基于HIP9011的二冲程煤油发动机爆震识别系统研究

刘景阳，盛 敬

（1.南京航空航天大学能源与动力学院，南京210016；2.江西省精密驱动与控制重点实验室南昌工程学院机械与电气工程学院，南昌330099）

基于HIP9011的二冲程煤油发动机爆震识别系统研究

刘景阳1，盛 敬2

（1.南京航空航天大学能源与动力学院，南京210016；2.江西省精密驱动与控制重点实验室南昌工程学院机械与电气工程学院，南昌330099）

为了解决中强度爆震影响二冲程煤油发动机的使用安全性、动力性和经济性的问

二冲程煤油发动机；爆震识别系统；内禀模态特征能量法；爆震特征频率；爆震信号检测区间；HIP9011芯片

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

随着无人机及低空小型飞行器的发展，煤油活塞发动机是当前小型航空活塞发动机的热点。与同排量汽油发动机相比，电控二冲程煤油发动机具有功率高、加速性好、结构简单、质量轻、成本低等优点［1］，特别适合小型无人机、超轻型飞机和动力翼伞等飞行器的动力装置［2］。煤油在运输、使用安全性、油料管理和价格等方面都有优势［3］。但煤油抗爆性能差［4］，连续且强烈的爆震会使汽缸盖及活塞顶部等处过热，造成发动机机体及其零部件损毁［5］。二冲程煤油发动机的使用安全性、动力性能和经济性能受到强烈爆震的极大影响。仅仅依靠发动机缸盖温度的变化和人的主观经验判断爆震是否发生比较困难，因此，设计了二冲程煤油发动机爆震识别系统，实现了在线实时判断二冲程煤油发动机的工作状态，在保障发动机的安全性方面具有重要的研究意义［6－10］。

1 二冲程煤油发动机爆震识别系统的组成

为了实现煤油发动机爆震识别系统的通用化，对二冲程煤油发动机爆震识别系统进行了模块化设计，使其便于在其他型号发动机上进行移植使用。系统主要包括爆震信号采集模块、下位机模块和上位机模块，如图1所示。

据图1可知：发动机的机体振动传感器采集到的机体振动信号直接输入给爆震识别系统，爆震信号处理单元根据设定好的开、关窗时间对机体振动信号进行滤波、放大和积分处理，将其处理成一模拟电压量，再通过A／D转换后送给下位机单元处理，判断发动机的爆震状态及爆震强度，并通过串口通讯实时与上位机系统通讯。

图1 二冲程煤油发动机爆震识别系统

2 爆震中心频率的提取及HIP9011芯片开、关窗时刻的确定

2.1 爆震中心频率的提取

在进气温度为301 K，转速为5 000 r／min的工况下进行了二冲程煤油发动机的台架试验。在实验中采集了发动机的机体振动信号。本文进行爆震信号特征提取的是发生爆震时的机体振动加速度信号，信号的时域图如图2所示。由图2可知：采集到的机体振动信号中掺杂着很多干扰噪声信号。

图2 爆震的机体振动加速度信号时域图

为了从发生爆震时的机体振动信号中准确提取出爆震特征频率，采用内禀模态特征能量法进行分析。首先，对爆震的机体振动加速度信号进行经验模态分解，得到7阶内禀模态函数分量和残余分量，如图3所示，其中，IMF1～IMF7为内禀模态函数分量，R为残余分量。

图3 爆震的机体振动加速度信号的7阶内禀模态函数分量与残余分量

应用内凜模态特征能量法分别计算从机体振动信号中分离出来的7阶内禀模态函数分量的能量，得到其各阶内禀模态函数分量的能量值及其所占的权重值，如表1所示。7阶内禀模态函数分量的能量分布如图4所示。

表1 爆震的机体振动加速度信号7阶内禀模态函数分量能量及能量权重值

由表1与图4可知：二冲程煤油发动机发生爆震时的机体振动信号的第2阶内禀模态函数分量IMF2在各阶的内禀模态函数分量的能量中最大，占总能量的47.62%，即在各阶内禀模态函数分量中占主导地位。因此，采用功率谱密度估计法对第2阶内禀模态函数分量IMF2进行分析，得到IMF2的功率谱密度曲线，如图5所示。

图4 爆震时的机体振动加速度信号的7阶内禀模态函数分量的能量

图5 爆震时的机体振动加速度信号的IMF2分量功率谱密度曲线

由图5可知：IMF2分量的功率谱密度曲线峰值对应的横坐标为15.63 kHz，从而可以知道发生爆震时的爆震信号的爆震中心频率为15.63 kHz。根据HIP9011芯片说明书，本文选取爆震中心频率为15.84 kHz，带宽滤波范围为±1 kHz。

2.2 HIP9011芯片开、关窗时刻的选取

根据大量实验数据的研究发现，爆震现象大多发生在上止点后一定角度内，所以，为了确保爆震信号检测区间内尽量包含更多的爆震信号，本文对二冲程煤油发动机在5 000 r／min、节气门开度为51.9%时正常工作循环和爆震工作循环的缸内压力信号进行对比分析，结果如图6所示。

图6 无爆震与强烈爆震的缸内压力信号

根据图6可知，在压缩上止点后5～90°是出现缸内压力波震荡的主要区间，因此，本文设置爆震信号检测区间与之对应，在爆震信号检测期间应用HIP9011芯片对机体振动信号进行积分处理，这样既减少干扰信号的影响，又提高了对二冲程煤油发动机爆震的检测精度。

3 爆震识别系统的设计

设计的二冲程煤油发动机爆震识别系统方框图如图7所示，包括信号采集模块、HIP9011芯片处理模块和英飞凌xc2765x芯片的分析处理模块。

3.1 硬件系统设计

3.1.1 曲轴位置传感器信号调理电路

对曲轴位置传感器采集到的信号进行滤波处理，使其传输给英飞凌xc2765x芯片的信号更平稳，并可排除干扰信号，如图8所示。

图7 爆震识别系统方框图

图8 曲轴位置传感器信号调理电路

3.1.2 HIP9011芯片调理电路

机体振动传感器采集到的机体振动信号直接传给HIP9011芯片分析处理，把其处理成一模拟电压量载传输给英飞凌xc2765x芯片处理，通过SPI串行通讯接口进行芯片间的通讯，HIP9011芯片调理电路如图9所示。

3.2 软件系统设计

软件系统的设计包括下位机软件的设计和上位机软件的设计，通过相互的配合才能实现发动机爆震状态的识别及其爆震强度的判断。

3.2.1 下位机软件的设计

采用模块化设计的思想设计各个模块的程序，这样既方便调试，也方便日后的维护升级。下位机的程序设计主要包括曲轴位置信号处理、SPI通讯、AD采集、爆震阀值更新、爆震状态识别和爆震强度判断以及串口通讯等模块。

根据采集到曲轴位置传感器信号确定当前发动机转速及HIP9011芯片积分／保持模式的时间，并通过SPI通讯写入控制字给HIP9011芯片，这样HIP9011芯片就可以对机体振动信号进行分析处理，并把每个工作循环的电压积分值传输给xc2765x芯片处理。

图9 HIP9011芯片调理电路

考虑到发动机长时间运行后，受到机械磨损、燃油更换、转速和负荷等情况的变化，即使相同等级的爆震强度，机体振动传感器测得的信号大小也会发生变化，如果阈值一直固定不变有可能引起误判，因此，本文采取一种能跟随发动机工作条件变化改变爆震阀值的方法，如图10所示。

图10 爆震判断流程

本研究利用爆震率P来评价爆震强度，即通过计算一定循环内发生爆震的循环所占的比例来判断当前发动机的爆震强度。通过查阅其他参考文献，本文对爆震强度的评价指标做以下定义：无爆震P＜1%；轻微爆震1%≦P≦5%；中等爆震5%＜P≦10%；强烈爆震P＞10%。

3.2.2 上位机软件的设计

本文应用LABVIEW软件设计了上位机系统，通过自定义协议与下位机进行通讯，实时显示当前发动机的某些状态参数，使实验人员能清晰地了解当前发动机的工作状态。上位机系统界面如图11所示。

图11 上位机系统界面

4 爆震识别系统台架实验及结果分析

通过发动机台架试验验证二冲程煤油发动机爆震识别系统的功能及其准确性。首先，分析大量试验数据发现转速为5 000 r／min、节气门开度为51.9%、点火提前角为25°的发动机工况为正常工作状态，当点火提前角增加5°时，发动机工况变为强烈爆震状态。基于上述结果，本文采取重复相同的工况来验证二冲程煤油发动机爆震识别系统是否能实时、准确地识别出发动机的爆震状态。

图12为点火提前角为25°时，二冲程煤油发动机爆震识别系统的工作情况和点火提前角增加5°时，二冲程煤油发动机爆震识别系统的工作情况。

图12 爆震识别系统台架实验结果

经过对大量试验数据的分析，二冲程煤油发动机在转速为5 000 r／min、节气门开度为51.9%、点火提前角为25°时，发动机工作在正常工况；当点火提前角增加5°时有强烈爆震现象产生，从而验证了该二冲程煤油发动机爆震识别系统的功能。

5 结束语

本文应用内禀模态特征能量法对采集到的机体振动信号进行分析处理，准确地提取出了爆震中心频率；同时，对采集到的缸内压力曲线进行对比分析，确定了HIP9011芯片开、关窗的时刻。在此基础上设计了爆震识别系统，包括硬件系统、下位机软件系统和上位机系统。搭建了二冲程煤油发动机爆震识别系统实验台架，并进行了测试实验。实验结果表明：爆震识别系统能准确识别出当前发动机的爆震状态，并准确判断当前发动机的爆震强度，可实时地在上位机界面上显示发动机的状态参数。

［1］ OBODEH O，AKHERE N C.Experimental study on the effects of kerosene-doped gasoline on gasoline-powered engine performance characteristics［J］.Journal of Petroleum and Gas Engineering，2010，1（2）：37-40.

［2］ SUKY P J，EVERSLW，WANK JE，et al.The feasibility of a kerosene fueled spark ignited two-stroke engine［C］／／SAE 911846.1991.

［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.

［6］ 高磊.468Q汽油机爆震检测和控制策略的研究［D］.长春：吉林大学，2007.

［7］ 李冰林，魏民祥.二冲程煤油发动机整机建模与初始点火提前角计算分析［J］.机械科学与技术，2013，32（5）.

［8］ 陈林林，魏民祥.航空二冲程煤油发动机数值仿真研究［J］.计算机仿真，2014，31（6）：54-59.

［9］ 王春丰，魏民祥.二冲程煤油发动机电控单元的设计与试验研究［J］.测控技术，2013，32（8）：91-94.

［10］盛敬，魏民祥，孙文斌，等.二冲程煤油发动机爆震在线监控系统设计与试验研究［J］.测控技术，2014，33（8）：18-22.

（责任编辑刘 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题，设计了基于HIP9011的二冲程煤油发动机爆震识别系统，以便快速、准确地识别出二冲程煤油发动机爆震状态以及爆震强度，为二冲程煤油发动机爆震控制打下良好的基础。应用内禀模态特征能量法提取机体振动信号的爆震特征频率，并根据缸内压力曲线确定爆震信号检测区间。采用英飞凌cx2765x芯片与HIP9011芯片设计了二冲程煤油发动机爆震识别系统，并应用LABVIEW设计了上位机系统来实时显示发动机的工作状态。搭建了二冲程煤油发动机实验台架并进行了爆震识别系统的测试实验。实验结果表明：爆震识别系统能准确地判断发动机的爆震状态及其爆震强度，并实时在上位机系统中显示。

V263.3；TP277

A

1674－8425（2016）12－0063－06

2016－03－12

江苏省2015年度普通高校研究生科研创新计划资助项目（KYLX15＿0262）；江西省精密驱动与控制重点实验室开放课题（PLPDC-KFKT-201620）

刘景阳（1990—），男，安徽人，硕士研究生，主要从事发动机动力性研究，E-mail：1072885106＠qq.com；通讯作者盛敬（1980—），女，山东人，讲师，主要从事发动机数值模拟与控制研究，E-mail：shengjing6307＠163.com。

刘景阳，盛敬.基于HIP9011的二冲程煤油发动机爆震识别系统研究［J］.重庆理工大学学报（自然科学），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.