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基于振动信号的发动机缸内燃烧检测
2018-06-15 12:56:25· 来源：汽车动力总成之家
目前，缸内燃烧检测方法主要有缸内压力法、瞬时转速法、噪声法及振动法。振动法利用直接安装于缸盖表面的振动传感器获取振动信号，分析振动信号中包含的缸内燃烧状态及零部件运行状态的相关信息，可实现发动机故障诊断，检测简便，有望实现发动机燃烧状态的不解体检测。
目前，缸内燃烧检测方法主要有缸内压力法、瞬时转速法、噪声法及振动法。振动法利用直接安装于缸盖表面的振动传感器获取振动信号，分析振动信号中包含的缸内燃烧状态及零部件运行状态的相关信息，可实现发动机故障诊断，检测简便，有望实现发动机燃烧状态的不解体检测。
实测的发动机振动信号往往是多种信号共同作用的结果。振动信号产生过程中，主要由燃烧激励与非燃烧激励（如曲柄连杆机构惯性力、气门落座冲击力、活塞换向撞击力、活塞侧压力及曲轴主轴承负荷等机械力）作用。而原振动信号在传递过程中，会与环境及背景噪声耦合叠加。这给振动法评价缸内燃烧状态带来很大困难。
发动机表面振动信号的分析及特征参数的提取，是实现振动法评价缸内燃烧状态的关键。山东大学的程勇团队以195柴油机为研究对象，详细的分析了燃烧激励的振动响应信号、非燃烧激励对燃烧激励振动信号的影响、以及实测振动信号特点及支架的影响。并由单缸机推广到多缸机，验证了振动信号识别燃烧特征点出现时刻的普适性。
燃烧激励的振动响应信号
刚性约束条件下，燃烧激励单独作用时，燃烧激励振动响应具有明显的分段特征。峰值压力前，振动位移和缸内压力为近似线性关系，缸盖表面振动位移能较真实的反映缸内压力的变化。峰值压力后，系统振动响应完全取决于系统特性及激励频谱。
非燃烧激励对燃烧激励振动信号的影响
燃烧激励、活塞侧压力及曲轴主轴颈负荷等激励的振动位移主要集中在2000Hz以下的频带内，振动速度及振动加速度主要分布在2000Hz以下及以4500Hz和7500Hz为中心的频带范围内；活塞侧压力和曲轴主轴颈负荷激励振动响应信号的幅值比燃烧激励振动响应信号的幅值小两个数量级，对燃烧激励振动响应信号实测结果的分析影响很小。
活塞换向撞击激励振动位移、振动速度及振动加速度信号同时含有低频和高频信息，其中，振动位移信号幅值比燃烧激励振动位移小两个数量级，振动速度信号幅值比燃烧激励振动速度信号幅值小一个数量级，对燃烧激励的振动位移和振动速度信号实测结果的影响也较小；但振动加速度幅值和燃烧激励振动加速度信号的幅值在同一数量级上，对燃烧激励振动加速度信号实测结果的影响不可忽视，由于其主要集中在2000Hz以上的频带内，可通过滤波等方法削弱或去除其影响。
实测振动信号特点及支架的影响
对试验用195柴油机而言，布置于缸盖或机体上的不同测点都可反映出缸内燃烧状态的相关信息，但不同测点振动响应信号的幅值有较大差异。其中，布置于缸盖或缸盖罩上沿活塞运动方向的测点是反映缸内燃烧状态的最佳测点。
发动机约束支架的刚性假设是引起实测振动位移、振动速度和理论计算结果产生差异的原因。缸盖表面振动位移是燃烧激励受迫振动及系统自由振动的综合反映，某些工况下，燃烧激励振动位移被系统自由振动淹没，振动位移信号无法反映缸内燃烧状态信息，利用实测振动位移信号评价缸内燃烧状态是不可行的。燃烧时段实测振动速度信号也是系统自由振动及燃烧激励受迫振动的综合反映，可用于缸内燃烧状态特征参数的评价。
实测的发动机振动信号往往是多种信号共同作用的结果。振动信号产生过程中，主要由燃烧激励与非燃烧激励（如曲柄连杆机构惯性力、气门落座冲击力、活塞换向撞击力、活塞侧压力及曲轴主轴承负荷等机械力）作用。而原振动信号在传递过程中，会与环境及背景噪声耦合叠加。这给振动法评价缸内燃烧状态带来很大困难。
发动机表面振动信号的分析及特征参数的提取，是实现振动法评价缸内燃烧状态的关键。山东大学的程勇团队以195柴油机为研究对象，详细的分析了燃烧激励的振动响应信号、非燃烧激励对燃烧激励振动信号的影响、以及实测振动信号特点及支架的影响。并由单缸机推广到多缸机，验证了振动信号识别燃烧特征点出现时刻的普适性。
燃烧激励的振动响应信号
刚性约束条件下，燃烧激励单独作用时，燃烧激励振动响应具有明显的分段特征。峰值压力前，振动位移和缸内压力为近似线性关系，缸盖表面振动位移能较真实的反映缸内压力的变化。峰值压力后，系统振动响应完全取决于系统特性及激励频谱。
非燃烧激励对燃烧激励振动信号的影响
燃烧激励、活塞侧压力及曲轴主轴颈负荷等激励的振动位移主要集中在2000Hz以下的频带内，振动速度及振动加速度主要分布在2000Hz以下及以4500Hz和7500Hz为中心的频带范围内；活塞侧压力和曲轴主轴颈负荷激励振动响应信号的幅值比燃烧激励振动响应信号的幅值小两个数量级，对燃烧激励振动响应信号实测结果的分析影响很小。
活塞换向撞击激励振动位移、振动速度及振动加速度信号同时含有低频和高频信息，其中，振动位移信号幅值比燃烧激励振动位移小两个数量级，振动速度信号幅值比燃烧激励振动速度信号幅值小一个数量级，对燃烧激励的振动位移和振动速度信号实测结果的影响也较小；但振动加速度幅值和燃烧激励振动加速度信号的幅值在同一数量级上，对燃烧激励振动加速度信号实测结果的影响不可忽视，由于其主要集中在2000Hz以上的频带内，可通过滤波等方法削弱或去除其影响。
实测振动信号特点及支架的影响
对试验用195柴油机而言，布置于缸盖或机体上的不同测点都可反映出缸内燃烧状态的相关信息，但不同测点振动响应信号的幅值有较大差异。其中，布置于缸盖或缸盖罩上沿活塞运动方向的测点是反映缸内燃烧状态的最佳测点。
发动机约束支架的刚性假设是引起实测振动位移、振动速度和理论计算结果产生差异的原因。缸盖表面振动位移是燃烧激励受迫振动及系统自由振动的综合反映，某些工况下，燃烧激励振动位移被系统自由振动淹没，振动位移信号无法反映缸内燃烧状态信息，利用实测振动位移信号评价缸内燃烧状态是不可行的。燃烧时段实测振动速度信号也是系统自由振动及燃烧激励受迫振动的综合反映，可用于缸内燃烧状态特征参数的评价。
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