CN114810448B - 一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法。步骤1：安装并调试设备，天然气HPDI喷射器燃气入口处安装入口压力传感器，同时，在喷射器气孔处安装压力传感器；步骤2：对步骤1安装的压力传感器采集的压力信号进行基于小波变换的处理；步骤3：基于步骤2的基于小波变换处理后的压力信号，进行时间特征识别算法；步骤4：将步骤3进行时间特征识别得到的时间特征与线下实验测得的喷气规律进行对比分析，实现高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析。用以解决现有天然气燃气喷射过程的时间特征不可观测性的问题；实现燃气喷射过程时间特征的在线分析。

Description

一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过 程时间在线分析方法

技术领域

本发明属于动力能源领域；具体涉及一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法。

背景技术

近年来，随着国家排放法规的出台，传统燃油资源的紧缺，内燃机行业面对种种难题。天然气燃料被认为一种非常有前景的替代能源，其具有排气污染小、高辛烷值、高抗爆性、储量丰富、可再生的优势优点。根据统计数据显示，近年来，天然气燃料在工业上使用逐年增加，与传统的柴油机相比。天然气发动机通常具有较低的碳排放量。然而，传统的预混燃烧天然气发动机由于爆震极限，早燃等因素导致发动机充量系数减小和效率降低，而高压天然气缸内直喷技术(HPDI)将天然气直接喷入气缸，保证了良好的空燃比，既提高充气效率又促进了燃烧，具有很好的应用前景。

喷射器作为燃料供给***的执行器，是天然气缸内直喷技术最重要的部分。由于喷射器内部复杂的气动液压-电气结构，其喷射特征的变化规律是十分复杂，HPDI喷射器在实际工作过程喷射特性不可直接观测时HPDI技术发展的难题。

由于实际运行过程中喷射器喷射特性不可直接观测，，所以对HPDI电控喷射器控制采用开环控制，通过实现标定好的MAP图很难去实现发动机不同工况的喷射策略。因此提出一种能够实现对喷射器在线反馈，进而实现喷油量闭环控制，同时可以根据喷射器的运行状态提出喷射器实时监测、故障预警以及剩余寿命预测的在线测试方法是十分有必要的。

发明内容

本发明提供了一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，用以解决现有天然气燃气喷射过程的时间特征不可观测性的问题；通过分析入口压力信号的时频特性，对入口压力信号小波变化以及降维处理之后的信号实现喷射器时间特征的识别，实现燃气喷射过程时间特征的在线分析。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，所述线分析方法包括以下步骤：

步骤1：安装并调试设备，天然气HPDI喷射器1燃气入口处安装入口压力传感器，同时，在喷射器气孔处安装压力传感器；

步骤2：对步骤1安装的压力传感器采集的压力信号进行基于小波变换的处理；

步骤3：基于步骤2的基于小波变换处理后的压力信号，进行时间特征识别算法；

步骤4：将步骤3进行时间特征识别得到的时间特征与线下实验测得的喷气规律进行对比分析，实现高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析。

一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，所述步骤1安装设备具体为，所述设备包括天然气HPDI喷射器1、PXI2、上位机3、压力控制装置4、压力传感器5、气源6、气轨7、压气机8、放大器模块9。

所述天然气HPDI喷射器1分别与PXI2和压力传感器5相连接，所述压力传感器5通过放大器模块9与上位机3相连接，所述PXI2与上位机3相连接，所述压力传感器5通过气轨7与压气机8相连接，所述压气机8与气源6相连接，所述气轨7与压力控制装置4相连接。

一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，所述步骤1安装设备具体为，所述设备包括天然气HPDI喷射器1、PXI2、上位机3、压力控制装置4、压力传感器5、气源6、气轨7、压气机8、放大器模块9。

所述气源6通过压气机8加压后，再经过气轨7与压力传感器5通过天然气HPDI喷射器1喷射出；

所述压力传感器5信号通过电荷放大器9放大；再通过上位机内的数据采集模块对入口压力信号进行采集；采集后的入口压力信号存储在上位机里；

所述天然气HPDI喷射器1的入口压力传感器5将信号传输至PXI2，PXI2将处理后的信号传输至上位机3；

所述气轨7的气压通过压力控制装置4进行监测；

所述压力控制装置4将信号传输至上位机3。

一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，在天然气HPDI喷射器1的气孔处安装力传感器，喷射过程时间特征定义，喷气起始时刻t₀，针阀全开时刻t₁，针阀开始落座时刻t₂，喷气结束时刻t₃。

一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，所述步骤2对压力信号进行基于小波变换的处理具体为，对入口压力信号求导，基于求导的入口压力信号的变化率与喷气规律的相关性进行分析，得出入口压力信号变化率是一个时变信号，在时域上分为上升、平稳、下降三个阶段，对其平稳阶段进行提取，信号的小波变换定义为：

式中，a为伸缩因子；τ为平移因子；p(t)为入口压力信号；ψ为窗函数；t为时间；

对分割后平稳段入口压力信号变化率进行时域特征和小波域特征的提取；为适应发动机电子控制单元的计算能力，因此要对特征降维处理，保存其时域特征利于后续的时间特征识别。

一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，所述对特征降维处理采用主成分分析的方法降维处理，具体为，

对数据进行归一化：

新坐标系为{w₁，w₂，…,w_n}，其中w_i为标准正交基，m为降维维数，x_i为样本数据，mean(x_i)为数组均值，std(x_i)为标准偏差；

样本数据x_i在低维空间坐标系的投影满足：

其中，z_ij是x_i在降维坐标系下第j维的坐标；

根据最近重构性，原样本点基于重构样本点之间的距离满足：

式中，W^TXX^TW为样本方差，I为单位矩阵，W为{w₁，w₂，…,w_n}，tr(W^TXX^TW)为矩阵迹；

对式(4)使用拉格朗日乘子得：

XX^TW＝γW (5)

对协方差矩阵XX^T求取所有特征值，将所得的特征值排序表示为γ₁≥γ₂≥···≥γ_m，则前m个特征值对应的特征向量即为主成分分析所求的解，如式(6)所示：

W^*＝(w₁,w₂,···w_m) (6)

其中，W^*为主成分分析所求的解。

一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，天然气喷射器喷射过程中，入口压力信号变化率被分为三个阶段，分别是上升、平稳、下降三个阶段；其中三个阶段分别定义为下降(t₀-t₁)、上升(t₂-t₃)、平稳，入口压力信号变化率经降维处理后，仍然保留其时域特征，可以将其用于时间特征识别过程中。

一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，所述步骤3时间特征识别算法具体为，经小波变换以及降维处理后的入口压力信号变化率第一个间断点为t₁，向前检索到平稳阶段点为t₀；第二个间断点为t₂，向后检索到平稳阶段为t₃，如果仅有一个间断点，说明t₁与t₂在时域上重合，因此确定此情况为喷射过程中针阀并未开启就开始落座，整个喷射过程中针阀始终处于运动状态。

一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，所述在线分析方法包括以下步骤：

步骤S1：采集天然气HPDI喷射器1入口压力信号；

步骤S2：对步骤S1的压力信号求导；

步骤S3：对步骤S2求导压力信号的进行小波变化；

步骤S4：对步骤S3小波变化后的压力信号进行降维处理；

步骤S5：对步骤S4降维处理的压力信号的入口压力信号变化率分为第一个间断点t₁和第二个间断点t₂；

步骤S6：基于步骤S5的第一个间断点t₁，向前检索到平稳阶段点为t₀；

步骤S7：基于步骤S5的第二个间断点t₂，向后检索到平稳阶段为t₃；

步骤S8：判断步骤S5的第一个间断点t₁和第二个间断点t₂是否相等；若相等说明t₁与t₂在时域上重合，喷射过程中针阀并未开启就开始落座；若不相等说明t₁与t₂在时域上不重合，喷射过程中针阀已开启。

本发明的有益效果是：

本发明保证了天然气发动机结构的整体性。

本发明具有实时性。

本发明无需改变装置结构，经济性好，寿命长。

本发明信号处理速度迅速，精度高。

附图说明

附图1是本发明的实验装置示意图。

附图2是本发明的时间特征定义曲线示意图。

附图3是本发明的方法流程图。

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。

一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，所述线分析方法包括以下步骤：

步骤1：安装并调试设备，天然气HPDI喷射器1燃气入口处安装入口压力传感器，同时，在喷射器气孔处安装压力传感器；

步骤2：对步骤1安装的压力传感器采集的压力信号进行基于小波变换的处理；

步骤3：基于步骤2的基于小波变换处理后的压力信号，进行时间特征识别算法；

步骤4：将步骤3进行时间特征识别得到的时间特征与线下实验测得的喷气规律进行对比分析，实现高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析。

一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，所述步骤1安装设备具体为，所述设备包括天然气HPDI喷射器1、PXI2、上位机3、压力控制装置4、压力传感器5、气源6、气轨7、压气机8、放大器模块9。

所述天然气HPDI喷射器1分别与PXI2和压力传感器5相连接，所述压力传感器5通过放大器模块9与上位机3相连接，所述PXI2与上位机3相连接，所述压力传感器5通过气轨7与压气机8相连接，所述压气机8与气源6相连接，所述气轨7与压力控制装置4相连接。

一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，所述步骤1安装设备具体为，所述设备包括天然气HPDI喷射器1、PXI2、上位机3、压力控制装置4、压力传感器5、气源6、气轨7和压气机8；

所述气源6通过压气机8加压后，再经过气轨7与压力传感器5通过天然气HPDI喷射器1喷射出；

所述压力传感器5信号通过电荷放大器9放大；再通过上位机内的数据采集模块对入口压力信号进行采集；采集后的入口压力信号存储在上位机里；

所述天然气HPDI喷射器1的入口压力传感器5将信号传输至PXI2，PXI2将处理后的信号传输至上位机3；

所述气轨7的气压通过压力控制装置4进行监测；

所述压力控制装置4将信号传输至上位机3。

一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，在天然气HPDI喷射器1的气孔处安装力传感器，此传感器用于测量喷孔出口处动量，进而通过动量法获得喷气规律；如图1所示；喷射过程时间特征定义，喷气起始时刻t₀，针阀全开时刻t₁，针阀开始落座时刻t₂，喷气结束时刻t₃。如图2所示。

一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，所述步骤2对压力信号进行基于小波变换的处理具体为，仅依据喷射器入口压力信号，无法找到与喷射器时间特征的对应关系，因此对入口压力信号求导，基于求导的入口压力信号的变化率与喷气规律的相关性进行分析，得出入口压力信号变化率是一个时变信号，在时域上分为上升、平稳、下降三个阶段，对其平稳阶段进行提取，实现入口压力信号变化率的时域分割；

信号的小波变换定义为：

式中，a为伸缩因子(尺度参数)；τ为平移因子(位置参数)；p(t)为入口压力信号；ψ为窗函数；t为时间；

对分割后平稳段入口压力信号变化率进行有效的特征提取，主要是对时域特征和小波域特征的提取；为适应发动机电子控制单元的计算能力，因此要对特征降维处理，保存其时域特征利于后续的时间特征识别。

一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，所述对特征降维处理采用主成分分析的方法降维处理，具体为，

对数据进行归一化：

新坐标系为{w₁，w₂，…,w_n}，其中w_i为标准正交基，m为降维维数，x_i为样本数据，mean(x_i)为数组均值，std(x_i)为标准偏差；

样本数据x_i在低维空间坐标系的投影满足：

其中，z_ij是x_i在降维坐标系下第j维的坐标；

根据最近重构性，原样本点基于重构样本点之间的距离满足：

式中，W^TXX^TW为样本方差，I为单位矩阵，W为{w₁，w₂，…,w_n}，tr(W^TXX^TW)为矩阵迹；

对式(4)使用拉格朗日乘子得：

XX^TW＝γW (5)

对协方差矩阵XX^T求取所有特征值，将所得的特征值排序表示为γ₁≥γ₂≥···≥γ_m，则前m个特征值对应的特征向量即为主成分分析所求的解，如式(6)所示：

W^*＝(w₁,w₂,···w_m) (6)

其中，W^*为主成分分析所求的解。

对信号进行主分析分析的降维方法后，增强了数据的主要信息，更好体现特征，使后续的时间特征识别过程更容易实现。

一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，天然气喷射器喷射过程中，入口压力信号变化率被分为三个阶段，分别是上升、平稳、下降三个阶段。其中三个阶段分别定义为下降(t₀-t₁)、上升(t₂-t₃)、平稳，入口压力信号变化率经降维处理后，仍然保留其时域特征，可以将其用于时间特征识别过程中。

一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，所述步骤3时间特征识别算法具体为，经小波变换以及降维处理后的入口压力信号变化率第一个间断点为t₁，向前检索到平稳阶段点为t₀；第二个间断点为t₂，向后检索到平稳阶段为t₃，如果仅有一个间断点，说明t₁与t₂在时域上重合，因此确定此情况为喷射过程中针阀并未开启就开始落座，整个喷射过程中针阀始终处于运动状态。算法流程如图3所示；

一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，所述在线分析方法包括以下步骤：

步骤S1：采集天然气HPDI喷射器1入口压力信号；

步骤S2：对步骤S1的压力信号求导；

步骤S3：对步骤S2求导压力信号的进行小波变化；

步骤S4：对步骤S3小波变化后的压力信号进行降维处理；

步骤S5：对步骤S4降维处理的压力信号的入口压力信号变化率分为第一个间断点t₁和第二个间断点t₂；

步骤S6：基于步骤S5的第一个间断点t₁，向前检索到平稳阶段点为t₀；

步骤S7：基于步骤S5的第二个间断点t₂，向后检索到平稳阶段为t₃；

步骤S8：判断步骤S5的第一个间断点t₁和第二个间断点t₂是否相等；若相等说明t₁与t₂在时域上重合，喷射过程中针阀并未开启就开始落座；若不相等说明t₁与t₂在时域上不重合，喷射过程中针阀已开启。

图1入口压力传感器采用夹持式安装在喷射器入口处，并通过数据采集模块采集信号。

入口压力导数信号经过小波变换以及降维处理，通过图3方法对时间特征识别。

通过识别的时间特征同线下测得的喷气规律图对比分析，实现基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析。

Claims (5)

1.一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，其特征在于，所述在线分析方法包括以下步骤：

步骤1：安装并调试设备，天然气HPDI喷射器(1)燃气入口处安装入口压力传感器(5)，同时，在喷射器气孔处安装力传感器；

步骤2：对步骤1安装的燃气入口处的压力传感器(5)采集的压力信号进行基于小波变换的处理；

步骤3：基于步骤2的基于小波变换处理后的压力信号，进行时间特征识别算法；

步骤4：将步骤3进行时间特征识别得到的时间特征与线下实验测得的喷气规律进行对比分析，实现高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析；

所述步骤2对压力信号进行基于小波变换的处理具体为，对入口压力信号求导，基于求导的入口压力信号的变化率与喷气规律的相关性进行分析，得出入口压力信号变化率是一个时变信号，在时域上分为上升、平稳、下降三个阶段，对其平稳阶段进行提取，

信号的小波变换定义为：

式中，a为伸缩因子；τ为平移因子；p(t)为入口压力信号；ψ为窗函数；t为时间；

对分割后平稳段入口压力信号变化率进行时域特征和小波域特征的提取；为适应发动机电子控制单元的计算能力，因此要对特征降维采用主成分分析的方法处理，保存其时域特征利于后续的时间特征识别；

天然气喷射器喷射过程中，入口压力信号变化率被分为三个阶段，分别是上升、平稳、下降三个阶段；其中三个阶段分别定义为下降(t₀-t₁)、上升(t₂-t₃)、平稳，入口压力信号变化率经降维处理后，仍然保留其时域特征，将其用于时间特征识别过程中；

所述步骤3时间特征识别算法具体为，经小波变换以及降维处理后的入口压力信号变化率第一个间断点为t₁，向前检索到平稳阶段点为t₀；第二个间断点为t₂，向后检索到平稳阶段为t₃，如果仅有一个间断点，说明t₁与t₂在时域上重合，因此确定此情况为喷射过程中针阀并未开启就开始落座，整个喷射过程中针阀始终处于运动状态；

对特征降维处理采用主成分分析的方法降维处理，具体为，

对数据进行归一化：

新坐标系为{w₁，w₂，…,w_n}，其中w_i为标准正交基，m为降维维数，x_i为样本数据，mean(x_i)为数组均值，std(x_i)为标准偏差；

样本数据x_i在低维空间坐标系的投影满足：

其中，z_ij是x_i在降维坐标系下第j维的坐标；

根据最近重构性，原样本点基于重构样本点之间的距离满足：

式中，W^TXX^TW为样本方差，I为单位矩阵，W为{w₁，w₂，…,w_n}，tr(W^TXX^TW)为矩阵迹；

对式(4)使用拉格朗日乘子得：

XX^TW＝γW (5)

对协方差矩阵XX^T求取所有特征值，将所得的特征值排序表示为γ₁≥γ₂≥···≥γ_m，则前m个特征值对应的特征向量即为主成分分析所求的解，如式(6)所示：

W^*＝(w₁,w₂,···w_m) (6)

其中，W^*为主成分分析所求的解。

2.根据权利要求1所述一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，其特征在于，所述步骤1安装设备具体为，所述设备包括天然气HPDI喷射器(1)、PXI(2)、上位机(3)、压力控制装置(4)、压力传感器(5)、气源(6)、气轨(7)、压气机(8)、放大器模块(9)；

所述天然气HPDI喷射器(1)分别与PXI(2)和压力传感器(5)相连接，所述压力传感器(5)通过放大器模块(9)与上位机(3)相连接，所述PXI(2)与上位机(3)相连接，所述压力传感器(5)通过气轨(7)与压气机(8)相连接，所述压气机(8)与气源(6)相连接，所述气轨(7)与压力控制装置(4)相连接。

3.根据权利要求1所述一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，其特征在于，所述步骤1安装设备具体为，所述设备包括天然气HPDI喷射器(1)、PXI(2)、上位机(3)、压力控制装置(4)、压力传感器(5)、气源(6)、气轨(7)和压气机(8)；

所述气源(6)通过压气机(8)加压后，再经过气轨(7)与压力传感器(5)通过天然气HPDI喷射器(1)喷射出；

所述压力传感器(5)信号通过电荷放大器(9)放大；再通过上位机内的数据采集模块对入口压力信号进行采集；采集后的入口压力信号存储在上位机里；

所述天然气HPDI喷射器(1)的入口压力传感器(5)将信号传输至PXI(2)，PXI(2)将处理后的信号传输至上位机(3)；

所述气轨(7)的气压通过压力控制装置(4)进行监测；

所述压力控制装置(4)将信号传输至上位机(3)。

4.根据权利要求1或3所述一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，其特征在于，在天然气HPDI喷射器(1)的气孔处安装力传感器，喷射过程时间特征定义，喷气起始时刻t₀，针阀全开时刻t₁，针阀开始落座时刻t₂，喷气结束时刻t₃。

5.根据权利要求1所述一种基于小波变换的高压天然气缸内直喷发动机燃气喷射过程时间在线分析方法，其特征在于，所述在线分析方法包括以下步骤：

步骤S1：采集天然气HPDI喷射器(1)入口压力信号；

步骤S2：对步骤S1的压力信号求导；

步骤S3：对步骤S2求导压力信号的进行小波变化；

步骤S4：对步骤S3小波变化后的压力信号进行降维处理；

步骤S5：对步骤S4降维处理的压力信号的入口压力信号变化率分为第一个间断点t₁和第二个间断点t₂；

步骤S6：基于步骤S5的第一个间断点t₁，向前检索到平稳阶段点为t₀；

步骤S7：基于步骤S5的第二个间断点t₂，向后检索到平稳阶段为t₃；

步骤S8：判断步骤S5的第一个间断点t₁和第二个间断点t₂是否相等；若相等说明t₁与t₂在时域上重合，喷射过程中针阀并未开启就开始落座；若不相等说明t₁与t₂在时域上不重合，喷射过程中针阀已开启。

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