内燃机示功图自适应性滤波处理的研究*

秦　德陈　海（-天津大学内燃机研究所　天津　30007　-重庆宗申动力机械股份有限公司）

内燃机示功图自适应性滤波处理的研究*

秦德1陈海2
（1-天津大学内燃机研究所天津3000722-重庆宗申动力机械股份有限公司）

摘要：对内燃机气缸内压力的测量误差进行了理论分析和实验研究。发动机示功图通道效应误差可以近似认为是随机信号，因此可以应用离散随机信号最优滤波理论来消除通道效应误差。设计的自适应抵消器对于消除通道效应误差取得了良好的效果。

关键词：示功图通道效应误差自适应滤波

引言

内燃机示功图记录的是相对于内燃机活塞位置或不同曲轴转角时缸内工质压力的变化规律。测量内燃机示功图是进行内燃机科学研究的基础。无论是以提高发动机性能为目的的应用研究，还是以探讨内燃机工作过程机制为目的的理论研究，实测的发动机示功图既是分析计算的基础，又是评价研究结果的重要标准。所以，如何准确地测量内燃机示功图，一直是国际内燃机界所重视的问题。由于测量仪器、设备精度等的限制，要求大幅度地提高实测示功图的精度是不现实的。因此，研究一种有效的数据处理方法，对实测示功图进行合理的修正，尽可能减少各种干扰，以期使实验结果更切合实际。

1　示功图的测量误差

在内燃机示功图的测量过程中，有些误差的产生是由于发动机本身的结构特点带来的（如传感器安装位置等）；有些误差则是测量仪器精度不足（传感器的频响不够）等造成的；有些误差是在示功图的数据处理过程上形成的；当然也不可避免有一些随机误差。综合国内外的一些文献，我们可以把示功图误差归纳成以下几个方面：

1.1通道效应误差

由于现代内燃机的结构日益紧凑，以及为减少传感器的热冲击误差，一般不把传感器安装在与气缸盖齐平的位置上，而是在传感器与燃烧室之间加入一段连接通道。由于测压通道的存在，使得测得的示功图产生通道效应误差。

通道效应主要表现在以下三个方面：其一，经过测压通道后产生一个幅值不大但频率较高的小锯齿波形叠加在最高压力附近的波形上，而且随着发动机转速、负荷的上升而变大，即所谓的“腔振”；其二，存在通道时实测的压力波形将产生相位滞后；其三，在某些情况下如通道较长、截面较小或通道方向，截面变化较大时，示功图形状发生变化，称为“图形失真”。有的学者曾对不同几何尺寸通道进行过试验，长尾不二夫也对测压通道进行过一系列的试验。

1.2热冲击误差

一般在测取示功图时使用的压力传感器为石英压电式传感器。在测量发动机示功图时，为排除测压通道效应误差，可将传感器安置在与气缸盖齐平的位置上，这样虽然可以避免通道效应误差。但由于燃烧室内冷、热火焰对传感器的交替作用，引起传感器灵敏度变化及零点飘移，同时温度的大幅度变化产生的热应力会导致传感器膜片变形，输出一个随温度而变化的电荷信号，叠加在输出压力信号上，形成所谓的“热冲击效应”。目前先进的传感器技术已经较好地解决了这一问题。

1.3量化误差

由于石英压电式传感器有良好的动态特性，所以模数（A/D）转换器的截断误差就成为影响压力测量精度的主要因素之一，特别是在示功图低压段，当采样间隔较小时，量化误差的影响更为明显。量化误差与“通道效应”或“热冲击效应”产生的误差相比是很小的，因此我们可以忽略不计量化误差。

1.4其它误差

上止点标定不准引起的误差。燃烧室内压力分布是不均匀的，而传感器只能测得其所在位置的压力，并不代表燃烧室内平均压力，由此而产生的误差。有的学者用压力在通道中以音速传递的方法来修正测量结果的相位误差。还有用热平衡法、温熵法、p-φ曲线对称性的判别法和多变指数法用于修正上止点[1-2]。对于汽油机，在测量其示功图时，火花塞的高压放电有时也会引起干扰。另外，还存在有测量仪器的电干扰等引起的随机误差。

在以上分析的各种影响因素中，测压通道误差和热冲击误差是主要的影响因素。一般在实测示功图时，都采用测压通道安装传感器。这样，由于测压通道存在，使传感器测压面不直接接触热火焰，因此热冲击误差可以忽略不计，但由此带来了通道效应误差。所以，示功图误差消除的主要工作就是消除通道效应所引起的误差。

内燃机示功图通道效应误差的修正常用方法在时域内有光顺法，在频域内有低通滤波法[3]，也有利用AVL Indicom和MATLAB软件对示功图进行修正，它们也属于低通滤波法[4-5]。

2　实验研究及数据处理

2．1实验研究

由于试验用柴油机气缸盖结构紧凑，无法同时安装两个传感器同步测取示功图：一个是带通道安装传感器，另一个齐平气缸盖安装传感器。为此，我们在气缸盖上面钻一个直孔来安装套筒，套筒设计成既可以齐平气缸盖安装传感器，又可带测压通道安装传感器，如图1（左图为带测压通道安装传感器，右图为齐平安装传感器）所示。这样，在相同试验条件下我们测得的示功图就可近似认为是同步安装两个传感器时测得的示功图。

图1 传感器的安装

试验用柴油机主要指标见表1。实验中使用的几种测压通道的几何尺寸见表2

表1　柴油机主要指标

表2　通道的几何尺寸

齐平安装传感器测取示功图的目的是用来验证滤波效果。齐平和带测压通道安装传感器测取示功图所采用的传感器是Kistler 6121型抗热冲击绝热传感器，其具有抗热冲击性能。所以我们可以认为，齐平安装传感器测得的信号就是气缸内压力真值，并以此作为验证滤波效果的依据。

2．2试验数据的采集及处理

试验首先将测得的缸压，经AVL646数字分析仪采集标定，然后在计算机上进行滤波处理。试验系统示意图如图2所示。

图2 试验系统示意图

3　自适应滤波器的原理及其应用

信号处理的实际问题，通常是要解决在噪声中提取信号的问题。因此，设计的滤波器要在信号与噪声同时输入时，在输出端将信号尽可能精确地重现出来，而噪声却得到最大抑制。自适应滤波器属于最优滤波器，它要求消除的噪声是随机信号，而通道误差基本满足这个条件。因为通道效应的影响因素十分复杂，既有通道几何尺寸、发动机工况的影响，又受燃烧随机因素的作用。即使柴油机是在平稳的工作过程中，测试条件完全相同的情况下，每个工作循环，对应的每个曲轴转角，通道效应通过随机的压力震荡的形式对示功图的影响也是不同的。因此，我们可近似认为通道效应是随机信号。只不过其信号的能量占总信号能量比较小，不会导致示功图产生太大的畸变。应用自适应滤波器来消除一个信号中混有的噪声在许多方面有着广泛的应用[6]。

3.1自适应抵消器的原理

自适应滤波器的许多应用是将它作为自适应抵消器。图3是自适应抵消器的原理图。它有两个输入：原始输入与参考输入。原始输入为受干扰信号，参考输入为与干扰v0（t）相关、而与信号s（t）不相关的v1（t）。原始输入加到自适应滤波器的d（t）输入端，参考输入则加到自适应滤波器的x（t）输入端。图中自适应滤波器AF接受误差e（t）的控制调整x（t），使得自适应滤波器的输出y（t）趋于等于d（t）中与它相关的v0（t），于是e（t）作为d（t）与y（t）之差就接近等于信号s（t）。

图3 自适应抵消器的原理图

当自适应抵消器用来消除通道效应误差时，原始输入认为是从带通道安装传感器直接测得的缸内压力，我们也可以把它分成两个部分：缸内压力信号真值s（t）和测量误差v0（t）。测量误差主要是通道效应误差。

自适应性滤波要求缸内压力真值和通道效应互不相关，对发动机缸内压力信号来说基本满足这一条件。在示功图的频谱中，信号能量主要集中在低频段，它决定了示功图的基本形状，其信号的能量占到整个信号能量的95%，中频段的信号能量占总能量的3.5%左右，构成了通道效应的“共振峰”[7]；高频频段信号能量只占总能量的1.5%左右，这说明在高频段，信号能量很少。因此，可截取中频频段频谱的“共振峰”部分来获取参考输入。在时域内，通过自适应滤波除去与示功图信号不相关通道效应所产生的信号，而其中有用的信号还会保留下来。

中频频段可由通道的固有频率按公式（1）[8]估算后,左右延伸一定的频段后截取，再进行逆傅立叶变换，得到参考输入。

式中：a为气体声速；S为通道截面积；L为通道长度；V为传感器下方空腔容积。

通道效应的固有频率主要取决于通道的几何尺寸和发动机工况，发动机负荷和转速的变化将引起通道内气体温度和压力的波动程度，从而影响通道固有频率和通道腔振的幅值。

3.2基于LMS（LeastM ean Square）算法的自适应

抵消器

自适应抵消器的结构如图4所示，设t时刻滤波器的输入为x（t），x（t-1），…，x（t-n+1），其中可调整的权矢量在此时的值为w1（t），w2（t），…，wn（t），误差为：

图4 自适应抵消器

这里用w（t）表示估计值，有

可见决定了每次迭代中权矢量变化的大小，故称步长系数。式（3），式（4）构成了LMS算法的递推公式，LMS算法具有收敛性[9]。研究发现，当自适应抵消器用于消除通道效应误差时，μ值选取过大，会造成式（3）不收敛，即使收敛，也是振荡收敛，从而导致不佳的滤波效果；μ值选取过小，将会产生较慢的收敛速度。μ值应在10-3~10-2范围内选取。自适应滤波器的权矢量数对滤波效果影响不大，考虑到计算速度通常选为2~6。所以，在进行滤波时，应选择合适的值。LMS算法的自适应抵消器程序框图如图5所示。

图5 LMS算法的自适应抵消器程序框图

实验测取了五种测压通道、多种工况下柴油机的示功图，同时也测取了相应工况下传感器齐平安装时的示功图。

图6、图7为其中两种工况，通道尺寸L=25 mm，φ=3mm时的柴油机的示功图。其中：

a）带测压通道安装传感测得的示功图；

b）齐平气缸盖安装传感器测得的示功图；

c）经滤波处理后的示功图。

需要指出，既使在传感器齐平安装的情况下，测得的示功图在最高压力附近也存在锯齿波形[9]。分析有以下两个原因：

图7　n=2200 r/m in Ne=174 kW工况示功图

1）由于试验用柴油机在高速，高负荷下燃烧组织得不太好，造成燃烧非平稳性加重，也就是说在活塞靠近上止点时，压缩空间变成圆饼状，在此期间燃烧室内的任何一个着火点都可以激起辐射形振荡，这种振荡叠加在压力波上，一起被传感器测到，就形成锯齿波。

2）由于传感器安装在气缸盖边缘，燃烧时产生的压力振荡被气缸壁反射，叠加在压力波形上，在示功图最高压力附近产生锯齿波。上述情况在低速，低负荷会好些。

因此，压力曲线的锯齿波动，并非完全是由于存在测压通道引起的。通道的结构尺寸对实测示功图的影响因素十分复杂，对不同通道结构尺寸的实测示功图进行比较发现，当通道结构尺寸发生变化时，示功图在压力曲线的高压段也随之发生变化，其总的变化趋势是随着通道截面积的减少或通道长度的增加，通道效应对示功图的影响程度呈增大的趋势。

3.3滤波方法的评价

从实测的实验数据来看，在示功图低压段，带测压通道测得的压力与齐平气缸盖安装传感器测得的压力基本是吻合的，而在示功图的高压段，两者压力相差较大，也就是带测压通道测得的压力振荡比齐平气缸盖安装传感器测得的压力振荡大，其主要原因是通道效应作用的结果。

为了评价示功图处理的滤波效果，我们对齐平气缸盖安装传感器测得的示功图进行了滑动平均处理，并计算了滤波前后示功图相对于滑动平均处理后的示功图的振荡部分能量的大小，通过振荡能量的相对比值来评价滤波效果。计算公式如下：

式中：P0齐平气缸盖安装传感器测得的缸内压力信号；P1带测压通道安装传感器测得的缸内压力信号；P2滤波处理后缸内压力信号；P0a齐平气缸盖安装传感器测得的示功图滑动平均处理后的数据；N为取样的样本数。

通过应用上面公式，对不同工况示功图的处理前后的数据进行计算得出：滤波前，振荡部分能量的相对比值在σb/σa在1.301.54的范围内变动，而滤波后，其比值σf/σa在0.900.95的范围内变动。这说明在滤波前，示功图振荡部分的能量比齐平安装传感器测得的示功图振荡部分能量大，这一结果是与实验结果完全吻合。

由于测压通道的存在，必然会加剧示功图高压段的附近压力波形的振荡，因此其振荡能量较大；后一个比值的变化范围说明，滤波后的示功图与齐平安装传感测得的示功图的压力曲线，在高压段振荡部分的能量基本上是一致的，因此可以认为通过滤波处理后所得到的示功图与齐平安装传感器测得的示功图基本上是一致的，因此，认为滤波处理后的结果是有效的。

本文设计的通道效应信号模型通过实验的分析验证是合理的，所以滤波的方法是有效的。借助于示功图在频域的研究成果，在时域内发展了一种示功图消除通道效应的方法，解决了在时域内处理示功图以往采用的“光顺法”物理意义不太明确的问题，而且这种方法易于硬件的实现。

4　结论

1）影响内燃机气缸压力测量精度的因素有很多。如果在测量时使用了测压通道，则通道效应引起的误差是影响测量精度的主要因素。

2）在时域内设计的自适应滤波器用于消除发动机示功图的通道效应是可行的、有效的。

参考文献

1Marek J.Stas.An universally applicable thermodynamic method for TDC determination[J].SAE,2002(1):561-563

2W M Tazerout,O.Le Corre,S.Rousseau.,TDC determination in IC engines based on the thermodynamic analysis of the temperature-entropy diagram[J].SAE,1999(1): 1489-1493

3徐鲁杰，聂志斌.某型柴油机示功图通道效应消除方法[J].船海工程，2013，42（2）：74-76，79

4李岩.基于AVL Indicom的缸内燃烧压力滤波分析[J].现代车用动力，2014（3）：36-38

5邹开凤，杨秀芹，姚本军.示功图采集及修正处理方法研究[J].移动电源与车辆，2011（4）：33-35，43

6盛宏至.内燃机缸内压力测量的误差分析、数值仿真及数字信号处理的研究[D].天津：天津大学，1986

7朱建元.柴油机工作过程的频谱分析和相关分析 [J].内燃机工程，1989，10（2）：46-51，56

8Widrow B.，Glover Jr.，J.R.etal.Adaptive noise canceling, prin ciples and applications[J].Proceedings of the IEEE, 1975,63(12):1692-1716

9胡长海.电测示功图畸变问题[C]//中国内燃机测试学术年会论文集.无锡：内燃机学会测试技术专业委贝会，1984

中图分类号：TK421+.27

文献标识码：A

文章编号：2095-8234（2015）05-0007-05

收稿日期：（2014-11-13）

*基金项目：天津市重大科技专项（13ZCZDGX04400）。

作者简介：秦德（1963-），男，高级工程师，主要研究方向为发动机总体设计和测试技术。

A Study on Adaptive Filtering M ethodsof Indicator Diagrams in InternalCombustion Engines

Qin De1,Chen Hai2
1-Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute,Tianjin University(Tianjin,300072,China)
2-Chongqing Zongshen PowerMachine CO.,LTD.

Abstract：A study of measurement errorsof the cylinder pressure in internalcombustion engines is carried out theoretically and experimentally.It is considered that indicator passage error is stochastic approximately,so that itmay be canceled by using the optimum filtering theory ofdiscrete random signals.An adaptive canceller developed in this papermakesexcellent filtering effectwhen it isused to cancel the indicator passage error.

Keywords：Indicator diagram,Indicator passageerror,Adaptive filtering