1.背景及研究意义、目的

随着世界人口的增多和能源的消耗，世界上人类目前广泛使用的传统能源，如石油、煤炭等将面临枯竭，能源问题便成为世界各国面临的重大问题。特别是二十一世纪以来，随着环境形势的日益严峻，世界各国对燃烧和排放的要求不断提高，各种法规愈加严格。所以找到可以替代传统燃料，对环境友好的新型燃烧方式或者燃料乃是大势所趋。近年来，这也成为了各地专家学者研究的热门话题。目前，相继提出了具有发展前景的替代燃料，如天然气，生物乙醇，二甲醚等，然而基于目前国内外研究水平的限制，具有现实意义并且已经进行小范围使用的只有天然气。天然气具有储存量大、有害物质排放少、抗爆性能好等特点，是一种高效清洁的可替代性燃料。

双燃料发动机应运而生，但同时由于天然气的着火温度较高，火焰传播速度慢，容易造成双燃料发动机后燃严重、排气温度高、热负荷大，从而导致双燃料发动机能耗增加、热效率降低，使得双燃料发动机的动力性能与汽油机和柴油机相比有所下降。因此优化压缩比和点火提前角对于提高发动机的动力性、经济性和排放性都有很大的作用，但过高的压缩比和过大的点火提前角容易引起发动机爆震。因此，在改善发动机性能的同时需要对发动机的爆震现象进行研究。爆震是限制双燃料发动机动力性和经济性改善的重要因素，有效地监测和控制爆震对于双燃料发动机性能提升具有重大意义。本文主要通过对双燃料发动机振动信号的分析研究，实现对双燃料发动机爆震的监测。

2.国内外研究现状分析

2.1爆震产生机理

爆震是发动机的一种不正常燃烧现象。爆震多出现在火花点火发动机燃烧中，目前在双燃料发动机中也成为了研究热点。当爆震发生时，火焰传播速率急剧增大；外部表现为产生尖锐的金属敲击声，发动机缸盖温度快速上升。当发生强烈爆震时，发动机性能迅速恶化，会引起一系列的问题。

爆震研究伴随着火花塞点火发动机的研究，可以说两者密不可分。对爆震的研究已经有很长的历史了，但由于爆震现象非常复杂，涉及诸多因素，目前还没有确定一个严密合适的解释。十九世纪中叶，汽油机的爆震现象就引起了国外专家学者的注意。之后Nemest提出爆震对车用汽油机的危害，降低其动力性能和经济性，引起了广泛关注。在此背景下，Ricardo等人针对爆震进行了深入研究，并提出了一套爆震机理理论，即自燃说。自此，国外许多专家学者致力于解决爆震，Boyd和T.Midyley等人通过研究燃料添加剂，找到了能有效提高燃油抗爆性的添加剂。Miller等人将先进的高速纹影摄影技术应用于发动机缸内燃烧研究中，实验中发现发动机爆震时，缸内火焰传播速度以超声波传播，因而确立了爆震说。

虽然对汽油机的爆震机理现在还没有合理的解释，但经过多年的研究，目前已经形成了自燃说、爆震说、火焰加速说等相关较为广泛认可的理论。

由于双燃料发动机研究和应用的时间相对火花点火发动机来说较晚，国内外对其爆震机理的研究也不是特别深入，特别是国内起步也较晚，但可以借鉴火花点火发动机的爆震机理进行试验和研究。近年来，随着双燃料发动机的使用率不断增加，双燃料发动机的爆震问题也受到了国内外专家学者的关注。由加拿大哥伦比亚大学和西港研究院通过实验与仿真实验对该发动机的燃烧做了较多研究，美国卡特彼勒公司针对其Caterpillar3208双燃料发动机燃烧过程做过一些仿真研究^[3]，在国内只有吉林大学对燃料喷射参数对柴油引燃缸内直喷双燃料发动机的燃烧过程的影响进行过研究，但只在固定转速，总燃油能量基本不变的情况下，研究了天然气喷射时刻、引燃柴油量、初始温度对爆震的影响^[4]。加拿大UBC大学和西港创新研究院在研究不同喷射器结构对柴油引燃缸内直喷双燃料发动机性能影响实验时发现并研究了该发动机的爆震现象及其一些爆震发生规律^[4]。2016年，山东理工大学的马镇镇等人在基于GT-Power对双燃料发动机爆震进行分析与研究时，通过建立模型对发动机爆震进行了较为全面分析，指出了发动机压缩比和点火正时对发动机爆震的影响^[7]。河南科技大学马志豪等人在研究柴油-双燃料发动机的爆震燃烧特性时，将爆震燃烧分为了三种形式，并分析了双燃料发动机爆震燃烧的主要影响因素^[22]。

2.2爆震监测方法

在发动机实验中，根据爆震的产生特点，目前主要有以下几种监测手段。各种监测方法各有利弊，如下所述：

1.测量燃烧噪声

爆震过程中出现清晰地金属敲击噪声，这种噪声可通过压电传感器测量获得，滤除掉本身机体振动产生的噪声信号之后即可获得爆震噪声信号。传感器输出电压值大小代表着爆震强度。此方法简单易维护，检测方法成本低,传感器寿命长,检测系统维修方便,但其精度和灵敏度偏低，容易受到试验环境的影响，抗干扰性低，不适合在噪声大的试验环境中使用。

Sonke Carstens等人研究了用这种检测爆震的方法[^18]。Olivier Boubal使用声学传感器，将其安装在实验缸盖的密封垫片上，测得了精确的爆震燃烧声波，从而对爆震进行了分析^[19]。