基于HIP9011的二沖程煤油發(fā)動機(jī)爆震識別系統(tǒng)研究

劉景陽，盛 敬

（1.南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京210016；2.江西省精密驅(qū)動與控制重點實驗室南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，南昌330099）

基于HIP9011的二沖程煤油發(fā)動機(jī)爆震識別系統(tǒng)研究

劉景陽1，盛 敬2

（1.南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京210016；2.江西省精密驅(qū)動與控制重點實驗室南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，南昌330099）

為了解決中強(qiáng)度爆震影響二沖程煤油發(fā)動機(jī)的使用安全性、動力性和經(jīng)濟(jì)性的問

二沖程煤油發(fā)動機(jī)；爆震識別系統(tǒng)；內(nèi)稟模態(tài)特征能量法；爆震特征頻率；爆震信號檢測區(qū)間；HIP9011芯片

doi：10.3969／j.issn.1674－8425（z）.2016.12.010

隨著無人機(jī)及低空小型飛行器的發(fā)展，煤油活塞發(fā)動機(jī)是當(dāng)前小型航空活塞發(fā)動機(jī)的熱點。與同排量汽油發(fā)動機(jī)相比，電控二沖程煤油發(fā)動機(jī)具有功率高、加速性好、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)點［1］，特別適合小型無人機(jī)、超輕型飛機(jī)和動力翼傘等飛行器的動力裝置［2］。煤油在運(yùn)輸、使用安全性、油料管理和價格等方面都有優(yōu)勢［3］。但煤油抗爆性能差［4］，連續(xù)且強(qiáng)烈的爆震會使汽缸蓋及活塞頂部等處過熱，造成發(fā)動機(jī)機(jī)體及其零部件損毀［5］。二沖程煤油發(fā)動機(jī)的使用安全性、動力性能和經(jīng)濟(jì)性能受到強(qiáng)烈爆震的極大影響。僅僅依靠發(fā)動機(jī)缸蓋溫度的變化和人的主觀經(jīng)驗判斷爆震是否發(fā)生比較困難，因此，設(shè)計了二沖程煤油發(fā)動機(jī)爆震識別系統(tǒng)，實現(xiàn)了在線實時判斷二沖程煤油發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，在保障發(fā)動機(jī)的安全性方面具有重要的研究意義［6－10］。

1 二沖程煤油發(fā)動機(jī)爆震識別系統(tǒng)的組成

為了實現(xiàn)煤油發(fā)動機(jī)爆震識別系統(tǒng)的通用化，對二沖程煤油發(fā)動機(jī)爆震識別系統(tǒng)進(jìn)行了模塊化設(shè)計，使其便于在其他型號發(fā)動機(jī)上進(jìn)行移植使用。系統(tǒng)主要包括爆震信號采集模塊、下位機(jī)模塊和上位機(jī)模塊，如圖1所示。

據(jù)圖1可知：發(fā)動機(jī)的機(jī)體振動傳感器采集到的機(jī)體振動信號直接輸入給爆震識別系統(tǒng)，爆震信號處理單元根據(jù)設(shè)定好的開、關(guān)窗時間對機(jī)體振動信號進(jìn)行濾波、放大和積分處理，將其處理成一模擬電壓量，再通過A／D轉(zhuǎn)換后送給下位機(jī)單元處理，判斷發(fā)動機(jī)的爆震狀態(tài)及爆震強(qiáng)度，并通過串口通訊實時與上位機(jī)系統(tǒng)通訊。

圖1 二沖程煤油發(fā)動機(jī)爆震識別系統(tǒng)

2 爆震中心頻率的提取及HIP9011芯片開、關(guān)窗時刻的確定

2.1 爆震中心頻率的提取

在進(jìn)氣溫度為301 K，轉(zhuǎn)速為5 000 r／min的工況下進(jìn)行了二沖程煤油發(fā)動機(jī)的臺架試驗。在實驗中采集了發(fā)動機(jī)的機(jī)體振動信號。本文進(jìn)行爆震信號特征提取的是發(fā)生爆震時的機(jī)體振動加速度信號，信號的時域圖如圖2所示。由圖2可知：采集到的機(jī)體振動信號中摻雜著很多干擾噪聲信號。

圖2 爆震的機(jī)體振動加速度信號時域圖

為了從發(fā)生爆震時的機(jī)體振動信號中準(zhǔn)確提取出爆震特征頻率，采用內(nèi)稟模態(tài)特征能量法進(jìn)行分析。首先，對爆震的機(jī)體振動加速度信號進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，得到7階內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)分量和殘余分量，如圖3所示，其中，IMF1～I(xiàn)MF7為內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)分量，R為殘余分量。

圖3 爆震的機(jī)體振動加速度信號的7階內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)分量與殘余分量

應(yīng)用內(nèi)凜模態(tài)特征能量法分別計算從機(jī)體振動信號中分離出來的7階內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)分量的能量，得到其各階內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)分量的能量值及其所占的權(quán)重值，如表1所示。7階內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)分量的能量分布如圖4所示。

表1 爆震的機(jī)體振動加速度信號7階內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)分量能量及能量權(quán)重值

由表1與圖4可知：二沖程煤油發(fā)動機(jī)發(fā)生爆震時的機(jī)體振動信號的第2階內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)分量IMF2在各階的內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)分量的能量中最大，占總能量的47.62%，即在各階內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)分量中占主導(dǎo)地位。因此，采用功率譜密度估計法對第2階內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)分量IMF2進(jìn)行分析，得到IMF2的功率譜密度曲線，如圖5所示。

圖4 爆震時的機(jī)體振動加速度信號的7階內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)分量的能量

圖5 爆震時的機(jī)體振動加速度信號的IMF2分量功率譜密度曲線

由圖5可知：IMF2分量的功率譜密度曲線峰值對應(yīng)的橫坐標(biāo)為15.63 kHz，從而可以知道發(fā)生爆震時的爆震信號的爆震中心頻率為15.63 kHz。根據(jù)HIP9011芯片說明書，本文選取爆震中心頻率為15.84 kHz，帶寬濾波范圍為±1 kHz。

2.2 HIP9011芯片開、關(guān)窗時刻的選取

根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，爆震現(xiàn)象大多發(fā)生在上止點后一定角度內(nèi)，所以，為了確保爆震信號檢測區(qū)間內(nèi)盡量包含更多的爆震信號，本文對二沖程煤油發(fā)動機(jī)在5 000 r／min、節(jié)氣門開度為51.9%時正常工作循環(huán)和爆震工作循環(huán)的缸內(nèi)壓力信號進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 無爆震與強(qiáng)烈爆震的缸內(nèi)壓力信號

根據(jù)圖6可知，在壓縮上止點后5～90°是出現(xiàn)缸內(nèi)壓力波震蕩的主要區(qū)間，因此，本文設(shè)置爆震信號檢測區(qū)間與之對應(yīng)，在爆震信號檢測期間應(yīng)用HIP9011芯片對機(jī)體振動信號進(jìn)行積分處理，這樣既減少干擾信號的影響，又提高了對二沖程煤油發(fā)動機(jī)爆震的檢測精度。

3 爆震識別系統(tǒng)的設(shè)計

設(shè)計的二沖程煤油發(fā)動機(jī)爆震識別系統(tǒng)方框圖如圖7所示，包括信號采集模塊、HIP9011芯片處理模塊和英飛凌xc2765x芯片的分析處理模塊。

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1.1 曲軸位置傳感器信號調(diào)理電路

對曲軸位置傳感器采集到的信號進(jìn)行濾波處理，使其傳輸給英飛凌xc2765x芯片的信號更平穩(wěn)，并可排除干擾信號，如圖8所示。

圖7 爆震識別系統(tǒng)方框圖

圖8 曲軸位置傳感器信號調(diào)理電路

3.1.2 HIP9011芯片調(diào)理電路

機(jī)體振動傳感器采集到的機(jī)體振動信號直接傳給HIP9011芯片分析處理，把其處理成一模擬電壓量載傳輸給英飛凌xc2765x芯片處理，通過SPI串行通訊接口進(jìn)行芯片間的通訊，HIP9011芯片調(diào)理電路如圖9所示。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)的設(shè)計包括下位機(jī)軟件的設(shè)計和上位機(jī)軟件的設(shè)計，通過相互的配合才能實現(xiàn)發(fā)動機(jī)爆震狀態(tài)的識別及其爆震強(qiáng)度的判斷。

3.2.1 下位機(jī)軟件的設(shè)計

采用模塊化設(shè)計的思想設(shè)計各個模塊的程序，這樣既方便調(diào)試，也方便日后的維護(hù)升級。下位機(jī)的程序設(shè)計主要包括曲軸位置信號處理、SPI通訊、AD采集、爆震閥值更新、爆震狀態(tài)識別和爆震強(qiáng)度判斷以及串口通訊等模塊。

根據(jù)采集到曲軸位置傳感器信號確定當(dāng)前發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及HIP9011芯片積分／保持模式的時間，并通過SPI通訊寫入控制字給HIP9011芯片，這樣HIP9011芯片就可以對機(jī)體振動信號進(jìn)行分析處理，并把每個工作循環(huán)的電壓積分值傳輸給xc2765x芯片處理。

圖9 HIP9011芯片調(diào)理電路

考慮到發(fā)動機(jī)長時間運(yùn)行后，受到機(jī)械磨損、燃油更換、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷等情況的變化，即使相同等級的爆震強(qiáng)度，機(jī)體振動傳感器測得的信號大小也會發(fā)生變化，如果閾值一直固定不變有可能引起誤判，因此，本文采取一種能跟隨發(fā)動機(jī)工作條件變化改變爆震閥值的方法，如圖10所示。

圖10 爆震判斷流程

本研究利用爆震率P來評價爆震強(qiáng)度，即通過計算一定循環(huán)內(nèi)發(fā)生爆震的循環(huán)所占的比例來判斷當(dāng)前發(fā)動機(jī)的爆震強(qiáng)度。通過查閱其他參考文獻(xiàn)，本文對爆震強(qiáng)度的評價指標(biāo)做以下定義：無爆震P＜1%；輕微爆震1%≦P≦5%；中等爆震5%＜P≦10%；強(qiáng)烈爆震P＞10%。

3.2.2 上位機(jī)軟件的設(shè)計

本文應(yīng)用LABVIEW軟件設(shè)計了上位機(jī)系統(tǒng)，通過自定義協(xié)議與下位機(jī)進(jìn)行通訊，實時顯示當(dāng)前發(fā)動機(jī)的某些狀態(tài)參數(shù)，使實驗人員能清晰地了解當(dāng)前發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)。上位機(jī)系統(tǒng)界面如圖11所示。

圖11 上位機(jī)系統(tǒng)界面

4 爆震識別系統(tǒng)臺架實驗及結(jié)果分析

通過發(fā)動機(jī)臺架試驗驗證二沖程煤油發(fā)動機(jī)爆震識別系統(tǒng)的功能及其準(zhǔn)確性。首先，分析大量試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速為5 000 r／min、節(jié)氣門開度為51.9%、點火提前角為25°的發(fā)動機(jī)工況為正常工作狀態(tài)，當(dāng)點火提前角增加5°時，發(fā)動機(jī)工況變?yōu)閺?qiáng)烈爆震狀態(tài)?；谏鲜鼋Y(jié)果，本文采取重復(fù)相同的工況來驗證二沖程煤油發(fā)動機(jī)爆震識別系統(tǒng)是否能實時、準(zhǔn)確地識別出發(fā)動機(jī)的爆震狀態(tài)。

圖12為點火提前角為25°時，二沖程煤油發(fā)動機(jī)爆震識別系統(tǒng)的工作情況和點火提前角增加5°時，二沖程煤油發(fā)動機(jī)爆震識別系統(tǒng)的工作情況。

圖12 爆震識別系統(tǒng)臺架實驗結(jié)果

經(jīng)過對大量試驗數(shù)據(jù)的分析，二沖程煤油發(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)速為5 000 r／min、節(jié)氣門開度為51.9%、點火提前角為25°時，發(fā)動機(jī)工作在正常工況；當(dāng)點火提前角增加5°時有強(qiáng)烈爆震現(xiàn)象產(chǎn)生，從而驗證了該二沖程煤油發(fā)動機(jī)爆震識別系統(tǒng)的功能。

5 結(jié)束語

本文應(yīng)用內(nèi)稟模態(tài)特征能量法對采集到的機(jī)體振動信號進(jìn)行分析處理，準(zhǔn)確地提取出了爆震中心頻率；同時，對采集到的缸內(nèi)壓力曲線進(jìn)行對比分析，確定了HIP9011芯片開、關(guān)窗的時刻。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了爆震識別系統(tǒng)，包括硬件系統(tǒng)、下位機(jī)軟件系統(tǒng)和上位機(jī)系統(tǒng)。搭建了二沖程煤油發(fā)動機(jī)爆震識別系統(tǒng)實驗臺架，并進(jìn)行了測試實驗。實驗結(jié)果表明：爆震識別系統(tǒng)能準(zhǔn)確識別出當(dāng)前發(fā)動機(jī)的爆震狀態(tài)，并準(zhǔn)確判斷當(dāng)前發(fā)動機(jī)的爆震強(qiáng)度，可實時地在上位機(jī)界面上顯示發(fā)動機(jī)的狀態(tài)參數(shù)。

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（責(zé)任編輯劉 舸）

Research on Knock Identification System of Two Stroke Kerosene Engine Based on HIP9011

LIU Jing-yang1，SHENG Jing2

（1.College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanchang Institute of Technology，Nanchang 330099，China）

In order to solve the knock intensity limit the use of safety，power and economic issues in heavy two-stroke engine，this research designed two-stroke kerosene engine knock recognition systembased HIP9011.It can identify shock state of the two-stroke kerosene engine explosion rapidly and accurately，and established a good foundation for the two-stroke kerosene engine knock control.This paper used intrinsic modal feature energy method to extract the detonation characteristic frequency of the body vibration signal and determined the detection range of the knock signal according to the cylinder pressure curve.Two-stroke kerosene engine knock detection system is designed based on Infineon cx2765x chip and the HIP9011 chip，and it designed PC system to display the operating state of the engine by using LabVIEW.A two-stroke kerosene engine test bench was setup and tested.The experimental results show that the knock detection system can accurately judge the engine knock status and knock intensity.

two-stroke kerosene engine；knock identification system；intrinsic modal feature energy method；knock characteristic frequency；knock signal detection range；HIP9011 chip.

10.3969／j.issn.1674－8425（z）.2016.12.010題，設(shè)計了基于HIP9011的二沖程煤油發(fā)動機(jī)爆震識別系統(tǒng)，以便快速、準(zhǔn)確地識別出二沖程煤油發(fā)動機(jī)爆震狀態(tài)以及爆震強(qiáng)度，為二沖程煤油發(fā)動機(jī)爆震控制打下良好的基礎(chǔ)。應(yīng)用內(nèi)稟模態(tài)特征能量法提取機(jī)體振動信號的爆震特征頻率，并根據(jù)缸內(nèi)壓力曲線確定爆震信號檢測區(qū)間。采用英飛凌cx2765x芯片與HIP9011芯片設(shè)計了二沖程煤油發(fā)動機(jī)爆震識別系統(tǒng)，并應(yīng)用LABVIEW設(shè)計了上位機(jī)系統(tǒng)來實時顯示發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)。搭建了二沖程煤油發(fā)動機(jī)實驗臺架并進(jìn)行了爆震識別系統(tǒng)的測試實驗。實驗結(jié)果表明：爆震識別系統(tǒng)能準(zhǔn)確地判斷發(fā)動機(jī)的爆震狀態(tài)及其爆震強(qiáng)度，并實時在上位機(jī)系統(tǒng)中顯示。

V263.3；TP277

A

1674－8425（2016）12－0063－06

2016－03－12

江蘇省2015年度普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目（KYLX15＿0262）；江西省精密驅(qū)動與控制重點實驗室開放課題（PLPDC-KFKT-201620）

劉景陽（1990—），男，安徽人，碩士研究生，主要從事發(fā)動機(jī)動力性研究，E-mail：1072885106＠qq.com；通訊作者盛敬（1980—），女，山東人，講師，主要從事發(fā)動機(jī)數(shù)值模擬與控制研究，E-mail：shengjing6307＠163.com。

劉景陽，盛敬.基于HIP9011的二沖程煤油發(fā)動機(jī)爆震識別系統(tǒng)研究［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2016（12）：63－68.

format：LIU Jing-yang，SHENG Jing.Research on Knock Identification System of Two Stroke Kerosene Engine Based on HIP9011［J］.Journal of Chongqing University of Technology（Natural Science），2016（12）：63－68.