（重庆交通大学，400074）
摘要：爆震是制约汽油机小型化和热效率提高的重要因素。准确的爆震始点检测和强度评估，是保证汽油机临界爆震燃烧从而改善其动力性和经济性的前提。本文对相应的提取爆震特征的方法，如时域频域分析法，短时傅立叶变换、维格纳-瑞利分布及小波变换等分析方法进行了研究。根据已有的实验结果表明，时域分析法和频域分析法在爆震特征提取上都有一定的局限性，而时频分析法的应用可靠性及应用范围则相对优于前两者。同时时频分析法在一定程度上还具有各自的特点，如STFT 和 WVD 直接提取爆震特征效果差，但能够有效地从滤波后的信号中提取爆震特征。而离散小波变换则具有明显的优势，能够直接从压力信号和振动信号中有效地提取爆震特征。
关键词：汽油机；爆震；时频分析法；信号识别
1 引言
汽油机作为一种通过燃料在燃烧室内燃烧将化学能转化为动能输出的机械装置，有着升高功率、降低工作噪声及质量轻巧等优点，现已成为了机动车的主要动力选择之一。在中国，大多数乘用车都选择汽油机作为动力源。汽油车在中国有着保有量大、行驶里程长的特点，对能源消耗和环境污染都有着较大的贡献比例，在当前节能减排的社会大环境下，它的燃油经济性和排放性能的优劣受到了社会的广泛关注。长期以来，燃油消耗率高是传统汽油机的最大不足，也是限制汽油机发展的主要因素。为改善这些问题，汽油机的小型化技术应运而生。汽油机的小型化是指利用增压、直喷等技术，在不增加发动机排量的前提下，提升发动机性能，提高热效率、降低排放[1]。研究表明，在当前技术水平下，根据不同的强化程度，小型强化技术可以带来15% ~30%的油耗降低效果。但是，随着小型强化程度的提高，发动机产生爆震燃烧的趋势也大幅增加。爆震燃烧是汽油机不正常燃烧现象之一，轻微爆震可以使发动机的性能有所提高，但中等程度以上的爆震会产生噪声，造成不充分燃烧而污染环境，严重的爆震甚至会破坏发动机正常工作。爆震燃烧使汽油机的小型化强化强度受到了限制。同时，爆震的产生对发动机的性能、可靠性及安全性都会产生影响。因此，准确检测爆震对于控制发动机在轻微爆震区的工作有着重要意义。
2 爆震特征提取方法的研究现状
2.1时域分析和频域分析法
时域分析就是对输入作用下系统输出量随时间变化的表达式进行直接分析，然后根据此表达式或其相应的描述曲线对系统的稳定性和动态特性进行分析。由于时域分析是在时间域中直接对系统进行分析的方法，所以分析直观准确是时域分析最大的优势。因此时域分析适用于在当信号中含有明显的简谐成分、周期成分或瞬时脉冲成分。
频域分析是通过对信号进行傅里叶变换，将时域信号表达为频域信号，然后再对信号进行各种运算的处理方法。主要包括频谱分析、功率谱分析等。频谱分析相对时域分析能够更直观的表征信号的频率成分特征。时域分析和频域分析应用在爆震特征提取上的单独应用都存在比较明显的缺陷。由于爆震信号在时域上看存在于某一特定时间内，在频域上也处于某一确定的频带,属于时变非平稳信号，因此，单纯从时域分析不能完全把握爆震特征，频域分析又会丟失时域信息，无法反映出信号的某种频率分量出现的时刻和规律。两种方法都无法对信号进行准确全面的分析描述。
2.2时频分析法
能量集中在低频处，因而可以看作是一低通滤波器的脉冲响应。因此，一方面可以用短时傅立叶变换来分析信号的局部性质；另一方面，一旦窗函数选定，时频分辨率也就固定不变。
（2）维格纳-瑞利分布
信号的维格纳-瑞利(Wigner-Ville)分布是一种最基本，也是应用最多的时频分布。它是信号在时域和频域上的能量分布，它具有对准平稳和非平稳信号的处理分析能力，对于调频、调幅信号以及随机噪声在时城平面上有直观的表示。但Wigner-Ville分布也有它的局限性，它必须采用解析信号进行分析，并且没有有效的算法。在对含有多种不同频率成分的信号进行分析时，会产生严重的交叉干涉现象。
（3）小波变换
小波变换的概念是在1974年由从事石油信号处理的法国工程师首先提出的。
小波变换属线性变换，在低频处频率分辨率高，在高频处时间分辨率高，即时频分辨率同时可变，具有“变焦”特性。与傅里叶变换以及短时傅里叶变换相比，小波变换是一个在时域和频域上都有着局部性的分析方法。它通过小波基的伸缩和平移等运算功能可以对信号进行多尺度的细化分析，因而可以更有效地从信号中提取信息。小波变换可以观测到信号在时域和频域范围内的特征，是处理非平稳信号的有力工具。
（4）EMD算法
经验模态分解(EMD)可以将任意信号分解成多个本征模态函数组合的算法，它赋予了瞬时频率合理的定义和物理意义。作为一种新的自适应信号时频处理方法，它与小波变换不同，它可以自适应地从机体振动信号中提取出具有实际物理意义的爆震特征。利用EMD算法对发动机的缸内压力信号进行分解，自适应地得到若干个本征模态函数和残余函数，通过残余函数峰值确定参考窗口和爆震窗口范围，对高频信号进行积分计算得到爆震因子。
3 结论
根据相关研究发现，时域方法存在由于爆震能量超出爆震窗口范围导致的漏判问题，而频域方法则能避免此缺陷。但另一方面，对于时域方法以及频域方法而言，单纯从时域分析不能完全把握爆震特征，频域分析又会丟失时域信息，无法反映出信号的某种频率分量出现的时刻和规律。两种方法都无法对信号进行准确全面的分析描述。故对于时频分析方法，又可以通过杨建国等人[3]的研究发现：
1）STFT和DWT两种方法不但能从汽油机缸内压力信号中有效提取爆震特征，而且还能从缸盖上的振动信号中有效提取爆震特征。WVD能够从压力信号中有效提取爆震特征，但对于较复杂的振动信号，提取效果不佳，计算量大。
2）STFT和WVD时频分析方法只有在适当滤掉低频成分的前提下，才能有效地提取爆震特征。
3）振动传感器和测取缸内压力信号的压力传感器相比，成本低、安装使用方便。但振动信号比缸内压力信号复杂，信噪比低。STFT方法能够有效地从振动信号中提取爆震特征，这对发动机爆震检测、控制及其实际应用提供了有效的工具。
参考文献
[1]韩璞.基于振动信号的汽油机爆震特征提取与强度评价研究[D].天津大学,2014.
[2]郑仁蔚.汽油机爆震特征分析和评价方法研究[D].重庆大学,2017.
[3]杨建国,张建峰,刘晓峰.基于时频分析的汽油机爆震特征的提取[J].内燃机工程,2003.
论文作者:夏玉
论文发表刊物:《知识-力量》2019年7月上
论文发表时间:2019/4/4
标签：信号论文; 时域论文; 汽油机论文; 特征论文; 方法论文; 发动机论文; 小波论文; 《知识-力量》2019年7月上论文;