（车辆工程专业论文）内燃机爆震与爆震传感器的性能研究.pdf

内燃机爆震与爆震传感器的性能研究 摘要 内燃机爆震( 或敲缸) 是一种不理想的燃烧方式，它会使内燃机工作粗爆， 功率下降，燃油经济性变差。利用爆震传感器提取爆震信号特征，可以准确地 判断爆震是否发生，爆震强度大小，进而控制汽油机工作在期望的轻微爆震工 况下。因此，对内燃机爆震现象和爆震传感器的性能进行深入研究，对于提高 内燃机工作性能，延长内燃机使用寿命来说，具有重要的应用价值和工程意义。 本文从理论分析入手，通过对爆震传感器的性能测试，为爆震传感器的设 计提供理论和实验依据。 首先分析了爆震信号的产生机理、测量方法和爆震信号特征，并探讨了爆 震信号数字化处理的理论依据。 通过对爆震传感器结构及工作原理的研究，详细分析了其主要性能指标， 如灵敏度、频率响应、相位响应、范围。通过对5 种型号8 个爆震传感器进行 性能检测，测量分析了各爆震传感器的频率响应函数、灵敏度、线性度等静动 态性能参数，找出国产爆震传感器的不足，并依照性能较好的爆震传感器，制定 出一种新型爆震传感器的设计方案，为加快爆震传感器国产化进程提供研制依 据。 设计的新型爆震传感器结构非常紧凑，成本较低，占用空间小，在测量爆 震信号时信号无需再放大即可使用。非常适合于国内生产。 关键词：内燃机爆震机理爆震传感器静动态性能 p e r f b r m a n c er e s e a r c ho ft h ei n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e s k n o c ka n dt h ek n o c ks e n s o r a b s t r a c t 硒c l d n gt o 也ei n t e r i l a ic o m 删o n 即g i m ( o r s t r i k i n gt ot i l ep i s t o n ) i so n e n o t i d e a lb w n i i i gw a y nw i l lm 砒，et 1 1 ei n t e m a l 一c o i n b u s t i o ne n 西1 1 cw o r kv i o l e n t ，t h e p o w 盱d r 印，t h ee c o n o m yo ft 1 1 ef i l e lb e c o m eb a d k n o c ks i g 舱lc h a r a c t e r i s t i cc a i lb e 毓b y l 【1 1 0 c ks e n s o ra n dc a nb el n i l i z e dt oj u d g et l l ek n o c kt ot a ：k e p l a c e a c c u r a t e l ya n dt l l el ( 1 l o c k si n t e n s i 哆s i z e i ti sg r e a ts i 鲥f i c a n tt 0u 1 【i i i z e di tt oc o n t r o l t h ei n t e m a l 一c o m b u s t i o ne n g i l l ew o r ki nl l l l d e rt 1 1 e e x p e c t a ml ( n o c k i n g 叩e r a t i n g m o d ea n di th a st l l e i m p o n a n ta p p l i c a t i o nv a l u e 如dt 1 1 ep r o j e c ts i g i l i f i 1 1 1 c e t o e i l l l 龃c et l l ei n t e m a lc o m b u s t i o ne n g i n e 叩e r a 蛀n gp e 面m 龃c e 锄dl e n g m e n 也e i n t 锄a lc o m b u s t i o ne n g h es e i c e1 i f e b ym e 舡l so fc o r l d u c 血l gt h et h o r o u g h f e s e a r c ht om e p h e n o m e l l o n o ft h ei n t e m a lc o l n b u s t i o ne n g i r l eh l o c k 锄dt h eh o c k s e n s o r t oo 脏r 吐l et l 坨o r y 锄de x p e 血n c n tb 勰i so f 廿l ed e s i 印o f m el 【n o c ks e n s o r 锄a l y z i n g 丘d mm et l l e o r y ，也ef - u n c t i o no ft l l ei m o c ks e n s o ri st e s t e di i lm i st c m t h e l c r l o c kp r o d u c t i o nm e c h a i l i s mo fs i 鄹【a l ，m e 删咒m 创h o d 锄dt h el ( i l o c ks i 印a l c h a m c t e r i s t i ca r e 锄l y z e da t f i r s t ，锄dm em e o r c 吐c a lf o u n d a t i o no fd i 西t i z e d p r o c e s s i n go f t h ek n o c ks i g n a li sd i s c u s s e d t h d u g h t l er e s e a r c ho f 也ek r l o c ks e n s o rs 协l c t u r e 锄do p e 棚o np r i n c i p l e ，t l l e k n o c ks e n s o r sm a i l lp e r f o r n l a n c ei n d e x1 1 a _ v eb c a n a l y z c di nd c t a i l ，t 1 1 es s i t i v i t y ， f e q u e n c yr c s p o l l d i n g ，p h a s er e s p o n d i l l g ，f a n g ea n ds oo nm es t a _ c i ca n dd ”埝l i l i c p e r f b n n a n c ep a r a i i l e t e r c 商e do np e 墒m a n c em e a s u r ek n o c ks e n s o r s ，4t ) ，p eo f8i m o c k ss e n s o r s r e s p o n d sf h n c t i o no ft l l ef e q u e n c ys e n s i t i v 哦l i n e a rd e g 舱e ，e t ca r em e 邪u r e d 锄d 孤a 1 ) r z e d t l l e nd e f i c i e n c yo fd o m e s t i cl ( i l o c ks c n s o ri sf o 岫do u t 锄d 孔c o r d i n gt o w h i c ht h eb e t t e rp e r f o m a n c eh 豁，o n ei 坞w t y p eo fd e s i 鲥n gp l a no fk n o c ks e o r i s d e s i g n e d t o p r o v i d e t l l e d e v e l o p m e n tb 舔i s t o s p e e du p 也ep r o d u c t i o n d o n l e s t i c i z a t i o np r o c e s so f t h ek n o c ks e n s or t h es 乜1 l c t l l r eo ft l l en e wd e s i g n e ds e n s o ri sv e r yc o m p a c t ，t l l ec o s ti sr e l a t i v e l y l o w 如di ti s 锄a l lt ot a l ( eu pt l l es p a c e i t ss i 印a ld o e sn o tn e e dt o 锄p l i 匆w i l i l e m e a 吼l r i n g 也es i g n a lo f k n o c k s oi ti sv e r ys u i t a b l ef o rd o m e s t i cp r o d u c 廿o n k q 唧o r d s ：吐l e m a l - c o i n b l l s t i o n 锄g i l l e ；l 【i l o c km e c h a l l i s m ；l ek n o c ks e l l s o r ； s t a d c 髓dd y n 锄i cp e r f o n n 锄c e 插图清单 图2 1 爆震判断范围8 图2 2 爆震信号的判断8 图2 3 爆震控制示意图9 图2 4 爆震控制的点火提前角9 图2 5 爆震反馈控制原理图9 图2 6 点火提前角的控制1 0 图2 7 数字信号处理系统1 1 图2 8 理想的单输入、单输出系统1 7 图2 9 单位脉冲响应函数1 7 图2 1 0 某发动机缸盖表面振动频谱曲线( n - 1 5 0 眦，m i i i ，点火提前角2 6 0 ) 2 0 图2 1 1某发动机缸内压力频谱曲线( n = 1 6 0 0 r m i l l ，点火提前角2 6 0 ) 2 0 图3 1 爆震传感器的安装示意图2 2 图3 2 磁致伸缩式爆震传感器的构造2 3 图3 3 非共振型压电式爆震传感器2 3 图3 4 共振式爆震传感器的结构图2 4 图3 5 爆震传感器的等效电路2 5 图3 6 爆震传感器主坐标灵敏度与横向灵敏度与频率关系2 6 图3 7 爆震传感器的频率特性与电荷和电压灵敏度示意图2 7 图3 8爆震传感器自然共振频率的定义的简化机械等效系统2 7 图3 9 爆震传感器灵敏度和相位响应与频率的函数关系示意图2 9 图3 1 0 振动测量系统在t 时间内的正弦半波脉冲响应3 0 图3 1 l 低通滤波器或前置放大器响应需要阻尼安装后的共振频率f m 爆震传感 器为测量正弦半波形式的冲击脉冲的持续时间t = 1 ，f m 秒且少于1 0 的幅度偏差 3 l 图3 1 2 用于爆震传感器压电材料p z 2 3 、p z 4 5 和p z l 0 0 典型电荷和电压灵敏 度与温度特性关系图3 2 图3 1 3 波形不失真复现3 3 图3 1 4 信号中不同频率成分通过测量装置后的输出3 4 图4 1 测试对象3 6 图4 2 爆震传感器的安装原理图3 7 图4 3 测量装置图3 7 图4 4 测量原理图。3 7 图4 5n t k 爆震传感器频响曲线图3 8 图4 6 m i f e n g 爆震传感器频响曲线图3 9 图4 7 图4 - 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 s i m e n s ev d o 爆震传感器频响曲线图4 0 j a e i l 爆震传感器频响曲线图4 1 b o s c h 撑l 爆震传感器频响曲线图4 2 b o s c h 舵爆震传感器频响曲线图4 3 b o s c h 群3 爆震传感器频响曲线图4 4 b 0 s c h 撑4 爆震传感器频响曲线图4 5 压电式爆震传感器基本结构4 7 爆震传感器的三种结构形式4 8 p v d f 爆震传感器的三维结构图5 0 经5 1 0 k h z 带宽过滤的信号功率谱5 l p v d f 爆震传感器与标准加速度传感器的比较结果5 3 表格清单 表3 1 振动检出型爆震传感器的比较表2 2 表5 1c f d 火花点火式发动机的特性5 1 表5 2p v d f 爆震传感器与标准加速度计的比较后的汇总情况一5 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金目旦互些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：彭嚏癣 签字日期；矽盼月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒月墨王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 月垦兰些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 粼繇毫炉屿 签字日期：2 砣陴f d 月归日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：汽车管理学院 通讯地址：安徽蚌埠汽车管理学院汽车教研室 导师签名： 、 步乏之 签字日期：咖r 年r o 月日 电话：1 3 0 0 4 0 7 5 2 1 5 邮编：2 3 3 0 1 1 致谢 本人在研究生课程学习、噪声与振动研究所实验室学习和撰写学位论文的 过程中，自始至终得到了我的导师李志远教授和鲍俊瑶老师的悉心指导，无论 从课程学习、论文选题，还是到收集资料、论文成稿，都倾注了李志远老师的 心血，由衷感谢李志远老师在学业指导及各方面所给予我的关心以及从言传身 教中学到的为人品质和道德情操，老师广博的学识、严谨的治学作风、诲人不 倦的教育情怀和对事业的忠诚，必将使我终身受益，并激励我勇往直前。 在我论文即将结束之际，谨以此表达我对李志远教授老师的衷心谢意。 同时，真诚感谢合肥工工业大学机械工程学院的陆益民老师、陈品老师， 他们的教诲为本文的研究提供了理论基础，并创造了许多必要条件和学习机会； 感谢汽车管理学院的姜斯平副教授，感谢他的悉心帮助和无微不至的关怀，感 谢汽车管理学院汽车教研室的领导和同仁们，在我课程学习和论文撰写期间， 给予我的大力支持。 感谢我的妻子和家人给予鼓励和支持，感谢所有的同学给予的帮助。 作者：彭生辉 2 0 0 5 年1 0 月1 日 第一章绪论 1 1 项目的研究意义 汽车传感器作为汽车电子控制系统的关键部件，在汽车上得到了广泛地应 用。它的市场应用现状、技术态势、未来发展趋势与国内汽车电子技术实力的 整体提升息息相关。 汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键 部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。目前，一辆普通家用轿车 上大约安装几十到近百只传感器，而豪华轿车上的传感器数量可多达二百余只。 汽车传感器在汽车上主要用于发动机控制系统、底盘控制系统、车身控制系统 和导航系统中，其中爆震传感器是发动机电子控制系统中必不可少的重要部件， 爆震传感器是用于气缸内爆震信号的测量，爆震传感器向发动机的电子控制单 元正c u ) 提供发动机的爆震状况信息，供e c u 对发动机工作状况进行精确控制， 以提高发动机的动力性、降低油耗、减少废气排放和进行故障检测，即给e c u 提供爆震信号进行反馈控制。 我国的爆震传感器生产由于起步较晚，还没有形成系列化、配套化。只有 零散的产品，存在着准确度、信号精度、匹配性、抗干扰性、耐环境能力差等 问题。其中，部分传感器厂为了增强产品的竞争力，采用与国外同行业进行合 资经营的方式，消化吸收国外先进的传感器技术，使产品升级换代，从而逐步 发展壮大。但绝大多数企业还只是照搬或模仿阶段，处于利润少、产品单一、 产品质量和技术水平低下的状况，关键是对爆震传感器的基本机理了解的不够 深入，即对其关键技术没有掌握。 中国汽车电子市场随着汽车大力发展而呈现强劲的增长势头，国内汽车电 子市场迅速增长起来。但中国汽车电子市场大多被世界跨国公司瓜分，爆震传 感器主要依赖进口，加快汽车电子国产化是汽车电子行业的首要任务。 2 0 0 3 年底我国汽车保有量2 3 8 2 0 3 万辆，2 0 0 4 年全国销售汽车4 1 3 4 万辆， 预计今年全国汽车产量将达5 6 0 万辆。目前新出厂的汽油车要求全部安装“电喷” 系统，这就需要大量的爆震传感器。可见汽车爆震传感器的生产具有广阔的前 景。 1 2 爆震研究的历史和机理 爆震燃烧过程研究的历史几乎和火花点火发动机的历史同样长， m a l l a r d 等人早在1 8 5 2 年就发现了爆震现象，经n e m s t 等人的研究，1 9 1 0 年后知道 了爆震会限制发动机动力和经济性能的提高，且随着h c ( 碳氢化合物) 种类 的不同其倾向也不同。 础c a r d o 在1 9 1 9 年首先提出了爆震是由于末端混合气自燃的学说。之后， 研制出了可变压缩比的单缸发动机，逐渐确立了燃料抗爆性能的评定方法，发 展了通过改进燃烧室设计来控制爆震的措施。 k e t t e m g 、m i d g l e y 、b o y d 等人从1 9 1 6 年开始对燃油的抗爆添加剂进行了 广泛的研究，在1 9 2 1 年从多达2 0 0 0 0 多种化合物中发现了四乙铅，作为添加 剂加入汽油中，可以有效地提高燃油的抗爆能力。尽管目前由于环境保护的需 要，许多发达国家已禁止汽油加铅，但这种研究方法对石油工业和汽车制造业 都有指导意义。 上个世纪3 0 年代，r a s s w e n e r 、w t l l r o w 等人对火焰传播过程的高速摄 影表明，由于活塞运动和火焰传播，燃烧过程中的末端气体几乎在极短的时间 内被绝热压缩至高温高压，因而在瞬时内燃烧，产生压力波，引起发动机机体 振动。同时，l e 晰s 和v o ne l b e 等人的研究证明末端气体的急剧燃烧是因为未 燃混合气在着火前有先期反应的存在而产生的自燃性点火“1 。 4 0 年代，m i l k r 和m a l e 等人用更高速度纹影摄影的观察，认为存在着以 超声速传播的波面，可以将爆震过程比喻为爆燃( d e n a 耐i o n ) 或爆炸 ( e x p l o s i o n ) ，确立了爆震说瞪”。 随着对末端气体中焰前反应认识的深入，5 0 年代进行了许多侧重于混合 气自燃的研究。s i i l l o n o v 、s o 墩、z c l d o v i c h 、( h l s s a l ( 等人对燃油自燃的 化学动力学过程进行的研究，为揭示爆震的本质，从根本上控制爆震提供了有 效的手段。d o w n s 、础墩m 等人以伴随着冷焰反应的二阶段着火状态为中心， 影响着火延迟诸多因素的研究也有了很大的进展。为了避免爆震，最好在末端 气体自燃以前使正常火焰结束传播同时，c 撕s 、1 a y l o r 、d a v i s 等人也 进行了有关发动机结构参数和运转参数对爆震影响的研究，从而认识到提高燃 烧室中紊流强度，使火焰传播速率加快，缩短正常火焰的传播距离，可以抑制 爆震的发生。 6 0 年代，已积累了很多燃油自燃方面的研究成果，b a l l 、a m e c k 、 h a s k c l l 等的研究郁证明末端气体的自燃是爆震产生的原因。c u n 了在燃烧室中 设置了多个离子探针来测量火焰传播，发现爆震时火焰在末端气体中的传播速 率是常规火焰传播速率的1 0 2 0 倍，并提出火焰加速也是产生爆震的原因之 一，即火焰加速说“。 7 0 年代火花点火发动机的研究工作主要集中在排气污染物的生成机理及 其控制上，爆震燃烧的研究相对停滞。从7 0 年代的后期开始到现在，随着能 源问题的日益突出和对汽车舒适性要求的提高，爆震再度成为各国内燃机研究 工作者的热点课题，这个领域的研究呈现出空前的活跃状况。 尽管爆震燃烧的研究有很长的历史，由于爆震现象非常复杂，涉及的因素 很多，对爆震的机理目前还有不同的解释，主要有3 种学说： 自燃说( a - u t o i 髓i t i o nt h e o r y )随着压缩过程的进行和火焰的正常传播， 处在最后燃烧位置上的末端气体的温度和压力不断提高，经历了一系列先期反 应后，在适宜的部位上出现一个或数个自发的火焰中心，自发火焰从这些中心 以很高的速率传播，迅速将剩下的末端未燃混合气燃烧完毕。 爆震说( d e t o n a t i o nm e o r y )对预混合气的燃烧，火焰在传播过程中受 到周围条件的限制，突然产生高压和高速传播的现象，即正常的火焰前峰由于 冲击波的高压提供的能量，从亚声速转变为超声速传播，燃烧反应异常猛烈， 并产生强烈的冲击波。 火焰加速说( r a p i de n 敦l i n m e mt l l e o r y )正常的火焰前峰加速到了很高的 速率，但仍以亚声速传播，使得压力升高率迅速增大。 3 种学说都认为爆震时特有的冲击波、气体振动和噪声是能量急剧释放的 结果，火焰传播速率和质量燃烧率都很高，有压力的突升和最高峰值压力的压 力振荡和高速率的传热损失。区别在于急剧燃烧的开始和火焰传播方式的不同。 自燃说由于很好地解释了各种试验的结果，因而得到了广泛的承认，许多国外 的文献资料都称爆震为敲缸( k n o c k ) 。但是爆震说的解释还不能完全否定，自 从4 0 年代m i l l e r 、m a l e 等人用高速摄影测量到超声速的爆震波后， f i r e y 用冲击压力测量器测量到了强烈的冲击波。直到现在，有关爆震造成破坏的机 理的研究仍在进行中，例如对爆震造成轻合金燃烧室表面产生穴蚀 ( c a v i t a t i o n ) 的机理，有局部温度超过该金属材料的熔点而造成熔化的热熔 说和由于强烈冲击波的敲击而产生机械损伤的敲击说。如果敲击说成立，则符 合爆震说解释。因为在自然说的解释中，尽管末端气体自燃也会产生压力波， 但压力波的强弱与自燃区的大小无关，无法解释燃烧室壁面所受到的强烈冲击。 自6 0 年代以来，用超高速的纹影摄影( 5 2 0 万帧秒) 和激光诊断， 如r a y l e i 曲散射法的研究发现，在紊流阶段已完全发展的火焰结构中，火焰前 峰的厚度明显增加，锋面后有许多未燃混合气的“小岛”，燃烧室中紊流很强时， 燃烧过程后期火焰前锋卷吸了大量的未燃混合气，加之有许多活性粒子，使这 些混合气在瞬间燃烧，火焰传播速率和质量燃烧率都很高。这些研究结果都支 持了火焰加速说。最近c u m e r 和g i r g i s 的研究证实了火焰迅速卷吸加速的存 在，而k o n i g 和s h a p p 缸d 的研究则否定了该现象的存在。 值得注意的是，由于爆震析出碳粒，k o n j g 、m a l 等人的研究认为爆震 起源于末端混合气中放热中心( e x o 血e m i cc 朗们s ) ，又称热点( s p o t s ) ， 它们在已燃和未燃充量的紊流混合物中产生，是温度场和浓度场不均匀的产物， 也包括碳沉积物和金属屑，分布在末端混合气中。在活塞和火焰前锋的压缩下， 这些热点的温度上升，经过各自的着火延迟期后，合适着火的热点首先自发着 火，之后能量的迅速释放形成冲击波并冲击邻近的其他热点，使它们的温度升 高，着火延迟期大大缩短，促使邻近的热点着火，再发出冲击波，进而使更多 的热点着火。根据热点的大小、特性、位置和着火延迟期对温度的敏感程度的 不同，形成雪崩式爆炸，产生从爆燃( d e f l a 斟a t i o n ) 到严重爆震( s e v e r e d e t o n a t i o n ) 之间的燃烧反应。 0 p p e l l h e i m 对爆震作了一个较全面的定义圄：爆震( 或敲缸) 是一种不理 想的燃烧方式，它是自发地和随机地产生的导致锐利的压力脉冲，并伴随有 充量及机体的振动和特征相同的噪声。 1 - 3 任务的来源与实现 受北京锐意泰克汽车电子有限公司的委托，对汽车爆震传感器的主要性能 进行分析研究。对该公司提供的5 种型号8 个爆震传感器进行性能检测，测量 分析各爆震传感器的频率响应函数、灵敏度、线性度。 目前汽车用传感器的发展有两大趋势：一是新的结构设计；二是开发新的 原理的传感器，以满足更新换代的需要。总的趋势是e c u 越来越集中，传感器 越来越多。总之，随着电子技术的发展和汽车电子控制系统应用的日益广泛， 汽车传感器市场需求将保持高速增长，微型化、多功能化、集成化和智能化的 传感器将逐步取代传统的传感器，成为汽车传感器的主流。 而具体对于爆震传感器，根据工作原理分有两种，一种是磁致伸缩式爆震 传感器，另一种是压电式爆震传感器。磁致伸缩式爆震传感器的内部有永久磁 铁、靠永久磁铁激磁的强磁性铁心以及铁心周围的线圈。其工作原理是：当发动 机的气缸体出现振动时，该传感器在5 1 0 l 【h z 左右处与发动机产生共振，强磁 性材料铁心的导磁率发生变化，致使永久磁铁穿过铁心的磁通密度也变化，从 而在铁心周围的绕组中产生感应电动势，并将这一电信号输入e c u 。 压电式爆震传感器是利用结晶体或陶瓷多晶体的压电效应来工作的，也有 利用掺杂硅的压电电阻效应的。该传感器的外壳内装有压电元件、质量块及导 线等。其工作原理是：当发动机的气缸体出现振动且振动传递到传感器基座上 时，基座与配重块之间产生相对运动，夹在这两者之间的压电元件所受的压力 发生变化，从而产生电压。e c u 检测出该电压，并根据其值的大小判断爆震强 度。 应该说，开发新的工作原理的爆震传感器实际意义不大，在目前情况下， 可能性极小，故我们研究的重点是通过试验与研究，比较国产及进口爆震传感 器结构及性能，从而设计出一种适合于国内生产使用的比较理想爆震传感器。 1 4 本文的主要内容 本文共分五章，主要内容是围绕电喷汽车爆震传感器性能研究展开，重点 阐述爆震传感器工作、结构原理、性能及其测试方法，最后提出并设计了一个 适合于国内生产与使用的爆震传感器。 第一章“绪论”中，主要介绍了选题的背景、课题的任务和实现的方法。在了 4 解爆震研究历史的基础上，首先介绍了爆震传感器的生产在国内具有的巨大潜 力以及当前及自主设计生产能力的相对不足，并指出关键是对原理认识不足， 在简单介绍结构及工作原理后，根据试验结果，提出实现设计的方法。 第二章“爆震信号及其分析”，主要介绍了爆震的机理及其危害，爆震信号的 测量及分析方法，同时指出其特点。 第三章“爆震传感器的性能指标”，主要介绍了当前使用的几种爆震传感器的 结构及工作原理，并且着重分析了爆震传感器的几种性能指标。 第四章“市场爆震传感器的性能测试与分析”，主要对5 种型号8 个爆震传感 器进行性能检测，测量分析各爆震传感器的频率响应函数、灵敏度、线性度。 指出不同厂家的爆震频率特性的差异。 第五章“新型爆震传感器的设计”，主要根据上述试验，指出现在比较实用的 是压电式爆震传感器，并根据压电式爆震传感器基本结构设计出一种成本相对 较低、电压输出较大的爆震传感器。 第六章“结论”，主要总结了前述工作，指出下一步的研究方向。 第二章爆震信号及其分析 2 1 爆震的危害 汽车是人类的重要交通工具，火花点火式汽油机广泛应用于各种汽车中。 当今世界，随着石油资源的日益减少以及由此引发的燃油价格大幅提高，越来 越多的汽车制造商开始采用更高的压缩比来达到提高燃油经济性的目的：同时， 排放法规的日趋严格要求使用无铅汽油。所有这些都将导致爆震发生的可能性 增大。爆震接近等容燃烧，本是人们所希望的，事实上，当轻微爆震时，汽油 机的经济性与动力性均有所提高湖。但在强烈爆震时，特别是在高速时发生的强 烈爆震将会导致一系列的不良后果。爆震时，由于缸内压力和压力升高率过高， 使活塞、缸套、连杆等零部件的机械负荷过大，长期在爆震下工作会产生裂纹； 爆震时产生的压力冲击波的反复作用破坏了燃烧室表面的附面层，使向燃烧室 壁面的传热量大大增加，燃烧室周围过热，冷却损失加大，润滑油和冷却水温 过高，导致运动件磨损加剧：爆震时燃烧温度很高，可析出碳粒，造成排气黑烟。 “1 严重时会使铝合金缸盖、活塞穴蚀、软化、熔化、穿孔而损坏，也能造成排气 门翘曲，活塞环粘结，环和环岸损坏，气缸垫泄漏等爆震还会加剧表面点火等 不正常燃烧，使汽油机工作粗爆，功率下降，燃油经济性变差。若不产生爆震， 汽油机可以方便的应用高压缩比或增压的方法来提高功率，改善性能嘲。因此， 研究性能优良的爆震传感器，可以很好的提取爆震信号特征，准确地判断爆震 是否发生，以及爆震强度的大小，进而控制汽油机在最优工况下工作，具有重 要的工程意义。 2 2 爆震信号的测量 爆震测量的结果要能反映爆震特有的本质，这样才能提高爆震实时控制的 精度和可靠性，爆震测量的信号一般都源自爆震时产生的特有充量的压力振荡。 按自燃说的解释，末端气体瞬间燃烧产生的压力波，在燃烧室中以声速传播， 该压力波在边界间来回反射，从而引起燃烧室中充量的振荡，传给燃烧室壁面， 使机体产生同样频率的振动，同时发出特征相同的噪声。该振动频率的大小取 决于燃烧室中的压力、温度和压力波传播的距离对尺寸不同的发动机，该频 率的大小范围各不相同，但对特定的发动机，其爆震振动的频率范围是固定的， 国外的小轿车一般在8k h z 左右，国产的解放、东风等卡车发动机在5 i ( 】妇左 右。因此在测量时以此作为信号源的特征频率，测量爆震的方法可以用测量燃 烧室噪声、机体振动频率和气缸压力等。 测燃烧室噪声法口”1 发生爆震时，发动机就会发出金属敲击声，在过蠹 很长的时间内，都是用人耳的听觉来判断是否发生了爆震，但人耳韵舞舞霉蓬天 6 主观意志的控制，缺乏统一的标准，精度有限，尤其高转速时的爆震危害很大， 而人耳却难以分辨出来听觉难以得出定量的结果，也无法对各缸的爆震进行 判断。现在测量噪声的方法就是用压电传感器测量噪声的频率，配以相应的信 号滤波处理系统和信号识别系统。如果发生爆震，在发动机特定的频率范围内 声级达到最大值，且爆震越强，则该值越大。在噪声仪测得的信号中，可以用 这个频率范围内的某个声级的大小来判定爆震的强弱。 本方法的优点是无需对发动机进行特殊加工，传感器使用寿命长，成本低， 测量系统维修方便适合大量生产。缺点是利用爆震的间接信号进行测量，发 动机高速运转时信噪比低，测量的精度和可靠性差，敲击声受发动机刚度的影 响，不同发动机问的测量结果难以进行比较，且不能分辨各缸的爆震，目前多 用在增压发动机上。 测气缸压力法“”爆震时示功图上最高压力之后有高频的压力振荡，爆震 越强烈，振动的振幅就越大。示功图是缸内充量振动，即爆震冲击波的直接信 号，据此测量爆震，精度和灵敏度高，测量结果可以反映出爆震的强度等级， 且能在不同的发动机之间进行比较，能对各缸的爆震强度进行分别测量，对测 量结果的分析处理可获得有关爆震燃烧过程的更多信息。测量时必须要选用频 响高，不受机体振动影响的传感器，不易受点火、噪声等干扰的测定线路。使 用现有的传感器都要对发动机缸盖进行较大的加工，传感器成本高、寿命短。 目前也缺乏一种公认的准确性，信号处理简单，适合进行实时控制的爆震强度 评价指标。随着对节能技术需求的提高，传感器及测量系统制造技术的进步和 新的算法的出现，这种方法将会得到广泛地应用。 测机体振动法n 1 1 对在发动机机体或缸盖上合适的位置安装振动( 加速度) 传感器，对爆震压力波引起的机体振动进行测量，对传感器和信号处理识别系 统调整其振动频带，使它能覆盖发动机爆震时振动的频率，并在内燃机爆震时 它也同时发生共振，给出相应的信号输出。本方法的优缺点和测燃烧噪声法类 似，优点是无需对发动机进行多大加工就可以测得爆震信号，传感器成本低， 测量系统维修方便，适合大量生产，测量精度比测燃烧噪声高，因而目前应用 最广泛，国外生产的轿车发动机大都装备有这种测量系统。缺点是高转速时信 噪比低，难以分辨各缸的爆震，测量结果不能在不同发动机间进行比较，且机 体振动也是爆震燃烧的间接信号，测量的灵敏度不够高，测量结果也无法体现 缸内压力振荡的真实情况。现在使用的爆震传感器就采用这种方法。 爆震的测量还有一些其它的方法，如用粒子探针、光导纤维图、高速摄影 或激光诊断等技术来测量火焰传播速率，测火焰温度，测火焰前锋中活性离子 的浓度，测燃烧室表面温度和传热损失的变化等，这些方法各有优缺点，尚缺 乏在汽车上大量推广应用的可能性。 目前，在实验研究中，应用最为广泛的爆震测量方法是测机体振动法和测 7 缸内压力法本文中就是针对加速度传感器信号和缸内压力传感器信号对爆震进 行研究的。 2 3 发动机的爆震控制 爆震传感器的功能是将发动机震动转换成电压信号，以检测发动机的爆震强 度。当发动机产生设定的爆震强度时，爆震传感器输出最大电压信号，用以表示发 动机异常振动。 发动机的振动频繁而剧烈，为了只检测爆震信号，防止发生错误的爆震判别， 因而只限于辨别发动机点火后爆震发生时的振动“”。在这个范围内，爆震传感器 的信号才被输入比较电路( 见图2 1 ) 。 曲轴位置信号l ，_ i 厂 第一缸 第五缸 第三缸 第六缸 备缸上止点咭：_ 1 吉石_ 矗石玄 阿厂_ l 厂 - 爆帝二溯陟 霞养帮簦蓬器号 图2 1 爆震判断范围 在图2 2 中，来自爆震传感器的信号，含有各种频率的电压信号，首先须经滤波 电路，将爆震信号与其他振动信号分离，只允许特定范围频率的爆震信号通过滤 波电路，再将此信号的最大值与爆震强度基准值进行比较，如大于基准值，则将爆 震信号电压输入微机，表示发生爆震，由微机进行处理。 r 翮i ”4 “i i 滤 水霉+ 餮 路一 岖习匕 脑 b 栩震传辱器 图2 2 爆震信号的判断 爆震强度以超过基准值的次数计量，其次数越多，则爆震强度越大；次数越少， 爆震强度越小( 如图2 3 所示) 。 传统发动机爆震控制，为了使其在最恶劣的条件下，也不致产生爆震，其点火 时刻均设定在爆震边缘的范围以内，使其离开爆震界限并存在较大的余量。这样 势必会降低发动机效率，使发动机输出功率下降，燃料消耗增加。 图2 - 3 爆震控制示意图 现代发动机爆震控制系统，由爆震传感器检测爆震强度，在产生爆震前，微机 自动减少点火提前角，使点火时刻保持在爆震边界曲线的附近，提高发动机的功 率，降低燃料的消耗( 见图2 4 ) “”。 图2 4 爆震控制的点火提前角 试验表明，当发动机的负荷低于一定值时，一般不出现爆震。这时不宜采用控 制爆震的方法来调整点火提前角，可采用开环控制方案控制点火提前角。即此时 微机不再检测分析爆震传感器输入信号，只按rom 中存储的信息及有关传感器 控制点火提前的大小。显然，要判断在某一时刻究竟采用开环控制抑或闭环控制， 可由微机对反映负荷的传载器送来的信号进行分析予以实现。 图2 5 爆震反馈控制原理图 图2 5 所示为发动机爆震控制系统原理图。当发动机产生爆震时，微机通过 爆震传感器的输入信号和比较电路判别出发动机产生爆震，并依据爆震强度输 入信号，由微机控制延迟点火提前角的大小。当爆震现象消失时，微机恢复正常的 点火提前角的控制。当微机进行闭环控制时，其实际点火提前角的控制如图2 - 6 9 所示。当任何一缸产生爆震时，微机立即减少一定的点火提前角。当次缸依据点 火顺序再产生爆震时，同样再减少点火提前角。以此类推，逐渐减少点火提前角。 当发动机不产生爆震时，则在一定时间内，维持当前的点火提前角。在此期间，若有 爆震发生，也同样减少点火提前角；若无爆震发生，则又逐渐地增大点火提前角，一 直到产生爆震时，又恢复前述的反馈控制“”。 点 火 时 期 图2 6 点火提前角的控制 2 4 爆震信号分析的理论基础 在对爆震信号的研究分析中，信号的数字化处理技术至关重要，通过对爆 震信号的频域分析，可以了解到爆震信号在频域内的分布范围及强度特征，这 为爆震传感器的设计提供了理论和实验依据；另一方面，在对爆震传感器的性 能测试中，也必须要采用数字信号处理技术。因此我们要首先了解数字信号的 处理技术。 2 4 1 数字信号处理的基本步骤 1 坝4 试信号数字化处理的基本步骤 随着微电子技术和信号处理技术的发展，在工程测试中，数字信号处理方 法得到广泛的应用，已成为测试系统中的重要部分。从传感器获取的测试信号 中大多数为模拟信号，进行数字信号处理之前，一般先要对信号作预处理和数 字化处理。而数字式传感器则可直接通过接口与计算机联接，将数字信号送给 计算机( 或数字信号处理器) 进行处理。测试中的数字信号处理系统如图2 7 所示 n 7 】 o ( 1 ) 预处理预处理是指在数字处理之前，对信号用模拟方法进行的处理。 把信号变成适于数字处理的形式，以减小数字处理的困难。如对输入信号的幅 值进行处理，使信号幅值与d 转换器的范围相适应；衰减信号中不感兴趣的 高频成分，减小频混的影响：隔离被分析信号中的直流分量，消除趋势项及直 流分量的干扰等项处理。 。 ( 2 ) a d 转换刖d 转换是将预处理以后的模拟信号变为数字信号，存 入指定的地方。其核心是a d 转换器。信号处理系统的性能指标与其有密切关 系。 ( 3 ) 分析计算对采集到的数字信号进行分析和计算，可用数字运算器 件组成信号处理器完成，也可用通用计算机。目前分析计算速度很快，已近乎 达到“实时”。 ( 4 ) 结果显示一般采用数据和图形显示结果。 1 预处理ha 仍转换 _ _ 数字信号处理器 或一结果显示 l 预处理ha 他转换卜- + 计算机 图2 7 数字信号处理系统 2 4 2 离散傅里叶变换 傅里叶变换建立了时间函数与频谱函数之间的某种变换关系，这种关系对 信号分析带来了许多方便。在信号处理中，离散傅里叶变换是最常用的方法之 一，占有极重要的地位。它既建立了离散时域与离散频域之间的联系，又由于 离散傅里叶变换存在周期性，它还与离散傅里叶级数有密切联系，兼有连续时 域中傅里叶级数的作用。此外，由于有了快速算法( 快速傅里叶变换f f t ) ，离散 傅里叶变换应用更加普遍，在数字信号处理系统中扮演着核心的角色【”1 。 对于测试中获取的模拟信号，一般先通过模数转换变成离散的数字信号， 再进行离散傅里叶变换。 1 离散傅里叶级数 对于一个周期为n 的周期序列i ( 玎) 可以表示为 i ( 甩) = _ ( 玎+ 删)k 为任意整数 若要用正弦和余弦序列或指数序列来描述它，则各频率成分等于周期序列 基频2 万的整数倍。即基波成分为q ( 一) = e 2 州脚， k 次谐波序列为 气( 疗) = e m 7 胁。虽然表现形式上和连续周期函数是相同的，但是在离散傅里叶 级数的k 个谐波分量中只有n 个独立的。这是离散傅里叶级数与连续傅里叶级 数的不同之处。其原因是因为复指数序列是k 的周期函数的缘故，即 气+ m 0 ) = p 2 7 + n = p 2 。7 脚= 略) 例如，当m = 1 ，n = 4 时，+ 4 ( 玎) = 气伽) ，即 气( 疗) = 0 ) ，( 玎) = 巳0 ) ，( ”) = 巳( 以) ，e 7 ( 蔫) = 岛( 行) 因此，对于离散傅里叶级数只取o 到n 1 的n 个独立谐波分量就足以表示 原始信号。所以i ( ) 可展成为如下离散傅里叶级数，即 1 一i 牙( 丹) 2 专荟j ( 尼) 州脚 ( 2 1 ) 式中乘上系数l n 是为了下面计算的方便。j ( 七) 是k 次谐波的系数。可以 求得 r l j ( 七) = 舅( 以) p 印州胁 ( 2 2 ) 足= o 设阿，= p 邮州，则可得周期序列的离散傅里叶级数变换对为 _ 一l 贾( 七) = i ( 一) 时，咖 一 = o 鼬) = 专篓础肘，咱 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 中，n 和k 都为离散变量。如果将n 当作时间变量，k 当作 频率变量，则式( 2 3 ) 表示的是时域向频域的变换，称为正变换：式( 2 4 ) 是由频 域向时域的变换，称为反变换。显然时域中的覃0 ) 和频域中的j ( 七) 都是离散和 周期性的，且周期都为n 。 2 离散傅里叶变换 由于周期序列实际上仅有一个周期序列的值才