拖拉机发动机燃油喷射系统优化—基于CFD技术和自适应振动信号处理

王建锋，陈香香

(郑州职业技术学院，郑州 450121)

拖拉机发动机燃油喷射系统优化—基于CFD技术和自适应振动信号处理

王建锋，陈香香

(郑州职业技术学院，郑州 450121)

为了提高拖拉机发动机的工作性能，提高燃油的燃烧效率，达到节能环保的目的，提出了一种采用高压共轨燃油喷射系统的拖拉机发动机设计方法，并利用实验和仿真模拟两种方法对其可行性进行了验证。为了采集得到拖拉机高压共轨喷油系统在复杂多噪声环境下的振动信号，采用自适应Kalman滤波方法对采集信号进行了滤波处理，通过采集信号和故障信号的对比，表明高压共轨喷油系统工作状态正常，从而验证了其可行性。利用CFD技术建立了高压共轨喷油系统的流场模型，影响发动机正常燃油燃烧的主要因素是空穴，因此采用CFD数值仿真模拟的方法，通过参数调整模拟了多种工况下的喷油空间内气相和速度分布。仿真模拟结果发现：空穴的发展主要跟长细比有关，在不同喷孔直径和长度时，空穴的发展与长细比成正比。因此，在设计拖拉机发动机高压共轨喷油系统时，需要选择合适的长细比，以保证空穴体积较低到最小，提高发动机的工作效率，降低空穴对发动机的损害。

拖拉机；发动机；高压共轨；CFD技术；自适应滤波

0 引言

随着世界范围内对保护环境和节约能源的日益重视，对能耗低、排放少的柴油机的要求也日益迫切。拖拉机是进行各种农作物作业时最常使用的动力机械，但拖拉机长期存在燃油消耗大和环境污染问题，只有提高拖拉机发动机的燃油性能，才能有效地节省燃油，降低发动机作业过程的环境污染。燃油喷射系统是发动机的心脏，是发动机性能优劣的决定性因素，电控喷射系统(特别是高压共轨电控喷射系统)以其优良的喷油性能成为未来发动机喷油系统的主要趋势，将其使用在拖拉机发动机燃油喷射系统中，具有重要的现实意义。

1 基于自适应Kalman的拖拉机发动机振动信号处理

为了优化拖拉机发动机的燃油喷射系统，需要对发动机的燃油喷射系统进行状态检测。受拖拉机工作环境的影响，检测信号中一般含有大量的噪声，因此需要对信号进行滤波处理。Kalman滤波算法是常用的信号滤波算法，可以根据拖拉机可测参量的状态变量模型引入自适应滤波算法，以提高Kalman滤波算法的准确性和计算效率，其原理如图1所示。

图1 拖拉机发动机Kalman滤波算法原理Fig.1 The principle of Kalman filtering algorithm for tractor engine

如果单独采用发动机可测参数的非线性模型来对其状态进行估计，由于噪声影响，会产生较大的误差；而采用自适应Kalman滤波算法，可以利用信号的状态估计，降低发动机状态预测的偏差。在很多文献中都给出了标准的Kalman滤波的递推公式，但要对滤波进行自适应调整，需要从滤波的准则出发，对滤波的估计偏离和发散问题进行改进，首先定义系统滤波的状态方程和测量方程为

Xk=φk,k-1,Xk-1+Wk

Yk=Hk,Xk+ek

(1)

其中，Xk表示状态向量；Yk表示信号测量值；φk,k-1表示第k-1时刻k的状态转移方程；Wk表示噪声矩阵的模型；ek表示发动机测量的信号中含有的噪声。对于标准的Kalman滤波，系统状态的噪声Wk和测量噪声ek是不相关的白噪声序列，其协方差方程为∑Wk和∑k。为了使Kalman滤波遵循最小二乘准则，使加权平方和最小，其准则为

=VkTPkVk+VXkTPXkVXk

(2)

(3)

其中，αk表示滤波器的自适应因子。当滤波模型的误差较大时，αk<1；当误差小于设定值时，αk=1。自适应因子可以根据滤波时的情况进行判断，每次滤波递推时可以更新。

2 拖拉机发动机高压共轨喷油系统流场CFD仿真计算算法

为了验证高压共轨电控喷射结构在拖拉机发动机燃油喷射系统中使用的可行性，采用数值仿真模拟的方法对结构的流场性能进行初步分析。在进行仿真模拟时，首先假设气体和液体是均匀的混合体，这时的运动学和连续性方程与单一流体时相同，密度均采用混合密度。假设混合密度和粘度分别ρ和μ，其表达式为

ρ=(1-α)ρl+αρv

(4)

μ=(1-α)μl+αμv

(5)

其中，ρl、ρv、μl、μv分别表示当混合物为纯液体或者纯气体时的粘度和密度，表示气体所占的体积分数。将其简化为均匀的两相流，可以得到连续性方程和运动方程，即

(6)

(7)

(8)

其中，n0表示单位体积纯液体中所含的气泡数，是可以预先设定的。 因此，在进行仿真计算过程中气相的体积分数发生变化的变化率为

(9)

为了解决两相密度差异较大的难题，采用非守恒的连续性方程，即

(10)

根据气相体积分数α可以推导出一个输运方程，即所谓的体积分数方程，也称为气相输运方程，即

(11)

其中，对于单个气泡的成长破裂过程，根据Rayleigh-Plesset方程有

(12)

其中，pB表示气泡内的压力，为蒸汽部分压力pv和不凝性气体部分压力p之和；σ是表面张力系数。进一步简化得

(13)

依据以上公式，为了实现高压共轨喷油系统的流场仿真模拟，首先在初始条件给定一个压力场，然后对方程进行离散，求出速度场，其流程如图2所示。

在计算过程中，通过迭代压力场可以计算得到速度场，但得到的速度场往往不能够完全和连续方程相吻合。为了保证计算能够顺利进行且能够继续迭代，需要对压力场进行修正，修正后进行仿真模拟，得到修正后的速度和压力值；最后，判断计算的收敛，完成整个仿真模拟计算。

图2 拖拉机发动机高压共轨喷油系统仿真流程Fig.2 The simulation flow of high pressure commonrail fuel injection system for tractor engine

3 拖拉机发动机高压共轨喷油系统状态实验和流场仿真

为了验证拖拉机发动机高压共轨燃油喷射系统的可行性，在空间较大的场地上对拖拉机发动机进行了实验研究。计算机和电荷放大器等装置安置在场地的控制区内，实验发动机的转速为1 200r/min，采样频率为40kHz，实验过程如图3所示。

图3 发动机装置实验场地图Fig.3 The experimental field diagram of engine unit

实验在拖拉机发动机上进行，加速度传感器粘贴为结合发动机故障诊断研究的需要。在实验过程中，除了正常工况外，还根据实验条件人为设置了故障模式，通过自适应Kalman滤波采集得到了发动机正常工作时的信号，如图4所示。

图4 发动机工作状态时采集的时域波形Fig.4 The time domain waveform of engine working status

通过Kalman自适应滤波已将发动机作业环境中的噪声滤除，其中信号大的幅值分量部分主要为发动缸喷射后的爆燃。通过继续采集信号，得到了如图5所示的幅值波曲线。

图5 发动机工作状态对比曲线Fig.5 The comparison curve of engine working status

为了验证高压共轨喷射系统在拖拉机发动机上使用的可行性，在设定缸失火故障的工况下，继续采集了发动机工作状态振动波形曲线，并将其和正常工作状态进行了对比。结果表明：正常工作的状态曲线和存在故障时明显不同，不存在失火后的振动大幅值分量消失的情况。这说明，高压共轨结构在拖拉机燃油喷射系统中使用是可行的。

为了进一步研究拖拉机高压共轨喷油系统工作状态时的流场分布情况，采用CFD数值仿真模拟的方法模拟了多种工况下的喷油空间内气相和速度分布。由图6可以看出，影响发动机正常燃油燃烧的主要因素是空穴。在不同喷孔直径条件下，空穴的延伸长度和L/D有关，其值随着空穴的延长而加大，但是空穴的厚度没有发生较大的变化。进一步仿真计算不同喷孔长度下的气相和速度分布，得到了如图7所示的结果。

不同喷孔直径和长细比工况下气相和速度分布如图7所示。由图7可以看出：在不同喷孔长度条件下，空穴的延伸长度和L/D有关，其值随着空穴的延长而加大，但空穴的厚度变的较薄。根据仿真模拟结果，在综合设计发动机时，需要选择合适的长细比，以保障燃烧时空穴的体积最小。

图6 不同喷孔直径和长细比工况下气相和速度分布Fig.6 The distribution of gas phase and velocity under different nozzle ameter and long diameter ratio

di

图7 不同喷孔长度和长细比工况下气相和速度分布Fig.7 The distribution of gas phase and velocity under different injection hole length and long

4 结论

为了达到拖拉机发动机节能环保的目的，设计了一种采用高压共轨燃油喷射系统的拖拉机发动机。为了验证其工作性能，采用振动信号采集的方法，验证了其工作状态正常，不存在机械故障。在信号采集过程中，采用了一种自适应的Kalman滤波方法，有效提高了采集信号的信噪比，消除了拖拉机复杂多噪声环境的影响。采用CFD技术，建立起高压共轨燃油喷射系统喷嘴内部空穴流动的数学模型，对高压共轨喷射系统，特别是喷嘴内部空穴流动进行了变参数数值模拟分析，得到了不同喷嘴直径和长度对不同长细比工况下的喷油系统空穴发展的影响，为拖拉机发动机高压共轨喷油系统的进一步设计提供了数据参考。

[1] 吴定海,张培林,任国全,等.基于双树复小波包的发动机振动信号特征提取研究[J].振动与冲击,2010, 29(4):160-165.

[2] 沈路,周晓军,刘莉,等.形态小波降噪方法在齿轮故障特征提取中的应用[J].农业机械学报,2010,41(4): 217-221.

[3] 张登攀,袁银南,杜家益,等.车用发动机停缸模式下转速波动仿真[J].农业机械学报,2010,41(2):25-28.

[4] 李逃昌,胡静涛,高雷.基于模糊自适应纯追踪模型的农业机械路径追踪方法[J].农业机械学报,2013, 44(1):205-210.

[5] 袁春飞,姚华,刘源.基于机载自适应模型的航空发动机控制[J].推进技术,2006,27(4):354-358.

[6] 王仲生,何红,陈钱.小波分析在发动机早期故障识别中的应用研究[J].西北工业大学学报,2006,24(1): 68-71.

[7] 曹建军,张培林,张英堂,等.基于提升小波包变换的发动机缸盖振动信号特征提取[J].振动与冲击, 2008,27(2):34-38.

[8] 张永光,张晓蕾,徐健健.DM642图像数据传输的实现和优化[J].科学技术与工程,2007,9(17):4484- 4486.

[9] 杜巧连,张克华.基于自身振动信号的液压泵状态监测及故障诊断[J].农业工程学报,2007,23(4):120-123.

[10] 徐礼超.基于LabVIEW的发动机振动测试系统的开发[J].农机化研究,2007(12):176-179.

[11] 陈磊,韩捷,孙俊杰,等.基于ARM和CPLD的振动信号采集系统设计[J].机床与液压,2011,39(7):55-57.

[12] 张永肃,高宝成.基于Linux系统的汽车噪音故障诊断系统[J].嵌入式技术,2011,34(12):80-83.

[13] 徐伟,胡志忠,肖前贵,等.AD7490与AT91RM9200的SPI接口及其驱动程序的实现[J].计算机测量与控制,2009,17(10):2089-2091.

[14] 牛雨生.基于神经网络的刀具振动趋势预测研究[J].电脑知识与技术,2012,8(2):939-941.

[15] 王树臣,迟天阳.气吸式精密播种机种肥监测设备的研制[J].林业机械与木工设备,2004,32(8):15-16.

[16] 谢竹青,胡建平.精密播种机监测系统的研究动态[J].农业装备技术,2007,33(2):23-25.

[17] 周建锋,李昱,卢博友.精密播种机监控系统综述[J].农机化研究,2006(6):37-39.

[18] 万宝瑞.当前我国农业发展的趋势与建议[J].农业经济问题,2014(1):110-114.

[19] 徐茂,邓蓉.国内外设施农业发展比较[J].北京农学院学报,2014,29(2):75-79.

[20] 曹冬梅,丁明亚,方继友.行端边际效应对玉米品种试验造成的误差[J].中国种业,2008(8):52-53.

[21] 金衡模,高焕文.玉米精播机漏播补偿系统设计[J].农业机械学报,2002,33(5):44-47.

[22] 张晓辉,赵百通.播种机自动补播式监控系统的研究[J].农业工程学报,2008,24(7):119-123.

[23] 韩建国,王金斌,于磊.补偿式玉米精密播种机的研究[J].农业装备与车辆工程,2010(8):10-12.

[24] 周利明,王书茂,张小超,等.基于电容信号的玉米播种机排种性能监测系统[J].农业工程学报, 2012,28(13):16-21.

[25] 孟庆宽,何洁,仇瑞承,等.基于机器视觉的自然环境下作物行识别与导航线提取[J].光学学报,2014,34 (7):1-7.

[26] 刘金龙,郑泽锋,丁为民,等.对靶喷雾红外探测器的设计与探测距离测试[J].江苏农业科学,2013,41 (7): 368-370.

[27] 尹坤,陆英刚.国内外精细农业的应用与技术构成[J].黑龙江科技信息,2010(16):25-27.

Optimization of Tractor Engine Fuel Injection System—Based on CFD Technology and Adaptive Vibration Signal Processing

Wang Jianfeng, Chen Xiangxiang

(Zhengzhou Technical College, Zhengzhou 450121, China)

In order to improve the working performance of tractor engine, improve fuel efficiency, to achieve the purpose of energy saving, it puts forward a design method of common rail fuel injection system of tractor engine with high pressure, uses experimental and simulation two methods to verify its feasibility. In order to acquire the tractor high pressure common rail injection system in complex vibration signal under noise environment. By using adaptive Kalman filtering method, signal filtering processing is done by comparing the signal acquisition and fault signal so as to verify the high pressure common rail injection system normal working state, so as to verify its feasibility. A flow model of high pressure common rail injection system uses CFD technology, the main factors affecting the normal engine fuel burning hole, uses the method of numerical simulation of CFD simulation, by adjusting the parameters to simulate the gas phase and the injection velocity distribution under various conditions in space. The simulation results showed that the development of the main hole with the slenderness ratio, the diameter and length of different nozzle hole development time, and the slenderness ratio is proportional to the common rail injection system design of tractor engine high pressure. With more than the need to choose the right, in order to guarantee the hole volume low to a minimum, it can improve the efficiency of the engine, reduce the damage to the engine hole.

tractor; engine; high pressure common rail; CFD technology; adaptive filter

2016-12-11

河南省科技攻关项目(152102110161)

王建锋(1981-)，男，郑州人，讲师，硕士。

陈香香(1981-)，女，河南洛阳人，讲师，硕士，(E-mail)jianfwang371@hotmail.com。

S219；TP229.1

A

1003-188X(2018)02-0247-05