用于诊断验证的船用发动机示功图信号模拟方法

1.本发明属于船用发动机信号模拟技术领域，具体涉及一种用于诊断验证的船用发动机示功图信号模拟方法。


背景技术：

2.船用发动机是船舶推进系统的主要动力源，其零件多、结构复杂，气缸内工作环境恶劣，使得柴油机在运行时发生故障的可能性增大。示功图是发动机缸内气体压力随曲轴转角变化的曲线，它综合反映了发动机的实时运行状态，结合发动机的结构参数可以计算其缸内指示参数和燃烧特征参数共计约40种，这些参数是评价运行状态的重要指标。伴随着对发动机状态监测与故障诊断技术的发展，示功图的展现形式和生成工具也取得了重大进步。目前基于示功图的故障诊断技术是对柴油机运行时缸内气体压力、曲轴转角和上止点信号进行测量，以获取示功图进行分析，计算和选取重要的燃烧特征参数进行故障诊断。目前基于数据驱动的故障诊断技术受到关注，其中基于机器学习的故障诊断技术需要以一定量的特征参数作为输入，以得到效果好的故障诊断模型。而基于深度学习的故障诊断则只需输入原始信号即可获得故障诊断模型，但深度学习需要大量的原始数据。
3.首先，船用发动机示功图数据的采集需要进行大量的实验并且需要专业的实验仪器，采集获得的原始数据需要经过滤波、周期平均和光顺处理等信号处理方法，导致进行示功图监测诊断模块开发验证的有效数据获取成本较高；其次，基于数据驱动的故障诊断模型的训练需要大量的数据，进行试验获得这些数据将使得工作量和成本变大；再者，进行示功图监测诊断模块的特征参数提取算法准确性验证需要进行各种类别的故障模拟试验，对开发人员的试验能力有较高的要求，获取难度大；最后，由于在示功图监测诊断模块开发过程中缺乏标准的示功图模拟信号进行实时验证，导致监测诊断模块的一致性和便利性存在问题。因此设计一种船用发动机示功图模拟信号对监测诊断模块进行验证具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的信号样本不足、考核指标不统一和获取信号的便利性不够等问题，提供一种用于诊断验证的船用发动机示功图信号模拟方法，该方法能够模拟出船用发动机示功图信号，在不启动发动机实测各类信号的情况下，就可以达到验证特征提取算法正确性的条件。
5.本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
6.一种用于诊断验证的船用发动机示功图信号模拟方法，通过缸内气体压力模拟信号、曲轴转角模拟信号和上止点模拟信号得出示功图模拟信号；其中，
7.所述缸内气体压力模拟信号在连续性原则的前提下采用多段不同斜率的直线信号进行拼接，模拟发动机进气、压缩、燃烧、膨胀做功和排气这五个工作过程的压力随曲轴转角的变化趋势，直线斜率按照不同的工况可变；
8.所述曲轴转角模拟信号简化为均匀方波，采用数字信号形式输出，通过控制两个
循环之间时间间隔的滴答数，即可输出对应的转速信号，达到了每周期方波信号疏密程度不同的目的，其方波的疏密程度与具体机型和工作转速有关，方波的个数与实际发动机飞轮齿数保持一致；
9.所述上止点模拟信号简化为方波，采用数字信号形式输出，通过控制两个循环之间时间间隔的滴答数保持不变，得到均匀的方波，方波所在位置代表上止点，实现每周期其信号与曲轴转角信号同步匹配；
10.通过缸内气体压力模拟信号、曲轴转角模拟信号和上止点模拟信号得出示功图模拟信号的方法为：结合发动机的偏移角对缸内气体压力模拟信号进行左平移，然后利用两个上止点模拟信号的整循环周期对平移之后的缸内气体压力模拟信号进行截取得到模拟示功图信号，曲轴转角模拟信号的作用是模拟一个采样过程，利用曲轴转角信号将缸内气体压力模拟信号离散化。
11.上述方案中所述偏移角为气缸压力模拟信号最小正斜率的初始位置点与其最近的上止点模拟信号的曲轴转角差。
12.上述方案中，所述示功图模拟信号的表示如下：
13.设每小段过程的信号分别为：
[0014][0015]
其中ai(i＝1，2，3，4，5)为控制量，系数bi(i＝1，2，3，4，5)由初始设置压力、曲线连续性条件和ai确定；
[0016]
用矩阵方程的形式表示为：
[0017][0018]
式中：
[0019][0020]
将矩阵a定义为示功图设计参数矩阵，通过调节该矩阵内元素的数值，即可实现模拟各种状态下的发动机示功图信号；每种型号发动机都对应一个正常工况下的示功图设计参数矩阵，定义为初始示功图设计参数矩阵，记为a0，该矩阵与发动机出厂结构参数、燃油参数有关。
[0021]
上述方案中，基于示功图的发动机故障诊断采用以下几种具有代表性的燃烧特征
参数进行分析：
[0022]
1)爆发压力p
max
和爆发压力角θ
max
[0023]
爆发压力p
max
对应发动机一个工作循环内的缸内最大压力：
[0024]
p
max
＝max{p(φi)}
ꢀꢀꢀ
(18)式中：p(φi)为示功图中对应曲轴转角φi时的缸内压力，其中曲轴转角取值范围为：0≤φi≤360或720(二冲程为360，四冲程为720)；
[0025]
当爆发压力确定之后，其对应的曲轴转角值φ
p
即为爆发压力角：
[0026]
θ
max
＝φ
p
ꢀꢀꢀ
(19)
[0027]
2)压缩压力p
com
[0028]
压缩压力p
com
为上止点时缸内的气体压力，上止点对应的曲轴转角已由模拟上止点和曲轴转角信号唯一确定：
[0029]
p
com
＝p(φ
top
)
ꢀꢀꢀ
(20)式中：φ
top
为活塞运行至上止点对应的曲轴转角；
[0030]
3)膨胀压力p
exp
[0031]
膨胀压力p
exp
定义为上止点后40
°
ca处的缸内气体压力：
[0032]
p
exp
＝p(φ
top
+40)
ꢀꢀꢀ
(21)
[0033]
4)压力升高值p
ris
[0034]
压力升高值p
ris
定义为爆发压力和压缩压力之差：
[0035]
p
ris
＝p
max-p
com
ꢀꢀꢀ
(22)
[0036]
5)平均指示压力p
mi
[0037]
平均指示压力p
mi
(imep)定义为发动机单位气缸容积每循环所做的指示功：
[0038][0039]
式中，λ：曲轴连杆比；φ：曲轴转角；δ(φ)：计算间隔角；θ：四冲程发动机为720，二冲程发动机为360；
[0040]
6)指示功wi[0041]
指示功wi指气缸完成一个工作循环所得到的有用功，它等于p-v示功图中闭合曲线的面积，也可以通过平均指示压力求取：
[0042][0043]
式中，d：气缸直径；s：活塞行程；vs：气缸工作容积；
[0044]
7)头部波动v
[0045]
头部波动v定义为爆发压力前后5
°
ca范围内故障状态与正常状态示功图压力均值的均方差：
[0046][0047]
式中，mean(p
fault
)为故障状态下爆发压力前后5
°
ca范围内的压力均值，mean(p
normal
)为正常状态下爆发压力前后5
°
ca范围内的压力均值
[0048]
8)ca5压差d
[0049]
ca5压差d定义为上止点后5
°
ca时故障状态与正常状态的压差，反映示功图陡峭程
度和过早脱离压缩曲线的情况：
[0050]
d＝p
fault
(φ
top
+5)-p
normal
(φ
top
+5)
ꢀꢀꢀ
(26)
[0051]
9)50％燃烧放热相位ca50
[0052]
50％燃烧放热相位ca50定义为发动机循环累积放热量达到50％时对应的曲轴转角，其中，发动机燃烧放热率为：
[0053][0054]
式中，q：净放热量；γ：比热比；v：某曲轴转角下气缸容积；
[0055]
累积放热量可由放热率积分获得，进而得到50％燃烧放热相位：
[0056]
ca50＝φ
1/2q
ꢀꢀꢀ
(28)
[0057]
式中，φ
1/2q
为累积放热量达到循环放热量的1/2时对应的曲轴转角。
[0058]
上述方案中，通过计算出指定机型正常工况下的燃烧特征参数，根据不同的故障类型所需调整的燃烧特征参数相较于正常工况下燃烧特征参数改变的大小，调整控制量ai(i＝1，2，3，4，5)的值，系数bi(i＝1，2，3，4，5)由初始设置压力、曲线连续性条件和ai确定，实现模拟不同故障类型的目的。
[0059]
上述方案中，常见的故障类型和模拟方法包括：
[0060]
a)模拟喷油滞后故障时，调节a3、a4的取值，bi随之变化，使按照式(5)、(6)计算出来的爆发压力和爆发压力角相较于无故障状态时分别减小10％和增大20％；
[0061]
b)模拟喷油提前故障时，调节a3、a4的取值，bi随之变化，使按照式(5)、(6)计算出来的爆发压力和爆发压力角相较于无故障状态时分别增大10％和减小20％；
[0062]
c)模拟进气阀漏气故障时，调节a3、a4的取值，bi随之变化，使按照式(5)、(8)计算出来的爆发压力和膨胀压力分别减小5％和10％；
[0063]
d)模拟排气阀漏气故障时，调节a3、a4的取值，bi随之变化，使按照式(5)、(8)计算出来的爆发压力和膨胀压力均减小2％；
[0064]
e)模拟喷油不足故障时，调节a3、a4的取值，bi随之变化，使按照式(5)、(6)计算出来的爆发压力和爆发压力角相较于无故障状态时均减小20％；
[0065]
f)模拟缸内积碳故障时，调节a2、a3的取值，bi随之变化，使按照式(7)、(9)计算出来的压缩压力和压力升高值相较于无故障状态时分别增大5％和减小20％。
[0066]
上述方案中，通过对示功图按照发火顺序平移一个相位β之后，示功图的纵轴缸压数据乘以一个介于(0.9，1.1)之间的随机数，得到多缸示功图模拟信号。
[0067]
上述方案中，对于n缸发动机，若为二冲程，则β为360
°
/n；若为四冲程，则β为720
°
/n。
[0068]
本发明的有益效果在于：
[0069]
(1)通过标准缸压信号、曲轴转角信号和上止点信号得到示功图，可以在不启动发动机实测各类信号的情况下，就可以达到验证特征提取算法正确性的条件。与现有的验证发动机示功图特征参数提取算法相比，本发明由于不需要启动发动机，所以能节约能源、保护环境、提高安全性。
[0070]
(2)本发明所能产生的数据源丰富，包括各类机型的正常工况、各类故障工况下的标准示功图模拟信号，能为机器学习和深度学习算法提供足够的数据量，有利于基于数据
驱动的故障诊断技术发展。
[0071]
(3)由于不需要额外采购传感器和和信号采集硬件等，所以研发成本将减少，且能随时随地进行验证，大大减少了项目的开发周期。
[0072]
(4)标准示功图模拟信号得到的特征参数一致性高，消除其他因素影响，可验证性和和可考核性强。
附图说明
[0073]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0074]
图1是发动机示功图标准模拟信号各阶段特征图；
[0075]
图2是体1所示发动机示功图标准模拟信号获取原理图；
[0076]
图3是基于不同示功图设计参数及燃烧特征参数故障模拟图；
[0077]
图4是示功图特征提取算法验证原理图；
[0078]
图5是示功图用于基于数据驱动的故障诊断算法原理图。
具体实施方式
[0079]
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
[0080]
如图1所示，通过本发明方法得到的示功图模拟信号构成简洁，在功能上与真实发动机示功图信号保持一致，能完整体现真实示功图所具有的主要要素。
[0081]
如图2所示，本发明提供一种用于诊断验证的船用发动机示功图信号模拟方法，通过缸内气体压力模拟信号、曲轴转角模拟信号和上止点模拟信号得出示功图模拟信号，具有高度还原真实信号的特点。其中，缸内气体压力模拟信号在连续性原则的前提下采用多段不同斜率的直线信号进行拼接，模拟发动机进气、压缩、燃烧、膨胀做功和排气这五个工作过程的压力随曲轴转角的变化趋势，直线斜率按照不同的工况(正常状态、故障状态)可变。曲轴转角模拟信号简化为均匀方波，采用数字信号形式输出，通过控制两个循环之间时间间隔的滴答数，即可输出对应的转速信号，达到了每周期方波信号疏密程度不同的目的，其方波的疏密程度与具体机型和工作转速有关，方波的个数与实际发动机飞轮齿数保持一致。上止点模拟信号简化为方波，采用数字信号形式输出，通过控制两个循环之间时间间隔的滴答数保持不变，得到均匀的方波，方波所在位置代表上止点，实现每周期其信号与曲轴转角信号同步匹配。
[0082]
通过缸内气体压力模拟信号、曲轴转角模拟信号和上止点模拟信号得出示功图模拟信号的方法为：结合发动机的偏移角对缸内气体压力模拟信号进行左平移，然后利用两个上止点模拟信号的整循环周期对平移之后的缸内气体压力模拟信号进行截取得到模拟示功图信号，曲轴转角模拟信号的作用是模拟一个采样过程，利用曲轴转角信号将缸内气体压力模拟信号离散化。所述偏移角为气缸压力模拟信号最小正斜率的初始位置点与其最近的上止点模拟信号的曲轴转角差。示功图模拟信号的表示如下：
[0083]
设每小段过程的信号分别为：
[0084][0085]
其中ai(i＝1，2，3，4，5)为控制量，系数bi(i＝1，2，3，4，5)由初始设置压力、曲线连续性条件和ai确定。写成矩阵方程的形式：
[0086][0087]
令：
[0088][0089]
简化表示为：
[0090][0091]
将矩阵a定义为示功图设计参数矩阵，通过调节该矩阵内元素的数值，即可实现模拟各种状态下的发动机示功图信号；每种型号发动机都对应一个正常工况下的示功图设计参数矩阵，定义为初始示功图设计参数矩阵，记为a0，该矩阵与发动机出厂结构参数、燃油参数有关。
[0092]
进气过程活塞下行，缸内气体压力总体呈现上升趋势，上升的程度由控制量a1(进气过程缸内压力升高率)决定。
[0093]
压缩过程活塞上行，缸内气体压力总体呈现上升趋势，上升的程度由控制量a2(压缩过程缸内压力升高率)决定。
[0094]
燃烧过程伴随着缸内气体压力的大幅度上升，为船用发动机工作过程中最重要的一个环节，缸内气体压力呈现快速上升的趋势，上升的程度受a3(燃烧过程缸内压力升高率)决定。
[0095]
膨胀做功过程缸内高压气体推动活塞下行，缸内气体压力大幅下降，下降的程度受控制量a4(做功过程缸内压力升高率)决定。
[0096]
排气过程活塞上行，缸内气体压力将继续下降，但下降的幅度低于膨胀做功阶段，下降的程度受控制量a5(排气过程缸内压力升高率)决定。
[0097]
在涉及到有关向量的计算问题中，随着向量维数的增加，计算负担呈指数级增长，即出现了“维数灾难”的现象。由于从示功图中能提取出的特征参数非常多，且部分参数相关性较强，为了避免“维数灾难”，且保证能完整反映发动机缸内燃烧过程的前提下，基于示功图的发动机故障诊断采用以下几种具有代表性的燃烧特征参数进行分析：
[0098]
1)爆发压力p
max
和爆发压力角θ
max
[0099]
爆发压力p
max
对应发动机一个工作循环内的缸内最大压力：
[0100]
p
max
＝max{p(φi)}
ꢀꢀꢀ
(33)式中：p(φi)为示功图中对应曲轴转角φi时的缸内压力，其中曲轴转角取值范围为：0≤φi≤360或720(二冲程为360，四冲程为720)；
[0101]
当爆发压力确定之后，其对应的曲轴转角值φ
p
即为爆发压力角：
[0102]
θ
max
＝φ
p
ꢀꢀꢀ
(34)
[0103]
2)压缩压力p
com
[0104]
压缩压力p
com
为上止点时缸内的气体压力，上止点对应的曲轴转角已由模拟上止点和曲轴转角信号唯一确定：
[0105]
p
com
＝p(φ
top
)
ꢀꢀꢀ
(35)式中：φ
top
为活塞运行至上止点对应的曲轴转角；
[0106]
3)膨胀压力p
exp
[0107]
膨胀压力p
exp
定义为上止点后40
°
ca处的缸内气体压力：
[0108]
p
exp
＝p(φ
top
+40)
ꢀꢀꢀ
(36)
[0109]
4)压力升高值p
ris[0110]
压力升高值p
ris
定义为爆发压力和压缩压力之差：
[0111]
p
ris
＝p
max-p
com
ꢀꢀꢀ
(37)
[0112]
5)平均指示压力p
mi
[0113]
平均指示压力p
mi
(imep)定义为发动机单位气缸容积每循环所做的指示功，它表征发动机每循环的做功强度，平均指示压力越高，发动机做功越多，是衡量发动机动力性能的一个重要指标。
[0114][0115]
式中，λ：曲轴连杆比；φ：曲轴转角；δ(φ)：计算间隔角；θ：四冲程发动机为720，二冲程发动机为360；
[0116]
6)指示功wi[0117]
指示功wi指气缸完成一个工作循环所得到的有用功，它等于p-v示功图中闭合曲线的面积，也可以通过平均指示压力求取：
[0118][0119]
式中，d：气缸直径；s：活塞行程；vs：气缸工作容积；
[0120]
7)头部波动v
[0121]
头部波动v定义为爆发压力前后5
°
ca范围内故障状态与正常状态示功图压力均值
的均方差：
[0122][0123]
式中，mean(p
fault
)为故障状态下爆发压力前后5
°
ca范围内的压力均值，mean(p
normal
)为正常状态下爆发压力前后5
°
ca范围内的压力均值
[0124]
8)ca5压差d
[0125]
ca5压差d定义为上止点后5
°
ca时故障状态与正常状态的压差，反映示功图陡峭程度和过早脱离压缩曲线的情况：
[0126]
d＝p
fault
(φ
top
+5)-p
normal
(φ
top
+5)
ꢀꢀꢀ
(41)
[0127]
9)50％燃烧放热相位ca50
[0128]
50％燃烧放热相位ca50定义为发动机循环累积放热量达到50％时对应的曲轴转角，其中，发动机燃烧放热率为：
[0129][0130]
式中，q：净放热量；γ：比热比；v：某曲轴转角下气缸容积；
[0131]
累积放热量可由放热率积分获得，进而得到50％燃烧放热相位：
[0132]
ca50＝φ
1/2q
ꢀꢀꢀ
(43)
[0133]
式中，φ
1/2q
为累积放热量达到循环放热量的1/2时对应的曲轴转角。
[0134]
通过计算出指定机型正常工况下的燃烧特征参数，根据不同的故障类型所需调整的燃烧特征参数相较于正常工况下燃烧特征参数改变的大小，调整控制量ai(i＝1，2，3，4，5)的值，系数bi(i＝1，2，3，4，5)由初始设置压力、曲线连续性条件和ai确定，实现模拟不同故障类型的目的。参见图3，常见的故障类型和模拟方法包括：
[0135]
a)模拟喷油滞后故障时，调节a3、a4的取值，bi随之变化，使按照式(5)、(6)计算出来的爆发压力和爆发压力角相较于无故障状态时分别减小10％和增大20％；
[0136]
b)模拟喷油提前故障时，调节a3、a4的取值，bi随之变化，使按照式(5)、(6)计算出来的爆发压力和爆发压力角相较于无故障状态时分别增大10％和减小20％；
[0137]
c)模拟进气阀漏气故障时，调节a3、a4的取值，bi随之变化，使按照式(5)、(8)计算出来的爆发压力和膨胀压力分别减小5％和10％；
[0138]
d)模拟排气阀漏气故障时，调节a3、a4的取值，bi随之变化，使按照式(5)、(8)计算出来的爆发压力和膨胀压力均减小2％；
[0139]
e)模拟喷油不足故障时，调节a3、a4的取值，bi随之变化，使按照式(5)、(6)计算出来的爆发压力和爆发压力角相较于无故障状态时均减小20％；
[0140]
f)模拟缸内积碳故障时，调节a2、a3的取值，bi随之变化，使按照式(7)、(9)计算出来的压缩压力和压力升高值相较于无故障状态时分别增大5％和减小20％。
[0141]
如图4所示，本发明能验证不同示功图特征参数提取算法的准确性。具体地，本发明给出正常工况和不同类型不同程度故障工况下的标准示功图模拟信号，而每一个信号附带其固有的特征参数，当用示功图特征参数提取算法对该模拟信号进行分析和计算，然后将所得出的特征参数与该模拟信号固有的特征参数做对比，即可验证示功图特征参数提取
算法的正确性和对算法的合理性进行评价。
[0142]
定义特征绝对误差δe和相对误差re
[0143]
δe＝|f-f
standard
|
ꢀꢀꢀ
(44)
[0144][0145]
式中：f为特征提取算法所得各类特征值，f
standard
为标准示功图模拟信号固有的各类特征参数。当re小于某阈值(如2％)时，则认定该特征参数提取算法有效。
[0146]
如图5所示，本发明适用于基于数据驱动的故障诊断算法验证。其中，将示功图模拟信号的固有特征参数输入基于机器学习的故障诊断算法，用于训练一个故障分类器，再与设置工况做对比分析，得出故障诊断率。将示功图模拟信号的原始数据直接输入基于深度学习的故障诊断算法中，用于训练该模型，再与设置工况进行对比分析得出诊断率。
[0147]
此外，为了模拟多缸发动机的做功不平衡性，通过对示功图按照发火顺序平移一个相位β，示功图的纵轴缸压数据乘以一个介于(0.9，1.1)之间的随机数，得到多缸示功图模拟信号。对于n缸发动机，若为二冲程，则β为360
°
/n；若为四冲程，则β为720
°
/n。
[0148]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0149]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种用于诊断验证的船用发动机示功图信号模拟方法，其特征在于，通过缸内气体压力模拟信号、曲轴转角模拟信号和上止点模拟信号得出示功图模拟信号；其中，所述缸内气体压力模拟信号在连续性原则的前提下采用多段不同斜率的直线信号进行拼接，模拟发动机进气、压缩、燃烧、膨胀做功和排气这五个工作过程的压力随曲轴转角的变化趋势，直线斜率按照不同的工况可变；所述曲轴转角模拟信号简化为不同占空比方波，采用数字信号形式输出，通过控制两个循环之间时间间隔的滴答数，即可输出对应的转速信号，达到了每周期方波信号疏密程度不同的目的，其方波的疏密程度与具体机型和工作转速有关，方波的个数与实际发动机飞轮齿数保持一致；所述上止点模拟信号简化为方波，采用数字信号形式输出，通过控制两个循环之间时间间隔的滴答数保持不变，得到一转一个的方波，方波所在位置代表上止点，每循环周期一个上止点信号，且保证两上止点信号曲轴转角信号匹配对应时，曲轴转角信号方波的个数为发动机运转一个循坏周期对应的齿数；通过缸内气体压力模拟信号、曲轴转角模拟信号和上止点模拟信号得出示功图模拟信号的方法为：结合发动机的偏移角对缸内气体压力模拟信号进行左平移，然后利用两个上止点模拟信号的整循环周期对平移之后的缸内气体压力模拟信号进行截取得到模拟示功图信号，曲轴转角模拟信号的作用是模拟一个采样过程，利用曲轴转角信号将缸内气体压力模拟信号离散化。2.根据权利要求1所述的用于诊断验证的船用发动机示功图信号模拟方法，其特征在于，所述偏移角为气缸压力模拟信号最小正斜率的初始位置点与其最近的上止点模拟信号的曲轴转角差。3.根据权利要求1所述的用于诊断验证的船用发动机示功图信号模拟方法，其特征在于，所述示功图模拟信号的表示如下：设每小段过程的信号分别为：其中a
i
(i＝1，2，3，4，5)为控制量，系数b
i
(i＝1，2，3，4，5)由初始设置压力、曲线连续性条件和a
i
确定；用矩阵方程的形式表示为：式中：
将矩阵a定义为示功图设计参数矩阵，通过调节该矩阵内元素的数值，即可实现模拟各种状态下的发动机示功图信号；每种型号发动机都对应一个正常工况下的示功图设计参数矩阵，定义为初始示功图设计参数矩阵，记为a0，该矩阵与发动机出厂结构参数、燃油参数有关。4.根据权利要求3所述的用于诊断验证的船用发动机示功图信号模拟方法，其特征在于，基于示功图的发动机故障诊断采用以下几种具有代表性的燃烧特征参数进行分析：1)爆发压力p
max
和爆发压力角θ
max
爆发压力p
max
对应发动机一个工作循环内的缸内最大压力：p
max
＝max{p(φ
i
)}
ꢀꢀꢀ
(4)式中：p(φ
i
)为示功图中对应曲轴转角φ
i
时的缸内压力，其中曲轴转角取值范围为：0≤φ
i
≤360或720(二冲程为360，四冲程为720)；当爆发压力确定之后，其对应的曲轴转角值φ
p
即为爆发压力角：θ
max
＝φ
p
ꢀꢀꢀ
(5)2)压缩压力p
com
压缩压力p
com
为上止点时缸内的气体压力，上止点对应的曲轴转角已由模拟上止点和曲轴转角信号唯一确定：p
com
＝p(φ
top
)
ꢀꢀꢀ
(6)式中：φ
top
为活塞运行至上止点对应的曲轴转角；3)膨胀压力p
exp
膨胀压力p
exp
定义为上止点后40
°
ca处的缸内气体压力：p
exp
＝p(φ
top
+40)
ꢀꢀꢀ
(7)4)压力升高值p
ris
压力升高值p
ris
定义为爆发压力和压缩压力之差：p
ris
＝p
max-p
com
ꢀꢀꢀ
(8)5)平均指示压力p
mi
平均指示压力p
mi
(imep)定义为发动机单位气缸容积每循环所做的指示功：式中，λ：曲轴连杆比；φ：曲轴转角；δ(φ)：计算间隔角；θ：四冲程发动机为720，二冲程发动机为360；6)指示功w
i
指示功w
i
指气缸完成一个工作循环所得到的有用功，它等于p-v示功图中闭合曲线的面积，也可以通过平均指示压力求取：
式中，d：气缸直径；s：活塞行程；v
s
：气缸工作容积；7)头部波动v头部波动v定义为爆发压力前后5
°
ca范围内故障状态与正常状态示功图压力均值的均方差：式中，mean(p
fault
)为故障状态下爆发压力前后5
°
ca范围内的压力均值，mean(p
normal
)为正常状态下爆发压力前后5
°
ca范围内的压力均值8)ca5压差dca5压差d定义为上止点后5
°
ca时故障状态与正常状态的压差，反映示功图陡峭程度和过早脱离压缩曲线的情况：d＝p
fault
(φ
top
+5)-p
normal
(φ
top
+5)
ꢀꢀꢀ
(12)9)50％燃烧放热相位ca5050％燃烧放热相位ca50定义为发动机循环累积放热量达到50％时对应的曲轴转角，其中，发动机燃烧放热率为：式中，q：净放热量；γ：比热比；v：某曲轴转角下气缸容积；累积放热量可由放热率积分获得，进而得到50％燃烧放热相位：ca50＝φ
1/2q
ꢀꢀꢀ
(14)式中，φ
1/2q
为累积放热量达到循环放热量的1/2时对应的曲轴转角。5.根据权利要求4所述的用于诊断验证的船用发动机示功图信号模拟方法，其特征在于，通过计算出指定机型正常工况下的燃烧特征参数，根据不同的故障类型所需调整的燃烧特征参数相较于正常工况下燃烧特征参数改变的大小，调整控制量a
i
(i＝1，2，3，4，5)的值，系数b
i
(i＝1，2，3，4，5)由初始设置压力、曲线连续性条件和a
i
确定，实现模拟不同故障类型的目的。6.根据权利要求5所述的用于诊断验证的船用发动机示功图信号模拟方法，其特征在于，常见的故障类型和模拟方法包括：a)模拟喷油滞后故障时，调节a3、a4的取值，b
i
随之变化，使按照式(5)、(6)计算出来的爆发压力和爆发压力角相较于无故障状态时分别减小10％和增大20％；b)模拟喷油提前故障时，调节a3、a4的取值，b
i
随之变化，使按照式(5)、(6)计算出来的爆发压力和爆发压力角相较于无故障状态时分别增大10％和减小20％；c)模拟进气阀漏气故障时，调节a3、a4的取值，b
i
随之变化，使按照式(5)、(8)计算出来的爆发压力和膨胀压力分别减小5％和10％；d)模拟排气阀漏气故障时，调节a3、a4的取值，b
i
随之变化，使按照式(5)、(8)计算出来
的爆发压力和膨胀压力均减小2％；e)模拟喷油不足故障时，调节a3、a4的取值，b
i
随之变化，使按照式(5)、(6)计算出来的爆发压力和爆发压力角相较于无故障状态时均减小20％；f)模拟缸内积碳故障时，调节a2、a3的取值，b
i
随之变化，使按照式(7)、(9)计算出来的压缩压力和压力升高值相较于无故障状态时分别增大5％和减小20％。7.根据权利要求1所述的用于诊断验证的船用发动机示功图信号模拟方法，其特征在于，通过对示功图按照发火顺序平移一个相位β之后，示功图的纵轴缸压数据乘以一个介于(0.9，1.1)之间的随机数，得到多缸示功图模拟信号。8.根据权利要求7所述的用于诊断验证的船用发动机示功图信号模拟方法，其特征在于，对于n缸发动机，若为二冲程，则β为360
°
/n；若为四冲程，则β为720
°
/n。

技术总结
本发明涉及一种用于诊断验证的船用发动机示功图信号模拟方法，通过缸内气体压力模拟信号、曲轴转角模拟信号和上止点模拟信号得出示功图模拟信号，缸内气体压力模拟信号在连续性原则的前提下采用多段不同斜率的直线信号进行拼接，模拟发动机进气、压缩、燃烧、膨胀做功和排气这五个工作过程的压力随曲轴转角的变化趋势，直线斜率按照不同的工况可变，曲轴转角模拟信号简化为不同占空比方波，上止点模拟信号简化为方波。本发明可以在不启动发动机实测各类信号的情况下，获得各类机型的正常工况、各类故障工况下的标准示功图模拟信号，达到验证特征提取算法正确性的条件，为机器学习和深度学习算法提供足够的数据量。和深度学习算法提供足够的数据量。和深度学习算法提供足够的数据量。


技术研发人员：余永华 胡磊
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2022.07.01
技术公布日：2022/11/1