基于振動信號的汽油機爆震邊緣檢測及診斷研究(共13頁)

1、文獻(xiàn)檢索大報告 PAGE 18基于振動信號的汽油機爆震邊緣(binyun)檢測及診斷研究摘要(zhiyo)：本文從汽油發(fā)動機的爆震現(xiàn)象進行系統(tǒng)的闡述。介紹爆震的產(chǎn)生機理(j l)、測試與檢測方法以及爆震的評價指標(biāo), 并對發(fā)動機控制中具體的診斷實現(xiàn)和爆震控制策略進行了描述。關(guān)鍵詞: 發(fā)動機,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：本文通過介紹相關(guān)汽車發(fā)動機爆震的機理及相關(guān)的檢測與相關(guān)的研究，使爆震的測定的可控性與能源利用的最大化相結(jié)合。為爆震及發(fā)動機的性能的研究提供理論和科學(xué)依據(jù)。通過對檢測爆震器的爆震傳感器的檢測機理與檢測方式的詳細(xì)分析，通過對數(shù)據(jù)的分析實現(xiàn)對爆震所體現(xiàn)的爆震

3、特性進行研究與發(fā)現(xiàn)。一、項目的研究背景及意義爆震是點燃式發(fā)動機特有的一種不正常燃燒現(xiàn)象，是發(fā)動機追求高動力性和經(jīng)濟性的最大障礙之一，它制約點燃式發(fā)動機提高壓縮比、實現(xiàn)高增壓等強化燃燒技術(shù)的實施。在火花點火式發(fā)動機和雙燃料引燃式發(fā)動機中，爆震實時控制技術(shù)已成為電控發(fā)動機的主要控制組成。具有爆震控制系統(tǒng)的現(xiàn)代發(fā)動機是把點火時刻盡量提前，最大限度提高發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性。爆震引起的主要危害有: 一是噪音, 二是振動。5振動很可能使發(fā)動機損壞, 特別在大負(fù)荷條件下, 這種可能性更大。但是，當(dāng)汽油機工作在輕微爆震區(qū)時，其燃燒速率很快，燃燒過程接近定容過程，汽油機的動力性和經(jīng)濟性反而得到改善。而要實現(xiàn)這

4、一目的，首先必須能夠檢測出爆震是否存在；如果存在爆震，還要判定出爆震的強度。在爆震測量和控制中，不論哪種傳感器，爆震控制界限一直是人們更為關(guān)心的關(guān)鍵問題。試驗表明，輕微爆震將改善發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性，強化燃燒，但過分的爆震將使燃燒惡化，迅速損壞發(fā)動機。所以，爆震控制系統(tǒng)的目的就是使發(fā)動機能夠工作在輕微爆震或稱臨界爆震狀態(tài)下。然而，這樣的控制區(qū)域和控制點一直是人們極為關(guān)注的技術(shù)問題。因此，研究臨界爆震控制特性及其發(fā)動機性能和規(guī)律具有重要意義。這不僅僅為汽車的性能、成本、簡單提供科學(xué)根據(jù)，還具體體現(xiàn)在控制爆震邊界，提供發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性，減少不正常燃燒，改善排放污染。1二、本項目的國內(nèi)外研究

5、(ynji)現(xiàn)狀華南理工大學(xué)、吉林大學(xué)(j ln d xu)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、上海108研究所、中國礦業(yè)大學(xué)等學(xué)校與機構(gòu)對汽車的發(fā)動機爆震(bo zhn)進行實驗研究與分析。應(yīng)用爆震模式識別的方法進行研究。其主要內(nèi)容包括模擬濾波、數(shù)字頻譜特征分析。以及通過爆震的特征向量選取、遞階模式判別算法等具體方式判定波頻。對于不同轉(zhuǎn)速氣缸點火提前角的調(diào)節(jié)與汽車發(fā)動機性能的影響報告中，以爆震控制系統(tǒng)在允許的范圍內(nèi)，追求最佳動力與經(jīng)濟性。研究表明，適宜的臨界爆震控制對發(fā)動機性能影響是起重要的作用。除了前面的提取爆震特征的方法，有些突破常規(guī)，利用離散小波變換提取爆震特征的方法，即DWT運用壓力信號

6、和振動信號表征爆震強度。在爆震信號收集方面，采用分形幾何學(xué)的方式對故障診斷和信號分析方面有一定的應(yīng)用。發(fā)動機為了能夠更好的工作，采用多參數(shù)綜合控制監(jiān)控多種信號和工作狀態(tài)。三、項目的主要研究內(nèi)容爆震控制系統(tǒng)通過爆震傳感器來檢測爆震信號，并通過一定的判斷算法，對爆震進行判識。如圖1通過檢測發(fā)動機工作時每個循環(huán)的爆震強度，并根據(jù)控制周期內(nèi)的爆震指標(biāo)修正下一個循環(huán)的點火提前角來實現(xiàn)對爆震強度的控制。為了達(dá)到穩(wěn)定性與響應(yīng)速度的要求，系統(tǒng)中采用了開環(huán)與閉環(huán)相結(jié)合的控制過程。圖1爆震控制系統(tǒng)關(guān)系圖圖2 點火時刻與氣缸壓力曲線(qxin)的關(guān)系實際(shj)點火提前角=基本點火(din hu)提前角+爆震修正

7、點火提前角?；军c火提前角的確定：當(dāng)發(fā)動機工況突然改變時，根據(jù)工況條件直接確定點火提前角，以達(dá)到快速響應(yīng)的目的。如圖2基本點火提前角主要來至于大量的實驗而最佳確定修正點火提前角的確定：爆震的出現(xiàn)具有隨機性，故采用統(tǒng)計方法，通過爆震傳感器檢測信號，利用算法計算處理，確定爆震強度。2實施點火提前角的修正。無爆震，點火提前角適當(dāng)增大；臨界爆震或輕微爆震，達(dá)到控制效果，點火提前角可基本不變：輕度爆震，點火提前角建立下調(diào)趨勢或微下調(diào)：中度爆震，點火提前角應(yīng)較大幅度下降，以便盡快脫離爆震：重度爆震，在正常工作條件下，一般不會發(fā)生，若判斷出現(xiàn)，應(yīng)迅速減小點火提前角，控制供油負(fù)荷，實施故障診斷等。一般點火提前

8、角推遲2。5。，就可以有效地消除爆震。4 目前，檢測爆震的傳感器主要是壓力傳感器和加速度計如圖3。有學(xué)者正在研究利用聲傳感器、電離子流傳感器和光傳感器檢測爆震。傳統(tǒng)的爆震特征提取方法是濾波和頻譜分析，認(rèn)為爆震通常出現(xiàn)的5000Hz25000Hz 頻帶內(nèi)。爆震強度的計算與判定以小波變換特征域上頻譜值大于無爆震參考信號的頻譜值的數(shù)量作為爆震強度。數(shù)值越大，爆震越強烈。爆震強度的計算方法和步驟如下：3（1） 對檢測的壓力信號或振動信號（待分析信號）進行DWT分析，確定其特征域；（2） 確定(qudng)相應(yīng)的參考信號，即相應(yīng)的無爆震信號，對其進行相同的DWT分析(fnx)；（3） 計算待分析(fnx

9、)信號和參考信號特征域的頻譜；（4） 計算待分析信號特征域上的頻譜值大于相應(yīng)的參考信號相同域上的頻譜值的數(shù)量。圖3 壓力信號和加速度振動信號的爆震強度1.爆震信號的特征提取 故障特征的提取是故障診斷中非常關(guān)鍵的一步，故障特征提取的好壞對故障診斷結(jié)果的正確與否有直接的影響。通過第2章的分析可以看出，短時傅立葉變換、Wigner-Ville分布和小波變換能夠提取隱藏在非平穩(wěn)信號中的沖擊特征。本章深入討論短時傅立葉變換、Wigner-Ville分布和小波變換提取汽油機爆震特征的可行性和有效性。 （1）汽油機爆震試驗爆震試驗在一臺4缸HUNDAI汽油機上進行。試驗過程中節(jié)氣門全開。試驗轉(zhuǎn)速為5800r

10、/min。信號采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括一只Kistler壓力傳感器(6117B17)、一只ICP加速度傳感器(621B40)、一臺電荷放大器、一臺動態(tài)分析儀(35670A)和一臺微機。壓力傳感器安裝在1缸火花塞內(nèi)用來測取1缸內(nèi)的壓力信號。加速度傳感器安裝在缸蓋上靠近1缸的位置用來測取缸蓋上的振動信號。壓力傳感器與加速度傳感器的輸出信號通過電荷放大器與動態(tài)分析儀相連，動態(tài)分析儀的輸出端與微機相連。試驗原理框圖如圖4所示。A/D存 儲采 樣放 大壓力信號加速度傳感器試驗發(fā)動機壓力傳感器轉(zhuǎn)換振動信號圖4 試驗原理(yunl)框圖爆震的產(chǎn)生通過(tnggu)改變點火提前角來實現(xiàn)。點火提前角以2的步長自正

11、常(zhngchng)點火提前角從0增加到10。信號采樣頻率102.4kHz，一次采集8192點的數(shù)據(jù)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后保存在微機的硬盤上。每個點火提前角下采集10組數(shù)據(jù)。 圖5 汽油機試驗臺 （2）爆震特征的提取10105圖6、7是轉(zhuǎn)速為5800r/min時通過試驗獲得的兩組壓力信號和振動信號。其中，圖1-3在正常點火提前角時測得，圖1-4在點火提前角自正常壓力(Pa)加速度(m/s2)時間(s)時間(s) a) 壓力信號 b) 振動信號a) Pressure signal b) Vibration signal圖6 正常點火提前角時測得的爆震信號時間(s)壓力(Pa)加速度(m/s2)時間(

12、s)10105a) 壓力(yl)信號 b) 振動(zhndng)信號 圖7 點火提前(tqin)角增大10時測得的爆震信號值增大10時測得。兩圖中，a)為缸內(nèi)壓力信號，b)為缸蓋上的振動信號。兩組信號的長度同約為四個連續(xù)循環(huán)。下面分別應(yīng)用短時傅立葉變換(STFT)、平滑偽Wigner-Ville分布(SPWD)和小波變換(DWT)三種方法對圖1-3、1-4所示的檢測信號進行分析。應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，SPWD的計算量很大，對內(nèi)存和CPU速度要求高，因此，分別從圖6、7中的a)和b)兩信號中截取約半個循環(huán)(1024點)的信號進行SPWD分析(注：截取的信號在時間上包含了爆震發(fā)生的時段)，所截取的信號分別示于

13、圖8、9中的a)和b)。為了便于比較，選取同樣的信號進行STFT分析。10105時間(s)加速度(m/s2)壓力(Pa)時間(s)a) 壓力信號 b) 振動信號 圖8 正常點火提前角時測得的爆震信號時間(s)10105時間(s)加速度(m/s2)壓力(Pa)a) 壓力(yl)信號 b) 振動(zhndng)信號圖9 點火(din hu)提前角增大10時測得的爆震信號（二）、利用評估矩陣對不同粒度下各子分類器的診斷結(jié)果進行融合，實現(xiàn)對爆震強度的分類識別和診斷。 1.爆震指標(biāo)及診斷策略 （1）.爆震強度評價指標(biāo)的選擇 在研究爆震強度指標(biāo)的時候，必須明確以下事實：由于爆震造成氣缸內(nèi)的狀態(tài)非常不均勻，

14、并且各循環(huán)或各缸間發(fā)生爆震時的具體表現(xiàn)千差萬別，因此要確切給出汽油機爆震強度的基本定義是很困難的。如，批量生產(chǎn)的多缸汽油機，因各缸壓縮比、混合氣成分及其熱力狀態(tài)、燃燒速率以及燃燒室冷卻狀況的不同，使得一些氣缸已處于嚴(yán)重爆震狀態(tài)，而另一些氣缸卻運轉(zhuǎn)正常。另外，從單個氣缸的相繼循環(huán)來看，即使汽油機處于爆震運行工況，各個循環(huán)實際工作狀態(tài)卻可能從根本沒有爆震到嚴(yán)重爆震，其變化規(guī)律完全是隨機性的。 缸內(nèi)壓力信號是對爆震燃燒的直接測量，包含了豐富的爆震信息，以缸內(nèi)壓力信號為基礎(chǔ)的爆震強度指標(biāo)有很多優(yōu)越性。但是，壓力傳感器的應(yīng)用受到很多限制。如傳感器成本高，壽命短，測量電路復(fù)雜，安裝不便或需要對缸蓋進行較大

15、的改動，由于壓力傳感器要深入燃燒室內(nèi)部，可能會影響正常的燃燒。相比之下，采用在機體或缸蓋上安裝加速度傳感器來測量由爆震引起的機體振動的方法更適合實際應(yīng)用。因此，以加速度傳感器測得的振動信號為基礎(chǔ)，找到有效的爆震強度評價指標(biāo)具有很大的實用價值。然而，由于加速度傳感器測得的振動信號是對爆震的間接測量，信號成分復(fù)雜，高速時信噪比低，所以直接從振動信號出發(fā)尋找爆震強度評價指標(biāo)比較困難。本章以此為前提確定針對缸內(nèi)壓力信號和機體振動信號各自的特征域，進而給出可以應(yīng)用于缸內(nèi)壓力信號和機體振動信號的統(tǒng)一的爆震強度指標(biāo)。觀察第1章中缸內(nèi)壓力信號的DWT，如圖2-13所示，子帶信號d3(理論頻率范圍為640012

16、800Hz)上很好地從壓力信號中提取了爆震特征，同樣在圖2-14中，子帶信號d2(理論頻率范圍為1280025600Hz)上很好地從振動信號中提取了爆震特征。離散小波變換的頻帶范圍與采樣頻率有關(guān)，根據(jù)第3章的分析結(jié)果，特征域可如下選取：1.對于缸內(nèi)壓力(yl)信號，選取515kHz的某一子帶信號；2.對于振動(zhndng)信號，選取820kHz的某一子帶信號。本文選取(xunq)子帶信號d3為缸內(nèi)壓力信號的爆震特征域，子帶信號d2為機體振動信號的爆震特征域。爆震強度評價指標(biāo)在爆震特征域上按照某一原理計算得出。根據(jù)爆震的機理，爆震的強弱程度可以表現(xiàn)為特征域上的壓力信號或振動信號的能量高低，也可

17、以表現(xiàn)為特征域上壓力信號或振動信號的峰值大小。爆震強度大，則特征域上的信號能量大，特征域上的峰值也大；反之爆震強度小，則特征域上的信號能量小，特征域上信號的峰值也小。根據(jù)這個原理，本文給出兩種爆震強度評價指標(biāo)：特征域上信號的平均能量和特征域上信號的峰值A(chǔ)max。特征域上信號的平均能量定義為 （1-1）式中 特征域上信號的幅值；N采樣點數(shù)。這兩種爆震強度評價指標(biāo)都具有能夠體現(xiàn)壓力波動的強弱和可以給出閾值的特點。 （2）爆震診斷策略通過上面的分析，以和Amax為爆震強度指標(biāo)來研究爆震診斷策略是可行的。本文分別以和Amax為爆震強度指標(biāo)研究壓力信號和振動信號的爆震診斷策略。根據(jù)爆震信號的特點，爆震診

18、斷策略基本如下：首先，確定爆震指標(biāo)的參考值，然后計算待診斷循環(huán)的爆震指標(biāo)值，最后根據(jù)參考值與當(dāng)前值的某種關(guān)系來判斷爆震的強弱。因此，爆震診斷策略的關(guān)鍵就成為確定爆震指標(biāo)的參考值。首先研究基于爆震強度指標(biāo)的爆震診斷策略。特征域的信號實際上包含兩個部分，即爆震引起的信號成分和背景噪聲引起的成分。所以，特征域信號的值也應(yīng)包含兩個部分： (1-2)式中 中爆震引起的值；中背景噪聲引起的值。分析式(1-2)，爆震發(fā)生時，待診斷循環(huán)的0,即。事實上就是爆震判別的域值。大量試驗證實，隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化而變化，尤其是機體振動信號，其隨轉(zhuǎn)速變化顯著。通常是發(fā)動機轉(zhuǎn)速增大，增大；發(fā)動機轉(zhuǎn)速減小，減小。本文選取特定轉(zhuǎn)

19、速下爆震判斷域值作為爆震指標(biāo)的參考值()。診斷策略具體為：首先在特定轉(zhuǎn)速下根據(jù)大量的試驗數(shù)據(jù)確定，即爆震指標(biāo)的參考值，然后計算待診斷循環(huán)的，最后根據(jù)與的差值大小來判斷爆震的強弱。定義： (1-3)即根據(jù)(gnj)的大小來判斷(pndun)爆震的強弱。在這里沒有直接用待診斷循環(huán)的爆震指標(biāo)來判斷爆震(bo zhn)強弱是基于這樣的考慮：1.以差值來評價爆震強弱不影響其有效性和準(zhǔn)確性；2.直接以來衡量爆震強弱，在不同的轉(zhuǎn)速下無可比性，而以差值來評價爆震強弱則可以在不同轉(zhuǎn)速下進行比較。這是由于隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化，由式(1-2)可知也隨轉(zhuǎn)速而變化，因此直接以來衡量爆震強弱，在不同的轉(zhuǎn)速下無可比性。比較式(

20、1-2)和式(1-3)，再根據(jù)即是，可知差值實際上代表了的大小，因此，以差值來評價爆震強弱則可以在不同轉(zhuǎn)速下進行比較。為了確定背景噪聲引起的值，對各點火提前角下采集得到的爆震指標(biāo)值進行統(tǒng)計處理。在5800r/min,節(jié)氣門全開下隨點火提前角變化的爆震指標(biāo)的累積頻率分布如圖2-3、2-4所示，圖2-3是壓力信號的結(jié)果，圖2-4是振動信號的結(jié)果。點火提前角較小時，沒有發(fā)生爆震，當(dāng)點火提前角達(dá)到36時，有爆震發(fā)生，而且爆震強度隨點火提前角增大逐漸增大。從圖2-3、2-4可以看出，爆震沒有發(fā)生時，指標(biāo)的分布集中在一較小的區(qū)域內(nèi)，壓力信號一般最大值不超過0.0051010Pa2，振動信號一般最大值不超過

21、0.25102m2/s4。而當(dāng)爆震發(fā)生時，指標(biāo)的分布范圍逐漸擴大，并且隨著爆震強度的增大，分布范圍增大很快。爆震沒有發(fā)生時，指標(biāo)累積頻率分布曲線非常接近，它們與橫軸的交點，即根據(jù)統(tǒng)計得出分布頻率為零的點，便可被認(rèn)為是沒有爆震發(fā)生時指標(biāo)的最大值，所以在這里將0.0051010Pa2作為壓力信號的，將0.25102m2/s4作為振動信號的即能夠準(zhǔn)確的檢測出爆震。至此，確定了該轉(zhuǎn)速下爆震指標(biāo)的參考值。在準(zhǔn)確檢測出爆震的前提下，通過對大量的試驗信號計算其，得到被測汽油機的爆震強度評價方法如下：對于壓力信號1 無爆震；2 輕微爆震(爆震邊緣)；3 輕爆震；4 中強爆震。對于振動信號1 無爆震；2 輕微爆

22、震(爆震邊緣)；3 輕爆震(bo zhn)；4 中強爆震(bo zhn)。爆震指標(biāo)KI(Pa2)爆震指標(biāo)KI(Pa2)10101010累積頻率分布(%)累積頻率分布(%) 爆震指標(biāo)KI(Pa2)爆震指標(biāo)KI(Pa2)10101010累積頻率分布(%)累積頻率分布(%) 圖2-3 壓力信號爆震指標(biāo)累積(lij)頻率分布102爆震指標(biāo)KI(m2/s4)爆震指標(biāo)KI(m2/s4)102累積頻率分布(%)累積頻率分布(%) 102102爆震指標(biāo)KI(m2/s4)爆震指標(biāo)KI(m2/s4)累積頻率分布(%)累積頻率分布(%) 圖4-4 振動信號爆震指標(biāo)累積頻率分布105下面用這種爆震強度(qingd)評

23、價方法來研究一試驗信號。圖2-5、2-6為轉(zhuǎn)速(zhun s)5800r/min,點火(din hu)提前角38，節(jié)氣門全開下測得四個循環(huán)的缸內(nèi)壓力信號和缸蓋上的振動信號。壓力(Pa)時間(s)圖2-5 四循環(huán)壓力信號10加速度(m/s2)時間(s)圖2-6 四循環(huán)振動信號用上面給出的爆震判斷和強度評價方法對信號研究，結(jié)論如表2-1、2-2所示。表2-1是缸內(nèi)壓力信號的研究結(jié)果，表2-2是缸內(nèi)壓力信號的研究結(jié)果，爆震由弱到強按循環(huán)序號排列依次均為2-4-2-3。比較圖2-5，可以看出該方法較準(zhǔn)確的評價了爆震的強弱。這表明，基于爆震強度指標(biāo)KI的爆震診斷策略可以有效的應(yīng)用于缸內(nèi)壓力信號和缸蓋上的

24、振動信號。表2-1 壓力信號爆震強度計算結(jié)果(1010Pa2)循環(huán)序號1234KI0.0184360.00296880.0646660.006228KIr0.0050.013436-0.00203120.0596660.001228爆震強弱輕爆震無爆震中強爆震輕微爆震表2-2 振動信號爆震強度計算結(jié)果(102m2/s4)循環(huán)序號1234KI1.06390.233454.47190.65285KIr0.250.8139-0.0165494.22190.40285爆震強弱輕爆震無爆震中強爆震輕微爆震表2-3 壓力信號爆震(bo zhn)強度計算結(jié)果(105Pa)循環(huán)序號1234Amax1.2080.288842.89950.71325Amaxr0.30130.9067-0.012462.59820.41195爆震強弱輕爆震無爆震中強爆震輕微爆震表2-4 振動信號(xnho)爆震強度計算結(jié)果(m/s2)循環(huán)序號1234Amax75.9924.784213.3143.657Amaxr26.21249.778-1.428187.09817.445爆震強弱輕爆震無爆震中強爆震輕微