摘要：為有效解決PT燃油系統(tǒng)進(jìn)油油路堵塞、濾清器泄漏、噴油器油路堵塞等多種典型故障診斷問題，提出了基于核主元分析（KPCA）和最小二乘支持向量機(jī)（LSSVM）的故障識(shí)別方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，KPCA提取的主特征向量有效表達(dá)了原始故障的特征信息，相比于傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和未經(jīng)參數(shù)優(yōu)選的LSSVM等分類模型，基于KPCA-LSSVM的故障識(shí)別方法速度更快、分類準(zhǔn)確率更高。康明斯發(fā)電機(jī)廠家在本文論述了PT燃油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了燃油系統(tǒng)典型故障，對(duì)康明斯發(fā)電機(jī)組PT燃油泵及PT噴油器的調(diào)試要點(diǎn)作了詳細(xì)的闡述。
一、PT燃油系統(tǒng)的特點(diǎn)
由于采用PT供油系統(tǒng)，其噴嘴噴射燃油是由凸輪軸驅(qū)動(dòng)，故凸輪軸的剛度直接影響柴油發(fā)電機(jī)的可靠性于耐久性，因而柴油發(fā)電機(jī)采用了大直徑凸輪軸設(shè)計(jì)方案。M11系列柴油發(fā)電機(jī)采用76.2mm凸輪軸軸頸，N系列柴油發(fā)電機(jī)采用63.5mm凸輪軸軸頸，K系列柴油發(fā)電機(jī)采用76.2mm凸輪軸軸頸，比一般柴油發(fā)電機(jī)凸輪軸軸頸大，因此獲得了較好的剛度。同時(shí)還采用滾輪式遙桿凸輪從動(dòng)件設(shè)計(jì)，使從動(dòng)件與凸輪表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，從飛濺潤滑變?yōu)閴毫櫥Σ粮钡墓ぷ鲬?yīng)力降低了，潤滑條件改善了，故減少了磨損，提高了工作可靠性和使用壽命。
采用干式化學(xué)添加劑（DCA）對(duì)冷卻液進(jìn)行處理，是康明斯柴油發(fā)電機(jī)的一個(gè)共同特點(diǎn)。這種裝有DCA化學(xué)藥品的容器稱為“水濾器”。DCA由9種不同的化學(xué)成分組成，它的功能是使水軟化，免除水垢的形成；中和水中形成的酸，使水維持在一個(gè)適當(dāng)?shù)乃釅A度，以避免零件遭受化學(xué)腐蝕；抗泡沫作用，能減少泡沫的形成，并能在鑄鐵和鋼制零件表面形成一層很薄的保護(hù)薄膜，以保護(hù)氣缸套、水泵葉輪等零件免遭穴蝕的損壞。從而，使柴油發(fā)電機(jī)的工作可靠性和使用壽命有了很大的提高。
在康明斯公司專有的PT燃油系統(tǒng)中采用了分級(jí)燃油噴射射正時(shí)控制（STC）,使在不同的工況下燃燒狀態(tài)趨于完善。STC的主要作用是在低怠速、低負(fù)荷燃油供油量小時(shí)，使噴油正時(shí)提前，保證燃燒在上止點(diǎn)附近就能完成。正時(shí)提前，能改善冷起動(dòng)能性，改善寒冷氣候條件下的怠速性能，減少冒白煙現(xiàn)象，提高低負(fù)荷時(shí)柴油發(fā)電機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。更重要的是，柴油發(fā)電機(jī)在低負(fù)荷時(shí)，如果正時(shí)不提前，燃燒將過于滯后，性能急劇惡化，就會(huì)造成炭煙大量形成。同時(shí)，STC系統(tǒng)也可在大負(fù)荷條件下對(duì)柴油發(fā)電機(jī)正時(shí)適當(dāng)延遲，為改善NOx排放提供了條件。
二、PT噴油器的調(diào)試方法
PT噴油器的結(jié)構(gòu)與普通噴油器有很大區(qū)別，其精度要求也更高。康明斯柴油發(fā)電機(jī)裝用的PT噴油器，在拆裝、檢查和調(diào)試時(shí)，都必須使用專用的工具和設(shè)備，維修時(shí)可參照相應(yīng)的康明斯柴油發(fā)電機(jī)維修手冊(cè)進(jìn)行。
在裝配柴油發(fā)電機(jī)或柴油發(fā)電機(jī)使用一定時(shí)間（一般為3000h）后，必須調(diào)整PT噴油器柱塞落座壓力，以防止噴油器噴油結(jié)束后不能將柴油全部壓出。調(diào)整PT噴油器柱塞落座壓力分“冷調(diào)”和“熱調(diào)”。“冷調(diào)”指在柴油發(fā)電機(jī)冷卻液溫度為60℃以下時(shí)進(jìn)行調(diào)整；“熱調(diào)”指在柴油發(fā)電機(jī)冷卻液溫度為85℃以上時(shí)進(jìn)行調(diào)整。
1、噴油器柱塞對(duì)筒頭落座壓力的調(diào)整
美國康明斯公司生產(chǎn)的柴油機(jī)采用PT燃油系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)、工作原理與一般柴油機(jī)不同。其噴油器經(jīng)試驗(yàn)臺(tái)調(diào)試后，還需在柴油機(jī)上進(jìn)行調(diào)整。以做功順序1-5-3-6-2-4的6缸柴油發(fā)電機(jī)為例，PT噴油器柱塞落座壓力的調(diào)整可采用如下方法：
噴油器柱塞對(duì)筒頭落座壓力不能過大或過小：壓力過大，會(huì)使噴油器驅(qū)動(dòng)機(jī)件變形；壓力太小，在噴射終了時(shí)柱塞與筒頭錐形腔內(nèi)的殘余燃油燒結(jié)積炭，使筒頭過熱，導(dǎo)致筒頭前端脫落。因此，安裝噴油器時(shí)必須調(diào)整。
（1）扭矩調(diào)整法
此方法是將噴油器調(diào)整螺釘擰緊至規(guī)定的扭矩，保證柱塞對(duì)筒頭的落座壓力。
① 校準(zhǔn)正時(shí)記號(hào)。
使氣缸處于減壓狀態(tài)，按曲軸的旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)正時(shí)帶輪，使帶輪上的正時(shí)記號(hào)與齒輪室蓋上的記號(hào)對(duì)準(zhǔn)。帶輪記號(hào)TC表示活塞在上止點(diǎn)位置，VS表示活塞在上止點(diǎn)后90°位置。TC和VS記號(hào)前的數(shù)字是相應(yīng)的汽缸號(hào)。對(duì)準(zhǔn)記號(hào)后，根據(jù)進(jìn)、排氣門狀態(tài)確定處于壓縮的汽缸。對(duì)一次記號(hào)只能調(diào)整一個(gè)氣缸。
② 調(diào)整。
冷機(jī)時(shí)擰松噴油器搖臂上的鎖緊螺母，擰入調(diào)整螺釘使柱塞下行，柱塞下端與筒頭錐形座接觸后再擰入螺釘15°，將殘余在筒頭的燃油擠凈。將調(diào)整螺釘放松一圈，再用扭力扳手?jǐn)Q緊到規(guī)定力矩，用螺絲刀保持調(diào)整螺釘位置不動(dòng)，按規(guī)定力矩?cái)Q緊鎖緊螺母。
③ 復(fù)查。
全部噴油器調(diào)整完畢后，啟動(dòng)柴油機(jī)。當(dāng)機(jī)油溫度達(dá)到60℃時(shí)，再復(fù)查一次。
（2）行程調(diào)整法
此法是利用一個(gè)百分表和一個(gè)搖臂壓桿，將噴油器柱塞調(diào)整到規(guī)定值。
將百分表支架固定在汽缸蓋上，表的測桿垂直頂在噴油器柱塞上的法蘭面上。在柱塞處于與筒頭座面接觸的最低位置時(shí)，將百分表讀數(shù)調(diào)到零位。按柴油機(jī)旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸，使柱塞升到最高位置，此時(shí)百分表的讀數(shù)為柱塞的行程，如不符合規(guī)定，調(diào)整搖臂上的調(diào)整螺釘?shù)椒弦蟆?/span>
2、噴油正時(shí)的檢查與調(diào)整
噴油器噴油正時(shí)的檢查與調(diào)整是根據(jù)活塞位置與噴油器推桿位置的相互關(guān)系，采用噴油正時(shí)儀進(jìn)行的。
（1）安裝噴油正時(shí)儀
先拆下一缸搖臂蓋、搖臂總成和噴油器。裝上噴油正時(shí)儀。正時(shí)儀有兩個(gè)百分表：一個(gè)百分表的測桿與活塞接觸稱為活塞行程百分表；另一個(gè)百分表的測桿頂在推桿球座上，稱為推桿行程百分表。噴油正時(shí)儀的安裝位置必須與氣缸中心線平行。
（2）檢查與調(diào)整
檢查燃油泵凸輪軸定位銷處于燃油泵驅(qū)動(dòng)齒輪鍵槽中，如圖1所示。如果不能看到定位銷，拆卸噴油泵，確定錯(cuò)位的原因，并維修或更換任何損壞的部件。如果因?yàn)樾阅軉栴}進(jìn)行此項(xiàng)檢查，而且故障首先出現(xiàn)在齒輪系拆卸和更換后，則檢查凸輪軸齒輪與曲軸齒輪的正時(shí)，以及凸輪軸齒輪與燃油泵驅(qū)動(dòng)齒輪之間的正時(shí)。噴油正時(shí)調(diào)整示例如圖2所示，步驟如下
① 順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸使一缸活塞位于壓縮行程上止點(diǎn)。在活塞行程百分表測量表頭的測桿與正時(shí)儀標(biāo)尺90°刻度線對(duì)齊時(shí)，將推桿行程百分表調(diào)零。
② 逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸，在一、六缸上止點(diǎn)記號(hào)轉(zhuǎn)到距標(biāo)尺標(biāo)定點(diǎn)約10mm處時(shí)移動(dòng)活塞行程百分表，使其測量頭壓縮5mm左右，然后固定。緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸，在活塞回到上止點(diǎn)位置時(shí)將活塞行程百分表調(diào)零。
③ 繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸，當(dāng)活塞行程百分表的測桿與標(biāo)尺45°刻度線（相應(yīng)曲軸位于上止點(diǎn)前45°）對(duì)準(zhǔn)時(shí)，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸，直到活塞行程百分表讀數(shù)符合規(guī)定，根據(jù)測量的差值再調(diào)整挺桿銷軸蓋墊片厚度，使噴油正時(shí)符合規(guī)定。
發(fā)動(dòng)機(jī)的正時(shí)調(diào)整是非常重要的，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率和壽命。如果正時(shí)出現(xiàn)問題，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗增加，功率下降，甚至引起發(fā)動(dòng)機(jī)故障。而調(diào)整正時(shí)可以使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作更加穩(wěn)定，燃油消耗更低，能效更高，排放更清潔。
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圖1 康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)銷位置 |
圖2 康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)噴油正時(shí)調(diào)整步驟. |
三、燃油系統(tǒng)典型故障診斷
PT泵出油口壓力波動(dòng)情況主要取決于系統(tǒng)的工作狀態(tài)，由于采集的油壓信號(hào)不具備明顯的頻域特征，因此在信號(hào)處理時(shí)主要采用時(shí)域分析的方法。
以正常狀態(tài)的PT泵出油口壓力信號(hào)為依據(jù)，分別提取怠速點(diǎn)油壓（轉(zhuǎn)速550 r/min）、最大扭矩點(diǎn)油壓（轉(zhuǎn)速1 200 r/min）、拐點(diǎn)轉(zhuǎn)速油壓（轉(zhuǎn)速1 830 r/min）及近停油點(diǎn)油壓（轉(zhuǎn)速2 200 r/min）作為4個(gè)特征值。這4個(gè)特征值能夠描述各種狀態(tài)下信號(hào)的輪廓，然后計(jì)算不同狀態(tài)油壓信號(hào)的均值、方差、均方值、峰值、偏度、峭度、波形系數(shù)、峰值系數(shù)、脈沖系數(shù)、裕度系數(shù)及峰峰值11個(gè)時(shí)域特征參數(shù)，共計(jì)15個(gè)特征值。其中一組數(shù)據(jù)的特征值如表1所示。
表1各種工作狀態(tài)下信號(hào)的時(shí)域特征參數(shù)
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編號(hào)
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時(shí)域參數(shù)
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正常狀態(tài)
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泵進(jìn)油堵塞
|
濾清器泄漏
|
噴油器堵塞
|
噴油器
泄漏
|
|
1
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怠速油壓/MPa
|
0.1892
|
0.2888
|
0.4495
|
0.6705
|
0.0935
|
|
2
|
最大扭矩油壓/MPa
|
0.5400
|
0.5958
|
0.7032
|
1.1348
|
0.1852
|
|
3
|
拐點(diǎn)轉(zhuǎn)速油壓/MPa
|
0.7800
|
0.6567
|
0.0827
|
0.2170
|
0.2120
|
|
4
|
近停油點(diǎn)油壓/MPa
|
0.0248
|
0.0437
|
0.0817
|
0.1792
|
0.0232
|
|
5
|
均值/MPa
|
0.3497
|
0.3862
|
0.4360
|
0.7501
|
0.1340
|
|
6
|
方差/MPa
|
0.0689
|
0.0474
|
0.0686
|
0.1443
|
0.0048
|
|
7
|
均方值/MPa
|
0.1911
|
0.1965
|
0.2587
|
0.7069
|
0.0227
|
|
8
|
峰值
|
0.7923
|
0.7283
|
0.8220
|
1.2600
|
0.2502
|
|
9
|
偏度
|
0.2056
|
-0.2577
|
-0.1726
|
-0.1601
|
-0.2571
|
|
10
|
峭度
|
1.5688
|
1.6407
|
1.5183
|
1.4929
|
1.6176
|
|
11
|
波形系數(shù)
|
1.2502
|
1.1478
|
1.1666
|
1.1209
|
1.1249
|
|
12
|
峰值系數(shù)
|
1.8122
|
1.643
|
1.6162
|
1.4986
|
1.6601
|
|
13
|
脈沖系數(shù)
|
2.2656
|
1.8859
|
1.8854
|
1.6798
|
1.8675
|
|
14
|
裕度系數(shù)
|
2.7909
|
2.1193
|
2.1410
|
1.8198
|
2.0443
|
|
15
|
峰峰值
|
0.7898
|
0.6973
|
0.7655
|
1.1200
|
0.2455
|
5種不同工作狀態(tài)的部分時(shí)域特征值如圖3~圖6所示。比較圖中不同工作狀態(tài)的特征值分布可以發(fā)現(xiàn)，不同工作狀態(tài)的部分特征值差距不是很明顯，如圖3所示，對(duì)于濾清器泄漏、噴油器堵塞和噴油器泄漏3種故障，其拐點(diǎn)轉(zhuǎn)速油壓值都分布在0.1～0.2 MPa，差距不是很明顯。
部分特征值存在交叉重疊的現(xiàn)象，如圖4所示，對(duì)于正常狀態(tài)、泵進(jìn)油堵塞和噴油器泄漏3種故障，其近停油點(diǎn)油壓值在0.025～0.075 MPa存在交叉重疊的現(xiàn)象。
因此，任何單一的特征參量都無法準(zhǔn)確區(qū)分PT燃油系統(tǒng)的工作狀態(tài)，為此需要進(jìn)行多特征參數(shù)的融合，消除多特征值之間的重疊和交叉，提高識(shí)別的準(zhǔn)確性。
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圖3 PT燃油系統(tǒng)故障拐點(diǎn)轉(zhuǎn)速油壓信號(hào)曲線 |
圖4 PT燃油系統(tǒng)故障近停油點(diǎn)油壓信號(hào)曲線 |
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圖5 PT燃油系統(tǒng)故障偏度信號(hào)曲線 |
圖6 PT燃油系統(tǒng)故障信號(hào)峰峰值曲線 |
總結(jié)：
針對(duì)PT燃油系統(tǒng)故障樣本數(shù)據(jù)數(shù)量小、不具備明顯頻域特征以及分類器參數(shù)選擇的問題，提出了KPCA和MPGA-LSSVM相結(jié)合的PT燃油泵故障診斷方法。主要結(jié)論是PT燃油系統(tǒng)油壓信號(hào)為典型的非平穩(wěn)信號(hào)，不具備明顯的頻域特征，且不同工作狀態(tài)下的時(shí)域特征參數(shù)存在交叉重疊的現(xiàn)象，單一特征參量無法準(zhǔn)確識(shí)別燃油系統(tǒng)的工作狀態(tài)。針對(duì)PT燃油系統(tǒng)油壓信號(hào)時(shí)域特征的特點(diǎn)，利用KPCA進(jìn)行特征參數(shù)提取，消除了不同時(shí)域特征值之間存在的交叉重疊現(xiàn)象，簡化了分類器結(jié)構(gòu)，提高了模型識(shí)別的準(zhǔn)確率。
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