張志謀，鄭圣彬，陶文輝，楊濤，陳京瑞，石磊

(1.上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海 200240；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108)

由于振動(dòng)噪聲小、升功率高和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，汽油機(jī)在汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域的地位十分重要，但其經(jīng)濟(jì)性的改善和功率的提升，均受到爆震這個(gè)關(guān)鍵因素的制約[1]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)發(fā)生輕微爆震時(shí)，燃燒過(guò)程更接近定容燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和熱效率均有所提高[2]。而強(qiáng)烈的爆震會(huì)引起一系列的問(wèn)題，如發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱、零件應(yīng)力增加、輸出功率降低及排放水平惡化等[3-4]。因此如何將發(fā)動(dòng)機(jī)控制在輕微爆震，同時(shí)避免強(qiáng)烈爆震是發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域一大技術(shù)挑戰(zhàn)。

在進(jìn)行汽油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，通常采用檢測(cè)缸內(nèi)壓力的方法來(lái)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震檢測(cè)，但其傳感器價(jià)格昂貴，尤其是用于多缸汽油機(jī)時(shí)，爆震檢測(cè)的成本大大增加。因此設(shè)計(jì)了汽油機(jī)爆震在線檢測(cè)系統(tǒng)，該檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)比較發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的振動(dòng)信號(hào)積分電壓與爆震閾值，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震狀況進(jìn)行在線判別，并計(jì)算出爆震發(fā)生頻率，進(jìn)而評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震強(qiáng)度，為進(jìn)一步研究爆震的控制奠定基礎(chǔ)。

1 爆震檢測(cè)

爆震也稱(chēng)為“敲缸”，一般認(rèn)為是缸內(nèi)末端混合氣在火焰前鋒面到達(dá)之前的快速自燃現(xiàn)象[5-6]。發(fā)生爆震時(shí)，燃燒室內(nèi)火焰前鋒變得極不規(guī)則，火焰?zhèn)鞑ニ俾始眲≡龃螅粚?duì)外表現(xiàn)為機(jī)體產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)并發(fā)出金屬敲擊聲[7]。

1.1 檢測(cè)方法

目前，國(guó)內(nèi)外爆震檢測(cè)應(yīng)用比較成熟的方法可以分為缸內(nèi)氣體壓力檢測(cè)、機(jī)體振動(dòng)檢測(cè)、離子電流檢測(cè)和爆震聲音檢測(cè)這4種檢測(cè)方法，其中前兩種方法最為實(shí)用[8]。

基于缸內(nèi)壓力的爆震檢測(cè)是在缸內(nèi)安裝壓力傳感器，可以直接提取爆震信號(hào)，信噪比高，爆震識(shí)別也更為準(zhǔn)確；但其傳感器價(jià)格高昂，安裝復(fù)雜且使用壽命短，極大地限制了該檢測(cè)方法的廣泛使用?；跈C(jī)體振動(dòng)的爆震檢測(cè)方法是在機(jī)體外部安裝爆震傳感器，應(yīng)用的傳感器價(jià)格較低，安裝簡(jiǎn)單且操作方便,但容易受到非爆震燃燒引起的振動(dòng)的影響，信噪比不如前者，爆震的識(shí)別精度較低。

1.2 爆震在線檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

汽油機(jī)爆震在線檢測(cè)系統(tǒng)由爆震傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 爆震在線檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

檢測(cè)系統(tǒng)采用基于機(jī)體振動(dòng)檢測(cè)的爆震識(shí)別方法。爆震傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)焦た貦C(jī)，在工控機(jī)中再通過(guò)LabVIEW對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波、整流及積分處理，最后將積分電壓與爆震閾值比較，即可進(jìn)行爆震狀態(tài)的判定。本檢測(cè)系統(tǒng)既保留了基于機(jī)體振動(dòng)檢測(cè)的經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)，又通過(guò)軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，提高了爆震識(shí)別精度。

2 爆震在線檢測(cè)系統(tǒng)硬件

本檢測(cè)系統(tǒng)主要硬件包括爆震傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)。

2.1 爆震傳感器

爆震傳感器分為磁致伸縮式和壓電式兩種類(lèi)型，其中壓電式在實(shí)際中運(yùn)用最為廣泛。壓電式爆震傳感器又分為共振型和非共振型[9]。共振型的固有頻率與爆震特征頻率相匹配，其輸出的信號(hào)電壓較高，無(wú)需濾波處理；而非共振型輸出的信號(hào)電壓較低，但具有平的輸出特性且頻帶較寬，可以適用于不同發(fā)動(dòng)機(jī)爆震檢測(cè)[10]。綜合考慮檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用性和通用性，本檢測(cè)系統(tǒng)采用非共振型壓電式爆震傳感器，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 非共振型壓電式爆震傳感器結(jié)構(gòu)

2.2 轉(zhuǎn)速傳感器

轉(zhuǎn)速傳感器采用HN90非接觸光電式轉(zhuǎn)速傳感器。該傳感器利用光電反射原理，當(dāng)傳感器識(shí)別到反射光，即輸出高電平，其內(nèi)部裝有放大整形電路，輸出為幅度穩(wěn)定的方波信號(hào)，具有分辨率高、距離遠(yuǎn)、頻響寬、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。在檢測(cè)前，將反光片粘貼在飛輪上，通過(guò)調(diào)整反光片和傳感器的相對(duì)位置，使得當(dāng)1號(hào)缸處于上止點(diǎn)時(shí)傳感器輸出高電平。檢測(cè)時(shí)，通過(guò)識(shí)別反光片反射的光信號(hào)，就可以識(shí)別上止點(diǎn)，進(jìn)而確定爆震檢測(cè)窗口。

2.3 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡選用NI USB-6216高精度數(shù)據(jù)采集卡，其數(shù)據(jù)線可以直接與工控機(jī)的USB接口連接。該數(shù)據(jù)采集卡主要指標(biāo)為16路單端輸入通道或8路差分輸入通道，時(shí)間分辨率50 ns，模擬輸入量最大工作電壓為±10.4 V，最大采樣率400 kS/s。

3 爆震在線檢測(cè)系統(tǒng)軟件

LabVIEW是一種基于G(Graphic)語(yǔ)言的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，在學(xué)術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域廣泛用作開(kāi)發(fā)儀器控制軟件、分析軟件及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言[11]。本研究使用自行編寫(xiě)的LabVIEW程序作為爆震在線檢測(cè)程序，主要包括信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、爆震判別模塊以及數(shù)據(jù)保存模塊(見(jiàn)圖3)。

圖3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)最多可以支持8缸汽油機(jī)的爆震在線檢測(cè)，其操作界面見(jiàn)圖4。當(dāng)檢測(cè)某一特定發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，根據(jù)其型號(hào)輸入各缸相對(duì)相位即可(其中1號(hào)缸相位為0)，而高、低截止頻率和爆震閾值則需要通過(guò)試驗(yàn)以及分析振動(dòng)信號(hào)才能確定。

圖4 爆震檢測(cè)系統(tǒng)操作界面

點(diǎn)擊“開(kāi)始檢測(cè)”按鈕即可觀測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)各缸實(shí)時(shí)的振動(dòng)信號(hào)以及最近100個(gè)工作循環(huán)發(fā)生爆震的頻率。波形圖顯示的是各個(gè)氣缸在各自一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的爆震信號(hào)，其中橫坐標(biāo)為曲軸相位，縱坐標(biāo)為濾波后的振動(dòng)信號(hào)。各缸的爆震信號(hào)積分電壓會(huì)通過(guò)面板左下方的數(shù)值和進(jìn)度條同時(shí)顯示。當(dāng)積分電壓大于爆震閾值時(shí)，與該缸對(duì)應(yīng)的報(bào)警燈會(huì)變紅。在選擇完存盤(pán)路徑后，點(diǎn)擊“開(kāi)始存盤(pán)”，即可對(duì)采集到的爆震信號(hào)和爆震頻率進(jìn)行文本存檔，以便后續(xù)離線查看數(shù)據(jù)。

3.2 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊主要負(fù)責(zé)采集過(guò)程的采樣設(shè)置和后續(xù)的數(shù)據(jù)采集。采樣設(shè)置包括采樣通道、采樣模式和采樣頻率的設(shè)置。采樣通道包含機(jī)體振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)，設(shè)置采樣模式為連續(xù)采樣。根據(jù)采樣定理，為保證采樣后數(shù)據(jù)采集卡輸出的離散時(shí)間序列信號(hào)復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)時(shí)不失真，采樣頻率不能低于輸入信號(hào)頻率的2倍。通常汽油機(jī)的爆震特征頻率為5～15 kHz，故本檢測(cè)系統(tǒng)將采樣率設(shè)置為30 kHz。完成如上的采樣設(shè)置，運(yùn)行程序即可進(jìn)行信號(hào)采集。

3.3 信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊的主要目的是通過(guò)軟件處理，提取爆震特征頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)。首先確定爆震檢測(cè)窗口。除了燃料的爆燃，活塞、氣門(mén)、曲軸和凸輪軸等運(yùn)動(dòng)部件的碰撞也會(huì)導(dǎo)致缸體的振動(dòng)，尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，氣門(mén)閉合引起的高頻振動(dòng)會(huì)對(duì)爆震檢測(cè)產(chǎn)生很大的干擾。為了提高對(duì)爆震的識(shí)別精度，可以通過(guò)設(shè)置爆震檢測(cè)窗口，來(lái)減小運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)爆震檢測(cè)的影響。爆震檢測(cè)窗口一般選取為從壓縮上止點(diǎn)開(kāi)始的幾十度范圍[12]。

提取出檢測(cè)窗口內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)后，進(jìn)行濾波和整流處理。爆震傳感器采集到的信號(hào)包含各種頻率的電壓信號(hào)，須先經(jīng)過(guò)濾波處理，只允許爆震特征頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)通過(guò)，將其他振動(dòng)源引起的振動(dòng)信號(hào)濾去，從而提高信噪比，降低干擾。發(fā)生相同爆震時(shí)，不同的濾波頻率會(huì)得到不同的振動(dòng)信號(hào)，因此濾波頻率的設(shè)置會(huì)直接影響振動(dòng)信號(hào)積分電壓的大小，從而影響爆震的判別。因此，為了有效地排除干擾，本檢測(cè)濾波的截止頻率可以根據(jù)具體發(fā)動(dòng)機(jī)和實(shí)際運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。然后對(duì)濾波后的振動(dòng)信號(hào)整流，將信號(hào)電壓全部轉(zhuǎn)變?yōu)檎妷?，為下一步求積分電壓作準(zhǔn)備。

3.4 爆震判別模塊

基于機(jī)體振動(dòng)的檢測(cè)方法通常通過(guò)比較振動(dòng)信號(hào)的峰值和閾值來(lái)判別爆震。為了提高爆震識(shí)別精度，本系統(tǒng)用爆震信號(hào)積分電壓來(lái)代替峰值。

對(duì)爆震檢測(cè)窗口中濾波整流后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行積分計(jì)算，即可得到積分電壓。當(dāng)積分電壓大于爆震閾值時(shí)，報(bào)警燈報(bào)警，且爆震次數(shù)加1，將各缸爆震次數(shù)相加，易得爆震頻率。爆震強(qiáng)度以超過(guò)閾值的次數(shù)計(jì)量，其次數(shù)越多，則爆震強(qiáng)度越大；次數(shù)越少，爆震強(qiáng)度越小。

4 試驗(yàn)分析

本研究利用汽油機(jī)爆震在線檢測(cè)系統(tǒng)采集了某3缸汽油機(jī)6種工況下1號(hào)缸的振動(dòng)信號(hào)。進(jìn)行爆震試驗(yàn)時(shí)保持點(diǎn)火提前角25°曲軸轉(zhuǎn)角不變，進(jìn)氣歧管壓力分別為60，70，80 kPa，轉(zhuǎn)速分別為1 700 r/min，2 000 r/min。

4.1 濾波頻率確定

為了確定檢測(cè)系統(tǒng)的濾波頻率，需要對(duì)原始的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，對(duì)比非爆震工況和爆震工況下的頻譜圖，以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震特征頻率范圍。本研究對(duì)1 700 r/min，進(jìn)氣歧管壓力分別為60 kPa和80 kPa時(shí)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，其中進(jìn)氣歧管壓力80 kPa為爆震工況。結(jié)果表明：爆震工況下幅值在10～12 kHz頻率范圍存在一個(gè)明顯的峰值(見(jiàn)圖5)；而非爆震工況下峰值對(duì)應(yīng)的頻率在5 kHz以下(見(jiàn)圖6)。因此設(shè)置系統(tǒng)濾波參數(shù)，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行10～12 kHz帶通濾波處理。

圖5 1 700 r/min，80 kPa工況機(jī)體振動(dòng)信號(hào)頻譜圖

圖6 1 700 r/min，60 kPa工況機(jī)體振動(dòng)信號(hào)頻譜圖

4.2 爆震閾值確定

爆震閾值主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)在未發(fā)生爆震時(shí)各種振動(dòng)源引起的振動(dòng)，所取的閾值比正常振動(dòng)的積分電壓稍高即可。本檢測(cè)系統(tǒng)在上述6種工況下得到的振動(dòng)信號(hào)積分電壓見(jiàn)圖7。

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒循環(huán)變動(dòng)導(dǎo)致每個(gè)循環(huán)的機(jī)體振動(dòng)存在差別，4種非爆震工況的積分電壓均在小范圍內(nèi)波動(dòng)。從多個(gè)循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，1 700 r/min，進(jìn)氣歧管壓力60 kPa，70 kPa工況和2 000 r/min，進(jìn)氣歧管壓力60 kPa，70 kPa工況的積分電壓分別在19，20和26，27上下波動(dòng)。在進(jìn)氣歧管壓力為80 kPa，轉(zhuǎn)速分別為1 700 r/min和2 000 r/min兩種爆震工況下，發(fā)生爆震時(shí)的積分電壓約為72，兩者相差不多，均明顯大于非爆震情況。不同的是轉(zhuǎn)速1 700 r/min時(shí)發(fā)生爆震的次數(shù)要多于2 000 r/min時(shí)，這是因?yàn)榈娃D(zhuǎn)速時(shí)掃氣差，缸內(nèi)溫度、壓力較高，同時(shí)空氣流動(dòng)慢使得火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，發(fā)生爆震的傾向更大。

圖7 各工況發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)積分電壓曲線

比較1 700 r/min，進(jìn)氣歧管壓力60 kPa和70 kPa時(shí)的積分電壓(見(jiàn)圖7a)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，積分電壓隨著負(fù)荷的增加而增大，但是漲幅僅為5%左右，所以負(fù)荷對(duì)積分電壓以及爆震閾值的影響很小。分析2 000 r/min時(shí)的數(shù)據(jù)也得到相同結(jié)論。因?yàn)樵诜潜鸸r下，燃燒引起的振動(dòng)幅值在爆震特征頻率范圍內(nèi)較小，所以在轉(zhuǎn)速相同時(shí)，可以認(rèn)為爆震閾值是不變的。

對(duì)比圖7a和圖7b，發(fā)現(xiàn)積分電壓隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)體振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速的升高而增強(qiáng)，所以相應(yīng)的爆震閾值需要隨之提高。最終確定1 700 r/min和2 000 r/min轉(zhuǎn)速下的爆震閾值分別為25和30。

4.3 在線檢測(cè)試驗(yàn)

在完成對(duì)濾波頻率和爆震閾值的設(shè)置后，本系統(tǒng)在各工況下監(jiān)測(cè)到的濾波后的機(jī)體振動(dòng)信號(hào)如圖8和圖9所示。在整個(gè)工作循環(huán)中，振動(dòng)信號(hào)均存在1個(gè)主峰和2個(gè)副峰，分別對(duì)應(yīng)1號(hào)缸和其他2缸的壓縮上止點(diǎn)。各峰值對(duì)應(yīng)的相位與理論結(jié)果一致，表明本系統(tǒng)可以正確顯示振動(dòng)信號(hào)。通過(guò)多次爆震試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在進(jìn)氣歧管壓力為60 kPa和70 kPa時(shí)爆震頻率小于1%，判定發(fā)動(dòng)機(jī)不發(fā)生爆震；在進(jìn)氣歧管壓力為80 kPa，轉(zhuǎn)速1 700 r/min和2 000 r/min時(shí)爆震頻率分別為7%和4%，判定發(fā)生爆震。

圖8 1 700 r/min不同進(jìn)氣歧管壓力下的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)

圖9 2 000 r/min、不同進(jìn)氣歧管壓力下的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)

圖10和圖11示出各試驗(yàn)工況下的缸壓曲線，結(jié)果表明：試驗(yàn)工況下，進(jìn)氣歧管壓力為80 kPa時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆震，且1 700 r/min時(shí)爆震傾向更大；其他工況均屬于非爆震工況。檢測(cè)系統(tǒng)所得結(jié)論與缸壓曲線分析結(jié)果一致，因此可以驗(yàn)證本系統(tǒng)可以有效地進(jìn)行爆震在線檢測(cè)。

圖10 1 700 r/min、進(jìn)氣歧管壓力70 kPa和80 kPa工況缸壓曲線

圖11 2 000 r/min、進(jìn)氣歧管壓力80 kPa工況缸壓曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

在工控機(jī)的控制下，基于軟件LabVIEW設(shè)計(jì)了信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、爆震判別模塊及數(shù)據(jù)保存模塊，完成了一種基于機(jī)體振動(dòng)檢測(cè)的汽油機(jī)爆震在線檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有較高爆震識(shí)別精度和經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)，同時(shí)可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)和運(yùn)行工況調(diào)節(jié)相位、濾波頻率和爆震閾值，具備良好的通用性。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該檢測(cè)系統(tǒng)能夠有效地進(jìn)行爆震狀態(tài)的在線判別。