基于缸壓信號的EMS爆震傳感器識別能力評定

張明朗 陳曾雄 符良才 張志強 鄒康權

摘 要：早燃、爆震是發動機的非正常燃燒現象，超級爆震會在短時間內損壞發動機。根據控制策略，爆震檢測是發動機調整參數抑制爆震的基礎，而爆震特征的提取和評價是爆震檢測與控制的前提。文章通過進行發動機爆震試驗，基于EMS爆震傳感器信號識別爆震的方法進行系統研究，旨在提高EMS識別爆震精度和爆震強度，提出了爆震強度評價指標KI，最后利用基于缸壓傳感器得到的爆震因子KV對其進行驗證，結果表明：基于缸壓信號，可以對EMS爆震傳感器的識別能力進行評價，EMS選擇合適的閾值可以100%識別出重度爆震。

關鍵詞：早燃;爆震;發動機;爆震特征;爆震強度評價指標

中圖分類號：U467? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）15-154-04

Abstract： Preignition and knocking are abnormal combustion phenomenons of engine， super knocking can destroy engine in short time. On the basis with control strategy， knock detection is the foundation of engine parameter adjustment to suppress knock， knock feature extraction and intensity evaluation is the premise of knock detection and control. In this paper， engine knock test is carried out， the knock signal recognition method based on EMS knock sensor is studied systematically， the aim is to improve the accuracy and intensity of EMS knock identification， the knock intensity evaluation index KI is proposed， finally， the knock factor KV based on the cylinder pressure sensor is used to verify KI. The results show that EMS knock sensor based on cylinder pressure can evaluate knock intensity， severe knock can be 100% recognized by selecting the appropriate EMS threshold.

Keywords： Preignition; Knocking; Engine; Knock feature; Knock intensity evaluation index

CLC NO.： U467? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-154-04

前言

隨著增壓比的不斷提高以及發動機負荷的不斷增加，發動機易發生非正常燃燒現象——早燃、爆震，嚴重的超級爆震的最高爆發壓力數倍于正常燃燒的爆壓，同時還伴隨高頻的壓力振動，對發動機造成極大的傷害[1]。

整車上的爆震檢測采用是爆震傳感器，但爆震傳感器采集的機體振動信號包含大量干擾噪聲，爆震所激勵的振動信號易被淹沒在這些噪聲中，經調研ECU對發動機爆震的識別率僅為70%左右[2]。

為提高爆震識別精度，并有效識別爆震強度，本文基于爆震傳感器的信號利用功率譜密度算法確定各缸、各轉速的爆震特征頻率區域，帶通濾波后確定了爆震始點和爆震窗口，并提出了爆震強度評價指標KI，最后，利用基于缸壓傳感器得到的爆震因子KV對KI驗證了其有效性[1]。

1 爆震產生機理和檢測評價方法

1.1 爆震機理

發動機正常燃燒時，壓力曲線正常，無任何振蕩。發生爆震時火焰以極高的速度傳播，發出劇烈尖銳的敲缸聲，缸壓曲線迅速升高，隨后出現大幅度振蕩[3]，如圖1所示。

1.2 基于缸壓信號的爆震檢測評價方法

爆震時產生的壓力波可以用缸壓傳感器完整的監測到，并基本不受機體振動的影響，因此利用缸壓傳感器來識別爆震是目前最準確、有效的手段。算法采用Siemens VDO算法[4]，其流程如圖2所示。

基于Siemens VDO算法爆震因子計算公式如下[5]：

式中：PK為爆震積分能量，PN為高頻噪聲積分能量，φ0為低通信號峰值時的曲軸位置，?φ為參考窗口的寬度，30°CA[6]。

本文以KV值作為發動機爆震強度指標，來驗證后文中爆震傳感器識別爆震的強度評價結果。

2 爆震測試分析方法

2.1 發動機爆震試驗系統及試驗方案

試驗的發動機爆震試驗系統包括以下部件和設備：某2.0T發動機、發動機電控系統（EMS）、電力測功機及其控制系統、發動機水冷循環系統、機油恒溫系統、燃油供給系統、數采系統及燃燒分析儀等[1]。

爆震試驗在某款2.0T渦輪增壓、缸內直噴發動機上進行。試驗中采用壓電式爆震傳感器來檢測發動機缸體的振動頻率。發動機缸體上安裝兩個爆震傳感器，1、2缸之間裝一個（以下簡稱爆傳A），3、4缸之間裝一個（以下簡稱爆傳B），4個火花塞式缸壓傳感器。

為了對爆震傳感器進行標定和驗證，發動機裝有4個火花塞式缸壓傳感器，該類傳感器能代替火花塞，而且能將發動機機體的振動對缸壓采集的影響降到最低，便于測量爆震時的缸壓。

試驗轉速從1000r/min到5000r/min，步距為1000r/min，扭矩控制在140～160N/m。通過電控軟件調整發動機點火提前角來誘發爆震每次僅調整單缸的點火提前角誘發單缸爆震，每個轉速點下對四個缸各調整一次，調整5個轉速點，共誘發20次爆震工況。

2.2 數據預處理

同時采集了四個缸壓信號和兩個爆震傳感器信號（爆傳A和爆傳B），先對采集到的6路信號進行預處理。對單個燃燒循環的爆震傳感器信號等分成4截，每一截都覆蓋了一個缸的燃燒期，與4個缸壓信號分別對應，如圖6所示。發動機的點火順序為1-3-4-2，所以第一截爆傳A、B信號對應1缸缸壓信號，第二截爆傳A、B信號對應3缸缸壓信號，以此類推。

發動機發生爆震時，壓力波從燃燒室傳遞到兩個爆震傳感器的傳遞路徑不同，因此兩個爆震傳感器接收到的爆震信息也不一樣，以4000r/min時為例，調整單缸點火提前角以誘發爆震，共調整四次誘發四次爆震工況，如圖3所示。1、2缸爆震時，爆傳A接收到的信號幅值和響應速度大于爆傳B，3、4缸爆震時，爆傳B接收到的信號更好，原因和爆震傳感器的安裝位置有關。因此，1、2缸燃燒信息用爆傳A信號分析，3、4缸燃燒信息用爆傳B信號分析，如圖4所示。

3 爆震特征提取

3.1 時域、頻域法分析爆震特征

從測試結果中選取一組典型的爆震燃燒和正常燃燒信號進行初步分析，選取數據為2000r/min時1缸的缸壓信號和爆傳A1信號，如圖5所示。為進一步了解爆震和正常燃燒下爆震傳感器信號的頻率成分，分別對以上兩種爆震傳感器信號進行頻譜分析。爆震傳感器信號的傅里葉變換結果如圖6所示，全頻率段內，爆震所激勵的特征頻率范圍較寬，很難準確獲取爆震特征頻帶范圍。

3.2 功率譜密度法分析爆震特征

爆震傳感器信號的頻譜分析，僅僅是同一種信號的不同表示方式而已，很難得到理想的幅頻響應矩形。而功率譜是從能量的觀點對信號進行的研究。

對兩信號進行功率譜密度分析，其功率譜如圖7所示。功率譜振幅的大小代表能量的高低，為排除噪聲影響，帶寬選3kHz，區域為4.8～7.8kHz兩燃燒功率譜的差值最大，所以選其作為2000 r/min時1缸的爆震特征頻率。

進行20次功率譜密度分析后各氣缸、各轉速的爆震特征頻率區域及其中心頻率見表1。

4 識別能力研究

4.1 基于爆震傳感器的爆震強度評價

對于整車上ECU實時檢測爆震來說，計算越簡單越有利于提高計算效率，爆震芯片中也是采用積分值來對爆震強度進行評價，因此，本文提出的爆震強度評價指標KI為：

式中：N為爆震窗口內的數據點數，t0為爆震窗口始點。

式中還有一個待確定項是爆震窗口，燃燒室內發生爆震后，壓力波激起的振動通過缸體傳遞到爆震傳感器，并自由衰減，振動的持續時間只與發動機本身的結構參數有關，與曲軸轉角無關。所以在選擇爆震窗口時，將曲軸轉角轉換成時間作為衡量標準。

每個轉速點選2個爆震循環進行不同爆震窗口的爆震強度計算，計算結果如圖8所示。爆震窗口寬度的選擇要將爆震激勵起的振動和衰減過程涵蓋，同時也要減少非爆震信息，本文選擇2.5ms作為爆震窗口的寬度。

4.2 評價評價結果分析

為了驗證參數KI是否可以準確評價爆震強度，用Siemens VDO算法的爆震因子KV作為參考值，將二者進行對比。選取1000 ～ 5000r/min5個轉速下300個燃燒循環，共1500組數據，分別進行爆震強度評價指標KI和爆震因子KV的計算，計算結果如圖9所示。

5個轉速點共1500個燃燒循環利用兩種方法對不同程度爆震循環進行評價的結果，橫坐標為基于缸壓信號和Siemens VDO算法的爆震因子KV，縱坐標為基于爆震傳感器爆震強度評價指標KI，在各轉速下，不同的爆震程度下都保持一定的線性度。

以4000r/min轉速點為例對識別有效性進行說明，如圖10，根據經驗判定4000r/min時KV大于4的燃燒循環為重度爆震，則綠線往右的4個循環都是重度爆震燃燒循環，此時選擇合適的值作為識別重度爆震的閾值，在這里選擇7.5作為閾值，則黃線往上KI大于7.5的燃燒循環被識別為重度爆震，那么重度爆震的識別率為100%，同時也不會將輕微爆震誤判為重度爆震。

結果表明，與缸壓信號計算得到的爆震因子KV相比，用爆震傳感器得到的爆震強度評價指標KI同樣可以達到很好的效果，可以實現在整車上直接通過爆震傳感器信號來檢測爆震強度。

5 結論

本文通過對爆震傳感器識別爆震進行系統地研究，得到了爆震強度評價指標KI，該指標可以及時、有效地反映整車上發動機的爆震強度。基于本論文的研究工作，可以得到以下幾點結論：

（1）基于缸壓傳感器采集的缸內壓力信號利用Siemens VDO算法計算得到的爆震因子KV可以很好的反映爆震強度，該值可以用作驗證基于爆震傳感器信號的爆震強度評價指標KI;

（2）基于爆震傳感器采集的發動機機體振動信號比缸內壓力信號包含更多噪聲，因此從機體中提取爆震特征并對爆震強度做出評價也更困難，利用功率譜密度算法可以將機體振動信號中的爆震特征很好的分離出來;

（3）用5個轉速點共1500個燃燒循環進行了爆震強度評價指標KI的計算，并用爆震因子KV進行驗證，結果表明，基于爆震傳感器信號的KI和基于缸壓傳感器的KV有較好的線性度，KI可以較準確的對爆震強度進行評價，在選擇合適的KI值后重度爆震的識別率可達到100%。

本文的爆震強度評價指標KI計算過程與EMS中爆震信號處理流程一致，故研究成果中的爆震特征頻率區域和爆震窗口可以直接在EMS上應用。所以，本研究為在整車上及時有效地檢測爆震并判斷爆震強度，抑制重度爆震的同時控制發動機在微弱爆震狀態下工作提供了理論指導和工程應用價值。

參考文獻

[1] 黃碩.冷卻熱控制對提高發動機熱效率和抗爆性的研究[J].汽車零部件，2016（12）：22-27.

[2] 張力，康健，徐鳳雛等. 基于爆震因子統計特性的爆震燃燒識別方法[J].內燃機學報. 2011（02）.

[3] 胡春明，周浩，侯圣智等.基于自燃放熱規律的發動機爆震分析研究[J].內燃機工程.2015 （04）.

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[5] 胡喬朋.汽車爆震傳感器及其測試系統研究[D].華中科技大學， 2013.

[6] Krzysztof Szczurowski，?ukasz Kurkus，Damian Walczak，?ukasz Zieliński.Vibroactivity analysis of a dual fuel diesel engine based on the knock sensor signal and measuring pressure in the combustion chamber[J]. JVE International Ltd.，2017，19（4）.