基于气缸盖振动信号识别的发动机转速测算方法

陈明 张小明 周东翔

摘 要：要进行发动机状态评估，发动机实时转速是不可或缺的参数，而在一些老旧装甲车上并未安装转速传感器，要对发动机进行不解体测速非常困难。为解决该问题，本文提出了基于发动机气缸盖振动信号识别的发动机转速测试方法，并在不同工况下多次实验对该方法进行了验证，证明了该算法在各种工况下的的正确性和普遍适用性。

关键词：发动机；转速测量；振动信号识别

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.004

在进行发动机状态评估时，转速是不可或缺的重要参数。无论是通过监测缸压，还是监测排气温度等，甚至基于多参数信息融合的发动机状态评估，各参数的评估都必须在同转速的情况下进行[1]。近年来，用于监测发动机瞬时转速的传感技术已趋成熟，霍尔效应测速法、激光传感器测速、光电码盘测速法、表面位移测量等均能取得良好的测试结果[2，3]，可以实现发动机瞬时转速的精确测量。但在一些老旧装备上，由于设计时并未考虑测速需求，要对发动机进行不解体安装速度传感器非常困难。

为解决老旧装甲车难于测速的问题，本论文提出从发动机气缸盖振动信号中提取喷油器针阀落座信号进行发动机转速测试的方法，实现对发动机实时转速的测量。

气缸盖振动信号识别本论文选用某型装甲车辆发动机进行实验，该发动机为V型6缸水冷式发动机，发动机标定转速2200r/min，起动转速在800r/min左右。

测点位置选择如图1所示左一缸气缸盖下方一表面平坦处，该测点距离喷油器针阀较近，且传感器安装方向与活塞运行方向平行，此方向与喷油器针阀落座激励的方向基本一致，且该测点距离喷油器针阀位置较近，能最大程度上测取到发动机气缸喷油器针阀落座信号。采样频率设置为100k。

在发动机运行过程中，众多激励源均能引起气缸盖振动，导致发动机气缸盖振动信号蕴含了丰富的发动机运转信息。仔细观察发动机气缸盖振动信号波形，可以观察到其大致呈准周期性，有几个激励总是周期性地出现在波形中，结合史玉鹏的发动机工作机理分析[4]可以知道，信号中几个引起突变的激励包括气缸爆发、喷油器针阀落座、进排气门开闭等，而由于喷油器针阀需要将柴油高压快速地喷射进气缸实现柴油的良好雾化，所以喷油器针阀始终处于在极高压的工作状态，喷油器针阀落座响应也成为这几个激励中尤其明显的一个。

截取一段该发动机的气缸盖振动信号如图1所示，图中C1，C2，C3以及O点均为测点所在缸（本文中为左1缸）喷油器针阀落座激励，而A1、A2、A3和B1、B2、B3分别为同侧远缸（本文中为左3缸）和邻缸（本文中为左2缸）喷油器针阀落座激励。通过图2可以看出，在一段气缸盖振动信号中搜索定位喷油器针阀落座激励是比较容易的，同时，也可以分析出从O→C1，C1→C2，C2→C3各为一个发动机运转周期，而每一个发动机运转周期代表发动机输出轴转两圈。由此得出结论，通过识别喷油器针阀落座信号可以推算出发动机的实时转速。

1 实时转速的求取

1.1 稳态工况下实时转速求取

根据上文分析，由于喷油器针阀落座激励明显强于其他激励的性质，且正常情况下一个发动机运转周期只有一次喷油器针阀落座信号，所以本文以相邻两次喷油器针阀落座信号作为一个发动机运转周期的起始点和结束点，通过不断搜索定位本缸（本文中指左1缸）的喷油器针阀落座信号在时域中的位置推算出一个周期的时间长度，从而计算发动机实时转速。具体算法流程如图3所示：

选取一段装甲车辆停止间发动机转速稳定在800r/min左右的气缸盖振动信号验证算法的正确性，计算结果如图4所示，计算结果转速稳定在800r/min左右，符合实际情况，基本可以确定计算结果的正确性。

1.2 算法的优化

图2中所提出的算法虽然在稳态工况下较好的计算出了发动机实时转速，但在实际工作状态下往往难以保证计算结果的正确性，原因有如下几点：（1）对处于变速情况下的发动机无法准确计算其实时转速；（2）非稳态工况导致信号变化，如图5所示为发动机处于从1000r/min向1200r/min加速的過程中，蓝色图形为发动机实时振动信号，图中红线为本缸喷油器针阀落座信号所处的位置，从图中可以看到由于非平稳状态导致A、B、C三个周期内出现了邻缸喷油器针阀落座的信号强度大于本缸喷油器针阀落座响应信号的现象；（3）发动机二次喷油，在发动机实际使用过程中，有时会出现二次喷油导致在短时间内出现两次喷油器针阀落座信号。针对这两种情况，如果不对算法进行优化，将导致计算结果出现较大的偏差。

为解决上述问题，在仔细分析发动机实际使用规律后，本文提出缩小周期结束点寻址范围的方法，从而有效避免上述错误信号被判定为周期结束点的情况发生。

发动机在使用过程中，其转速变化是需要一定时间的，并不会从0瞬间加速到最大速度。在加速过程中，相邻两周期的时间长之比必然不会超过某个固定的取值范围。该取值范围于发动机急加速特性有关，急加速时间长，该取值范围小，反之则大，减速过程同理。而在振动信号分析中，确定了相邻两周期的时间长之比的取值范围则可以在已知上一周期时间长的情况下确定后一周期结束点的寻址范围。

为确定相邻两周期的时间长之比的取值范围，本文测取了多组该型发动机急加速急减速过程中的振动信号，并选取其中加速时间最短的一组作为分析依据。在充分分析该组数据加速过程中每两个相邻周期时间长之比后，发现其取值范围为（0.87，1.13）。虽然这已经是急加速时的取值范围，可以认为该范围已经是周期结束点的取值最大范围，但为保证实验中若出现意外点时该算法仍然能够将其找到，在优化算法中将此范围稍扩大，可以认为：第i个周期结束点的寻址范围必然在（ti-1+0.85*Ti-1，ti-1+1.15*Ti-1）。

经改进后的算法如图6所示。