V8汽油機(jī)爆震數(shù)字化監(jiān)測及標(biāo)定方法

周 鑫，孫鵬遠(yuǎn)，高天宇，張慧峰

(中國第一汽車股份有限公司 智能網(wǎng)聯(lián)開發(fā)院，吉林 長春 130000)

爆震是汽油機(jī)氣缸內(nèi)發(fā)生的一種不可避免、且具有破壞性的燃燒現(xiàn)象．爆震產(chǎn)生原因是由于氣缸內(nèi)的混合氣在高溫、高壓下產(chǎn)生自燃，使氣缸內(nèi)局部壓力驟然提高，并產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力震蕩．這種震蕩波會以超音速的速度撞擊氣缸壁、活塞及噴油器等裝置，并產(chǎn)生敲缸聲[1-2]．爆震不僅會對缸體產(chǎn)生損壞，同時也會導(dǎo)致燃燒惡化，進(jìn)而降低發(fā)動機(jī)的動力輸出，影響汽車尾氣排放[3]．有效識別爆震的產(chǎn)生并抑制爆震是發(fā)動機(jī)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵[4-5]．

在汽油機(jī)各缸做功行程內(nèi)，爆震監(jiān)測系統(tǒng)需要在一定時間內(nèi)完成爆震傳感器數(shù)據(jù)采集和處理，判斷是否發(fā)生爆震，才能保證發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)中噴油、點火和增壓等功能在正確的時序內(nèi)工作．

目前，爆震監(jiān)測方法主要有：(1)依靠專用芯片來處理爆震傳感器電壓信號[6-7]，爆震監(jiān)測精度完全依賴于專用芯片或裝置，靈活性較差，且控制器硬件成本較高；(2)依靠智能化的爆震傳感器[8]，與傳統(tǒng)的傳感器相比，傳感器昂貴；(3)通過電子控制單元(ECU)處理爆震傳感器電壓信號，并通過先進(jìn)的算法判斷是否發(fā)生爆震，如非線性小波變換和Wavelet變換方法[9-11]，算法比較復(fù)雜，會提高ECU的運算負(fù)荷，且實時性難以保證；(4)通過ECU處理爆震信號電壓，通過電壓比較判斷是否發(fā)生爆震[12]，方法簡單但精度有限，尤其是在機(jī)械振動比較大的高轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷工況下，誤判和漏判概率較大．

V8汽油機(jī)中，每4個直列氣缸為一組，兩組氣缸成“V”字型對稱排列，分布兩側(cè)，每側(cè)裝有2個爆震傳感器，相鄰兩個做功缸的行程間隔為90°CA．因其傳感器數(shù)量多，每個氣缸做功行程短，背景噪聲復(fù)雜，具有代表性；且8缸機(jī)包括3缸、4缸和6缸發(fā)動機(jī)的全部爆震監(jiān)測需求，因而筆者選取V8汽油機(jī)為研究對象．提出一種運算量小但識別精度高，適合嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)的數(shù)字化爆震監(jiān)測方法，并為此監(jiān)測方法設(shè)計了含有統(tǒng)計學(xué)意義的標(biāo)定方法．

1 爆震信號處理

表1為試驗用V8汽油機(jī)的技術(shù)參數(shù)．爆震傳感器一般位于發(fā)動機(jī)缸體的側(cè)面，隨著發(fā)動機(jī)缸體的抖動而產(chǎn)生電壓信號，缸內(nèi)燃燒越劇烈，電壓抖動越大，這種測量方式較為直接，傳感器安裝和更換方便，但也會受到缸體自然抖動、執(zhí)行器動作噪聲等的干擾．為了保證爆震監(jiān)測的精度，提高信噪比，需要對爆震傳感器信號進(jìn)行處理，如圖1所示，主要包括AD轉(zhuǎn)換、測量窗口、通道選擇器、帶通濾波器和積分器．

圖1 爆震傳感器信號處理方法 Fig.1 Signal processing method for knock sensor

表1 V8發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù) Tab.1 Specifications of V8 gasoline engine

爆震通常發(fā)生在各缸點火時刻之后，且在相同轉(zhuǎn)速下，震動持續(xù)的時間相對固定，因而ECU只需采 集各缸點火后的一段爆震傳感器信號即可，這種截取信號的方法即為開窗．只計算窗口中的信號可以提高計算結(jié)果的信噪比，并減少控制器的計算量．一般以待檢測缸的上止點為參考零點，進(jìn)行窗口起始點和長度的選擇．

發(fā)動機(jī)正常運行時，對于特定缸，4個爆震傳感器只有一個采集的信號是有效的．通過發(fā)動機(jī)的點火順序即可確定當(dāng)前的做功缸，進(jìn)而可以選取爆震傳感器信號進(jìn)行計算．

1.1 AD轉(zhuǎn)換

AD轉(zhuǎn)換是將爆震傳感器采集到的差分電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，根據(jù)采樣定理可知，AD采樣頻率應(yīng)大于爆震信號特征頻率2倍以上，且頻率越高，轉(zhuǎn)換后的信號越準(zhǔn)確．因而選取的采樣頻率為80kHz．

1.2 帶通濾波器

在設(shè)計帶通濾波器之前，需采集V8發(fā)動機(jī)在各轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下正常燃燒時、發(fā)生爆震時爆震傳感器的信號，并將兩個信號進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，通過對比可知爆震信號在各工況下的特征頻率．圖2示出轉(zhuǎn)速為2500r/min、負(fù)荷為100%和轉(zhuǎn)速為4500r/min、負(fù)荷為100%的爆震FFT結(jié)果．

圖2 不同工況下爆震傳感器FFT結(jié)果 Fig.2 FFT results of knock sensors in different conditions

可知，爆震信號大部分能量都集中在6～9、10～13和15～18kHz的前三階頻率段上；爆震信號的能量隨著轉(zhuǎn)速升高而明顯增大；隨著轉(zhuǎn)速的升高，高頻信號所占信號總體比例略有增加；轉(zhuǎn)速越高，爆震傳感器電壓信號抖動范圍越大，因而設(shè)計3個帶通濾波器以保證所提取的特征信息完整．選定3個濾波器的通帶頻率與爆震信號的前三階頻率一致，濾波器的一般形式傳遞函數(shù)為

式中：N為濾波器的階數(shù)；z?r為傳遞函數(shù)的零點；z?k為傳遞函數(shù)的極點；ak和br均為參數(shù)，決定了濾波器的形式．綜合考慮濾波器的濾波效果與ECU的計算速度，N選為8．

采用巴特沃斯多項式的方法構(gòu)造IIR濾波器[14]，故式(1)可以改寫為式(2)，利用Matlab軟件中的工具fda tools計算出ak和br．

式中：Wp為通帶截止頻率；Ws為阻帶截止頻率；Rp為通帶的最大衰減；As為阻帶的最小衰減；Wn為求得的帶通濾波的截止頻率．

1.3 積分器

爆震時的震動會使傳感器信號產(chǎn)生抖動，對電壓信號的絕對值進(jìn)行積分可表征震動的強(qiáng)度fy，即

式中：Xi為濾波后的信號值；n為窗口內(nèi)的樣本數(shù)．

2 爆震信號驗證和爆震判斷

2.1 爆震信號驗證

筆者通過V8發(fā)動機(jī)試驗臺架實時對比氣缸內(nèi)的缸壓及ECU計算結(jié)果，以驗證信號處理方法．

首先將缸壓傳感器值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即在一個測量窗口內(nèi)，選取缸壓傳感器電壓值的m個峰值，并計算平均值(式(4))．隨著轉(zhuǎn)速的升高，爆震信號抖動越劇烈，故m也需隨著轉(zhuǎn)速的升高而變大，一般取值為10～20．

式中：U(i)為第i個電壓峰值；UK為m個缸壓傳感器電壓值的峰值平均值，可表征此次點火缸內(nèi)壓力抖動的最大程度．圖3示出轉(zhuǎn)速為2400r/min、負(fù)荷為105%下的對比結(jié)果.

圖3 V8發(fā)動機(jī)對比試驗的結(jié)果 Fig.3 Contrast experiment results of V8 gasoline engine

通過對比各缸的UK值和強(qiáng)度值，可知兩者動態(tài)變化過程有明顯的一致性．說明筆者提出的爆震傳感器處理方法能準(zhǔn)確反映缸壓的變化情況，且對于各個缸的效果一致．

2.2 爆震判斷

為了滿足V8發(fā)動機(jī)對爆震監(jiān)測系統(tǒng)的實時性要求，筆者提出爆震判斷方法，如圖4所示．算法中只用到了加權(quán)平均、均值濾波等，在保證系統(tǒng)有效性的前提下，最大程度的簡化運算，降低運算時間，且各個運算模塊的作用不同．

圖4 爆震判斷方法Fig.4 Knock judgment method

2.2.1 加權(quán)平均

判斷方法中，加權(quán)平均1與加權(quán)平均2采用完全一致的算法，即

式中：f1、f2和f3分別為低、中和高頻段帶通濾波器輸出的爆震積分值；m1、m2和m3為均值濾波后的積分值．f1、f2和f3通過均值濾波器1后的輸出，Rw為加權(quán)平均1的輸出，F(xiàn)w為加權(quán)平均2的輸出．高、中和低3個頻率段的加權(quán)系數(shù)為α、β和δ三者之間有

各個工況下，爆震信號在高、中、低段頻率的分布有所不同，調(diào)整加權(quán)系數(shù)可以調(diào)整各頻率段信號的占比，提高信噪比，保證判斷結(jié)果的準(zhǔn)確性．

隨著轉(zhuǎn)速升高，低頻信號分布略有減少，而高頻信號分布逐漸增多(圖2)，故隨著轉(zhuǎn)速升高，α值逐漸減小，δ值逐漸增大．

根據(jù)工程經(jīng)驗，為保證每個頻率段的信號都參與計算，按照在所有工況下三者的最大值不超過0.45、最小值不少于0.20的原則選?。?/p>

2.2.2 均值濾波

均值濾波1與均值濾波2采用一致的算法，有

式中：v和k為均值濾波器參數(shù)；均值濾波2的輸出為Bgn； y=1，2，3．

均值濾波器1可使信號處理方法輸出的均值強(qiáng)度值含上一時刻強(qiáng)度值的信息；均值濾波器2可使輸出信號Bgn更加平穩(wěn)．

2.2.3 差值計算

Rw與Fw的區(qū)別僅在于Fw帶有上一時刻的信息，而Rw只反映了當(dāng)前時刻的爆震強(qiáng)度值．通過兩者的差值即可反映出發(fā)動機(jī)此時運行與上一刻運行的變化情況，即

式中：Rm為差值計算的輸出，可以代表爆震傳感器信號的動態(tài)改變．在同一個工況下，缸內(nèi)氣體正常燃燒時，每個時刻Rw與Fw不會有太大的差距，所以Rm只會在某一個范圍波動；當(dāng)有爆震發(fā)生時，Rm會有明顯的升高．

Bgn是差值Rm的均值濾波結(jié)果，一些偶發(fā)的小震動會使Rm變大，但不會使Bgn有明顯的增大，所以更加的穩(wěn)定，不易受一些偶發(fā)干擾的影響．

綜上可知，在氣缸正常燃燒時，Bgn比較穩(wěn)定，只在某一個小范圍波動，這和發(fā)動機(jī)正常燃燒時只會使爆震傳感器產(chǎn)生一個均勻的抖動是一致的，即Bgn可以代表發(fā)動機(jī)正常運行時的背景噪聲．

2.2.4 閾值計算與比較

Bgn可表示背景噪聲，同時筆者設(shè)計了一個能夠根據(jù)當(dāng)前燃燒情況自適應(yīng)變化的閾值Th，有

式中Mul為需要標(biāo)定的系數(shù)．

閾值以背景噪聲的Mul倍為基礎(chǔ)，加上強(qiáng)度值Fw構(gòu)成，可以使閾值隨背景噪聲和當(dāng)前燃燒強(qiáng)度發(fā)生同向的改變．當(dāng)發(fā)動機(jī)發(fā)生了噴油器等執(zhí)行器老化、或機(jī)油老化，混合氣燃燒情況發(fā)生了一定改變，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的抖動狀態(tài)，即背景噪聲Bgn發(fā)生較大變化，爆震狀態(tài)與正常燃燒狀態(tài)也會改變．固定閾值會使爆震判斷的準(zhǔn)確度降低，而筆者提出的閾值計算方法可以使閾值具有自適應(yīng)性，能應(yīng)對生產(chǎn)制造散差和部件老化現(xiàn)象，適合產(chǎn)品化實際應(yīng)用．

爆震判斷方法中，通過算法準(zhǔn)確地辨識出各工 況下發(fā)動機(jī)正常運行時的背景噪聲Bgn，當(dāng)爆震信號強(qiáng)度值Rw發(fā)生突變時，即可判斷爆震發(fā)生．

3 爆震標(biāo)定及驗證

系數(shù)Mul的選取是監(jiān)測方法有效的關(guān)鍵因素．由于氣缸燃燒情況十分復(fù)雜，即使相同的工況下，產(chǎn)生的爆震強(qiáng)度也各不相同．為使算法具有普遍意義的適用性，筆者提出了一種以統(tǒng)計學(xué)為基礎(chǔ)的爆震統(tǒng)計圖標(biāo)定方法．

3.1 爆震統(tǒng)計

缸內(nèi)壓力能夠準(zhǔn)確反映當(dāng)前發(fā)動機(jī)的工作情況，借助缸內(nèi)壓力可完成系數(shù)標(biāo)定．通過批量掃點得到數(shù)據(jù)群，并將所有的UK和wR對應(yīng)關(guān)系繪制在爆震統(tǒng)計圖中．圖5為不同轉(zhuǎn)速、負(fù)荷下的爆震統(tǒng)計．可知點的分布大致呈一條斜向上的射線；正常燃燒的點都集中在左下角，發(fā)生爆震的點分布右上方；轉(zhuǎn)速越高，爆震震動越劇烈．

圖5 不同工況下爆震統(tǒng)計 Fig.5 Knock cloud chart under different working conditions

3.2 閾值標(biāo)定方法

在確定統(tǒng)計圖的形狀和結(jié)構(gòu)后，需要定義兩條法則線，將統(tǒng)計圖分割為幾部分，從而進(jìn)行閾值的選擇，如圖6所示．

圖6 爆震統(tǒng)計圖的法則線 Fig.6 Rule line of the knock cloud char

左側(cè)法則線為UminK，在其左邊的點的缸內(nèi)壓力較小，此時發(fā)動機(jī)正常運行．右側(cè)法則線為UKmax，其值為當(dāng)前工況下能接受的UK最大值，并認(rèn)為UK大于此線的點，氣缸一定產(chǎn)生了爆震．介于二者之間的 點，氣缸正在爆震邊緣工作，是燃燒較充分的區(qū)域，可認(rèn)定為爆震，也可認(rèn)定為正常情況，命名為模糊區(qū)．

確定了兩條法則線后，需要選擇閾值的大小，使圖中劃分的6個區(qū)域符合一定條件．FD指缸壓信號上并沒有檢測到強(qiáng)烈的震動，但監(jiān)測系統(tǒng)計算出的結(jié)果認(rèn)定為發(fā)生了爆震，為誤判區(qū)．此區(qū)域內(nèi)的點數(shù)除以總樣本數(shù)，即為誤判率，記為FDR，選擇閾值時應(yīng)盡可能使誤判區(qū)沒有點．

MD指缸壓峰值已經(jīng)非常大，是氣缸確實發(fā)生了爆震，但監(jiān)測系統(tǒng)計算出來的結(jié)果很小，沒有識別到此次爆震，為漏判區(qū)．此區(qū)域內(nèi)的點除以UKmax右邊所有點，即為漏判率，記為MDR．

CD指缸壓信號的峰值很大，氣缸發(fā)生了爆震，且監(jiān)測系統(tǒng)也確定此時發(fā)生了爆震，正確檢出了此次爆震，屬于正確判斷區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)的點除以UKmax右邊所有點，即為正確檢出率，記為CDR．

為保證爆震統(tǒng)計圖的工況接近發(fā)動機(jī)真實運行情況，保證閾值選取的準(zhǔn)確性，不易制造過多爆震，故需要控制爆震發(fā)生概率，UKmax右邊所有點除以總樣本數(shù)，即為爆震發(fā)生概率，記為AKR．

根據(jù)V8發(fā)動機(jī)特性，并結(jié)合工程經(jīng)驗計算UKmin和UKmax，并規(guī)定爆震統(tǒng)計圖中各個區(qū)域的指標(biāo)范圍為：AKR＜2%，CDR＞95%，F(xiàn)DR＜1%，MDR＜5%．

選取轉(zhuǎn)速為2400r/min、負(fù)荷95%工況，使發(fā)動機(jī)平穩(wěn)運行，并提高7缸點火角，使其產(chǎn)生爆震，記錄數(shù)據(jù)并進(jìn)行爆震統(tǒng)計，如圖7所示．

圖7 7缸爆震統(tǒng)計 Fig.7 Knock cloud char of cylinder 7

當(dāng)爆震閾值為2100時，爆震統(tǒng)計圖各個區(qū)域滿足指標(biāo)要求．重復(fù)提角試驗，調(diào)整系數(shù)，當(dāng)Mul為4.6時，等于2100，完成標(biāo)定．此標(biāo)定方法可以應(yīng)用于全工況下，但在高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷工況下，為保證發(fā)動機(jī)的安全，不應(yīng)使發(fā)動機(jī)長時間發(fā)生爆震，故點火角提升不宜過大．

3.3 試驗驗證

以轉(zhuǎn)速為2400r/min、負(fù)荷為95%工況為例對閾值進(jìn)行驗證，當(dāng)發(fā)動機(jī)平穩(wěn)運行后，提高3缸點火角，制造爆震并采集缸壓信號、積分值Rw以及閾值hT，進(jìn)行驗證，如圖8所示．

圖8 驗證結(jié)果 Fig.8 Validation results

圖9為發(fā)動機(jī)運行時序．L為發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)運行時所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，爆震監(jiān)測系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)中的一個功能，其運行曲軸轉(zhuǎn)角只能占L的一部分，經(jīng)試驗測試，爆震監(jiān)測系統(tǒng)運行時間小于35%L時，能夠保證其他控制功能的有效性．

圖9 發(fā)動機(jī)運行時序 Fig.9 Running sequence of engine

選取轉(zhuǎn)速為5200r/min、負(fù)荷為85%工況點驗證爆震監(jiān)測系統(tǒng)的實時性，此時爆震窗口的結(jié)束點約為上止點后63°CA，則爆震監(jiān)測系統(tǒng)必須在9.45°CA，即302μs內(nèi)完成判斷，而在該工況下，筆者提出的 爆震監(jiān)測算法最大處理時間約為190μs，與處理時間上限(302μs)相比，仍有較大安全裕度，滿足實時性要求．

4 結(jié) 論

(1) 設(shè)計了一個數(shù)字化的監(jiān)測系統(tǒng)，包括信號處理方法和爆震判斷方法，信號處理方法可以有效提高信號的信噪比；爆震判斷方法具有高實時性及閾值自適應(yīng)性的特點．

(2) 提出了一套具有統(tǒng)計學(xué)意義的標(biāo)定方法；通過試驗，證明了監(jiān)測系統(tǒng)的有效性和實時性，滿足工程應(yīng)用要求．