CN102155322A - 一种发动机爆震判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种发动机爆震判定方法，包括以下步骤：爆震强度的计算，根据爆震传感器信号、窗口信号、放大增益，计算反应发动机每个工作循环振动能量的爆震强度信号；平均爆震强度的确定，根据一段时间内的爆震强度，采用取平均值统计方法确定出发动机正常工作的振动能量水平；爆震限值的计算，根据发动机正常工作情况下的爆震强度、平均爆震强度统计得到正常工况下发动机振动水平，得到爆震限值；爆震判定，根据爆震强度与爆震限值的相对大小进行爆震剧烈程度的判定。本发明避免了由于发动机、爆震传感器个体差异或老化而引起的发动机振动信号的零点偏移、幅度变化导致的爆震误判或漏判，保证了爆震判断的准确性，为精确的爆震控制奠定了基础。

Description

一种发动机爆震判定方法

技术领域

本发明属于发动机控制方法，具体涉及一种根据发动机振动进行发动机爆震判定的方法。

背景技术

爆震控制是发动机控制系统中的重要功能之一，通过爆震控制可以使发动机工作在爆震临界点附近，在提高发动机性能同时，避免爆震造成的损坏。而要实现良好的爆震控制，正确地判定发动机爆震是关键。

专利200510130529.6公开了一种根据发动机缸内压力的变化率进行爆震判定的方法。这种方法需安装缸内压力传感器，而发动机缸内环境恶劣，对传感器要求很高。实际产品中很少采用这种方法，大部分都根据发动机振动进行爆震判断。专利200510064608.1公开了一种采用爆震传感器检测发动机振动，进行爆震判定的方法。该方法通过对比检测的实际振动波形与理想爆震振动波形的相关性进行爆震判定，当相关性大于设定限值时则判定发生爆震。但在实际产品中，爆震传感器加工误差，恶劣工作环境造成的传感器老化，发动机个体差异和老化等因素会导致实际测量的振动波形与理想的爆震振动波形产生较大偏差。此时，实际的爆震波形与理想爆震波形之间的相关性减弱，容易导致误判或漏判。

发动机振动信号由爆震传感器输出，窗口信号、放大增益、计算系数由发动机控制单元中的其它处理模块提供；发动机正常工作时，爆震传感器输出的振动信号具有随机性，但其统计特性具有一定规律：正常工作情况下，发动机振动能量分布在一定范围内；在发生爆震时，发动机振动能量会超出正常的分布范围；发动机或爆震传感器老化等因素会导致发动机振动能量分布的范围和水平发生变化。此时，若仍以原先的范围进行爆震判定，极易发生漏判或误判。

发明内容

本发明的目的是提出了一种根据发动机振动强度对爆震判定限值进行自适应调整的爆震判定方法，该方法能在发动机未发生爆震时，通过取平均值等方法统计得到发动机振动能量的水平以及振动能量的分布范围，并据此计算爆震限值，进行爆震判定；还能避免传感器加工误差、老化引起的零点偏移和增益变化、发动机个体差异和老化引起的振动水平变化等因素导致的爆震误判或漏判。

本发明提出的一种发动机爆震判定方法，包括以下步骤：

1）爆震强度的计算，根据爆震传感器信号、窗口信号、放大增益，在窗口信号有效范围内，通过在时间域积分，计算反应发动机每个工作循环振动能量的爆震强度信号；

爆震强度计算通过在爆震信号窗口范围内，将振动信号在时间域进行累积得到，具体计算公式如下：

。

爆震强度反应了一个工作循环中发动机总的振动能量的大小。由于爆震一般在发动机压缩冲程上止点后曲轴转角30度至60度之间发生，为减小干扰影响，只对压缩冲程上止点后曲轴转角30度至60度之间的振动信号进行累积。在实际应用中，通过爆震窗口信号控制积分的开始和结束时刻。

由于发动机在转速较低、负荷较小的工况下，振动相对较弱。为使不同发动机工况下，爆震传感器输出的振动信号强度保持基本一致，在低转速、小负荷工况下，采用较大的放大增益；而在高转速、大负荷工况下，采用较小的放大增益。

2）平均爆震强度的确定，通过在发动机正常工作情况下，根据一段时间内的爆震强度，采用取平均值统计方法确定出发动机正常工作的振动能量水平，即平均爆震强度信号；

平均爆震强度主要反应发动机正常工作情况下，平均的振动能量水平。由于发动机发生爆震时，振动加剧，即爆震强度会显著增加，采用发生爆震时的爆震强度信号进行平均爆震强度计算，会导致得到的平均爆震强度信号偏大，偏离正常工况的平均爆震强度。所以，在检测到发生爆震时，平均爆震强度维持上一周期的计算结果；而在判定未发生爆震时，根据下式计算平均爆震强度：

，

其中，进行平均爆震强度计算时，爆震强度的采样点数N一般取为100。k表示平均爆震强度的计算周期。

采用上式计算，平均爆震强度的计算结果比较平滑稳定，但需要将连续N次采样点的爆震强度信号记录在发动机控制器的存储器中，占用较大存储器资源。为降低存储资源的消耗，也可采用如下替代的平均爆震强度计算方法：

。

该方法无需占用额外的存储器资源，但由于对过去的数据的衰减作用，使计算得到的平均爆震强度抵抗爆震强度信号抖动的能力降低，对爆震强度信号的抖动更加敏感。

3）爆震限值的计算，根据发动机正常工作情况下的爆震强度、平均爆震强度统计得到正常工况下发动机振动水平，即爆震强度与平均爆震强度的偏差，将该偏差乘以一定的放大系数即得到爆震限值；

发动机正常工作情况下，发动机的振动信号具有随机性，但其统计特性满足一定规则。前面计算的平均爆震强度反应了正常工况下发动机振动能量的平均水平。在发动机正常工作情况下，发动机的振动能量，即爆震强度会落在以平均爆震强度为基准的一个偏差范围内；而在发动机发生爆震时，爆震强度会超出该偏差范围，且超出越多，发动机爆震越剧烈。正常工况下，爆震强度与平均爆震强度之间的偏差通过取平均值方法计算得到，如下式所示：

，

其中，k为爆震强度偏差的计算周期，N为平均统计的数据采样点，一般可取为100。类似平均爆震强度统计计算，为减小发动机控制器存储资源的消耗，可采用下式所示的加权平均计算方法：

。

在发动机发生爆震时，爆震强度与平均爆震强度的相对偏差会远大于上式计算得到的爆震强度偏差。为避免误判，将爆震强度偏差进行适当放大根据下式计算得到爆震限值：

，

其中，计算系数一般为大于1的数值。由于发动机加减速动态过程中，振动会加剧，所以，实际使用中一般根据发动机工况进行计算系数的选择。针对平稳工况和动态工况采用不同的计算系数，且动态工况的计算系数大于稳态工况的计算系数。发动机工况一般根据发动机转速和节气门开度变化进行判定。

4）爆震判定，根据爆震强度与爆震限值的相对大小进行爆震剧烈程度的判定；

爆震判定方法为：若爆震强度不大于爆震限值，则判定为未发生爆震；若爆震强度大于爆震限值，则判定为发生爆震，且爆震强度与爆震限值之间的偏差越大，发动机爆震越剧烈，相应的所需的点火延迟角越大。

本发明具有如下特点：

（1）在发动机无爆震时，通过取平均值等统计方法得到爆震传感器输出的振动信号的平均能量水平，即平均爆震强度，并以统计得到的平均爆震强度为基准来计算爆震限值。这样当由于发动机、传感器个体差异或老化等因素引起振动信号能量水平发生偏移时，统计得到的平均爆震强度会随之变化，以此为基准计算得到爆震限值也会随之调整，可以避免振动信号能量整体偏移引起的爆震误判或漏判；

（2）在发动机无爆震时，采用取平均值等统计方法计算出发动机振动能量的分布范围，即爆震强度偏差，并以此来计算爆震限值；这样当由于发动机、传感器个体差异或老化等因素引起振动信号幅度发生变化时，统计得到的爆震强度偏差也会随之变化，由此计算得到的爆震限值也随之调整，可以避免振动信号幅度变化引起的爆震误判或漏判；

（3）在发动机无爆震时，进行平均爆震强度和爆震限值计算，而在判定发动机发生爆震时，平均爆震强度和爆震限值维持爆震前值不变；发动机、传感器的特性变化过程都比较缓慢，采用上述方式既可以统计得到正常情况下发动机的振动水平，也可以避免爆震发生时的振动信号对平均爆震强度和爆震限值的错误影响。

本发明的有益效果是：避免了由于发动机、爆震传感器个体差异或老化等因素引起的发动机振动信号的零点偏移、幅度变化导致的爆震误判或漏判，保证了爆震判断的准确性，为进行精确的爆震控制奠定了基础。

附图说明

图1是本发明具体实施例，发动机爆震判定方法的流程图；

图2是本发明实施例的爆震强度的计算流程图；

图3是本发明的爆震判定方法的原理；

图4是本发明采用硬件进行爆震强度处理的实施例原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行进一步的描述。

图1是一种发动机爆震判定方法的流程图，包括：确定爆震强度的模块10，确定平均爆震强度的模块20，确定爆震限值的模块30，进行爆震判定的模块40，整个计算流程在发动机控制器中周期运行。由于振动信号变化较快，模块10在进行振动信号采集和积分计算时，以时间为周期，可设为0.1ms。模块10进行爆震强度信号更新时，以发动机曲轴转角为周期，曲轴每转720度爆震强度信号更新一次。

发动机爆震的判定由模块40完成，判定方法如下：若爆震强度不大于爆震限值，则判定发动机未发生爆震；若爆震强度大于爆震限值，则判定发动机发生爆震，且爆震强度与爆震限值的偏差表示了爆震的剧烈程度，偏差越大，发动机爆震越剧烈。模块40的输入，爆震强度由模块10输出，爆震限值由模块30输出。模块40输出的判定结果是发动机控制器中的点火控制模块的输入之一，点火控制模块根据爆震判定结果进行点火提前角控制。在未发生爆震时，按正常点火提前角点火；在发生爆震时，点火控制模块将减小点火提前角，发动机爆震越剧烈，点火提前角减小量越大。

模块40所需的爆震限值由模块30输出。模块30的爆震限值计算公式如下：

，

其中，平均爆震强度由模块20输出，计算系数由稳态系数和动态补偿系数求和得到。稳态系数的取值范围一般为5～10，根据发动机负荷确定，负荷越大，选择的稳态系数值越大。可以将发动机负荷分为低负荷（发动机负荷小于5%），中等负荷（发动机负荷大于5%，但小于20%）和大负荷（发动机负荷大于20%）三档，对应的稳态系数依次为5、8、10。在发动机工况发生快速变化时，发动机振动会加剧，需要适当提高爆震限值，为此，在计算系数中引入动态补偿系数，动态补偿系数的取值范围一般为0～2。根据发动机转速变化和节气门开度变化率判断发动机是否处于动态过程。

爆震强度偏差反应了正常工况下，发动机振动能量分布范围的大小。在发动机发生爆震时，爆震强度偏差保持上一周期的计算值；在发动机未发生爆震时，采用对100个数据点取平均的统计方法计算得到，如下式所示：

，

其中，平均爆震强度由模块20输出，爆震强度由模块10输出，k为计算周期。采用上式计算，需要在发动机控制器中存储当前和过去时刻的爆震强度值100个，占用较多存储器资源。在存储器资源相对紧张情况下，可采用下式所示的加权平均计算方法：

。

模块30在进行爆震限值计算时，需要输入爆震判定结果。由于发动机刚启动时，处于怠速暖机状态，负荷小，不会发生爆震。所以在第一个计算周期，模块30按无爆震的情况完成计算。从第二个计算周期开始，根据模块40上一周期输出的爆震判定结果进行计算。

模块30所需的平均爆震强度由模块20输出。平均爆震强度反应了发动机正常工作情况下振动能量的平均水平。在发动机发生爆震时，模块20保持上一周期计算得到的平均爆震强度；在发动机未发生爆震时，采用对100个数据点取平均的统计方法计算得到，如下式所示：

，

其中，爆震强度由模块10输出，k为计算周期。采用上式计算平均爆震强度需要占用较多发动机控制器存储器资源，在存储器资源相对紧张情况下，可采用下式所示的加权平均方法计算平均爆震强度：

。

同样，模块20在进行平均爆震强度计算时，需要爆震判定结果。与模块30的处理方法相同：在第一个计算周期，模块20按无爆震的情况完成计算，从第二个计算周期开始，根据模块40上一周期输出的爆震判定结果进行计算。

模块20、模块30、模块40所需的爆震强度信号由模块10输出。爆震强度反应了发动机一个循环内振动能量的大小。

图2是一个工作循环内爆震强度的计算流程图。从模块11开始，进入模块12将振动信号的积分值清零。完成后进入模块13对窗口信号是否有效进行判断。若窗口信号无效，则进入模块15，将振动信号积分值作为爆震强度输出给图1中的模块20，然后进入模块16结束一个工作循环内的爆震强度计算。若窗口信号有效，则进入模块14，按下式计算振动信号积分值：

，

其中，k为采样时刻，采样周期为0.1ms，振动信号由爆震传感器输出，通过发动机控制器的AD输入通道采集。放大增益根据发动机负荷确定：在发动机负荷较小时，采用较大的放大增益；而在发动机负荷较大时，则采用较小的放大增益。这样可以使得不同发动机负荷条件下，爆震传感器输出的振动信号强度保持一致。由于爆震只发生在发动机压缩上止点后曲轴转角30～60度范围内，为降低噪声干扰，只在该范围内对振动信号进行积分计算。窗口信号便是为了确定振动信号积分计算的起始和结束时刻。

由于爆震信号变化剧烈，采样速率很快，在发动机控制器内部进行爆震强度的计算，需要占用较多资源。可以通过采用专用的处理芯片，如ST的L9741等由硬件完成爆震强度的计算，如图4所示的实施例。此时，发动机控制器内部的确定爆震强度模块不再进行积分计算，仅需输出窗口信号和放大增益给L9741芯片，并在发动机一个工作循环结束后，通过AD对L9741的模拟通道输出的爆震强度进行采集即可。窗口信号为开关量，高电平时，L9741开始对输入的振动信号进行积分，低电平时，L9741停止积分过程。L9741通过模拟量输出其积分结果，即爆震强度。放大增益分为四个档，增益依次为1、0.5、2、4。通过两路开关信号实现对四个放大增益的选择。

Claims (5)

1.一种发动机爆震判定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

爆震强度的计算，根据爆震传感器信号、窗口信号、放大增益，在窗口信号有效范围内，通过在时间域积分，计算反应发动机每个工作循环振动能量的爆震强度信号；

平均爆震强度的确定，通过在发动机正常工作情况下，根据一段时间内的爆震强度，采用取平均值统计方法确定出发动机正常工作的振动能量水平，即平均爆震强度信号；

爆震限值的计算，根据发动机正常工作情况下的爆震强度、平均爆震强度统计得到正常工况下发动机振动水平，即爆震强度与平均爆震强度的偏差，将该偏差乘以一定的放大系数即得到爆震限值；

爆震判定，根据爆震强度与爆震限值的相对大小进行爆震剧烈程度的判定。

2.如权利要求1所述的一种发动机爆震判定方法，其特征在于：在窗口信号有效范围内，由爆震传感器输出的振动信号在时间域累积得到爆震强度信号，具体计算公式如下：

。

3.如权利要求1所述的一种发动机爆震判定方法，其特征在于：发生爆震时，保持上一周期平均爆震强度不变；无爆震时，采用取平均值统计方法得到平均爆震强度，具体计算公式如下：

。

4.如权利要求1所述的一种发动机爆震判定方法，其特征在于：发生爆震时，保持上一周期爆震限值；无爆震时，爆震限值计算方法为：

爆震限值 = | 爆震强度 — 平均爆震强度 |  计算系数。

5.如权利要求1所述的一种发动机爆震判定方法，其特征在于：爆震强度大于爆震限值时，判定为爆震；否则，判定为无爆震。

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