基于氣缸蓋振動信號識別的發動機轉速測算方法

陳明 張小明 周東翔

摘 要：要進行發動機狀態評估，發動機實時轉速是不可或缺的參數，而在一些老舊裝甲車上并未安裝轉速傳感器，要對發動機進行不解體測速非常困難。為解決該問題，本文提出了基于發動機氣缸蓋振動信號識別的發動機轉速測試方法，并在不同工況下多次實驗對該方法進行了驗證，證明了該算法在各種工況下的的正確性和普遍適用性。

關鍵詞：發動機；轉速測量；振動信號識別

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.004

在進行發動機狀態評估時，轉速是不可或缺的重要參數。無論是通過監測缸壓，還是監測排氣溫度等，甚至基于多參數信息融合的發動機狀態評估，各參數的評估都必須在同轉速的情況下進行[1]。近年來，用于監測發動機瞬時轉速的傳感技術已趨成熟，霍爾效應測速法、激光傳感器測速、光電碼盤測速法、表面位移測量等均能取得良好的測試結果[2，3]，可以實現發動機瞬時轉速的精確測量。但在一些老舊裝備上，由于設計時并未考慮測速需求，要對發動機進行不解體安裝速度傳感器非常困難。

為解決老舊裝甲車難于測速的問題，本論文提出從發動機氣缸蓋振動信號中提取噴油器針閥落座信號進行發動機轉速測試的方法，實現對發動機實時轉速的測量。

氣缸蓋振動信號識別本論文選用某型裝甲車輛發動機進行實驗，該發動機為V型6缸水冷式發動機，發動機標定轉速2200r/min，起動轉速在800r/min左右。

測點位置選擇如圖1所示左一缸氣缸蓋下方一表面平坦處，該測點距離噴油器針閥較近，且傳感器安裝方向與活塞運行方向平行，此方向與噴油器針閥落座激勵的方向基本一致，且該測點距離噴油器針閥位置較近，能最大程度上測取到發動機氣缸噴油器針閥落座信號。采樣頻率設置為100k。

在發動機運行過程中，眾多激勵源均能引起氣缸蓋振動，導致發動機氣缸蓋振動信號蘊含了豐富的發動機運轉信息。仔細觀察發動機氣缸蓋振動信號波形，可以觀察到其大致呈準周期性，有幾個激勵總是周期性地出現在波形中，結合史玉鵬的發動機工作機理分析[4]可以知道，信號中幾個引起突變的激勵包括氣缸爆發、噴油器針閥落座、進排氣門開閉等，而由于噴油器針閥需要將柴油高壓快速地噴射進氣缸實現柴油的良好霧化，所以噴油器針閥始終處于在極高壓的工作狀態，噴油器針閥落座響應也成為這幾個激勵中尤其明顯的一個。

截取一段該發動機的氣缸蓋振動信號如圖1所示，圖中C1，C2，C3以及O點均為測點所在缸（本文中為左1缸）噴油器針閥落座激勵，而A1、A2、A3和B1、B2、B3分別為同側遠缸（本文中為左3缸）和鄰缸（本文中為左2缸）噴油器針閥落座激勵。通過圖2可以看出，在一段氣缸蓋振動信號中搜索定位噴油器針閥落座激勵是比較容易的，同時，也可以分析出從O→C1，C1→C2，C2→C3各為一個發動機運轉周期，而每一個發動機運轉周期代表發動機輸出軸轉兩圈。由此得出結論，通過識別噴油器針閥落座信號可以推算出發動機的實時轉速。

1 實時轉速的求取

1.1 穩態工況下實時轉速求取

根據上文分析，由于噴油器針閥落座激勵明顯強于其他激勵的性質，且正常情況下一個發動機運轉周期只有一次噴油器針閥落座信號，所以本文以相鄰兩次噴油器針閥落座信號作為一個發動機運轉周期的起始點和結束點，通過不斷搜索定位本缸（本文中指左1缸）的噴油器針閥落座信號在時域中的位置推算出一個周期的時間長度，從而計算發動機實時轉速。具體算法流程如圖3所示：

選取一段裝甲車輛停止間發動機轉速穩定在800r/min左右的氣缸蓋振動信號驗證算法的正確性，計算結果如圖4所示，計算結果轉速穩定在800r/min左右，符合實際情況，基本可以確定計算結果的正確性。

1.2 算法的優化

圖2中所提出的算法雖然在穩態工況下較好的計算出了發動機實時轉速，但在實際工作狀態下往往難以保證計算結果的正確性，原因有如下幾點：（1）對處于變速情況下的發動機無法準確計算其實時轉速；（2）非穩態工況導致信號變化，如圖5所示為發動機處于從1000r/min向1200r/min加速的過程中，藍色圖形為發動機實時振動信號，圖中紅線為本缸噴油器針閥落座信號所處的位置，從圖中可以看到由于非平穩狀態導致A、B、C三個周期內出現了鄰缸噴油器針閥落座的信號強度大于本缸噴油器針閥落座響應信號的現象；（3）發動機二次噴油，在發動機實際使用過程中，有時會出現二次噴油導致在短時間內出現兩次噴油器針閥落座信號。針對這兩種情況，如果不對算法進行優化，將導致計算結果出現較大的偏差。

為解決上述問題，在仔細分析發動機實際使用規律后，本文提出縮小周期結束點尋址范圍的方法，從而有效避免上述錯誤信號被判定為周期結束點的情況發生。

發動機在使用過程中，其轉速變化是需要一定時間的，并不會從0瞬間加速到最大速度。在加速過程中，相鄰兩周期的時間長之比必然不會超過某個固定的取值范圍。該取值范圍于發動機急加速特性有關，急加速時間長，該取值范圍小，反之則大，減速過程同理。而在振動信號分析中，確定了相鄰兩周期的時間長之比的取值范圍則可以在已知上一周期時間長的情況下確定后一周期結束點的尋址范圍。

為確定相鄰兩周期的時間長之比的取值范圍，本文測取了多組該型發動機急加速急減速過程中的振動信號，并選取其中加速時間最短的一組作為分析依據。在充分分析該組數據加速過程中每兩個相鄰周期時間長之比后，發現其取值范圍為（0.87，1.13）。雖然這已經是急加速時的取值范圍，可以認為該范圍已經是周期結束點的取值最大范圍，但為保證實驗中若出現意外點時該算法仍然能夠將其找到，在優化算法中將此范圍稍擴大，可以認為：第i個周期結束點的尋址范圍必然在（ti-1+0.85*Ti-1，ti-1+1.15*Ti-1）。

經改進后的算法如圖6所示。