基于带通滤波的电控柴油机各缸不均匀性检测*

周 泉，王贵勇，申立中

(昆明理工大学，云南省内燃机重点实验室，昆明 650224)

前言

在电控柴油机运行的过程中，有许多因素会导致各缸工作不均匀，如各缸喷油、摩擦阻力和缸内密封不均匀等。各缸工作的不均匀可导致发动机的噪声和振动变大，恶化发动机的NVH特性及缩短使用寿命，尤其是当发动机处于低怠速工况时，因各缸不均匀性所带来的规律性抖动最为明显。因对高档轿车柴油机的舒适性要求极高，各缸均匀性的检测和控制是极其必要的，同时它也成为现代发动机车载诊断(on-board diagnosis，OBD)系统中的重要组成模块［1-3］。

各缸工作不均匀性的检测是一个高精度的动态信号采集过程，不均匀性的提取涉及到DSP(数字信号处理)和发动机动力学特性。不均匀性的检测和调整都须在某些特定的工况下进行(主要受当前转速和主喷油量的限制)。

图1为整个模块的信号流程。

从图1可知，首先对曲轴传感器正弦电压信号进行低通电路滤波，经比较电路量化成方波，再精确测量各方波信号的时段大小，以获取准确的曲轴信号齿时段变化信息，最终通过带通滤波等数字信号处理后，计算出各缸的修正油量，并输出到油量调节模块中，为各缸均匀性的调节和实时故障监控提供依据。

由于对各缸喷油量的修正是逐次完成的，因而对各缸不均匀性的检测也要反复进行，直到将各缸不均匀性修正到一定范围内。

1 瞬时转速信号的检测

图2为曲轴传感器测量飞轮端的矩形信号齿，它产生如图3所示的正弦电压信号，经比较电路进行电平转换并获得方波信号。

将图3中各个方波信号的时间长短准确测量出来，就得到体现瞬时转速变化的时段信号，如图4(a)所示。由于各缸轮流做功所引起的时段大小变化是非常微小的量(10-2ms)，因而需要较高的测量精度。曲轴上共有(60-2)个齿，如果将2个缺齿补上则为60个，经过运算可知，时段的倒数即为瞬时转速。但在程序中为了避免除法运算，整个运算过程中都直接使用时段信号来表征瞬时转速的变化情况。时段越小表示瞬时转速越高，时段越大则表示瞬时转速越低［4］。

2 信号预处理

由于2个缺齿的存在，曲轴每转都会产生一个较大时段(为普通时段的3倍)，如图4(a)所示。大时段是判缸的依据，以它来确定各时段的相位。但在判缸以后，须将它处理成普通时段，以便于后面的信号处理。经缺齿处理后的时段如图4(b)所示。原始时段信号上带有小毛刺，其主要来源是机身抖动和信号齿外形偏差。为了去除这些干扰，使用了一个9阶FIR(有限冲击响应)滤波器进行低通滤波［5］，其公式为

式中:h［k］为滤波器的抽头权重，其中 h［4］最大，h［0］和 h［8］最小，且 h［0］+h［1］+ … +h［8］=1;x［n］为输入序列;y［n］为经过低通滤波后的输出序列。

这样输入序列经过处理后就得到了平滑的输出序列，如图4(c)所示。

对于发动机电控来说，曲轴每转60个齿的密度有利于精确地找到喷油相位，但对于不均匀性的提取来说，并不需要这么高的信号密度，为了节约运算资源，须对过滤后时段信号进行降采样。经验证，可将降采样因子定为5，即将每5个时段值合并为一个，合并后的时段序列减去其平均值以后再经过10万倍放大，得到简化后的时段，如图4(d)所示。

3 带通滤波和不均匀性的提取

YN30型柴油机为4冲程4缸发动机，曲轴每两转完成1个工作循环。定义其凸轮轴的旋转频率为基频(例如800r/min时基频约为6.67Hz)，即曲轴旋转频率为基频的2倍。

之前的处理都是从时域的角度进行的，下面从频域的角度来分析各缸的不均匀性。如图5所示，将降采样后的时段作为输入序列，进行单边FFT变换，得到频谱图。

根据往复式发动机的动力学特性，当各缸工作非常均匀时，瞬时转速的波动规律基本只受缸内气体压力和活塞连杆机构往复惯性力的影响。从频谱的角度分析，当发动机转数为800r/min时，频谱图中的4倍基频(26.67Hz即发火频率)所对应的幅度最大，其次较大的是8倍基频和12倍基频等。

当各缸工作出现不均匀时，原接近为零的1倍和2倍基频幅值就会变大。当仅有单缸或是相邻两缸出现不均匀时(图6(a)和图6(b))，振幅会主要体现在1倍基频上;当不相邻两缸出现不均匀时(图6(c))，振幅则主要体现在2倍基频上［6-7］。在图6中只列举了典型的3类情况，另外几种情况可见后文所述。在实例计算中发现各种不均匀的情况，都会将其对应的形式体现在1倍和2倍基频上。这说明1倍和2倍的基频分量可用于表征发动机的不均匀性。所以要有两个带通滤波，其中心频率分别为1倍和2倍基频，滤波的结果幅值越大就表明不均匀性越大。

两个带通滤波的输出波形是本阶次下不均匀性的波动情况，如图7所示。

将1倍和2倍基频带通滤波的结果叠加在一起，就可将两个阶次下的波动一起体现出来，如图8所示(横坐标为144～168个齿数)，当某缸瞬时转速偏高时，对应的时段就会变小，体现在图8中就会偏向Y轴负半轴方向，如1缸。反过来如果某缸瞬时转速偏低，其波动则会偏向Y轴正半轴方向，如4缸。

图8中的横坐标将其分成了4段，分别对应4个缸，对各缸时段进行积分计算。

再将积分结果根据主喷油量按比例缩放，就得到了各缸所需的修正油量，如图9所示(原主喷油量为10mg)。其中正的修正值表示须要增加喷油量以提高这一缸的瞬时转速，而负的则反之。

图10为各类不均匀性下的带通滤波结果和修正油量。在图10中列举了4类不均匀性，分别是:单缸转速偏低、相邻两缸转速偏低、不相邻两缸转速偏低和不相邻两缸转速一高一低。并都给出了对应的带通滤波情况和积分比例计算后的修正油量。从各自的频谱图来看，不同种类的不均匀性会以其对应的形式体现在1倍和2倍基频上，例如，当单缸出现不均匀，1倍和2倍基频幅值都较大。当相邻两缸偏低和不相邻两缸一高一低时，1倍基频幅值较大。当不相邻两缸转速偏低时，2倍基频幅值较大。这样在两带通滤波输出相加的结果中，就能准确地体现出各缸的不均匀性情况，最后计算出的修正油量和各自的不均匀性完全吻合。

以带通滤波的形式提取各缸不均匀性在准确和稳定上有显著的优越性。首先从图10的某些频谱图中可看到，在非常低的阶次上也会存在较大幅值，这是由平均转速的波动引起的。当转速升高时，随着往复惯性力作用的增大，在瞬时转速的波峰上会出现新的波谷。在这两点的影响下，使得直接以瞬时转速波峰或波谷来计算不均匀性变得不够可靠。而带通滤波不受低频波动和往复惯性力波动的干扰，它只提取由各缸不均匀工作引起的1倍和2倍基频上的分量，因而具有很好的准确性和可靠性。

4 结论

(1)通过精确测量曲轴飞轮端信号齿所提供的时段信息，可直接准确地体现各缸瞬时转速的波动情况，并可从中得到发动机瞬时工况的一些信息。

(2)各缸工作不均匀性会准确地体现在其1倍和2倍基频上，且两个带通滤波的结果和不均匀性的种类各自对应。

(3)基于带通滤波提取各缸不均匀性的检测具有较高的抗干扰性，对于平均转速和往复惯性力波动所带来的影响具有很好的免疫力。其最终结果可为各缸不均匀性的修正和故障诊断提供重要依据。

［1］Nieuwstadt M J van，Kolmanovsky I V.Detecting and Correcting Cylinder Imbalance in Direct Injection Engines［J］.Journal of Dynamic Systems，Measurement，and Control，2001，9:413-423.

［2］李建秋，欧阳明高，等.柴油机各缸工作不均匀程度对性能的影响分析［J］.交通运输工程学报，2001，1(3):50-53.

［3］李学民，于秀敏，高跃，等.柴油机怠速分缸均衡控制的试验研究［J］.内燃机工程，2008，29(2):62-65.

［4］李建秋，欧阳明高.汽车发动机曲轴时段信号波动规律分析［J］.内燃机学报，1999，17(4):416-419.

［5］Lutovac，朱义胜.信号处理滤波器设计:基于MATLAB和Mathematica的设计方法［M］.北京:电子工业出版社，2004，306-321.

［6］Taraza D，Henein N A，Bryzik W.The Frequency Analysis of the Crankshaft Speed Variation A Reliable Tool for Diesel Engine Diagnosis［J］.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2001，4:428-432.

［7］李建秋，欧阳明高.汽车发动机各缸工作均匀性的反馈控制［J］.清华大学学报，1999，39(11):65-68.