汽油机爆震诊断与控制策略的研究

在内燃机故障诊断中，模糊聚类方法也得到了较广泛的应用[80-82]。在汽油机爆震诊断方法的研究中，尚未见使用模糊聚类方法的文献。由于汽油机的燃烧过程复杂而短暂，正常燃烧和爆震燃烧的区别仅在于火焰传播过程中是否有自燃的发生，从外部表征上本身就是没有清晰界限的模糊概念，将模糊聚类的方法应用于处理汽油机爆震诊断的问题应该是可行的。 1.3.4.2神经网络方法

神经网络模型是在现代神经生理学和心理学研究的基础上，模仿人的脑神经元结构特性而建立的一种非线性动力学网络系统[83-85]。神经网络在故障诊断中的应用始于1988年Unger和Power描述的故障诊断模型，这一时期也正是神经网络研究复苏以及形成热点的时期，因此发展相当迅速。很多科学家和工作者致力于神经网络在故障诊断领域中的理论和应用研究，无论是神经网络的模型还是网络学习训练算法都有了很大的改进和提高，神经网络已应用在生产生活诸多方面的故障诊断之中[86-90]。

人工神经网络在故障诊断领域中显示了巨大的应用潜力，主要集中于三个方面的应用：一是从模式识别的角度应用神经网络，使其作为分类器进行故障诊断；二是从预测的角度应用，使其作为预测模型进行故障预测；三是从知识处理的角度建立基于神经网络的诊断专家系统。

神经网络用于汽油机爆震诊断的实例在国内外文献中尚很少见到。若能利用神经网络强大的非线性映射能力和自学习能力，与模糊聚类等处理不确定性问题的方法结合起来进行爆震诊断，应该能有不错的效果。

1.3.5爆震控制方法研究现状

爆震控制是汽油机管理系统(EMS)的一部分，是点火闭环控制的关键。早期只有高档汽车才有爆震控制装置，随着技术进步和对节能、排放要求的不断提高，汽油机爆震控制已经成为汽油机的标准配置。有爆震控制和没有爆震控制的点火时刻和扭矩的差别如图1-4[91]所示。

图1-4爆震控制与点火时刻及汽油机转矩的关系

Figure 1-4 Relationships of knock control with ignition time and with engine torque

1.3.5.1点火提前角的调整方式

从爆震产生的机理分析，引起爆震的原因有结构因素、燃料因素、运行因素等，其中前两者很难改变，实际的控制策略中都是通过改变点火提前角而改善爆震的[92,93]。即没有发生爆震的情况下是开环控制，但开环控制的同时实时监测爆震信号，一旦出现爆震，控制方式立刻转入闭环控制，对点火提前角进行校正，反馈信号即为爆震传感器的爆震信号。

点火提前角校正方式有三种，即快校正、慢校正及比例校正[23]，如图1-5所示。

图1-5点火提前角调整方式

Figure 1-5 Methods of ignition advance angle adjustment

快校正时若检测到爆震，即大幅度推迟点火提前角(5～10°CA)，然后慢慢恢复；慢校正时若检测到爆震，则小幅推迟点火提前角(1°CA)，然后再检测，有爆震再推迟(1°CA)，如此下去，然后慢慢恢复；比例校正的控制过程依爆震的强度决定推迟的角度，推迟的角度不固定，随爆震强度的大小而成比例变化。 1.3.5.2爆震控制的实现方法

车用的爆震控制，都是通过爆震传感器来检测爆震，对于爆震传感器检测到的信号，不同的EMS开发商有不同的处理方式。

一种是直接放在ECU内部主控芯片上进行爆震控制，如HONDA的某些机型。这种方法系统的硬件设计相对简单，成本也略有降低，但是由于爆震处理程序在主控芯片内部，增加了程序的复杂性，也影响了其它程序的运行，实时性相对较差，现在已经较少采用。

另一种是放在主控芯片外部，用专门的控制芯片来进行爆震控制，如BOSCH，Nissan，Delphi等的主流机型都是采用这种方式。这种方法虽然硬件上复杂些，但是由于爆震处理过程与主控芯片并行处理，运算速度较快。控制方法主要取决于信号检测和处理的方式，爆震处理芯片的实现目前可以采用以下方式[94]：

(1)直接通过硬件电路实现。用于简单的爆震信号处理方法，如滤波、积分等。 (2)用通用的单片机实现。

(3)用通用的可编程DSP芯片实现。与单片机相比，DSP芯片具有更加适合于数字信号处理的软件和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法。

(4)用专用的DSP芯片实现。在一些特殊的场合，要求的信号处理速度极高，用通用DSP芯片很难实现，例如专用于FFT、数字滤波、卷积等算法的DSP芯片，这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现，无需进行编程。

(5)用专用的可编程逻辑器件FPGA实现。 (6)用嵌入式系统实现。

在上述几种方法中，方法(1)和(2)在实际的爆震控制过程中常常采用，但方法(1)和(2)只适用于实现简单的算法，可用于算法比较简单的爆震信号处理；方法(3)和方法(4)专用性强，应用受到很大的限制。方法(5)和方法(6)有更强大的数据处理能力，可适用较复杂的爆震控制方法，但很少有使用。

1.3.5.3国内外的爆震控制研究

在国外汽车发动机管理系统(EMS)市场，95%的汽油机EMS系统由博世、西门子、德尔福、摩托罗拉和日本电装等几家公司提供[95]。国内的EMS生产厂家的有联合汽车电子有限公司、北京德尔福万源发动机管理系统有限公司、西门子威迪欧汽车电子(长春)有限公司等，它们生产的EMS也基本上是与以上几家外国公司合作的产品。尽管2009年中国已经成为世界第一的汽车产销大国，但汽油机管理系统的核心技术仍掌握在外国公司手中，包括爆震控

制的核心方法等很难在公开发表的资料中见到。

开发具有完全自主知识产权的电控汽油机是国内内燃机工作者的梦想，国内很多学者和研究单位在爆震控制方面做了有益探索，并取得了一些成果。李继军等[96]研制了一种汽油机爆震自动控制系统，该系统将经过带通滤波后具有爆震频率特征的缸内压力波峰值作为衡量爆震强度的指标，通过实验判别爆震发生的门坎值，采用统计方法确定爆震强度，依靠控制点火提前角使汽油机工作在轻微爆震状态。高青[97,98]等对汽油机临界爆震的控制特性进行了试验研究，得出了最佳点火提前角控制曲面，并对临近爆震区域的汽油机动力性和经济性进行了试验研究。肖兵[99]研究了基于离散傅立叶变换(DFT)进行汽油机爆震强度模式识别的算法，并采用递阶模式特征判别和判决阈值自调整策略，有关算法集成到自主开发的汽油机控制系统中，在国产奥拓微型轿车上取得较好应用效果。上海交通大学内燃机研究所姜卓[100]等研制的新型ECU的爆震控制电路采用高性能的混合模拟和数字电路ASIC，此ASIC可与汽油机管理系统相结合，与微处理器逻辑兼容，并能适应汽油机的恶劣运行环境。段晖辉等[101]研制了基于上海大众M系统的汽油机集中式电子控制系统，该系统的爆震判断中，滤波电路的带宽设定和基准电压的设定及峰值检测时刻的触发都是通过数字电路用软件来调整。将滤波电路的带宽及电压基准设为软件可调将能够为标定工作带来很多方便。

总的来讲，我国的汽油机管理系统的开发与国外相比还有非常大的差距，而且还没有掌握核心技术，为提高自主创新能力，必须在这方面下大力气研究。

1.4本文的主要研究内容

为改进现有汽油机爆震诊断与控制技术中存在的不足，使汽油机工作在轻微爆震区域，从而提高汽油机性能，本文主要从以下几个方面开展工作：

(1)通过汽油机爆震检测测取气缸压力信号和缸盖振动信号，研究汽油机爆震特征的提取方法，分析用短时傅立叶变换(STFT)、Wigner-Ville分布(WVD)和离散小波变换(DWT)等时频分析方法提取爆震特征的可行性和效果。

(2)利用小波变换在信号处理中的优势，研究适合于小波变换方法的爆震强度判定指标，分析各种参数用于爆震评价时的性能。从现有机械信号时域参数中寻找适合用于小波变换的爆震判定指标，并提出一种适应性更好的爆震判定指标。

(3)研究爆震诊断的方法，根据爆震燃烧与正常燃烧没有清晰界限这一特性，研究用小波变换与模糊C-均值聚类相结合的方法进行汽油机爆震诊断；利用神经网络的非线性映射能力及自学习能力，研究其与小波变换、模糊聚类相结合的汽油机爆震诊断方法。

(4)研究开环与闭环控制相结合的爆震控制策略，研究利用神经网络预测基本点火提前角的方法；对于爆震修正点火提前角，开发小波结合模糊C-均值聚类算法的软件，建立爆震运算单元的仿真模型并进行仿真分析。

(5)研究爆震控制的硬件实现方法，利用FPGA硬件实现小波结合模糊C-均值聚类爆震运算算法的方法，研究通过CAN总线实现与ECU间通讯的方法。进行爆震控制的硬件试验，验证本文的控制策略、运算单元和通讯单元的有效性。

第2章爆震检测及特征提取方法研究

将汽油机控制在轻微爆震区工作的前提是必须准确检测出轻微爆震特征。本章对比研究应用短时傅立叶变换、Wigner-Ville分布、离散小波变换等时频分析方法提取汽油机爆震特征的效果。

2.1汽油机的爆震检测

汽油机爆震检测的目标：第一是测量汽油机的爆震信号，用于本文的爆震特征提取等相关研究；第二是确定汽油机的爆震区域，找出汽油机可能发生爆震的工况区域和不可能发生爆震的工况区域，为制定汽油机的爆震控制策略奠定基础。

2.1.1检测系统组成和原理

爆震检测原理框图如图2-1所示，主要设备如表2-1所示。

图2-1爆震检测原理框图

Figure 2-1 Program of knock detection theory

表2-1主要仪器设备

Table 2-1 Instruments and equipments

压力传感器安装在第1缸火花塞内用来测取1缸内的压力信号。加速度传感器安装在缸盖上靠近1缸的位置用来测取缸盖的振动信号。压力传感器与加速度传感器的输出信号通过电荷放大器与动态分析仪相连，动态分析仪的输出端与微机相连。 2.1.2检测条件

汽油机爆震检测测试中，汽油机的状态和环境因素对检测结果有较大的影响。为了排除