基于HIP9011的二沖程煤油發動機爆震識別系統研究

劉景陽，盛 敬

（1.南京航空航天大學能源與動力學院，南京210016；2.江西省精密驅動與控制重點實驗室南昌工程學院機械與電氣工程學院，南昌330099）

基于HIP9011的二沖程煤油發動機爆震識別系統研究

劉景陽1，盛 敬2

（1.南京航空航天大學能源與動力學院，南京210016；2.江西省精密驅動與控制重點實驗室南昌工程學院機械與電氣工程學院，南昌330099）

為了解決中強度爆震影響二沖程煤油發動機的使用安全性、動力性和經濟性的問

二沖程煤油發動機；爆震識別系統；內稟模態特征能量法；爆震特征頻率；爆震信號檢測區間；HIP9011芯片

doi：10.3969／j.issn.1674－8425（z）.2016.12.010

隨著無人機及低空小型飛行器的發展，煤油活塞發動機是當前小型航空活塞發動機的熱點。與同排量汽油發動機相比，電控二沖程煤油發動機具有功率高、加速性好、結構簡單、質量輕、成本低等優點［1］，特別適合小型無人機、超輕型飛機和動力翼傘等飛行器的動力裝置［2］。煤油在運輸、使用安全性、油料管理和價格等方面都有優勢［3］。但煤油抗爆性能差［4］，連續且強烈的爆震會使汽缸蓋及活塞頂部等處過熱，造成發動機機體及其零部件損毀［5］。二沖程煤油發動機的使用安全性、動力性能和經濟性能受到強烈爆震的極大影響。僅僅依靠發動機缸蓋溫度的變化和人的主觀經驗判斷爆震是否發生比較困難，因此，設計了二沖程煤油發動機爆震識別系統，實現了在線實時判斷二沖程煤油發動機的工作狀態，在保障發動機的安全性方面具有重要的研究意義［6－10］。

1 二沖程煤油發動機爆震識別系統的組成

為了實現煤油發動機爆震識別系統的通用化，對二沖程煤油發動機爆震識別系統進行了模塊化設計，使其便于在其他型號發動機上進行移植使用。系統主要包括爆震信號采集模塊、下位機模塊和上位機模塊，如圖1所示。

據圖1可知：發動機的機體振動傳感器采集到的機體振動信號直接輸入給爆震識別系統，爆震信號處理單元根據設定好的開、關窗時間對機體振動信號進行濾波、放大和積分處理，將其處理成一模擬電壓量，再通過A／D轉換后送給下位機單元處理，判斷發動機的爆震狀態及爆震強度，并通過串口通訊實時與上位機系統通訊。

圖1 二沖程煤油發動機爆震識別系統

2 爆震中心頻率的提取及HIP9011芯片開、關窗時刻的確定

2.1 爆震中心頻率的提取

在進氣溫度為301 K，轉速為5 000 r／min的工況下進行了二沖程煤油發動機的臺架試驗。在實驗中采集了發動機的機體振動信號。本文進行爆震信號特征提取的是發生爆震時的機體振動加速度信號，信號的時域圖如圖2所示。由圖2可知：采集到的機體振動信號中摻雜著很多干擾噪聲信號。

圖2 爆震的機體振動加速度信號時域圖

為了從發生爆震時的機體振動信號中準確提取出爆震特征頻率，采用內稟模態特征能量法進行分析。首先，對爆震的機體振動加速度信號進行經驗模態分解，得到7階內稟模態函數分量和殘余分量，如圖3所示，其中，IMF1～IMF7為內稟模態函數分量，R為殘余分量。

圖3 爆震的機體振動加速度信號的7階內稟模態函數分量與殘余分量

應用內凜模態特征能量法分別計算從機體振動信號中分離出來的7階內稟模態函數分量的能量，得到其各階內稟模態函數分量的能量值及其所占的權重值，如表1所示。7階內稟模態函數分量的能量分布如圖4所示。

表1 爆震的機體振動加速度信號7階內稟模態函數分量能量及能量權重值

由表1與圖4可知：二沖程煤油發動機發生爆震時的機體振動信號的第2階內稟模態函數分量IMF2在各階的內稟模態函數分量的能量中最大，占總能量的47.62%，即在各階內稟模態函數分量中占主導地位。因此，采用功率譜密度估計法對第2階內稟模態函數分量IMF2進行分析，得到IMF2的功率譜密度曲線，如圖5所示。

圖4 爆震時的機體振動加速度信號的7階內稟模態函數分量的能量

圖5 爆震時的機體振動加速度信號的IMF2分量功率譜密度曲線

由圖5可知：IMF2分量的功率譜密度曲線峰值對應的橫坐標為15.63 kHz，從而可以知道發生爆震時的爆震信號的爆震中心頻率為15.63 kHz。根據HIP9011芯片說明書，本文選取爆震中心頻率為15.84 kHz，帶寬濾波范圍為±1 kHz。

2.2 HIP9011芯片開、關窗時刻的選取

根據大量實驗數據的研究發現，爆震現象大多發生在上止點后一定角度內，所以，為了確保爆震信號檢測區間內盡量包含更多的爆震信號，本文對二沖程煤油發動機在5 000 r／min、節氣門開度為51.9%時正常工作循環和爆震工作循環的缸內壓力信號進行對比分析，結果如圖6所示。

圖6 無爆震與強烈爆震的缸內壓力信號

根據圖6可知，在壓縮上止點后5～90°是出現缸內壓力波震蕩的主要區間，因此，本文設置爆震信號檢測區間與之對應，在爆震信號檢測期間應用HIP9011芯片對機體振動信號進行積分處理，這樣既減少干擾信號的影響，又提高了對二沖程煤油發動機爆震的檢測精度。

3 爆震識別系統的設計

設計的二沖程煤油發動機爆震識別系統方框圖如圖7所示，包括信號采集模塊、HIP9011芯片處理模塊和英飛凌xc2765x芯片的分析處理模塊。

3.1 硬件系統設計

3.1.1 曲軸位置傳感器信號調理電路

對曲軸位置傳感器采集到的信號進行濾波處理，使其傳輸給英飛凌xc2765x芯片的信號更平穩，并可排除干擾信號，如圖8所示。

圖7 爆震識別系統方框圖

圖8 曲軸位置傳感器信號調理電路

3.1.2 HIP9011芯片調理電路

機體振動傳感器采集到的機體振動信號直接傳給HIP9011芯片分析處理，把其處理成一模擬電壓量載傳輸給英飛凌xc2765x芯片處理，通過SPI串行通訊接口進行芯片間的通訊，HIP9011芯片調理電路如圖9所示。

3.2 軟件系統設計

軟件系統的設計包括下位機軟件的設計和上位機軟件的設計，通過相互的配合才能實現發動機爆震狀態的識別及其爆震強度的判斷。

3.2.1 下位機軟件的設計

采用模塊化設計的思想設計各個模塊的程序，這樣既方便調試，也方便日后的維護升級。下位機的程序設計主要包括曲軸位置信號處理、SPI通訊、AD采集、爆震閥值更新、爆震狀態識別和爆震強度判斷以及串口通訊等模塊。

根據采集到曲軸位置傳感器信號確定當前發動機轉速及HIP9011芯片積分／保持模式的時間，并通過SPI通訊寫入控制字給HIP9011芯片，這樣HIP9011芯片就可以對機體振動信號進行分析處理，并把每個工作循環的電壓積分值傳輸給xc2765x芯片處理。

圖9 HIP9011芯片調理電路

考慮到發動機長時間運行后，受到機械磨損、燃油更換、轉速和負荷等情況的變化，即使相同等級的爆震強度，機體振動傳感器測得的信號大小也會發生變化，如果閾值一直固定不變有可能引起誤判，因此，本文采取一種能跟隨發動機工作條件變化改變爆震閥值的方法，如圖10所示。

圖10 爆震判斷流程

本研究利用爆震率P來評價爆震強度，即通過計算一定循環內發生爆震的循環所占的比例來判斷當前發動機的爆震強度。通過查閱其他參考文獻，本文對爆震強度的評價指標做以下定義：無爆震P＜1%；輕微爆震1%≦P≦5%；中等爆震5%＜P≦10%；強烈爆震P＞10%。

3.2.2 上位機軟件的設計

本文應用LABVIEW軟件設計了上位機系統，通過自定義協議與下位機進行通訊，實時顯示當前發動機的某些狀態參數，使實驗人員能清晰地了解當前發動機的工作狀態。上位機系統界面如圖11所示。

圖11 上位機系統界面

4 爆震識別系統臺架實驗及結果分析

通過發動機臺架試驗驗證二沖程煤油發動機爆震識別系統的功能及其準確性。首先，分析大量試驗數據發現轉速為5 000 r／min、節氣門開度為51.9%、點火提前角為25°的發動機工況為正常工作狀態，當點火提前角增加5°時，發動機工況變為強烈爆震狀態。基于上述結果，本文采取重復相同的工況來驗證二沖程煤油發動機爆震識別系統是否能實時、準確地識別出發動機的爆震狀態。

圖12為點火提前角為25°時，二沖程煤油發動機爆震識別系統的工作情況和點火提前角增加5°時，二沖程煤油發動機爆震識別系統的工作情況。

圖12 爆震識別系統臺架實驗結果

經過對大量試驗數據的分析，二沖程煤油發動機在轉速為5 000 r／min、節氣門開度為51.9%、點火提前角為25°時，發動機工作在正常工況；當點火提前角增加5°時有強烈爆震現象產生，從而驗證了該二沖程煤油發動機爆震識別系統的功能。

5 結束語

本文應用內稟模態特征能量法對采集到的機體振動信號進行分析處理，準確地提取出了爆震中心頻率；同時，對采集到的缸內壓力曲線進行對比分析，確定了HIP9011芯片開、關窗的時刻。在此基礎上設計了爆震識別系統，包括硬件系統、下位機軟件系統和上位機系統。搭建了二沖程煤油發動機爆震識別系統實驗臺架，并進行了測試實驗。實驗結果表明：爆震識別系統能準確識別出當前發動機的爆震狀態，并準確判斷當前發動機的爆震強度，可實時地在上位機界面上顯示發動機的狀態參數。

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［3］ CATHCART G，DICKSON G，AHERN S.The application of aie-assist direct injection for spark-ignited heavy fuel 2-stroke and 4-stroke engines［C］／／SAE 2005-32-0065，2005.

［4］ ZHEN X D，WANG Y，XU SQ，et al.The engine knock analysis-an overview［J］.Applied Energy，2012，92：628-636.

［5］ FALKOWSKID T，ABATE D L，CHO P.The performance of a spark-ignited stratified-charge two stroke engine operating on a kerosene based aviation fuel［C］／／SAE 972737，1997.

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［9］ 王春豐，魏民祥.二沖程煤油發動機電控單元的設計與試驗研究［J］.測控技術，2013，32（8）：91-94.

［10］盛敬，魏民祥，孫文斌，等.二沖程煤油發動機爆震在線監控系統設計與試驗研究［J］.測控技術，2014，33（8）：18-22.

（責任編輯劉 舸）

Research on Knock Identification System of Two Stroke Kerosene Engine Based on HIP9011

LIU Jing-yang1，SHENG Jing2

（1.College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanchang Institute of Technology，Nanchang 330099，China）

In order to solve the knock intensity limit the use of safety，power and economic issues in heavy two-stroke engine，this research designed two-stroke kerosene engine knock recognition systembased HIP9011.It can identify shock state of the two-stroke kerosene engine explosion rapidly and accurately，and established a good foundation for the two-stroke kerosene engine knock control.This paper used intrinsic modal feature energy method to extract the detonation characteristic frequency of the body vibration signal and determined the detection range of the knock signal according to the cylinder pressure curve.Two-stroke kerosene engine knock detection system is designed based on Infineon cx2765x chip and the HIP9011 chip，and it designed PC system to display the operating state of the engine by using LabVIEW.A two-stroke kerosene engine test bench was setup and tested.The experimental results show that the knock detection system can accurately judge the engine knock status and knock intensity.

two-stroke kerosene engine；knock identification system；intrinsic modal feature energy method；knock characteristic frequency；knock signal detection range；HIP9011 chip.

10.3969／j.issn.1674－8425（z）.2016.12.010題，設計了基于HIP9011的二沖程煤油發動機爆震識別系統，以便快速、準確地識別出二沖程煤油發動機爆震狀態以及爆震強度，為二沖程煤油發動機爆震控制打下良好的基礎。應用內稟模態特征能量法提取機體振動信號的爆震特征頻率，并根據缸內壓力曲線確定爆震信號檢測區間。采用英飛凌cx2765x芯片與HIP9011芯片設計了二沖程煤油發動機爆震識別系統，并應用LABVIEW設計了上位機系統來實時顯示發動機的工作狀態。搭建了二沖程煤油發動機實驗臺架并進行了爆震識別系統的測試實驗。實驗結果表明：爆震識別系統能準確地判斷發動機的爆震狀態及其爆震強度，并實時在上位機系統中顯示。

V263.3；TP277

A

1674－8425（2016）12－0063－06

2016－03－12

江蘇省2015年度普通高校研究生科研創新計劃資助項目（KYLX15＿0262）；江西省精密驅動與控制重點實驗室開放課題（PLPDC-KFKT-201620）

劉景陽（1990—），男，安徽人，碩士研究生，主要從事發動機動力性研究，E-mail：1072885106＠qq.com；通訊作者盛敬（1980—），女，山東人，講師，主要從事發動機數值模擬與控制研究，E-mail：shengjing6307＠163.com。

劉景陽，盛敬.基于HIP9011的二沖程煤油發動機爆震識別系統研究［J］.重慶理工大學學報（自然科學），2016（12）：63－68.

format：LIU Jing-yang，SHENG Jing.Research on Knock Identification System of Two Stroke Kerosene Engine Based on HIP9011［J］.Journal of Chongqing University of Technology（Natural Science），2016（12）：63－68.