摘要：为有效解决PT燃油系统进油油路堵塞、滤清器泄漏、喷油器油路堵塞等多种典型故障诊断问题，提出了基于核主元分析（KPCA）和最小二乘支持向量机（LSSVM）的故障识别方法。实验结果表明，KPCA提取的主特征向量有效表达了原始故障的特征信息，相比于传统的BP神经网络和未经参数优选的LSSVM等分类模型，基于KPCA-LSSVM的故障识别方法速度更快、分类准确率更高。康明斯发电机厂家在本文论述了PT燃油系统的结构特点，分析了燃油系统典型故障，对康明斯发电机组PT燃油泵及PT喷油器的调试要点作了详细的阐述。
一、PT燃油系统的特点
由于采用PT供油系统，其喷嘴喷射燃油是由凸轮轴驱动，故凸轮轴的刚度直接影响柴油发电机的可靠性于耐久性，因而柴油发电机采用了大直径凸轮轴设计方案。M11系列柴油发电机采用76.2mm凸轮轴轴颈，N系列柴油发电机采用63.5mm凸轮轴轴颈，K系列柴油发电机采用76.2mm凸轮轴轴颈，比一般柴油发电机凸轮轴轴颈大，因此获得了较好的刚度。同时还采用滚轮式遥杆凸轮从动件设计，使从动件与凸轮表面的相对运动由滑动摩擦变为滚动摩擦，从飞溅润滑变为压力润滑，摩擦副的工作应力降低了，润滑条件改善了，故减少了磨损，提高了工作可靠性和使用寿命。
采用干式化学添加剂（DCA）对冷却液进行处理，是康明斯柴油发电机的一个共同特点。这种装有DCA化学药品的容器称为“水滤器”。DCA由9种不同的化学成分组成，它的功能是使水软化，免除水垢的形成；中和水中形成的酸，使水维持在一个适当的酸碱度，以避免零件遭受化学腐蚀；抗泡沫作用，能减少泡沫的形成，并能在铸铁和钢制零件表面形成一层很薄的保护薄膜，以保护气缸套、水泵叶轮等零件免遭穴蚀的损坏。从而，使柴油发电机的工作可靠性和使用寿命有了很大的提高。
在康明斯公司专有的PT燃油系统中采用了分级燃油喷射射正时控制（STC）,使在不同的工况下燃烧状态趋于完善。STC的主要作用是在低怠速、低负荷燃油供油量小时，使喷油正时提前，保证燃烧在上止点附近就能完成。正时提前，能改善冷起动能性，改善寒冷气候条件下的怠速性能，减少冒白烟现象，提高低负荷时柴油发电机的燃油经济性。更重要的是，柴油发电机在低负荷时，如果正时不提前，燃烧将过于滞后，性能急剧恶化，就会造成炭烟大量形成。同时，STC系统也可在大负荷条件下对柴油发电机正时适当延迟，为改善NOx排放提供了条件。
二、PT喷油器的调试方法
PT喷油器的结构与普通喷油器有很大区别，其精度要求也更高。康明斯柴油发电机装用的PT喷油器，在拆装、检查和调试时，都必须使用专用的工具和设备，维修时可参照相应的康明斯柴油发电机维修手册进行。
在装配柴油发电机或柴油发电机使用一定时间（一般为3000h）后，必须调整PT喷油器柱塞落座压力，以防止喷油器喷油结束后不能将柴油全部压出。调整PT喷油器柱塞落座压力分“冷调”和“热调”。“冷调”指在柴油发电机冷却液温度为60℃以下时进行调整；“热调”指在柴油发电机冷却液温度为85℃以上时进行调整。
1、喷油器柱塞对筒头落座压力的调整
美国康明斯公司生产的柴油机采用PT燃油系统，其结构、工作原理与一般柴油机不同。其喷油器经试验台调试后，还需在柴油机上进行调整。以做功顺序1-5-3-6-2-4的6缸柴油发电机为例，PT喷油器柱塞落座压力的调整可采用如下方法：
喷油器柱塞对筒头落座压力不能过大或过小：压力过大，会使喷油器驱动机件变形；压力太小，在喷射终了时柱塞与筒头锥形腔内的残余燃油烧结积炭，使筒头过热，导致筒头前端脱落。因此，安装喷油器时必须调整。
（1）扭矩调整法
此方法是将喷油器调整螺钉拧紧至规定的扭矩，保证柱塞对筒头的落座压力。
① 校准正时记号。
使气缸处于减压状态，按曲轴的旋转方向转动正时带轮，使带轮上的正时记号与齿轮室盖上的记号对准。带轮记号TC表示活塞在上止点位置，VS表示活塞在上止点后90°位置。TC和VS记号前的数字是相应的汽缸号。对准记号后，根据进、排气门状态确定处于压缩的汽缸。对一次记号只能调整一个气缸。
② 调整。
冷机时拧松喷油器摇臂上的锁紧螺母，拧入调整螺钉使柱塞下行，柱塞下端与筒头锥形座接触后再拧入螺钉15°，将残余在筒头的燃油挤净。将调整螺钉放松一圈，再用扭力扳手拧紧到规定力矩，用螺丝刀保持调整螺钉位置不动，按规定力矩拧紧锁紧螺母。
③ 复查。
全部喷油器调整完毕后，启动柴油机。当机油温度达到60℃时，再复查一次。
（2）行程调整法
此法是利用一个百分表和一个摇臂压杆，将喷油器柱塞调整到规定值。
将百分表支架固定在汽缸盖上，表的测杆垂直顶在喷油器柱塞上的法兰面上。在柱塞处于与筒头座面接触的最低位置时，将百分表读数调到零位。按柴油机旋转方向转动曲轴，使柱塞升到最高位置，此时百分表的读数为柱塞的行程，如不符合规定，调整摇臂上的调整螺钉到符合要求。
2、喷油正时的检查与调整
喷油器喷油正时的检查与调整是根据活塞位置与喷油器推杆位置的相互关系，采用喷油正时仪进行的。
（1）安装喷油正时仪
先拆下一缸摇臂盖、摇臂总成和喷油器。装上喷油正时仪。正时仪有两个百分表：一个百分表的测杆与活塞接触称为活塞行程百分表；另一个百分表的测杆顶在推杆球座上，称为推杆行程百分表。喷油正时仪的安装位置必须与气缸中心线平行。
（2）检查与调整
检查燃油泵凸轮轴定位销处于燃油泵驱动齿轮键槽中，如图1所示。如果不能看到定位销，拆卸喷油泵，确定错位的原因，并维修或更换任何损坏的部件。如果因为性能问题进行此项检查，而且故障首先出现在齿轮系拆卸和更换后，则检查凸轮轴齿轮与曲轴齿轮的正时，以及凸轮轴齿轮与燃油泵驱动齿轮之间的正时。喷油正时调整示例如图2所示，步骤如下
① 顺时针转动曲轴使一缸活塞位于压缩行程上止点。在活塞行程百分表测量表头的测杆与正时仪标尺90°刻度线对齐时，将推杆行程百分表调零。
② 逆时针方向转动曲轴，在一、六缸上止点记号转到距标尺标定点约10mm处时移动活塞行程百分表，使其测量头压缩5mm左右，然后固定。缓慢转动曲轴，在活塞回到上止点位置时将活塞行程百分表调零。
③ 继续逆时针转动曲轴，当活塞行程百分表的测杆与标尺45°刻度线（相应曲轴位于上止点前45°）对准时，顺时针转动曲轴，直到活塞行程百分表读数符合规定，根据测量的差值再调整挺杆销轴盖垫片厚度，使喷油正时符合规定。
发动机的正时调整是非常重要的，因为它直接关系到发动机的工作效率和寿命。如果正时出现问题，会导致发动机燃油消耗增加，功率下降，甚至引起发动机故障。而调整正时可以使发动机的工作更加稳定，燃油消耗更低，能效更高，排放更清洁。
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图1 康明斯发动机正时销位置 |
图2 康明斯发动机喷油正时调整步骤. |
三、燃油系统典型故障诊断
PT泵出油口压力波动情况主要取决于系统的工作状态，由于采集的油压信号不具备明显的频域特征，因此在信号处理时主要采用时域分析的方法。
以正常状态的PT泵出油口压力信号为依据，分别提取怠速点油压（转速550 r/min）、最大扭矩点油压（转速1 200 r/min）、拐点转速油压（转速1 830 r/min）及近停油点油压（转速2 200 r/min）作为4个特征值。这4个特征值能够描述各种状态下信号的轮廓，然后计算不同状态油压信号的均值、方差、均方值、峰值、偏度、峭度、波形系数、峰值系数、脉冲系数、裕度系数及峰峰值11个时域特征参数，共计15个特征值。其中一组数据的特征值如表1所示。
表1各种工作状态下信号的时域特征参数
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编号
|
时域参数
|
正常状态
|
泵进油堵塞
|
滤清器泄漏
|
喷油器堵塞
|
喷油器
泄漏
|
|
1
|
怠速油压/MPa
|
0.1892
|
0.2888
|
0.4495
|
0.6705
|
0.0935
|
|
2
|
最大扭矩油压/MPa
|
0.5400
|
0.5958
|
0.7032
|
1.1348
|
0.1852
|
|
3
|
拐点转速油压/MPa
|
0.7800
|
0.6567
|
0.0827
|
0.2170
|
0.2120
|
|
4
|
近停油点油压/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
|
波形系数
|
1.2502
|
1.1478
|
1.1666
|
1.1209
|
1.1249
|
|
12
|
峰值系数
|
1.8122
|
1.643
|
1.6162
|
1.4986
|
1.6601
|
|
13
|
脉冲系数
|
2.2656
|
1.8859
|
1.8854
|
1.6798
|
1.8675
|
|
14
|
裕度系数
|
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种不同工作状态的部分时域特征值如图3~图6所示。比较图中不同工作状态的特征值分布可以发现，不同工作状态的部分特征值差距不是很明显，如图3所示，对于滤清器泄漏、喷油器堵塞和喷油器泄漏3种故障，其拐点转速油压值都分布在0.1～0.2 MPa，差距不是很明显。
部分特征值存在交叉重叠的现象，如图4所示，对于正常状态、泵进油堵塞和喷油器泄漏3种故障，其近停油点油压值在0.025～0.075 MPa存在交叉重叠的现象。
因此，任何单一的特征参量都无法准确区分PT燃油系统的工作状态，为此需要进行多特征参数的融合，消除多特征值之间的重叠和交叉，提高识别的准确性。
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图3 PT燃油系统故障拐点转速油压信号曲线 |
图4 PT燃油系统故障近停油点油压信号曲线 |
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图5 PT燃油系统故障偏度信号曲线 |
图6 PT燃油系统故障信号峰峰值曲线 |
总结：
针对PT燃油系统故障样本数据数量小、不具备明显频域特征以及分类器参数选择的问题，提出了KPCA和MPGA-LSSVM相结合的PT燃油泵故障诊断方法。主要结论是PT燃油系统油压信号为典型的非平稳信号，不具备明显的频域特征，且不同工作状态下的时域特征参数存在交叉重叠的现象，单一特征参量无法准确识别燃油系统的工作状态。针对PT燃油系统油压信号时域特征的特点，利用KPCA进行特征参数提取，消除了不同时域特征值之间存在的交叉重叠现象，简化了分类器结构，提高了模型识别的准确率。
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