基于缸壓信號(hào)的EMS爆震傳感器識(shí)別能力評(píng)定

張明朗 陳曾雄 符良才 張志強(qiáng) 鄒康權(quán)

摘 要：早燃、爆震是發(fā)動(dòng)機(jī)的非正常燃燒現(xiàn)象，超級(jí)爆震會(huì)在短時(shí)間內(nèi)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)。根據(jù)控制策略，爆震檢測(cè)是發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整參數(shù)抑制爆震的基礎(chǔ)，而爆震特征的提取和評(píng)價(jià)是爆震檢測(cè)與控制的前提。文章通過(guò)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)爆震試驗(yàn)，基于EMS爆震傳感器信號(hào)識(shí)別爆震的方法進(jìn)行系統(tǒng)研究，旨在提高EMS識(shí)別爆震精度和爆震強(qiáng)度，提出了爆震強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)KI，最后利用基于缸壓傳感器得到的爆震因子KV對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：基于缸壓信號(hào)，可以對(duì)EMS爆震傳感器的識(shí)別能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，EMS選擇合適的閾值可以100%識(shí)別出重度爆震。

關(guān)鍵詞：早燃;爆震;發(fā)動(dòng)機(jī);爆震特征;爆震強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)

中圖分類(lèi)號(hào)：U467? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）15-154-04

Abstract： Preignition and knocking are abnormal combustion phenomenons of engine， super knocking can destroy engine in short time. On the basis with control strategy， knock detection is the foundation of engine parameter adjustment to suppress knock， knock feature extraction and intensity evaluation is the premise of knock detection and control. In this paper， engine knock test is carried out， the knock signal recognition method based on EMS knock sensor is studied systematically， the aim is to improve the accuracy and intensity of EMS knock identification， the knock intensity evaluation index KI is proposed， finally， the knock factor KV based on the cylinder pressure sensor is used to verify KI. The results show that EMS knock sensor based on cylinder pressure can evaluate knock intensity， severe knock can be 100% recognized by selecting the appropriate EMS threshold.

Keywords： Preignition; Knocking; Engine; Knock feature; Knock intensity evaluation index

CLC NO.： U467? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-154-04

前言

隨著增壓比的不斷提高以及發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的不斷增加，發(fā)動(dòng)機(jī)易發(fā)生非正常燃燒現(xiàn)象——早燃、爆震，嚴(yán)重的超級(jí)爆震的最高爆發(fā)壓力數(shù)倍于正常燃燒的爆壓，同時(shí)還伴隨高頻的壓力振動(dòng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成極大的傷害[1]。

整車(chē)上的爆震檢測(cè)采用是爆震傳感器，但爆震傳感器采集的機(jī)體振動(dòng)信號(hào)包含大量干擾噪聲，爆震所激勵(lì)的振動(dòng)信號(hào)易被淹沒(méi)在這些噪聲中，經(jīng)調(diào)研ECU對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的識(shí)別率僅為70%左右[2]。

為提高爆震識(shí)別精度，并有效識(shí)別爆震強(qiáng)度，本文基于爆震傳感器的信號(hào)利用功率譜密度算法確定各缸、各轉(zhuǎn)速的爆震特征頻率區(qū)域，帶通濾波后確定了爆震始點(diǎn)和爆震窗口，并提出了爆震強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)KI，最后，利用基于缸壓傳感器得到的爆震因子KV對(duì)KI驗(yàn)證了其有效性[1]。

1 爆震產(chǎn)生機(jī)理和檢測(cè)評(píng)價(jià)方法

1.1 爆震機(jī)理

發(fā)動(dòng)機(jī)正常燃燒時(shí)，壓力曲線(xiàn)正常，無(wú)任何振蕩。發(fā)生爆震時(shí)火焰以極高的速度傳播，發(fā)出劇烈尖銳的敲缸聲，缸壓曲線(xiàn)迅速升高，隨后出現(xiàn)大幅度振蕩[3]，如圖1所示。

1.2 基于缸壓信號(hào)的爆震檢測(cè)評(píng)價(jià)方法

爆震時(shí)產(chǎn)生的壓力波可以用缸壓傳感器完整的監(jiān)測(cè)到，并基本不受機(jī)體振動(dòng)的影響，因此利用缸壓傳感器來(lái)識(shí)別爆震是目前最準(zhǔn)確、有效的手段。算法采用Siemens VDO算法[4]，其流程如圖2所示。

基于Siemens VDO算法爆震因子計(jì)算公式如下[5]：

式中：PK為爆震積分能量，PN為高頻噪聲積分能量，φ0為低通信號(hào)峰值時(shí)的曲軸位置，?φ為參考窗口的寬度，30°CA[6]。

本文以KV值作為發(fā)動(dòng)機(jī)爆震強(qiáng)度指標(biāo)，來(lái)驗(yàn)證后文中爆震傳感器識(shí)別爆震的強(qiáng)度評(píng)價(jià)結(jié)果。

2 爆震測(cè)試分析方法

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)爆震試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)爆震試驗(yàn)系統(tǒng)包括以下部件和設(shè)備：某2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)（EMS）、電力測(cè)功機(jī)及其控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)水冷循環(huán)系統(tǒng)、機(jī)油恒溫系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、數(shù)采系統(tǒng)及燃燒分析儀等[1]。

爆震試驗(yàn)在某款2.0T渦輪增壓、缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)中采用壓電式爆震傳感器來(lái)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的振動(dòng)頻率。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上安裝兩個(gè)爆震傳感器，1、2缸之間裝一個(gè)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)爆傳A），3、4缸之間裝一個(gè)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)爆傳B），4個(gè)火花塞式缸壓傳感器。

為了對(duì)爆震傳感器進(jìn)行標(biāo)定和驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)裝有4個(gè)火花塞式缸壓傳感器，該類(lèi)傳感器能代替火花塞，而且能將發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的振動(dòng)對(duì)缸壓采集的影響降到最低，便于測(cè)量爆震時(shí)的缸壓。

試驗(yàn)轉(zhuǎn)速?gòu)?000r/min到5000r/min，步距為1000r/min，扭矩控制在140～160N/m。通過(guò)電控軟件調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角來(lái)誘發(fā)爆震每次僅調(diào)整單缸的點(diǎn)火提前角誘發(fā)單缸爆震，每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)下對(duì)四個(gè)缸各調(diào)整一次，調(diào)整5個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，共誘發(fā)20次爆震工況。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

同時(shí)采集了四個(gè)缸壓信號(hào)和兩個(gè)爆震傳感器信號(hào)（爆傳A和爆傳B），先對(duì)采集到的6路信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)單個(gè)燃燒循環(huán)的爆震傳感器信號(hào)等分成4截，每一截都覆蓋了一個(gè)缸的燃燒期，與4個(gè)缸壓信號(hào)分別對(duì)應(yīng)，如圖6所示。發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火順序?yàn)?-3-4-2，所以第一截爆傳A、B信號(hào)對(duì)應(yīng)1缸缸壓信號(hào)，第二截爆傳A、B信號(hào)對(duì)應(yīng)3缸缸壓信號(hào)，以此類(lèi)推。

發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆震時(shí)，壓力波從燃燒室傳遞到兩個(gè)爆震傳感器的傳遞路徑不同，因此兩個(gè)爆震傳感器接收到的爆震信息也不一樣，以4000r/min時(shí)為例，調(diào)整單缸點(diǎn)火提前角以誘發(fā)爆震，共調(diào)整四次誘發(fā)四次爆震工況，如圖3所示。1、2缸爆震時(shí)，爆傳A接收到的信號(hào)幅值和響應(yīng)速度大于爆傳B，3、4缸爆震時(shí)，爆傳B接收到的信號(hào)更好，原因和爆震傳感器的安裝位置有關(guān)。因此，1、2缸燃燒信息用爆傳A信號(hào)分析，3、4缸燃燒信息用爆傳B信號(hào)分析，如圖4所示。

3 爆震特征提取

3.1 時(shí)域、頻域法分析爆震特征

從測(cè)試結(jié)果中選取一組典型的爆震燃燒和正常燃燒信號(hào)進(jìn)行初步分析，選取數(shù)據(jù)為2000r/min時(shí)1缸的缸壓信號(hào)和爆傳A1信號(hào)，如圖5所示。為進(jìn)一步了解爆震和正常燃燒下爆震傳感器信號(hào)的頻率成分，分別對(duì)以上兩種爆震傳感器信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。爆震傳感器信號(hào)的傅里葉變換結(jié)果如圖6所示，全頻率段內(nèi)，爆震所激勵(lì)的特征頻率范圍較寬，很難準(zhǔn)確獲取爆震特征頻帶范圍。

3.2 功率譜密度法分析爆震特征

爆震傳感器信號(hào)的頻譜分析，僅僅是同一種信號(hào)的不同表示方式而已，很難得到理想的幅頻響應(yīng)矩形。而功率譜是從能量的觀點(diǎn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行的研究。

對(duì)兩信號(hào)進(jìn)行功率譜密度分析，其功率譜如圖7所示。功率譜振幅的大小代表能量的高低，為排除噪聲影響，帶寬選3kHz，區(qū)域?yàn)?.8～7.8kHz兩燃燒功率譜的差值最大，所以選其作為2000 r/min時(shí)1缸的爆震特征頻率。

進(jìn)行20次功率譜密度分析后各氣缸、各轉(zhuǎn)速的爆震特征頻率區(qū)域及其中心頻率見(jiàn)表1。

4 識(shí)別能力研究

4.1 基于爆震傳感器的爆震強(qiáng)度評(píng)價(jià)

對(duì)于整車(chē)上ECU實(shí)時(shí)檢測(cè)爆震來(lái)說(shuō)，計(jì)算越簡(jiǎn)單越有利于提高計(jì)算效率，爆震芯片中也是采用積分值來(lái)對(duì)爆震強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此，本文提出的爆震強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)KI為：

式中：N為爆震窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，t0為爆震窗口始點(diǎn)。

式中還有一個(gè)待確定項(xiàng)是爆震窗口，燃燒室內(nèi)發(fā)生爆震后，壓力波激起的振動(dòng)通過(guò)缸體傳遞到爆震傳感器，并自由衰減，振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間只與發(fā)動(dòng)機(jī)本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，與曲軸轉(zhuǎn)角無(wú)關(guān)。所以在選擇爆震窗口時(shí)，將曲軸轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成時(shí)間作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。

每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)選2個(gè)爆震循環(huán)進(jìn)行不同爆震窗口的爆震強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。爆震窗口寬度的選擇要將爆震激勵(lì)起的振動(dòng)和衰減過(guò)程涵蓋，同時(shí)也要減少非爆震信息，本文選擇2.5ms作為爆震窗口的寬度。

4.2 評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證參數(shù)KI是否可以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)爆震強(qiáng)度，用Siemens VDO算法的爆震因子KV作為參考值，將二者進(jìn)行對(duì)比。選取1000 ～ 5000r/min5個(gè)轉(zhuǎn)速下300個(gè)燃燒循環(huán)，共1500組數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行爆震強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)KI和爆震因子KV的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

5個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)共1500個(gè)燃燒循環(huán)利用兩種方法對(duì)不同程度爆震循環(huán)進(jìn)行評(píng)價(jià)的結(jié)果，橫坐標(biāo)為基于缸壓信號(hào)和Siemens VDO算法的爆震因子KV，縱坐標(biāo)為基于爆震傳感器爆震強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)KI，在各轉(zhuǎn)速下，不同的爆震程度下都保持一定的線(xiàn)性度。

以4000r/min轉(zhuǎn)速點(diǎn)為例對(duì)識(shí)別有效性進(jìn)行說(shuō)明，如圖10，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判定4000r/min時(shí)KV大于4的燃燒循環(huán)為重度爆震，則綠線(xiàn)往右的4個(gè)循環(huán)都是重度爆震燃燒循環(huán)，此時(shí)選擇合適的值作為識(shí)別重度爆震的閾值，在這里選擇7.5作為閾值，則黃線(xiàn)往上KI大于7.5的燃燒循環(huán)被識(shí)別為重度爆震，那么重度爆震的識(shí)別率為100%，同時(shí)也不會(huì)將輕微爆震誤判為重度爆震。

結(jié)果表明，與缸壓信號(hào)計(jì)算得到的爆震因子KV相比，用爆震傳感器得到的爆震強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)KI同樣可以達(dá)到很好的效果，可以實(shí)現(xiàn)在整車(chē)上直接通過(guò)爆震傳感器信號(hào)來(lái)檢測(cè)爆震強(qiáng)度。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)爆震傳感器識(shí)別爆震進(jìn)行系統(tǒng)地研究，得到了爆震強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)KI，該指標(biāo)可以及時(shí)、有效地反映整車(chē)上發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震強(qiáng)度。基于本論文的研究工作，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）基于缸壓傳感器采集的缸內(nèi)壓力信號(hào)利用Siemens VDO算法計(jì)算得到的爆震因子KV可以很好的反映爆震強(qiáng)度，該值可以用作驗(yàn)證基于爆震傳感器信號(hào)的爆震強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)KI;

（2）基于爆震傳感器采集的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體振動(dòng)信號(hào)比缸內(nèi)壓力信號(hào)包含更多噪聲，因此從機(jī)體中提取爆震特征并對(duì)爆震強(qiáng)度做出評(píng)價(jià)也更困難，利用功率譜密度算法可以將機(jī)體振動(dòng)信號(hào)中的爆震特征很好的分離出來(lái);

（3）用5個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)共1500個(gè)燃燒循環(huán)進(jìn)行了爆震強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)KI的計(jì)算，并用爆震因子KV進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，基于爆震傳感器信號(hào)的KI和基于缸壓傳感器的KV有較好的線(xiàn)性度，KI可以較準(zhǔn)確的對(duì)爆震強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，在選擇合適的KI值后重度爆震的識(shí)別率可達(dá)到100%。

本文的爆震強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)KI計(jì)算過(guò)程與EMS中爆震信號(hào)處理流程一致，故研究成果中的爆震特征頻率區(qū)域和爆震窗口可以直接在EMS上應(yīng)用。所以，本研究為在整車(chē)上及時(shí)有效地檢測(cè)爆震并判斷爆震強(qiáng)度，抑制重度爆震的同時(shí)控制發(fā)動(dòng)機(jī)在微弱爆震狀態(tài)下工作提供了理論指導(dǎo)和工程應(yīng)用價(jià)值。

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