基于帶通濾波的電控柴油機(jī)各缸不均勻性檢測(cè)*

周 泉，王貴勇，申立中

(昆明理工大學(xué)，云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650224)

前言

在電控柴油機(jī)運(yùn)行的過程中，有許多因素會(huì)導(dǎo)致各缸工作不均勻，如各缸噴油、摩擦阻力和缸內(nèi)密封不均勻等。各缸工作的不均勻可導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲和振動(dòng)變大，惡化發(fā)動(dòng)機(jī)的NVH特性及縮短使用壽命，尤其是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低怠速工況時(shí)，因各缸不均勻性所帶來的規(guī)律性抖動(dòng)最為明顯。因?qū)Ω邫n轎車柴油機(jī)的舒適性要求極高，各缸均勻性的檢測(cè)和控制是極其必要的，同時(shí)它也成為現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)車載診斷(on-board diagnosis，OBD)系統(tǒng)中的重要組成模塊［1-3］。

各缸工作不均勻性的檢測(cè)是一個(gè)高精度的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集過程，不均勻性的提取涉及到DSP(數(shù)字信號(hào)處理)和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)特性。不均勻性的檢測(cè)和調(diào)整都須在某些特定的工況下進(jìn)行(主要受當(dāng)前轉(zhuǎn)速和主噴油量的限制)。

圖1為整個(gè)模塊的信號(hào)流程。

從圖1可知，首先對(duì)曲軸傳感器正弦電壓信號(hào)進(jìn)行低通電路濾波，經(jīng)比較電路量化成方波，再精確測(cè)量各方波信號(hào)的時(shí)段大小，以獲取準(zhǔn)確的曲軸信號(hào)齒時(shí)段變化信息，最終通過帶通濾波等數(shù)字信號(hào)處理后，計(jì)算出各缸的修正油量，并輸出到油量調(diào)節(jié)模塊中，為各缸均勻性的調(diào)節(jié)和實(shí)時(shí)故障監(jiān)控提供依據(jù)。

由于對(duì)各缸噴油量的修正是逐次完成的，因而對(duì)各缸不均勻性的檢測(cè)也要反復(fù)進(jìn)行，直到將各缸不均勻性修正到一定范圍內(nèi)。

1 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)的檢測(cè)

圖2為曲軸傳感器測(cè)量飛輪端的矩形信號(hào)齒，它產(chǎn)生如圖3所示的正弦電壓信號(hào)，經(jīng)比較電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換并獲得方波信號(hào)。

將圖3中各個(gè)方波信號(hào)的時(shí)間長短準(zhǔn)確測(cè)量出來，就得到體現(xiàn)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速變化的時(shí)段信號(hào)，如圖4(a)所示。由于各缸輪流做功所引起的時(shí)段大小變化是非常微小的量(10-2ms)，因而需要較高的測(cè)量精度。曲軸上共有(60-2)個(gè)齒，如果將2個(gè)缺齒補(bǔ)上則為60個(gè)，經(jīng)過運(yùn)算可知，時(shí)段的倒數(shù)即為瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。但在程序中為了避免除法運(yùn)算，整個(gè)運(yùn)算過程中都直接使用時(shí)段信號(hào)來表征瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的變化情況。時(shí)段越小表示瞬時(shí)轉(zhuǎn)速越高，時(shí)段越大則表示瞬時(shí)轉(zhuǎn)速越低［4］。

2 信號(hào)預(yù)處理

由于2個(gè)缺齒的存在，曲軸每轉(zhuǎn)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大時(shí)段(為普通時(shí)段的3倍)，如圖4(a)所示。大時(shí)段是判缸的依據(jù)，以它來確定各時(shí)段的相位。但在判缸以后，須將它處理成普通時(shí)段，以便于后面的信號(hào)處理。經(jīng)缺齒處理后的時(shí)段如圖4(b)所示。原始時(shí)段信號(hào)上帶有小毛刺，其主要來源是機(jī)身抖動(dòng)和信號(hào)齒外形偏差。為了去除這些干擾，使用了一個(gè)9階FIR(有限沖擊響應(yīng))濾波器進(jìn)行低通濾波［5］，其公式為

式中:h［k］為濾波器的抽頭權(quán)重，其中 h［4］最大，h［0］和 h［8］最小，且 h［0］+h［1］+ … +h［8］=1;x［n］為輸入序列;y［n］為經(jīng)過低通濾波后的輸出序列。

這樣輸入序列經(jīng)過處理后就得到了平滑的輸出序列，如圖4(c)所示。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)電控來說，曲軸每轉(zhuǎn)60個(gè)齒的密度有利于精確地找到噴油相位，但對(duì)于不均勻性的提取來說，并不需要這么高的信號(hào)密度，為了節(jié)約運(yùn)算資源，須對(duì)過濾后時(shí)段信號(hào)進(jìn)行降采樣。經(jīng)驗(yàn)證，可將降采樣因子定為5，即將每5個(gè)時(shí)段值合并為一個(gè)，合并后的時(shí)段序列減去其平均值以后再經(jīng)過10萬倍放大，得到簡化后的時(shí)段，如圖4(d)所示。

3 帶通濾波和不均勻性的提取

YN30型柴油機(jī)為4沖程4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，曲軸每兩轉(zhuǎn)完成1個(gè)工作循環(huán)。定義其凸輪軸的旋轉(zhuǎn)頻率為基頻(例如800r/min時(shí)基頻約為6.67Hz)，即曲軸旋轉(zhuǎn)頻率為基頻的2倍。

之前的處理都是從時(shí)域的角度進(jìn)行的，下面從頻域的角度來分析各缸的不均勻性。如圖5所示，將降采樣后的時(shí)段作為輸入序列，進(jìn)行單邊FFT變換，得到頻譜圖。

根據(jù)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性，當(dāng)各缸工作非常均勻時(shí)，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)規(guī)律基本只受缸內(nèi)氣體壓力和活塞連桿機(jī)構(gòu)往復(fù)慣性力的影響。從頻譜的角度分析，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)為800r/min時(shí)，頻譜圖中的4倍基頻(26.67Hz即發(fā)火頻率)所對(duì)應(yīng)的幅度最大，其次較大的是8倍基頻和12倍基頻等。

當(dāng)各缸工作出現(xiàn)不均勻時(shí)，原接近為零的1倍和2倍基頻幅值就會(huì)變大。當(dāng)僅有單缸或是相鄰兩缸出現(xiàn)不均勻時(shí)(圖6(a)和圖6(b))，振幅會(huì)主要體現(xiàn)在1倍基頻上;當(dāng)不相鄰兩缸出現(xiàn)不均勻時(shí)(圖6(c))，振幅則主要體現(xiàn)在2倍基頻上［6-7］。在圖6中只列舉了典型的3類情況，另外幾種情況可見后文所述。在實(shí)例計(jì)算中發(fā)現(xiàn)各種不均勻的情況，都會(huì)將其對(duì)應(yīng)的形式體現(xiàn)在1倍和2倍基頻上。這說明1倍和2倍的基頻分量可用于表征發(fā)動(dòng)機(jī)的不均勻性。所以要有兩個(gè)帶通濾波，其中心頻率分別為1倍和2倍基頻，濾波的結(jié)果幅值越大就表明不均勻性越大。

兩個(gè)帶通濾波的輸出波形是本階次下不均勻性的波動(dòng)情況，如圖7所示。

將1倍和2倍基頻帶通濾波的結(jié)果疊加在一起，就可將兩個(gè)階次下的波動(dòng)一起體現(xiàn)出來，如圖8所示(橫坐標(biāo)為144～168個(gè)齒數(shù))，當(dāng)某缸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速偏高時(shí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)段就會(huì)變小，體現(xiàn)在圖8中就會(huì)偏向Y軸負(fù)半軸方向，如1缸。反過來如果某缸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速偏低，其波動(dòng)則會(huì)偏向Y軸正半軸方向，如4缸。

圖8中的橫坐標(biāo)將其分成了4段，分別對(duì)應(yīng)4個(gè)缸，對(duì)各缸時(shí)段進(jìn)行積分計(jì)算。

再將積分結(jié)果根據(jù)主噴油量按比例縮放，就得到了各缸所需的修正油量，如圖9所示(原主噴油量為10mg)。其中正的修正值表示須要增加噴油量以提高這一缸的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，而負(fù)的則反之。

圖10為各類不均勻性下的帶通濾波結(jié)果和修正油量。在圖10中列舉了4類不均勻性，分別是:單缸轉(zhuǎn)速偏低、相鄰兩缸轉(zhuǎn)速偏低、不相鄰兩缸轉(zhuǎn)速偏低和不相鄰兩缸轉(zhuǎn)速一高一低。并都給出了對(duì)應(yīng)的帶通濾波情況和積分比例計(jì)算后的修正油量。從各自的頻譜圖來看，不同種類的不均勻性會(huì)以其對(duì)應(yīng)的形式體現(xiàn)在1倍和2倍基頻上，例如，當(dāng)單缸出現(xiàn)不均勻，1倍和2倍基頻幅值都較大。當(dāng)相鄰兩缸偏低和不相鄰兩缸一高一低時(shí)，1倍基頻幅值較大。當(dāng)不相鄰兩缸轉(zhuǎn)速偏低時(shí)，2倍基頻幅值較大。這樣在兩帶通濾波輸出相加的結(jié)果中，就能準(zhǔn)確地體現(xiàn)出各缸的不均勻性情況，最后計(jì)算出的修正油量和各自的不均勻性完全吻合。

以帶通濾波的形式提取各缸不均勻性在準(zhǔn)確和穩(wěn)定上有顯著的優(yōu)越性。首先從圖10的某些頻譜圖中可看到，在非常低的階次上也會(huì)存在較大幅值，這是由平均轉(zhuǎn)速的波動(dòng)引起的。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，隨著往復(fù)慣性力作用的增大，在瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波峰上會(huì)出現(xiàn)新的波谷。在這兩點(diǎn)的影響下，使得直接以瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波峰或波谷來計(jì)算不均勻性變得不夠可靠。而帶通濾波不受低頻波動(dòng)和往復(fù)慣性力波動(dòng)的干擾，它只提取由各缸不均勻工作引起的1倍和2倍基頻上的分量，因而具有很好的準(zhǔn)確性和可靠性。

4 結(jié)論

(1)通過精確測(cè)量曲軸飛輪端信號(hào)齒所提供的時(shí)段信息，可直接準(zhǔn)確地體現(xiàn)各缸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)情況，并可從中得到發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)工況的一些信息。

(2)各缸工作不均勻性會(huì)準(zhǔn)確地體現(xiàn)在其1倍和2倍基頻上，且兩個(gè)帶通濾波的結(jié)果和不均勻性的種類各自對(duì)應(yīng)。

(3)基于帶通濾波提取各缸不均勻性的檢測(cè)具有較高的抗干擾性，對(duì)于平均轉(zhuǎn)速和往復(fù)慣性力波動(dòng)所帶來的影響具有很好的免疫力。其最終結(jié)果可為各缸不均勻性的修正和故障診斷提供重要依據(jù)。

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