劉 樂(lè) 李菁元 付鐵強(qiáng) 邵忠瑛

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心天津300300）

小波算法在發(fā)動(dòng)機(jī)失火檢測(cè)中的應(yīng)用研究

劉 樂(lè) 李菁元 付鐵強(qiáng) 邵忠瑛

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心天津300300）

失火診斷是目前汽車上廣泛應(yīng)用的OBD（在線診斷）系統(tǒng)中一個(gè)重要的診斷項(xiàng)目。失火診斷的方法有多種，用曲軸的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的失火故障進(jìn)行檢測(cè)是應(yīng)用最為廣泛的方法，但該方法在發(fā)動(dòng)機(jī)的高速區(qū)診斷效果差。為此，采用小波算法對(duì)該失火檢測(cè)方法在高速區(qū)進(jìn)行改進(jìn)，并在一臺(tái)小型高速四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，通過(guò)小波算法的改進(jìn)，該失火檢測(cè)方法在發(fā)動(dòng)機(jī)的高速區(qū)能取得很好的診斷效果。

電控汽油機(jī)故障診斷失火小波算法

引言

目前，OBD（在線診斷）系統(tǒng)是電控發(fā)動(dòng)機(jī)必須裝備的系統(tǒng)之一[1-3]，它不僅可以提高車輛的安全性，而且還可以對(duì)車輛的排放進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。失火診斷是OBD系統(tǒng)診斷項(xiàng)目中一項(xiàng)重要的內(nèi)容。

發(fā)動(dòng)機(jī)失火檢測(cè)的方法有很多種，如：瞬時(shí)角加速度信號(hào)檢測(cè)失火[4]、寬帶氧傳感器信號(hào)檢測(cè)失火[5]、缸內(nèi)壓力信號(hào)檢測(cè)失火[6]、火花塞電極間的離子電流信號(hào)檢測(cè)失火[7]等。在這些失火檢測(cè)方法中，瞬時(shí)角加速度信號(hào)檢測(cè)失火方法得到了廣泛應(yīng)用，原因在于該方法應(yīng)用簡(jiǎn)單、算法簡(jiǎn)捷、成本低和實(shí)時(shí)性好。但該方法也有一些不足之處，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高速區(qū)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)慣性元件的動(dòng)量矩增加，使由發(fā)動(dòng)機(jī)失火造成的轉(zhuǎn)速下降值減小，減弱了失火在檢測(cè)信號(hào)中的特征，造成高速區(qū)失火檢測(cè)困難[8-10]。

為此，本文利用小波分析的降噪、分解算法對(duì)角加速度信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)處理，提取出原信號(hào)中的失火特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)原檢測(cè)算法的改進(jìn)。

1 角加速度信號(hào)用于失火檢測(cè)的一般算法

當(dāng)用角加速度信號(hào)作為發(fā)動(dòng)機(jī)失火檢測(cè)的信號(hào)時(shí)，需要計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，通常的做法是在發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪端安裝一齒盤(pán)。在本實(shí)驗(yàn)中，由于使用的是小型四沖程高速汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)由發(fā)動(dòng)機(jī)的磁電機(jī)輸出，一轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖信號(hào)。在單片機(jī)中，經(jīng)過(guò)一定的電路，可將該正弦波脈沖整形為方波，之后，單片機(jī)很容易計(jì)算相鄰兩個(gè)方波之間的時(shí)間間隔Ti，從而很容易計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)角加速度，算法的理論推導(dǎo)公式如下：

由式（1）和（2）可得：

最后得到：式中：ω為曲軸角速度；Ti，Ti+1為連續(xù)兩轉(zhuǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

由上述理論推導(dǎo)公式可知，每轉(zhuǎn)的角加速度可以由相鄰兩轉(zhuǎn)經(jīng)歷的時(shí)間通過(guò)式（5）計(jì)算得出。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生失火時(shí)，通常Ti+1>Ti，如果按式（5）計(jì)算的結(jié)果為負(fù)值，為了便于計(jì)算，在實(shí)際應(yīng)用中以下公式來(lái)進(jìn)行失火診斷[6-7]：

為了對(duì)上述的理論推導(dǎo)進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證，試驗(yàn)中通過(guò)自行設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火信號(hào)使發(fā)動(dòng)機(jī)在指定的循環(huán)失火，在控制系統(tǒng)中計(jì)算每一轉(zhuǎn)所用的時(shí)間，實(shí)時(shí)地傳給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。采集的節(jié)氣門開(kāi)度為10%時(shí)各種轉(zhuǎn)速下失火時(shí)的轉(zhuǎn)速信號(hào)曲線和依據(jù)上述理論計(jì)算所得到的用于判斷失火的角加速度信號(hào)曲線如圖1至圖4所示。

圖12 500 r/min失火時(shí)的轉(zhuǎn)速和角加速度曲線圖

圖2 失火時(shí)的轉(zhuǎn)速和角加速度曲線圖

圖35 500 r/min失火時(shí)的轉(zhuǎn)速和角加速度曲線圖

圖4 瞬態(tài)工況失火時(shí)的轉(zhuǎn)速和角加速度曲線圖

2 高速區(qū)時(shí)小波算法對(duì)失火檢測(cè)算法的改進(jìn)

小波分析中的多分辨分析可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行多個(gè)尺度上的分析，從而可以從信號(hào)中提取出不同尺度的特征。Daubechies小波是小波變換中較為常用的一種小波，它不僅是緊支集正交小波，而且還是連續(xù)的，在信號(hào)壓縮、信號(hào)降噪和奇異性檢測(cè)方面都有廣泛的應(yīng)用，本文屬于奇異性檢測(cè)，因此選擇Daubechies小波做為小波變換的基小波。小波的消失矩特性在實(shí)際應(yīng)用中起著重要作用，消失矩增加，小波的光滑性增大，可以增加信號(hào)壓縮的倍數(shù)，也可以使信號(hào)降噪的效果變好，但應(yīng)用于奇異性檢驗(yàn)時(shí)，消失矩的增加一方面會(huì)削弱信號(hào)中奇異點(diǎn)的醒目程度，另一方面會(huì)增加小波緊支集的長(zhǎng)度，增加計(jì)算量，減小計(jì)算的實(shí)時(shí)性，因此，本文選擇Daubechies小波族中具有最小緊支集和消失矩的db2小波做為基小波。

本文所應(yīng)用的小波分解算法為Mallat算法，一般公式為：

■式中：aj-1，k、aj，n為連續(xù)兩層的近似部分；dj-1，k為下一層的細(xì)節(jié)部分為分析濾波器系數(shù)。

針對(duì)上述小波分析的特點(diǎn)，本文對(duì)5 500 r/min時(shí)的角加速度信號(hào)進(jìn)行多層分解，得到的小波分解結(jié)果如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6可以看出，信號(hào)小波分解的近似部分無(wú)法檢測(cè)出失火的存在，但從信號(hào)分解的細(xì)節(jié)部分（特別是分解的第一層細(xì)節(jié)d）1可以檢測(cè)出失火。為了使失火的特征更明顯地表現(xiàn)出來(lái)，對(duì)d1的負(fù)值取零，然后對(duì)d1進(jìn)行平方、降噪處理后的診斷曲線如圖7所示。

圖5 角加速度信號(hào)小波分解的各層近似曲線圖

圖6 角加速度信號(hào)小波分解的各層細(xì)節(jié)曲線圖

圖7 角加速度信號(hào)小波分解的第一層細(xì)節(jié)及處理結(jié)果

式中：DW是指對(duì)其中的信號(hào)用小波函數(shù)進(jìn)行降噪處理；d11為經(jīng)過(guò)上述處理得到的失火診斷信號(hào)。

為了對(duì)小波分解算法用于發(fā)動(dòng)機(jī)失火特征信號(hào)提取的效果進(jìn)行檢驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)了數(shù)字濾波器對(duì)角加速度進(jìn)行濾波，之后，再對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行負(fù)值取零、平方和降噪處理，將該方法和小波算法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示。由于用小波分解所提取的特征信號(hào)是分解后的第一層細(xì)節(jié)部分，也就是信號(hào)中的高頻部分，對(duì)其進(jìn)行頻譜分析可知，該部分信號(hào)的頻率在15 Hz以上，因此，本文設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器為高通濾波器，其通帶截止頻率為15 Hz，阻帶截止頻率為12 Hz。

從圖7和圖8的對(duì)比中可以看出，用數(shù)字信號(hào)濾波方法處理后的信號(hào)能一定程度上提取出角加速度信號(hào)中的失火特征，但由于數(shù)字濾波器本身存在光滑作用，使其處理后的信號(hào)不能很好地保留原信號(hào)中的突變部分，削弱了信號(hào)中的失火特征。而小波算法具有更好的時(shí)頻局部化特性，因此能更好地檢測(cè)出信號(hào)的突變部分，更適用于發(fā)動(dòng)機(jī)失火故障診斷。

圖8 角加速度信號(hào)數(shù)字信號(hào)濾波及其平方降噪曲線圖

3 結(jié)論

針對(duì)角加速度信號(hào)用于失火檢測(cè)時(shí)存在高速區(qū)檢測(cè)困難的問(wèn)題，利用小波分析中的降噪、分解算法對(duì)原檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行特定處理，可從中提取出發(fā)動(dòng)機(jī)高速失火時(shí)的特征，從而進(jìn)行失火檢測(cè)。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，即使轉(zhuǎn)速高達(dá)5 500 r/min，改進(jìn)的失火檢測(cè)算法也能準(zhǔn)確地檢測(cè)到失火的存在。

1Dongsun Kim,Taeyeon Lee,Yongmin Kim,et al.A study on reducing the computing burden of misfire detection using a donditional monitoring method[C].SAE Paper 2004-01-0722

2Dariusz Piernikarski,Jacek Hunicz.Investigation of misfire nature using optical combustion sensor in a SI automotive engine[C].SAE Paper 2000-01-0549

3F.Millo,F.Mallamo,R.Digiovanni.Improving misfire miagnostic through coupled engine/vehicle numerical simulation [C].SAE Paper 2004-01-0613

4Nicolò Cavina,Enrico Corti,Giorgio Minelli.Misfire detection based on engine speed time-frequency analysis[C]. SAE Paper 2002-01-0480

5Youngkyo Chung,Choongsik Bae,Sangmin Choi.Application of a wide range oxygen sensor for the mMisfire detection[C].SAE Paper 1999-01-1485

6梁宏偉，黃海燕，陳杰，等.發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)中OBD-Ⅱ技術(shù)研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2002（3）：26-28

7汪映，周龍保，吳筱敏，等.離子電流法檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)失火和爆震的研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，36（9）：895-898

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10 Steven Richardson,Michael H.McMillian,Steven D.Woodruff. Misfire,knock and NOxmapping of a laser spark ignited single cylinder lean burn natural gas engine[C].SAE Paper 2004-01-1853

Study on Engine Misfire Detection Based on Wavelet

Liu Le,Li Jingyuan,Fu Tieqiang,Shao Zhongying
China Automotive Technology&Research Center(Tianjin,300300,China)

Misfire detection is an important part of on-board diagnostics(OBD)system which is widely used at present.There are several methods to detect misfire,and the method of misfire detection based on engine speed is the most popular one,even though it cannot detect misfire very well when engine speed is high.An improvement to the method of misfire detection based on engine speed using wavelet algorithm is presented in this paper,and it is validated on a high speed four cycle engine.The test results show that the improved method can detect misfire accurately even when the engine speed is very high.

Electronically-controlled gasoline engine,fault diagnosis,misfire,wavelet algorithm

U467.2

A

2095-8234（2016）05-0048-04

2016-08-15）

劉樂(lè)（1983-），男，博士，主要研究方向?yàn)槠嚺欧趴刂婆c測(cè)試技術(shù)。

付鐵強(qiáng)（1974-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槠嚺欧趴刂萍夹g(shù)。