5kH。
进一步地，在步骤4中，窗口函数h(t)的表示如下：
Figure BDA0002965723440000021
式中T是窗口函数的宽度，即从初始时刻到结束时刻的时间长度，h0(t)为t时刻的窗口函数初始值，h0(τ)为τ时刻的窗口函数初始值；
计算局部加窗口信号在时间τ附近的傅里叶变换Fx，将压力信号x(t)乘以一个新窗口函数h(t-τ)，在接下来的时间里窗口信号平移如下:
Figure BDA0002965723440000022
其中，f为频率，h*是h的共轭；
将Fx的平方定义为光谱图Sx，因此Sx是一个非负分布：
Sχ(τ,f)＝|Fχ(τ,f；h)|2
则压力信号全局范围内的能量分布Ex为：
Figure BDA0002965723440000023
计算出压力信号的光谱图作为加权函数，并根据以下公式计算出压力信号的平均瞬时频率
Figure BDA0002965723440000024
为：
Figure BDA0002965723440000025
其中，v为τ时刻的速率。
进一步地，在步骤5中：在短脉宽条件下，通过针阀位移传感器7实际测试得出的针阀开启时刻、针阀最大开度所对应的时刻及针阀关闭时刻，得出压力平均瞬时频率所识别出的关键时间特征点；在长脉宽条件下，能对针阀达到最大开度的时刻、针阀达到最大开度的平台期以及针阀开始关闭的时刻进行识别。
本发明有益效果
1.本发明所提及的方法可用于各类喷油器入口处压力信号的处理分析，具有普适性；
2.本发明所提及的时频分析方法，对喷油器入口处压力信号进行处理后即可对喷油过程关键时间特征进行精准识别；
3.本发明相当于一个虚拟的针阀位移传感器，在缺少针阀传感器或无法加装该传感器时，也可以实现对针阀开启、关闭及针阀达到最大升程等时刻进行准确检测，具有一定的实际意义；
4.本发明操作简单，使用者无需掌握本发明的原理即可实现最终目的，可操作性强。
附图说明
图1为本发明的燃油***测试***图，其中1为油箱、2为燃油滤清器、3为高压油泵、4为高压油轨、5为喷油器、6为压力传感器、7为针阀升程传感器；
图2为本发明的喷油器入口处压力信号的频谱图；
图3为本发明的燃油***联合测试图，其中(a)为喷油器入口压力，(b)为针阀升程，(c)为喷油速率；
图4为本发明的短脉宽喷油器入口压力信号平均瞬时频率图；
图5为本发明的长脉宽喷油器入口压力信号平均瞬时频率图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种根据喷油器入口压力信号的频谱特征对喷油过程关键时间特征识别的方法，所述方法包括以下步骤
步骤1：如图1所示，在喷油器5入口处加装一个压力传感器6，用于获取获取喷油器入口处压力信号；同时在喷油器5上加装一个针阀升程传感器7，用于获取针阀实时位置信息；
步骤2：利用压力传感器6获取喷油器5入口的压力信号，得到压力信号的时域分布，得到真实且理想的数据曲线，如图3所示；
步骤3：对压力传感器6的压力信号进行短时傅里叶变换，得到所述压力信号的频谱图，如图2所示；
步骤4：获取喷油器5入口处的平均瞬时频率，计算出压力信号的平均瞬时频率；
步骤5：通过针阀位移传感器和压力信号的平均瞬时频率，识别针阀达到最大开度的时刻和针阀开始关闭的时刻，实现对喷油关键时间特征的识别。
在步骤2中，喷油器5入口的压力波动受高压油管管长、管径的影响，但喷油压力不会导致喷油器5入口的压力波动发生变化，仅是数值上的改变。
在步骤3中，喷油器5入口处压力信号主要分布在10kHz以下且集中分布在0.5kHz至5kH，为该处压力信号的提取频率提供了一定的参考。
在步骤4中，窗口函数h(t)的表示如下：
Figure BDA0002965723440000041
式中T是窗口函数的宽度，即从初始时刻到结束时刻的时间长度，h0(t)为t时刻的窗口函数初始值，h0(τ)为τ时刻的窗口函数初始值；
计算局部加窗口信号在时间τ附近的傅里叶变换Fx，将压力信号x(t)乘以一个新窗口函数h(t-τ)，在接下来的时间里窗口信号平移如下:
Figure BDA0002965723440000042
其中，f为频率，h*是h的共轭；
将Fx的平方定义为光谱图Sx，因此Sx是一个非负分布：
Sχ(τ,f)＝|Fχ(τ,f；h)|2
则压力信号全局范围内的能量分布Ex为：
Figure BDA0002965723440000043
计算出压力信号的光谱图作为加权函数，并根据以下公式计算出压力信号的平均瞬时频率
Figure BDA0002965723440000044
为：
Figure BDA0002965723440000045
其中，v为τ时刻的速率。
在步骤5中：在短脉宽条件下，通过针阀位移传感器7实际测试得出的针阀开启时刻、针阀最大开度所对应的时刻及针阀关闭时刻，得出压力平均瞬时频率所识别出的关键时间特征点；在长脉宽条件下，能对针阀达到最大开度的时刻和针阀开始关闭的时刻进行识别。
如图4、5所示，分别为短脉宽情况下的平均瞬时频率及长脉宽情况下的喷油器入口压力信号的平均瞬时频率。
如图4，在短脉宽条件下的a、b、c分别表示针阀位移传感器实际测试所得出的针阀开启时刻、针阀开启到最大开度的时刻及针阀关闭时刻；a'、b'、c'表示本发明的识别方法所识别出的关键时间特征点。
如图5，在长脉宽条件下，本发明不仅可以对针阀达到最大开度的时刻进行识别，也可以对针阀达到最大开度的平台期以及针阀开始关闭的时刻进行识别，a、b、c、d分别为针阀开启时刻、针阀达到最大开度的时刻、针阀开始下降的时刻和针阀关闭时刻，a'、b'、c'、d'分别表示本发明的识别方法所识别出的关键时间特征点。
本发明与实际测试的喷油过程的关键时间特征点存在一定的时间延迟，且这些时间延迟均保持一致，这说明本发明识别中存在的时间延迟均有同一因素造成，即压力波的作用。
通过与实际测试所得出的喷油过程关键时间特征参数的对比证明本发明能够实现准确的识别，可以视为一种虚拟的传感器，对喷油过程关键时间特征参数进行识别；同时本发明是直接对喷油器入口处压力信号进行处理分析，对喷油器的种类无特殊要求，具有很好的普适性。
以上对本发明所提出的一种根据喷油器入口压力信号的频谱特征对喷油过程关键时间特征识别的方法，进行了详细介绍，本文中应用了数值模拟算例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种根据喷油器入口压力信号的频谱特征对喷油过程关键时间特征识别的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤
步骤1：在喷油器(5)入口处加装一个压力传感器(6)，用于获取获取喷油器入口处压力信号；同时在喷油器(5)上加装一个位移传感器(7)，用于获取针阀实时位置信息；
步骤2：利用压力传感器(6)获取喷油器(5)入口的压力信号，得到压力信号的时域分布；
步骤3：对压力传感器(6)的压力信号进行短时傅里叶变换，得到所述压力信号的频谱图；
步骤4：获取喷油器(5)入口处的平均瞬时频率，计算出压力信号的平均瞬时频率；
窗口函数h(t)的表示如下：
Figure FDA0003410869130000011
式中T是窗口函数的宽度，即从初始时刻到结束时刻的时间长度，h0(t)为t时刻的窗口函数初始值，h0(τ)为τ时刻的窗口函数初始值；
计算局部加窗口信号在时间τ附近的傅里叶变换Fx，将压力信号x(t)乘以一个新窗口函数h(t-τ)，在接下来的时间里窗口信号平移如下:
Figure FDA0003410869130000012
其中，f为频率，h*是h的共轭；
将Fx的平方定义为光谱图Sx，因此Sx是一个非负分布：
Sχ(τ,f)＝|Fχ(τ,f；h)|2
则压力信号全局范围内的能量分布Ex为：
Figure FDA0003410869130000013
计算出压力信号的光谱图作为加权函数，并根据以下公式计算出压力信号的平均瞬时频率
Figure FDA0003410869130000014
为：
Figure FDA0003410869130000015
其中，v为τ时刻的速率；
步骤5：通过针阀位移传感器和压力信号的平均瞬时频率，识别针阀达到最大开度的时刻和针阀开始关闭的时刻，实现对喷油关键时间特征的识别。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在步骤2中，喷油器(5)入口的压力波动受高压油管管长、管径的影响，但喷油压力不会导致喷油器(5)入口的压力波动发生变化，仅是数值上的改变。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在步骤3中，喷油器(5)入口处压力信号主要分布在10kHz以下且集中分布在0.5kHz至5kH。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在步骤5中：在短脉宽条件下，通过针阀位移传感器(7)实际测试得出的针阀开启时刻、针阀最大开度所对应的时刻及针阀关闭时刻，得出压力平均瞬时频率所识别出的关键时间特征点；在长脉宽条件下，能对针阀达到最大开度的时刻、针阀达到最大开度的平台期以及针阀开始关闭的时刻进行识别。
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