汽油机爆震在线检测系统设计与试验

张志谋，郑圣彬，陶文辉，杨涛，陈京瑞，石磊

(1.上海交通大学动力机械与工程教育部重点试验室，上海 200240；2.中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 201108)

由于振动噪声小、升功率高和结构紧凑等优点，汽油机在汽车工业领域的地位十分重要，但其经济性的改善和功率的提升，均受到爆震这个关键因素的制约[1]。经研究发现：当发生轻微爆震时，燃烧过程更接近定容燃烧，发动机的功率和热效率均有所提高[2]。而强烈的爆震会引起一系列的问题，如发动机过热、零件应力增加、输出功率降低及排放水平恶化等[3-4]。因此如何将发动机控制在轻微爆震，同时避免强烈爆震是发动机应用领域一大技术挑战。

在进行汽油机台架试验时，通常采用检测缸内压力的方法来进行发动机的爆震检测，但其传感器价格昂贵，尤其是用于多缸汽油机时，爆震检测的成本大大增加。因此设计了汽油机爆震在线检测系统，该检测系统通过比较发动机机体的振动信号积分电压与爆震阈值，对发动机爆震状况进行在线判别，并计算出爆震发生频率，进而评价发动机的爆震强度，为进一步研究爆震的控制奠定基础。

1 爆震检测

爆震也称为“敲缸”，一般认为是缸内末端混合气在火焰前锋面到达之前的快速自燃现象[5-6]。发生爆震时，燃烧室内火焰前锋变得极不规则，火焰传播速率急剧增大；对外表现为机体产生强烈振动并发出金属敲击声[7]。

1.1 检测方法

目前，国内外爆震检测应用比较成熟的方法可以分为缸内气体压力检测、机体振动检测、离子电流检测和爆震声音检测这4种检测方法，其中前两种方法最为实用[8]。

基于缸内压力的爆震检测是在缸内安装压力传感器，可以直接提取爆震信号，信噪比高，爆震识别也更为准确；但其传感器价格高昂，安装复杂且使用寿命短，极大地限制了该检测方法的广泛使用。基于机体振动的爆震检测方法是在机体外部安装爆震传感器，应用的传感器价格较低，安装简单且操作方便,但容易受到非爆震燃烧引起的振动的影响，信噪比不如前者，爆震的识别精度较低。

1.2 爆震在线检测系统工作原理

汽油机爆震在线检测系统由爆震传感器、转速传感器、数据采集卡和工控机组成，系统结构示意见图1。

图1 爆震在线检测系统结构示意

检测系统采用基于机体振动检测的爆震识别方法。爆震传感器和转速传感器采集发动机的振动信号和转速信号，数据采集卡对信号进行模数转换后传输到工控机，在工控机中再通过LabVIEW对振动信号进行滤波、整流及积分处理，最后将积分电压与爆震阈值比较，即可进行爆震状态的判定。本检测系统既保留了基于机体振动检测的经济性优势，又通过软件对信号进行处理，提高了爆震识别精度。

2 爆震在线检测系统硬件

本检测系统主要硬件包括爆震传感器、转速传感器、数据采集卡和工控机。

2.1 爆震传感器

爆震传感器分为磁致伸缩式和压电式两种类型，其中压电式在实际中运用最为广泛。压电式爆震传感器又分为共振型和非共振型[9]。共振型的固有频率与爆震特征频率相匹配，其输出的信号电压较高，无需滤波处理；而非共振型输出的信号电压较低，但具有平的输出特性且频带较宽，可以适用于不同发动机爆震检测[10]。综合考虑检测系统的实用性和通用性，本检测系统采用非共振型压电式爆震传感器，其结构见图2。

图2 非共振型压电式爆震传感器结构

2.2 转速传感器

转速传感器采用HN90非接触光电式转速传感器。该传感器利用光电反射原理，当传感器识别到反射光，即输出高电平，其内部装有放大整形电路，输出为幅度稳定的方波信号，具有分辨率高、距离远、频响宽、可靠性高等优点。在检测前，将反光片粘贴在飞轮上，通过调整反光片和传感器的相对位置，使得当1号缸处于上止点时传感器输出高电平。检测时，通过识别反光片反射的光信号，就可以识别上止点，进而确定爆震检测窗口。

2.3 数据采集卡

数据采集卡选用NI USB-6216高精度数据采集卡，其数据线可以直接与工控机的USB接口连接。该数据采集卡主要指标为16路单端输入通道或8路差分输入通道，时间分辨率50 ns，模拟输入量最大工作电压为±10.4 V，最大采样率400 kS/s。

3 爆震在线检测系统软件

LabVIEW是一种基于G(Graphic)语言的虚拟仪器软件开发环境，在学术和工业领域广泛用作开发仪器控制软件、分析软件及数据采集系统的标准语言[11]。本研究使用自行编写的LabVIEW程序作为爆震在线检测程序，主要包括信号采集模块、信号处理模块、爆震判别模块以及数据保存模块(见图3)。

图3 软件系统结构

3.1 界面设计

本系统最多可以支持8缸汽油机的爆震在线检测，其操作界面见图4。当检测某一特定发动机时，根据其型号输入各缸相对相位即可(其中1号缸相位为0)，而高、低截止频率和爆震阈值则需要通过试验以及分析振动信号才能确定。

图4 爆震检测系统操作界面

点击“开始检测”按钮即可观测到发动机各缸实时的振动信号以及最近100个工作循环发生爆震的频率。波形图显示的是各个气缸在各自一个工作循环内的爆震信号，其中横坐标为曲轴相位，纵坐标为滤波后的振动信号。各缸的爆震信号积分电压会通过面板左下方的数值和进度条同时显示。当积分电压大于爆震阈值时，与该缸对应的报警灯会变红。在选择完存盘路径后，点击“开始存盘”，即可对采集到的爆震信号和爆震频率进行文本存档，以便后续离线查看数据。

3.2 信号采集模块

信号采集模块主要负责采集过程的采样设置和后续的数据采集。采样设置包括采样通道、采样模式和采样频率的设置。采样通道包含机体振动信号和转速信号，设置采样模式为连续采样。根据采样定理，为保证采样后数据采集卡输出的离散时间序列信号复现输入信号时不失真，采样频率不能低于输入信号频率的2倍。通常汽油机的爆震特征频率为5～15 kHz，故本检测系统将采样率设置为30 kHz。完成如上的采样设置，运行程序即可进行信号采集。

3.3 信号处理模块

信号处理模块的主要目的是通过软件处理，提取爆震特征频率范围内的振动信号。首先确定爆震检测窗口。除了燃料的爆燃，活塞、气门、曲轴和凸轮轴等运动部件的碰撞也会导致缸体的振动，尤其在发动机高速运行时，气门闭合引起的高频振动会对爆震检测产生很大的干扰。为了提高对爆震的识别精度，可以通过设置爆震检测窗口，来减小运动部件产生的振动对爆震检测的影响。爆震检测窗口一般选取为从压缩上止点开始的几十度范围[12]。

提取出检测窗口内的振动信号后，进行滤波和整流处理。爆震传感器采集到的信号包含各种频率的电压信号，须先经过滤波处理，只允许爆震特征频率范围内的振动信号通过，将其他振动源引起的振动信号滤去，从而提高信噪比，降低干扰。发生相同爆震时，不同的滤波频率会得到不同的振动信号，因此滤波频率的设置会直接影响振动信号积分电压的大小，从而影响爆震的判别。因此，为了有效地排除干扰，本检测滤波的截止频率可以根据具体发动机和实际运行环境进行调节。然后对滤波后的振动信号整流，将信号电压全部转变为正电压，为下一步求积分电压作准备。

3.4 爆震判别模块

基于机体振动的检测方法通常通过比较振动信号的峰值和阈值来判别爆震。为了提高爆震识别精度，本系统用爆震信号积分电压来代替峰值。

对爆震检测窗口中滤波整流后的振动信号进行积分计算，即可得到积分电压。当积分电压大于爆震阈值时，报警灯报警，且爆震次数加1，将各缸爆震次数相加，易得爆震频率。爆震强度以超过阈值的次数计量，其次数越多，则爆震强度越大；次数越少，爆震强度越小。

4 试验分析

本研究利用汽油机爆震在线检测系统采集了某3缸汽油机6种工况下1号缸的振动信号。进行爆震试验时保持点火提前角25°曲轴转角不变，进气歧管压力分别为60，70，80 kPa，转速分别为1 700 r/min，2 000 r/min。

4.1 滤波频率确定

为了确定检测系统的滤波频率，需要对原始的振动信号进行频谱分析，对比非爆震工况和爆震工况下的频谱图，以获得发动机的爆震特征频率范围。本研究对1 700 r/min，进气歧管压力分别为60 kPa和80 kPa时的振动信号进行频谱分析，其中进气歧管压力80 kPa为爆震工况。结果表明：爆震工况下幅值在10～12 kHz频率范围存在一个明显的峰值(见图5)；而非爆震工况下峰值对应的频率在5 kHz以下(见图6)。因此设置系统滤波参数，对振动信号进行10～12 kHz带通滤波处理。

图5 1 700 r/min，80 kPa工况机体振动信号频谱图

图6 1 700 r/min，60 kPa工况机体振动信号频谱图

4.2 爆震阈值确定

爆震阈值主要取决于发动机在未发生爆震时各种振动源引起的振动，所取的阈值比正常振动的积分电压稍高即可。本检测系统在上述6种工况下得到的振动信号积分电压见图7。

由图7可以发现，发动机的燃烧循环变动导致每个循环的机体振动存在差别，4种非爆震工况的积分电压均在小范围内波动。从多个循环试验数据可以发现，1 700 r/min，进气歧管压力60 kPa，70 kPa工况和2 000 r/min，进气歧管压力60 kPa，70 kPa工况的积分电压分别在19，20和26，27上下波动。在进气歧管压力为80 kPa，转速分别为1 700 r/min和2 000 r/min两种爆震工况下，发生爆震时的积分电压约为72，两者相差不多，均明显大于非爆震情况。不同的是转速1 700 r/min时发生爆震的次数要多于2 000 r/min时，这是因为低转速时扫气差，缸内温度、压力较高，同时空气流动慢使得火焰传播速度慢，发生爆震的倾向更大。

图7 各工况发动机振动信号积分电压曲线

比较1 700 r/min，进气歧管压力60 kPa和70 kPa时的积分电压(见图7a)，发现转速相同时，积分电压随着负荷的增加而增大，但是涨幅仅为5%左右，所以负荷对积分电压以及爆震阈值的影响很小。分析2 000 r/min时的数据也得到相同结论。因为在非爆震工况下，燃烧引起的振动幅值在爆震特征频率范围内较小，所以在转速相同时，可以认为爆震阈值是不变的。

对比图7a和图7b，发现积分电压随着转速的增加而增大。因为发动机正常运行时，机体振动随转速的升高而增强，所以相应的爆震阈值需要随之提高。最终确定1 700 r/min和2 000 r/min转速下的爆震阈值分别为25和30。

4.3 在线检测试验

在完成对滤波频率和爆震阈值的设置后，本系统在各工况下监测到的滤波后的机体振动信号如图8和图9所示。在整个工作循环中，振动信号均存在1个主峰和2个副峰，分别对应1号缸和其他2缸的压缩上止点。各峰值对应的相位与理论结果一致，表明本系统可以正确显示振动信号。通过多次爆震试验发现：在进气歧管压力为60 kPa和70 kPa时爆震频率小于1%，判定发动机不发生爆震；在进气歧管压力为80 kPa，转速1 700 r/min和2 000 r/min时爆震频率分别为7%和4%，判定发生爆震。

图8 1 700 r/min不同进气歧管压力下的发动机振动信号

图9 2 000 r/min、不同进气歧管压力下的发动机振动信号

图10和图11示出各试验工况下的缸压曲线，结果表明：试验工况下，进气歧管压力为80 kPa时，发动机发生爆震，且1 700 r/min时爆震倾向更大；其他工况均属于非爆震工况。检测系统所得结论与缸压曲线分析结果一致，因此可以验证本系统可以有效地进行爆震在线检测。

图10 1 700 r/min、进气歧管压力70 kPa和80 kPa工况缸压曲线

图11 2 000 r/min、进气歧管压力80 kPa工况缸压曲线

5 结束语

在工控机的控制下，基于软件LabVIEW设计了信号采集模块、信号处理模块、爆震判别模块及数据保存模块，完成了一种基于机体振动检测的汽油机爆震在线检测系统。该系统具有较高爆震识别精度和经济性优势，同时可以根据发动机型号和运行工况调节相位、滤波频率和爆震阈值，具备良好的通用性。经过试验验证，该检测系统能够有效地进行爆震状态的在线判别。