基于振动信号的汽油机爆震边缘检测及诊断研究(共13页)

1、文献检索大报告 PAGE 18基于振动信号的汽油机爆震边缘(binyun)检测及诊断研究摘要(zhiyo)：本文从汽油发动机的爆震现象进行系统的阐述。介绍爆震的产生机理(j l)、测试与检测方法以及爆震的评价指标, 并对发动机控制中具体的诊断实现和爆震控制策略进行了描述。关键词: 发动机,爆震,判定Research based on vibrate signal of engines knock border test and diagnosisAbstract ：This paper systematically describes the knock phenomenon. It intr

2、oduces mechanism, test method and some judging indexes of knock; it also specifies diagnosis method and control strategy of engine knock.Keywords: engine, knock, diagnosis引言：本文通过介绍相关汽车发动机爆震的机理及相关的检测与相关的研究，使爆震的测定的可控性与能源利用的最大化相结合。为爆震及发动机的性能的研究提供理论和科学依据。通过对检测爆震器的爆震传感器的检测机理与检测方式的详细分析，通过对数据的分析实现对爆震所体现的爆震

3、特性进行研究与发现。一、项目的研究背景及意义爆震是点燃式发动机特有的一种不正常燃烧现象，是发动机追求高动力性和经济性的最大障碍之一，它制约点燃式发动机提高压缩比、实现高增压等强化燃烧技术的实施。在火花点火式发动机和双燃料引燃式发动机中，爆震实时控制技术已成为电控发动机的主要控制组成。具有爆震控制系统的现代发动机是把点火时刻尽量提前，最大限度提高发动机的动力性和经济性。爆震引起的主要危害有: 一是噪音, 二是振动。5振动很可能使发动机损坏, 特别在大负荷条件下, 这种可能性更大。但是，当汽油机工作在轻微爆震区时，其燃烧速率很快，燃烧过程接近定容过程，汽油机的动力性和经济性反而得到改善。而要实现这

4、一目的，首先必须能够检测出爆震是否存在；如果存在爆震，还要判定出爆震的强度。在爆震测量和控制中，不论哪种传感器，爆震控制界限一直是人们更为关心的关键问题。试验表明，轻微爆震将改善发动机的动力性和经济性，强化燃烧，但过分的爆震将使燃烧恶化，迅速损坏发动机。所以，爆震控制系统的目的就是使发动机能够工作在轻微爆震或称临界爆震状态下。然而，这样的控制区域和控制点一直是人们极为关注的技术问题。因此，研究临界爆震控制特性及其发动机性能和规律具有重要意义。这不仅仅为汽车的性能、成本、简单提供科学根据，还具体体现在控制爆震边界，提供发动机的动力性和经济性，减少不正常燃烧，改善排放污染。1二、本项目的国内外研究

5、(ynji)现状华南理工大学、吉林大学(j ln d xu)、哈尔滨工业大学、上海交通大学、上海108研究所、中国矿业大学等学校与机构对汽车的发动机爆震(bo zhn)进行实验研究与分析。应用爆震模式识别的方法进行研究。其主要内容包括模拟滤波、数字频谱特征分析。以及通过爆震的特征向量选取、递阶模式判别算法等具体方式判定波频。对于不同转速气缸点火提前角的调节与汽车发动机性能的影响报告中，以爆震控制系统在允许的范围内，追求最佳动力与经济性。研究表明，适宜的临界爆震控制对发动机性能影响是起重要的作用。除了前面的提取爆震特征的方法，有些突破常规，利用离散小波变换提取爆震特征的方法，即DWT运用压力信号

6、和振动信号表征爆震强度。在爆震信号收集方面，采用分形几何学的方式对故障诊断和信号分析方面有一定的应用。发动机为了能够更好的工作，采用多参数综合控制监控多种信号和工作状态。三、项目的主要研究内容爆震控制系统通过爆震传感器来检测爆震信号，并通过一定的判断算法，对爆震进行判识。如图1通过检测发动机工作时每个循环的爆震强度，并根据控制周期内的爆震指标修正下一个循环的点火提前角来实现对爆震强度的控制。为了达到稳定性与响应速度的要求，系统中采用了开环与闭环相结合的控制过程。图1爆震控制系统关系图图2 点火时刻与气缸压力曲线(qxin)的关系实际(shj)点火提前角=基本点火(din hu)提前角+爆震修正

7、点火提前角。基本点火提前角的确定：当发动机工况突然改变时，根据工况条件直接确定点火提前角，以达到快速响应的目的。如图2基本点火提前角主要来至于大量的实验而最佳确定修正点火提前角的确定：爆震的出现具有随机性，故采用统计方法，通过爆震传感器检测信号，利用算法计算处理，确定爆震强度。2实施点火提前角的修正。无爆震，点火提前角适当增大；临界爆震或轻微爆震，达到控制效果，点火提前角可基本不变：轻度爆震，点火提前角建立下调趋势或微下调：中度爆震，点火提前角应较大幅度下降，以便尽快脱离爆震：重度爆震，在正常工作条件下，一般不会发生，若判断出现，应迅速减小点火提前角，控制供油负荷，实施故障诊断等。一般点火提前

8、角推迟2。5。，就可以有效地消除爆震。4 目前，检测爆震的传感器主要是压力传感器和加速度计如图3。有学者正在研究利用声传感器、电离子流传感器和光传感器检测爆震。传统的爆震特征提取方法是滤波和频谱分析，认为爆震通常出现的5000Hz25000Hz 频带内。爆震强度的计算与判定以小波变换特征域上频谱值大于无爆震参考信号的频谱值的数量作为爆震强度。数值越大，爆震越强烈。爆震强度的计算方法和步骤如下：3（1） 对检测的压力信号或振动信号（待分析信号）进行DWT分析，确定其特征域；（2） 确定(qudng)相应的参考信号，即相应的无爆震信号，对其进行相同的DWT分析(fnx)；（3） 计算待分析(fnx

9、)信号和参考信号特征域的频谱；（4） 计算待分析信号特征域上的频谱值大于相应的参考信号相同域上的频谱值的数量。图3 压力信号和加速度振动信号的爆震强度1.爆震信号的特征提取 故障特征的提取是故障诊断中非常关键的一步，故障特征提取的好坏对故障诊断结果的正确与否有直接的影响。通过第2章的分析可以看出，短时傅立叶变换、Wigner-Ville分布和小波变换能够提取隐藏在非平稳信号中的冲击特征。本章深入讨论短时傅立叶变换、Wigner-Ville分布和小波变换提取汽油机爆震特征的可行性和有效性。 （1）汽油机爆震试验爆震试验在一台4缸HUNDAI汽油机上进行。试验过程中节气门全开。试验转速为5800r

10、/min。信号采集及数据处理系统包括一只Kistler压力传感器(6117B17)、一只ICP加速度传感器(621B40)、一台电荷放大器、一台动态分析仪(35670A)和一台微机。压力传感器安装在1缸火花塞内用来测取1缸内的压力信号。加速度传感器安装在缸盖上靠近1缸的位置用来测取缸盖上的振动信号。压力传感器与加速度传感器的输出信号通过电荷放大器与动态分析仪相连，动态分析仪的输出端与微机相连。试验原理框图如图4所示。A/D存 储采 样放 大压力信号加速度传感器试验发动机压力传感器转换振动信号图4 试验原理(yunl)框图爆震的产生通过(tnggu)改变点火提前角来实现。点火提前角以2的步长自正

11、常(zhngchng)点火提前角从0增加到10。信号采样频率102.4kHz，一次采集8192点的数据，经A/D转换后保存在微机的硬盘上。每个点火提前角下采集10组数据。 图5 汽油机试验台 （2）爆震特征的提取10105图6、7是转速为5800r/min时通过试验获得的两组压力信号和振动信号。其中，图1-3在正常点火提前角时测得，图1-4在点火提前角自正常压力(Pa)加速度(m/s2)时间(s)时间(s) a) 压力信号 b) 振动信号a) Pressure signal b) Vibration signal图6 正常点火提前角时测得的爆震信号时间(s)压力(Pa)加速度(m/s2)时间(

12、s)10105a) 压力(yl)信号 b) 振动(zhndng)信号 图7 点火提前(tqin)角增大10时测得的爆震信号值增大10时测得。两图中，a)为缸内压力信号，b)为缸盖上的振动信号。两组信号的长度同约为四个连续循环。下面分别应用短时傅立叶变换(STFT)、平滑伪Wigner-Ville分布(SPWD)和小波变换(DWT)三种方法对图1-3、1-4所示的检测信号进行分析。应用发现，SPWD的计算量很大，对内存和CPU速度要求高，因此，分别从图6、7中的a)和b)两信号中截取约半个循环(1024点)的信号进行SPWD分析(注：截取的信号在时间上包含了爆震发生的时段)，所截取的信号分别示于

13、图8、9中的a)和b)。为了便于比较，选取同样的信号进行STFT分析。10105时间(s)加速度(m/s2)压力(Pa)时间(s)a) 压力信号 b) 振动信号 图8 正常点火提前角时测得的爆震信号时间(s)10105时间(s)加速度(m/s2)压力(Pa)a) 压力(yl)信号 b) 振动(zhndng)信号图9 点火(din hu)提前角增大10时测得的爆震信号（二）、利用评估矩阵对不同粒度下各子分类器的诊断结果进行融合，实现对爆震强度的分类识别和诊断。 1.爆震指标及诊断策略 （1）.爆震强度评价指标的选择 在研究爆震强度指标的时候，必须明确以下事实：由于爆震造成气缸内的状态非常不均匀，

14、并且各循环或各缸间发生爆震时的具体表现千差万别，因此要确切给出汽油机爆震强度的基本定义是很困难的。如，批量生产的多缸汽油机，因各缸压缩比、混合气成分及其热力状态、燃烧速率以及燃烧室冷却状况的不同，使得一些气缸已处于严重爆震状态，而另一些气缸却运转正常。另外，从单个气缸的相继循环来看，即使汽油机处于爆震运行工况，各个循环实际工作状态却可能从根本没有爆震到严重爆震，其变化规律完全是随机性的。 缸内压力信号是对爆震燃烧的直接测量，包含了丰富的爆震信息，以缸内压力信号为基础的爆震强度指标有很多优越性。但是，压力传感器的应用受到很多限制。如传感器成本高，寿命短，测量电路复杂，安装不便或需要对缸盖进行较大

15、的改动，由于压力传感器要深入燃烧室内部，可能会影响正常的燃烧。相比之下，采用在机体或缸盖上安装加速度传感器来测量由爆震引起的机体振动的方法更适合实际应用。因此，以加速度传感器测得的振动信号为基础，找到有效的爆震强度评价指标具有很大的实用价值。然而，由于加速度传感器测得的振动信号是对爆震的间接测量，信号成分复杂，高速时信噪比低，所以直接从振动信号出发寻找爆震强度评价指标比较困难。本章以此为前提确定针对缸内压力信号和机体振动信号各自的特征域，进而给出可以应用于缸内压力信号和机体振动信号的统一的爆震强度指标。观察第1章中缸内压力信号的DWT，如图2-13所示，子带信号d3(理论频率范围为640012

16、800Hz)上很好地从压力信号中提取了爆震特征，同样在图2-14中，子带信号d2(理论频率范围为1280025600Hz)上很好地从振动信号中提取了爆震特征。离散小波变换的频带范围与采样频率有关，根据第3章的分析结果，特征域可如下选取：1.对于缸内压力(yl)信号，选取515kHz的某一子带信号；2.对于振动(zhndng)信号，选取820kHz的某一子带信号。本文选取(xunq)子带信号d3为缸内压力信号的爆震特征域，子带信号d2为机体振动信号的爆震特征域。爆震强度评价指标在爆震特征域上按照某一原理计算得出。根据爆震的机理，爆震的强弱程度可以表现为特征域上的压力信号或振动信号的能量高低，也可

17、以表现为特征域上压力信号或振动信号的峰值大小。爆震强度大，则特征域上的信号能量大，特征域上的峰值也大；反之爆震强度小，则特征域上的信号能量小，特征域上信号的峰值也小。根据这个原理，本文给出两种爆震强度评价指标：特征域上信号的平均能量和特征域上信号的峰值Amax。特征域上信号的平均能量定义为 （1-1）式中 特征域上信号的幅值；N采样点数。这两种爆震强度评价指标都具有能够体现压力波动的强弱和可以给出阈值的特点。 （2）爆震诊断策略通过上面的分析，以和Amax为爆震强度指标来研究爆震诊断策略是可行的。本文分别以和Amax为爆震强度指标研究压力信号和振动信号的爆震诊断策略。根据爆震信号的特点，爆震诊

18、断策略基本如下：首先，确定爆震指标的参考值，然后计算待诊断循环的爆震指标值，最后根据参考值与当前值的某种关系来判断爆震的强弱。因此，爆震诊断策略的关键就成为确定爆震指标的参考值。首先研究基于爆震强度指标的爆震诊断策略。特征域的信号实际上包含两个部分，即爆震引起的信号成分和背景噪声引起的成分。所以，特征域信号的值也应包含两个部分： (1-2)式中 中爆震引起的值；中背景噪声引起的值。分析式(1-2)，爆震发生时，待诊断循环的0,即。事实上就是爆震判别的域值。大量试验证实，随发动机转速变化而变化，尤其是机体振动信号，其随转速变化显著。通常是发动机转速增大，增大；发动机转速减小，减小。本文选取特定转

19、速下爆震判断域值作为爆震指标的参考值()。诊断策略具体为：首先在特定转速下根据大量的试验数据确定，即爆震指标的参考值，然后计算待诊断循环的，最后根据与的差值大小来判断爆震的强弱。定义： (1-3)即根据(gnj)的大小来判断(pndun)爆震的强弱。在这里没有直接用待诊断循环的爆震指标来判断爆震(bo zhn)强弱是基于这样的考虑：1.以差值来评价爆震强弱不影响其有效性和准确性；2.直接以来衡量爆震强弱，在不同的转速下无可比性，而以差值来评价爆震强弱则可以在不同转速下进行比较。这是由于随发动机转速变化，由式(1-2)可知也随转速而变化，因此直接以来衡量爆震强弱，在不同的转速下无可比性。比较式(

20、1-2)和式(1-3)，再根据即是，可知差值实际上代表了的大小，因此，以差值来评价爆震强弱则可以在不同转速下进行比较。为了确定背景噪声引起的值，对各点火提前角下采集得到的爆震指标值进行统计处理。在5800r/min,节气门全开下随点火提前角变化的爆震指标的累积频率分布如图2-3、2-4所示，图2-3是压力信号的结果，图2-4是振动信号的结果。点火提前角较小时，没有发生爆震，当点火提前角达到36时，有爆震发生，而且爆震强度随点火提前角增大逐渐增大。从图2-3、2-4可以看出，爆震没有发生时，指标的分布集中在一较小的区域内，压力信号一般最大值不超过0.0051010Pa2，振动信号一般最大值不超过

21、0.25102m2/s4。而当爆震发生时，指标的分布范围逐渐扩大，并且随着爆震强度的增大，分布范围增大很快。爆震没有发生时，指标累积频率分布曲线非常接近，它们与横轴的交点，即根据统计得出分布频率为零的点，便可被认为是没有爆震发生时指标的最大值，所以在这里将0.0051010Pa2作为压力信号的，将0.25102m2/s4作为振动信号的即能够准确的检测出爆震。至此，确定了该转速下爆震指标的参考值。在准确检测出爆震的前提下，通过对大量的试验信号计算其，得到被测汽油机的爆震强度评价方法如下：对于压力信号1 无爆震；2 轻微爆震(爆震边缘)；3 轻爆震；4 中强爆震。对于振动信号1 无爆震；2 轻微爆

22、震(爆震边缘)；3 轻爆震(bo zhn)；4 中强爆震(bo zhn)。爆震指标KI(Pa2)爆震指标KI(Pa2)10101010累积频率分布(%)累积频率分布(%) 爆震指标KI(Pa2)爆震指标KI(Pa2)10101010累积频率分布(%)累积频率分布(%) 图2-3 压力信号爆震指标累积(lij)频率分布102爆震指标KI(m2/s4)爆震指标KI(m2/s4)102累积频率分布(%)累积频率分布(%) 102102爆震指标KI(m2/s4)爆震指标KI(m2/s4)累积频率分布(%)累积频率分布(%) 图4-4 振动信号爆震指标累积频率分布105下面用这种爆震强度(qingd)评

23、价方法来研究一试验信号。图2-5、2-6为转速(zhun s)5800r/min,点火(din hu)提前角38，节气门全开下测得四个循环的缸内压力信号和缸盖上的振动信号。压力(Pa)时间(s)图2-5 四循环压力信号10加速度(m/s2)时间(s)图2-6 四循环振动信号用上面给出的爆震判断和强度评价方法对信号研究，结论如表2-1、2-2所示。表2-1是缸内压力信号的研究结果，表2-2是缸内压力信号的研究结果，爆震由弱到强按循环序号排列依次均为2-4-2-3。比较图2-5，可以看出该方法较准确的评价了爆震的强弱。这表明，基于爆震强度指标KI的爆震诊断策略可以有效的应用于缸内压力信号和缸盖上的

24、振动信号。表2-1 压力信号爆震强度计算结果(1010Pa2)循环序号1234KI0.0184360.00296880.0646660.006228KIr0.0050.013436-0.00203120.0596660.001228爆震强弱轻爆震无爆震中强爆震轻微爆震表2-2 振动信号爆震强度计算结果(102m2/s4)循环序号1234KI1.06390.233454.47190.65285KIr0.250.8139-0.0165494.22190.40285爆震强弱轻爆震无爆震中强爆震轻微爆震表2-3 压力信号爆震(bo zhn)强度计算结果(105Pa)循环序号1234Amax1.2080.288842.89950.71325Amaxr0.30130.9067-0.012462.59820.41195爆震强弱轻爆震无爆震中强爆震轻微爆震表2-4 振动信号(xnho)爆震强度计算结果(m/s2)循环序号1234Amax75.9924.784213.3143.657Amaxr26.21249.778-1.428187.09817.445爆震强弱轻爆震无爆震中强爆震轻微