汽油機爆震在線檢測系統設計與試驗

張志謀，鄭圣彬，陶文輝，楊濤，陳京瑞，石磊

(1.上海交通大學動力機械與工程教育部重點試驗室，上海 200240；2.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108)

由于振動噪聲小、升功率高和結構緊湊等優點，汽油機在汽車工業領域的地位十分重要，但其經濟性的改善和功率的提升，均受到爆震這個關鍵因素的制約[1]。經研究發現：當發生輕微爆震時，燃燒過程更接近定容燃燒，發動機的功率和熱效率均有所提高[2]。而強烈的爆震會引起一系列的問題，如發動機過熱、零件應力增加、輸出功率降低及排放水平惡化等[3-4]。因此如何將發動機控制在輕微爆震，同時避免強烈爆震是發動機應用領域一大技術挑戰。

在進行汽油機臺架試驗時，通常采用檢測缸內壓力的方法來進行發動機的爆震檢測，但其傳感器價格昂貴，尤其是用于多缸汽油機時，爆震檢測的成本大大增加。因此設計了汽油機爆震在線檢測系統，該檢測系統通過比較發動機機體的振動信號積分電壓與爆震閾值，對發動機爆震狀況進行在線判別，并計算出爆震發生頻率，進而評價發動機的爆震強度，為進一步研究爆震的控制奠定基礎。

1 爆震檢測

爆震也稱為“敲缸”，一般認為是缸內末端混合氣在火焰前鋒面到達之前的快速自燃現象[5-6]。發生爆震時，燃燒室內火焰前鋒變得極不規則，火焰傳播速率急劇增大；對外表現為機體產生強烈振動并發出金屬敲擊聲[7]。

1.1 檢測方法

目前，國內外爆震檢測應用比較成熟的方法可以分為缸內氣體壓力檢測、機體振動檢測、離子電流檢測和爆震聲音檢測這4種檢測方法，其中前兩種方法最為實用[8]。

基于缸內壓力的爆震檢測是在缸內安裝壓力傳感器，可以直接提取爆震信號，信噪比高，爆震識別也更為準確；但其傳感器價格高昂，安裝復雜且使用壽命短，極大地限制了該檢測方法的廣泛使用。基于機體振動的爆震檢測方法是在機體外部安裝爆震傳感器，應用的傳感器價格較低，安裝簡單且操作方便,但容易受到非爆震燃燒引起的振動的影響，信噪比不如前者，爆震的識別精度較低。

1.2 爆震在線檢測系統工作原理

汽油機爆震在線檢測系統由爆震傳感器、轉速傳感器、數據采集卡和工控機組成，系統結構示意見圖1。

圖1 爆震在線檢測系統結構示意

檢測系統采用基于機體振動檢測的爆震識別方法。爆震傳感器和轉速傳感器采集發動機的振動信號和轉速信號，數據采集卡對信號進行模數轉換后傳輸到工控機，在工控機中再通過LabVIEW對振動信號進行濾波、整流及積分處理，最后將積分電壓與爆震閾值比較，即可進行爆震狀態的判定。本檢測系統既保留了基于機體振動檢測的經濟性優勢，又通過軟件對信號進行處理，提高了爆震識別精度。

2 爆震在線檢測系統硬件

本檢測系統主要硬件包括爆震傳感器、轉速傳感器、數據采集卡和工控機。

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型，其中壓電式在實際中運用最為廣泛。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，其輸出的信號電壓較高，無需濾波處理；而非共振型輸出的信號電壓較低，但具有平的輸出特性且頻帶較寬，可以適用于不同發動機爆震檢測[10]。綜合考慮檢測系統的實用性和通用性，本檢測系統采用非共振型壓電式爆震傳感器，其結構見圖2。

圖2 非共振型壓電式爆震傳感器結構

2.2 轉速傳感器

轉速傳感器采用HN90非接觸光電式轉速傳感器。該傳感器利用光電反射原理，當傳感器識別到反射光，即輸出高電平，其內部裝有放大整形電路，輸出為幅度穩定的方波信號，具有分辨率高、距離遠、頻響寬、可靠性高等優點。在檢測前，將反光片粘貼在飛輪上，通過調整反光片和傳感器的相對位置，使得當1號缸處于上止點時傳感器輸出高電平。檢測時，通過識別反光片反射的光信號，就可以識別上止點，進而確定爆震檢測窗口。

2.3 數據采集卡

數據采集卡選用NI USB-6216高精度數據采集卡，其數據線可以直接與工控機的USB接口連接。該數據采集卡主要指標為16路單端輸入通道或8路差分輸入通道，時間分辨率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 爆震在線檢測系統軟件

LabVIEW是一種基于G(Graphic)語言的虛擬儀器軟件開發環境，在學術和工業領域廣泛用作開發儀器控制軟件、分析軟件及數據采集系統的標準語言[11]。本研究使用自行編寫的LabVIEW程序作為爆震在線檢測程序，主要包括信號采集模塊、信號處理模塊、爆震判別模塊以及數據保存模塊(見圖3)。

圖3 軟件系統結構

3.1 界面設計

本系統最多可以支持8缸汽油機的爆震在線檢測，其操作界面見圖4。當檢測某一特定發動機時，根據其型號輸入各缸相對相位即可(其中1號缸相位為0)，而高、低截止頻率和爆震閾值則需要通過試驗以及分析振動信號才能確定。

圖4 爆震檢測系統操作界面

點擊“開始檢測”按鈕即可觀測到發動機各缸實時的振動信號以及最近100個工作循環發生爆震的頻率。波形圖顯示的是各個氣缸在各自一個工作循環內的爆震信號，其中橫坐標為曲軸相位，縱坐標為濾波后的振動信號。各缸的爆震信號積分電壓會通過面板左下方的數值和進度條同時顯示。當積分電壓大于爆震閾值時，與該缸對應的報警燈會變紅。在選擇完存盤路徑后，點擊“開始存盤”，即可對采集到的爆震信號和爆震頻率進行文本存檔，以便后續離線查看數據。

3.2 信號采集模塊

信號采集模塊主要負責采集過程的采樣設置和后續的數據采集。采樣設置包括采樣通道、采樣模式和采樣頻率的設置。采樣通道包含機體振動信號和轉速信號，設置采樣模式為連續采樣。根據采樣定理，為保證采樣后數據采集卡輸出的離散時間序列信號復現輸入信號時不失真，采樣頻率不能低于輸入信號頻率的2倍。通常汽油機的爆震特征頻率為5～15 kHz，故本檢測系統將采樣率設置為30 kHz。完成如上的采樣設置，運行程序即可進行信號采集。

3.3 信號處理模塊

信號處理模塊的主要目的是通過軟件處理，提取爆震特征頻率范圍內的振動信號。首先確定爆震檢測窗口。除了燃料的爆燃，活塞、氣門、曲軸和凸輪軸等運動部件的碰撞也會導致缸體的振動，尤其在發動機高速運行時，氣門閉合引起的高頻振動會對爆震檢測產生很大的干擾。為了提高對爆震的識別精度，可以通過設置爆震檢測窗口，來減小運動部件產生的振動對爆震檢測的影響。爆震檢測窗口一般選取為從壓縮上止點開始的幾十度范圍[12]。

提取出檢測窗口內的振動信號后，進行濾波和整流處理。爆震傳感器采集到的信號包含各種頻率的電壓信號，須先經過濾波處理，只允許爆震特征頻率范圍內的振動信號通過，將其他振動源引起的振動信號濾去，從而提高信噪比，降低干擾。發生相同爆震時，不同的濾波頻率會得到不同的振動信號，因此濾波頻率的設置會直接影響振動信號積分電壓的大小，從而影響爆震的判別。因此，為了有效地排除干擾，本檢測濾波的截止頻率可以根據具體發動機和實際運行環境進行調節。然后對濾波后的振動信號整流，將信號電壓全部轉變為正電壓，為下一步求積分電壓作準備。

3.4 爆震判別模塊

基于機體振動的檢測方法通常通過比較振動信號的峰值和閾值來判別爆震。為了提高爆震識別精度，本系統用爆震信號積分電壓來代替峰值。

對爆震檢測窗口中濾波整流后的振動信號進行積分計算，即可得到積分電壓。當積分電壓大于爆震閾值時，報警燈報警，且爆震次數加1，將各缸爆震次數相加，易得爆震頻率。爆震強度以超過閾值的次數計量，其次數越多，則爆震強度越大；次數越少，爆震強度越小。

4 試驗分析

本研究利用汽油機爆震在線檢測系統采集了某3缸汽油機6種工況下1號缸的振動信號。進行爆震試驗時保持點火提前角25°曲軸轉角不變，進氣歧管壓力分別為60，70，80 kPa，轉速分別為1 700 r/min，2 000 r/min。

4.1 濾波頻率確定

為了確定檢測系統的濾波頻率，需要對原始的振動信號進行頻譜分析，對比非爆震工況和爆震工況下的頻譜圖，以獲得發動機的爆震特征頻率范圍。本研究對1 700 r/min，進氣歧管壓力分別為60 kPa和80 kPa時的振動信號進行頻譜分析，其中進氣歧管壓力80 kPa為爆震工況。結果表明：爆震工況下幅值在10～12 kHz頻率范圍存在一個明顯的峰值(見圖5)；而非爆震工況下峰值對應的頻率在5 kHz以下(見圖6)。因此設置系統濾波參數，對振動信號進行10～12 kHz帶通濾波處理。

圖5 1 700 r/min，80 kPa工況機體振動信號頻譜圖

圖6 1 700 r/min，60 kPa工況機體振動信號頻譜圖

4.2 爆震閾值確定

爆震閾值主要取決于發動機在未發生爆震時各種振動源引起的振動，所取的閾值比正常振動的積分電壓稍高即可。本檢測系統在上述6種工況下得到的振動信號積分電壓見圖7。

由圖7可以發現，發動機的燃燒循環變動導致每個循環的機體振動存在差別，4種非爆震工況的積分電壓均在小范圍內波動。從多個循環試驗數據可以發現，1 700 r/min，進氣歧管壓力60 kPa，70 kPa工況和2 000 r/min，進氣歧管壓力60 kPa，70 kPa工況的積分電壓分別在19，20和26，27上下波動。在進氣歧管壓力為80 kPa，轉速分別為1 700 r/min和2 000 r/min兩種爆震工況下，發生爆震時的積分電壓約為72，兩者相差不多，均明顯大于非爆震情況。不同的是轉速1 700 r/min時發生爆震的次數要多于2 000 r/min時，這是因為低轉速時掃氣差，缸內溫度、壓力較高，同時空氣流動慢使得火焰傳播速度慢，發生爆震的傾向更大。

圖7 各工況發動機振動信號積分電壓曲線

比較1 700 r/min，進氣歧管壓力60 kPa和70 kPa時的積分電壓(見圖7a)，發現轉速相同時，積分電壓隨著負荷的增加而增大，但是漲幅僅為5%左右，所以負荷對積分電壓以及爆震閾值的影響很小。分析2 000 r/min時的數據也得到相同結論。因為在非爆震工況下，燃燒引起的振動幅值在爆震特征頻率范圍內較小，所以在轉速相同時，可以認為爆震閾值是不變的。

對比圖7a和圖7b，發現積分電壓隨著轉速的增加而增大。因為發動機正常運行時，機體振動隨轉速的升高而增強，所以相應的爆震閾值需要隨之提高。最終確定1 700 r/min和2 000 r/min轉速下的爆震閾值分別為25和30。

4.3 在線檢測試驗

在完成對濾波頻率和爆震閾值的設置后，本系統在各工況下監測到的濾波后的機體振動信號如圖8和圖9所示。在整個工作循環中，振動信號均存在1個主峰和2個副峰，分別對應1號缸和其他2缸的壓縮上止點。各峰值對應的相位與理論結果一致，表明本系統可以正確顯示振動信號。通過多次爆震試驗發現：在進氣歧管壓力為60 kPa和70 kPa時爆震頻率小于1%，判定發動機不發生爆震；在進氣歧管壓力為80 kPa，轉速1 700 r/min和2 000 r/min時爆震頻率分別為7%和4%，判定發生爆震。

圖8 1 700 r/min不同進氣歧管壓力下的發動機振動信號

圖9 2 000 r/min、不同進氣歧管壓力下的發動機振動信號

圖10和圖11示出各試驗工況下的缸壓曲線，結果表明：試驗工況下，進氣歧管壓力為80 kPa時，發動機發生爆震，且1 700 r/min時爆震傾向更大；其他工況均屬于非爆震工況。檢測系統所得結論與缸壓曲線分析結果一致，因此可以驗證本系統可以有效地進行爆震在線檢測。

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

圖11 2 000 r/min、進氣歧管壓力80 kPa工況缸壓曲線

5 結束語

在工控機的控制下，基于軟件LabVIEW設計了信號采集模塊、信號處理模塊、爆震判別模塊及數據保存模塊，完成了一種基于機體振動檢測的汽油機爆震在線檢測系統。該系統具有較高爆震識別精度和經濟性優勢，同時可以根據發動機型號和運行工況調節相位、濾波頻率和爆震閾值，具備良好的通用性。經過試驗驗證，該檢測系統能夠有效地進行爆震狀態的在線判別。