LabVIEW開開發發動機爆震分析儀虛擬儀器

LabVIEW開開發發動機爆震分析儀虛擬儀器

 北京瀚文網星科技有限公司

內燃機的爆震是在燃燒循環中發生的一種不受控制的空氣/燃料混合物的自發點燃現象。爆震產生的*的燃燒壓力峰值，會對發動機的活塞環造成破壞。一個經過仔細調校的發動機（如賽車發動機）中出現少量爆震（初始爆震）是可以接受的，但由于外界壓力可能導致初始爆震升級為不可控爆震，我們必需進行深入分析。氣缸內徑決定了爆震主率。其它因素，如燃燒室的其它尺寸，高層諧波以及活塞的向下運動等則決定了爆震二次諧振頻率。

發動機爆震通常使用發動機燃燒分析儀進行監測。它測量燃燒室內的氣體壓力和曲柄轉角的關系。在燃燒循環中，將壓力信號或其衍生信號通過一個高通濾波器，我們可以精確測出爆震的強度。但必須在每個氣缸的燃燒室內安裝一個昂貴的高溫壓力傳感器，其安裝位置也必須經過優化，保證不會出現爆震的測試“死區”。因為通常需要4至10個通道（每個氣缸對應一個通道）和高速數據采集系統才能保證實時分析，一套完整的系統往往需要花費超過$ 50,000，而且發動機還需要經常調整，以匹配傳感器（的位置）。

大多數汽車制造商生產的發動機中使用的另一種方法則是在發動機缸體上安裝一個或多個加速度計，用以捕捉爆震引發的高頻振動。然而，氣閥機構引起的振動通常與爆震信號引起的振動處于相同的主頻范圍。為了盡量避免氣閥機構引起的噪聲干擾，并保證對所有氣缸的爆震敏感，加速度計的安放位置至關重要。加速度信號將分別通過一個低通和一個高通濾波器。低通信號被整合成一個閾值信號代表由發動機產生的總體振動，這種振動與發動機的轉速成正比。高通信號則用于與該閾值信號比較從而判斷出是否發生了爆震現象。但由于該系統無法區分氣閥噪聲和爆震信號，氣閥機構引入的振動將在高轉速的情況下引入較多系統誤差。另外，該系統還無法檢測初始爆震。

設計

為了使裝載在缸體上的加速度計準確反映出發動機爆震，爆震信號必須與氣閥機構以及任何其它系統（包括曲軸和活塞）引起的振動分開。利用LabVIEW信號處理函數庫生成的一個IIR濾波器就可以解決該問題。但由于每個發動機會有不同的頻率特性，我們使用快速傅立葉變換（FFT）確定發動機的頻率特性，并為IIR濾波器設置適當的穿越頻率。這套系統*由LabVIEW開發，表現出了很好的結果，但需要操作者經過一定的技能培訓來理解FFT。

平均快速傅里葉變換的使用，大大簡化技術人員確定每一臺發動機穿越頻率的過程。通過比較相同轉速下發動機從聽到爆震到沒有爆震的平均FFT，我們可以迅速得到發動機的穿越頻率。我們在測量中使用了NI聲音和振動工具包中的平均FFT功能，對每個氣缸超過400個燃燒循環過程進行了平均。從這些信息中，技術人員可以準確得到每個IIR濾波器設置中的*頻率。另外，利用LabVIEW的圖形化系統開發功能以及聲音和振動工具包，我們還快速、方便地開發出了一款可以傳達有用信息的顯示裝置。平均FFT系統不僅降低了對技術人員技能水平的要求，同時也縮減了培訓時間。然而，平均FFT仍舊需要依賴歷史記錄決定穿越頻率。

我們zui終需要的是一個可以方便技術人員直觀操作的實時系統。聲音和振動工具包又一次幫助我們*地實現了FFT分析顯示功能。我們使用滑動窗口FFT顯示頻率和幅度隨著時間的變化。通過使用多種顏色來表示信號的強度，結果的解讀變得非常直觀。適當的實例，可以快速訓練技術人員鑒別出發動機爆震甚至初始爆震。三維視圖則使我們能夠很容易地分離爆震信號和氣閥機構以及其它發動機振動引入的干擾。該系統的zui大特點是能夠區分出初始爆震和高強度爆震。圖4中我們可以注意到高強度爆震燃燒周期會伴隨高且明亮的紅色、黃色或白色的“標識柱”，而初始爆震的燃燒區上方則會出現深藍和深紫色的斑點。

應用

我們曾經改造過一個400馬力的四輪驅動保時捷雙渦輪發動機，使用93#汽油達到了600+的馬力，所有排氣系統均可操作控制。它的四分之一英里加速時間為10秒以內，zui高時速204英里每小時，重達3500磅。我們將該車（如圖5）投入One Lap of America比賽，贏得了其中六場。該比賽包括8條賽道和一個阻力帶。然而，當使用91#汽油時，發動機在Pikes Peak賽道燒毀了。當然，我狠批了那個給汽車加91#汽油的愚蠢幫手。但那時我竟沒意識到真正應該責罵的是我這個愚蠢的發動機制造者啊。

發動機爆震分析儀才揭示了真相！即使加了93#汽油，發動機還是會像我們下圖中所示，有大量的爆震存在。我們后來發現因為氣流計校準不當，才導致了發動機在高增壓時出現爆震。

借助LabVIEW聲音和振動工具包，我們已經能夠開發出一款實時爆震分析儀，再結合強大的視覺顯示，爆震檢測將變得直觀、準確并且十分經濟。

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