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内燃机配气机构气门振动解析方法研究
2021-05-28 15:37:31· 来源：内燃机学报
配气机构是柴油机的重要组成部分，控制着柴油机的换气过程，其设计是否合理将直接影响柴油机的动力性、经济性、排放水平、噪声水平、振动水平及工作可靠性等。其
配气机构是柴油机的重要组成部分，控制着柴油机的换气过程，其设计是否合理将直接影响柴油机的动力性、经济性、排放水平、噪声水平、振动水平及工作可靠性等。其中，配气机构的动力学特性和振动特性直接决定了气门的反跳特性、密封性、可靠性和气门寿命，要深入研究气门振动特性，就需要研究气门加速度信号的具体组成和这些组成对气门振动的影响，即实现气门振动信号的解析。本期推文笔者重点实现基于单通道盲源分离技术的气门振动解析方法，并通过该排气门的气门振动解析结果分析发动机气门振动的具体组成和影响规律。
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01 气门加速度测量
目标柴油机在1 060 r/min 工况下排气门振动最大，笔者具体研究了该工况下排气门侧的气门振动解析特征。为了使分析结果更具代表性，进行了100 循环加速度的数据统计。100 循环数据的分布如图1所示。在100 循环加速度数据中，选取最能代表气门振动总体特性的一个循环加速度数据进行振动分析。（详细信息请参阅原文[1]）
图1 标定工况下排气门加速度信号
02 EMD、STFT和CWT介绍
经验模式分解（EMD）方法基于信号本身的局部时域特征，将复杂的信号序列分解成了有限个本征模态函数(IMF)与残余分量之和。
短时傅里叶变换(STFT)是一种常用的时频联合分析工具，可将信号分段加时间窗口进行傅里叶变换，获得各个时间段内信号频谱的分布。
小波变换（CWT）将傅里叶变换中的基函数由无限长的三角函数基替换成有限长、会衰减的小波基，将小波基缩放再平移到某点对信号进行内积即可得这一尺寸小波对应的频率在该点的幅值。（详细信息请参阅原文[1]）
03 STFT和CWT、CWT和EMD解析对比
表1 为基于SIFT 方法和CWT 方法的气门振动解析结果对比。可知，CWT 方法解析出的燃烧振动、气流振动、落座振动、相邻气门落座振动因为划分时频区域与STFT 方法解析结果相比基本相同，所以信号提取结果也基本相同，但CWT方法时频区域划分更加精细和准确。
表1 STFT和CWT分解结果对比
图2 对比了CWT 和EMD 的分解结果。可知EMD 的IMF1、IMF2、IMF3 分别和CWT 的气门落座高频振动、气门落座中频振动、气门摇臂碰撞振动非常相似。但是IMF1、IMF2 相比气门落座中、高振动信号，明显混叠了其他信号，由CWT 的时频分布图可知它们混叠了燃烧振动、凸轮振动、气流振动和相邻气门振动；而IMF3 和气门摇臂碰撞振动相似度非常高，因为IMF3 的频段内基本只有气门摇臂碰撞信号，没有混叠其他信号。对气门振动影响最大的两个分振动为气门落座振动、气门摇臂碰撞振动。EMD 方法的前3 个模态分量恰好包含气门落座振动(中频和高频)、气门摇臂碰撞振动。说明在不考虑其他振动信号影响的情况下，EMD 方法可以将主要分振动信号提取出来。如果气门摇臂碰撞这类振动信号在各自频段内没有混叠其他振动信号，其分解结果和CWT 方法基本一致，并且比CWT 过程更简单，计算量更小，无需人工划分时频域，能够实现振动信号的自适应分解。
图2 CWT和EMD部分分解结果对比
04 关键结论
(1) EMD 方法解析过程简单、自适应，但是不能解决频率混叠问题；STFT 方法因为时间分辨率和频率分辨率相互制约，解析精度低；CWT 方法虽然计算量大，解析过程复杂，但是解析精度最高，解析效果最好。
(2) 通过CWT 方法，原始气门加速度信号可以分解为凸轮加速度、燃烧振动、气门摇臂碰撞振动、凸轮振动、气流振动、气门落座振动和相邻气门振动等分信号，实现了气门振动的来源分析。
(3) 气门落座振动、气门摇臂碰撞振动信号幅度较大，能谱较高，是气门振动的最主要来源，主要需优化这两个分振动信号；凸轮振动、气流振动使气门在开启期间出现高频振动，但是能量较低，不会引起较大损坏，不是优化的主要方向；燃烧振动和相邻气门振动不在气门工作阶段产生，且对气门振动影响较小，不是优化的主要方向。
05 参考文献
[1]王兆文,覃国宇,郭 凯,等.内燃机配气机构气门振动解析方法研究[J].内燃机学报,2021,(02):176-185.
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01 气门加速度测量
目标柴油机在1 060 r/min 工况下排气门振动最大，笔者具体研究了该工况下排气门侧的气门振动解析特征。为了使分析结果更具代表性，进行了100 循环加速度的数据统计。100 循环数据的分布如图1所示。在100 循环加速度数据中，选取最能代表气门振动总体特性的一个循环加速度数据进行振动分析。（详细信息请参阅原文[1]）
图1 标定工况下排气门加速度信号
02 EMD、STFT和CWT介绍
经验模式分解（EMD）方法基于信号本身的局部时域特征，将复杂的信号序列分解成了有限个本征模态函数(IMF)与残余分量之和。
短时傅里叶变换(STFT)是一种常用的时频联合分析工具，可将信号分段加时间窗口进行傅里叶变换，获得各个时间段内信号频谱的分布。
小波变换（CWT）将傅里叶变换中的基函数由无限长的三角函数基替换成有限长、会衰减的小波基，将小波基缩放再平移到某点对信号进行内积即可得这一尺寸小波对应的频率在该点的幅值。（详细信息请参阅原文[1]）
03 STFT和CWT、CWT和EMD解析对比
表1 为基于SIFT 方法和CWT 方法的气门振动解析结果对比。可知，CWT 方法解析出的燃烧振动、气流振动、落座振动、相邻气门落座振动因为划分时频区域与STFT 方法解析结果相比基本相同，所以信号提取结果也基本相同，但CWT方法时频区域划分更加精细和准确。
表1 STFT和CWT分解结果对比
图2 对比了CWT 和EMD 的分解结果。可知EMD 的IMF1、IMF2、IMF3 分别和CWT 的气门落座高频振动、气门落座中频振动、气门摇臂碰撞振动非常相似。但是IMF1、IMF2 相比气门落座中、高振动信号，明显混叠了其他信号，由CWT 的时频分布图可知它们混叠了燃烧振动、凸轮振动、气流振动和相邻气门振动；而IMF3 和气门摇臂碰撞振动相似度非常高，因为IMF3 的频段内基本只有气门摇臂碰撞信号，没有混叠其他信号。对气门振动影响最大的两个分振动为气门落座振动、气门摇臂碰撞振动。EMD 方法的前3 个模态分量恰好包含气门落座振动(中频和高频)、气门摇臂碰撞振动。说明在不考虑其他振动信号影响的情况下，EMD 方法可以将主要分振动信号提取出来。如果气门摇臂碰撞这类振动信号在各自频段内没有混叠其他振动信号，其分解结果和CWT 方法基本一致，并且比CWT 过程更简单，计算量更小，无需人工划分时频域，能够实现振动信号的自适应分解。
图2 CWT和EMD部分分解结果对比
04 关键结论
(1) EMD 方法解析过程简单、自适应，但是不能解决频率混叠问题；STFT 方法因为时间分辨率和频率分辨率相互制约，解析精度低；CWT 方法虽然计算量大，解析过程复杂，但是解析精度最高，解析效果最好。
(2) 通过CWT 方法，原始气门加速度信号可以分解为凸轮加速度、燃烧振动、气门摇臂碰撞振动、凸轮振动、气流振动、气门落座振动和相邻气门振动等分信号，实现了气门振动的来源分析。
(3) 气门落座振动、气门摇臂碰撞振动信号幅度较大，能谱较高，是气门振动的最主要来源，主要需优化这两个分振动信号；凸轮振动、气流振动使气门在开启期间出现高频振动，但是能量较低，不会引起较大损坏，不是优化的主要方向；燃烧振动和相邻气门振动不在气门工作阶段产生，且对气门振动影响较小，不是优化的主要方向。
05 参考文献
[1]王兆文,覃国宇,郭 凯,等.内燃机配气机构气门振动解析方法研究[J].内燃机学报,2021,(02):176-185.
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