第二讲_第三部分_汽车发动机的爆震模式识别.pdfVIP

第六讲 汽车发动机的爆震模式识别 6.1 6.1 66..11 技术背景 6.1.1 6.1.1 66..11..11 爆震的现象 汽车发动机气缸内正常燃烧是从火花塞位置开始，逐步平滑燃烧到缸壁。而 当未燃混合气的温度或压力超出临界值，可导致爆震，此时末端混合气自燃，产 生冲击波使缸压突然上升，同时冲击波使缸体产生共振，共振频率与缸径、燃烧 温度等因素有关。 在两种不同情况下形成的爆震有区别，一是发动机低速大负荷时加速过程的 爆震，这时能清晰听到敲缸声。另一种是高速大负荷的爆震，这时爆震噪声可能 被发动机其它噪音所掩盖，人耳未必能听到。 发动机一旦产生爆震其危害极大，它会引起发动机功率下降，油耗骤增，严 重时还会使发动机的气缸壁、活塞、活塞环、气门、连杆及其连杆轴承等运动件 变形损坏。所以对发动机爆震进行检测，并及时实施有效的控制是非常必要的。 爆震产生的共振基本频率一般在5KHz至7KHz之间，即使同一个发动机，其基本 频率可能有±400Hz的偏移。另外，从基频到20KHz之间，还存在2至4个峰值 频率。 6.1.2 爆震测量 爆震测量分直接测量与间接测量。所谓直接测量是指每个气缸内都安装压力 传感器，直接测量缸压变化，这种方法最直接，但成本高昂，仅限于研究应用， 不适于批量生产的汽车应用。 间接测量是采用压电振动传感器，测量缸体的共振，这种方法简单，传感器 便宜且安装方便。现在一般采用宽频爆震传感器，而不是峰值型爆震传感器，在 低于20KHz的范围内，不存在调制峰值。这类传感器能适用于各种型号的发动机， 但是传感器输出信号很容易混杂发动机的其它振动噪音，特别是发动机高速运转 时，背景噪音特别大，对信号处理与模式识别提出了很高的要求。 6.2 爆震模式识别方法 6.2 爆震模式识别方法 66..22 爆爆震震模模式式识识别别方方法法 爆震识别是典型的一维信号模式识别问题。 所谓模式识别是指对客观对象进行描述与分类的科学。具体地说，就是用计 算机实现人的模式识别能力。模式识别的特有概念是相似度，模式识别的任务就 是根据对象特征把相似的对象分类。所以模式识别的关键是确定对象的特征。 目前爆震识别的有两大类方法：模拟滤波以及数字频谱特征分析。 6.2.1模拟滤波 模拟滤波是从传统信号处理观点出发的方法。采用模拟电路处理爆震传感器 信号，计算特定频段内振动信号强度，以识别是否有爆震。 相应的模拟电路结构框图如下： 输入信号 信号预处理 放大器 带通滤波 整流器 积分器 参考信号发生器 比较器 是否爆震 图1 爆震信号模拟电路框图 输入是较微弱的交流振动信号，所以首先通过可编程放大器进行放大，然后 通过预先调整好的带通滤波器，获取爆震频段的信号，再通过整流与积分得到放 映振动强度的信号，与实时变化的参考信号比较，从而确定是否有爆震。 采用模拟电路的好处是减少发动机电子控制单元（ECU）的计算工作量，坏 处是接口较复杂，电路调整不方便，适应性差，不过这是过去发动机电子控制系 统中处理爆震的主要方法。 6.2.2 数字频谱特征分析——DFT频谱特征分析 数字频谱特征分析是从模式识别观点出发，采用数字信号处理技术，分析振 动信号的频谱特征。具体是以频域特征为主，时域特征为辅，综合多个特征进行 爆震模式识别。 DFT是离散傅立叶变换的英文简写，进行频谱分析，可采用快速傅立叶变换 FFT，也可采用离散傅立叶变换DFT，但是DFT较FFT更适于爆震判断，原因如 下： （1）爆震模式识别只需计算信号若干频率点的幅值，而不是整个频率段的幅值， 此时采用DFT运算量远比FFT小。 （2）为了滤除噪音，信号处理采用“加窗技术”，由于爆震只可能出现在发动机 活塞运行上止点后10°至70°，所以上止点后10°至70°作为信号窗口，该窗 口时间随发动机转速而变化，例如：500RPM时为20毫秒，8000RPM为1.25毫秒。 而FFT处理信号长度只能是2的幂，DFT则无此限制，所以DFT适于这种窗口时 间不断变化的特殊“加窗技术”。 DFT算法如下： N −1 X [k] = ∑ x(n)e− j2π