LabVIEW開開發(fā)發(fā)動機爆震分析儀虛擬儀器

LabVIEW開開發(fā)發(fā)動機爆震分析儀虛擬儀器

 北京瀚文網(wǎng)星科技有限公司

內(nèi)燃機的爆震是在燃燒循環(huán)中發(fā)生的一種不受控制的空氣/燃料混合物的自發(fā)點燃現(xiàn)象。爆震產(chǎn)生的*的燃燒壓力峰值，會對發(fā)動機的活塞環(huán)造成破壞。一個經(jīng)過仔細調(diào)校的發(fā)動機（如賽車發(fā)動機）中出現(xiàn)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(nèi)徑?jīng)Q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(fā)動機爆震通常使用發(fā)動機燃燒分析儀進行監(jiān)測。它測量燃燒室內(nèi)的氣體壓力和曲柄轉(zhuǎn)角的關系。在燃燒循環(huán)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(nèi)安裝一個昂貴的高溫壓力傳感器，其安裝位置也必須經(jīng)過優(yōu)化，保證不會出現(xiàn)爆震的測試“死區(qū)”。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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)才能保證實時分析，一套完整的系統(tǒng)往往需要花費超過$ 50,000，而且發(fā)動機還需要經(jīng)常調(diào)整，以匹配傳感器（的位置）。

大多數(shù)汽車制造商生產(chǎn)的發(fā)動機中使用的另一種方法則是在發(fā)動機缸體上安裝一個或多個加速度計，用以捕捉爆震引發(fā)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(fā)動機產(chǎn)生的總體振動，這種振動與發(fā)動機的轉(zhuǎn)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(fā)生了爆震現(xiàn)象。但由于該系統(tǒng)無法區(qū)分氣閥噪聲和爆震信號，氣閥機構引入的振動將在高轉(zhuǎn)速的情況下引入較多系統(tǒng)誤差。另外，該系統(tǒng)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(fā)動機爆震，爆震信號必須與氣閥機構以及任何其它系統(tǒng)（包括曲軸和活塞）引起的振動分開。利用LabVIEW信號處理函數(shù)庫生成的一個IIR濾波器就可以解決該問題。但由于每個發(fā)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(fā)動機的頻率特性，并為IIR濾波器設置適當?shù)拇┰筋l率。這套系統(tǒng)*由LabVIEW開發(fā)，表現(xiàn)出了很好的結果，但需要操作者經(jīng)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(fā)動機穿越頻率的過程。通過比較相同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機從聽到爆震到?jīng)]有爆震的平均FFT，我們可以迅速得到發(fā)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(huán)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(tǒng)開發(fā)功能以及聲音和振動工具包，我們還快速、方便地開發(fā)出了一款可以傳達有用信息的顯示裝置。平均FFT系統(tǒng)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(tǒng)。聲音和振動工具包又一次幫助我們*地實現(xiàn)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?shù)膶嵗?，可以快速訓練技術人員鑒別出發(fā)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(fā)動機振動引入的干擾。該系統(tǒng)的zui大特點是能夠區(qū)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(qū)上方則會出現(xiàn)深藍和深紫色的斑點。

應用

我們曾經(jīng)改造過一個400馬力的四輪驅(qū)動保時捷雙渦輪發(fā)動機，使用93#汽油達到了600+的馬力，所有排氣系統(tǒng)均可操作控制。它的四分之一英里加速時間為10秒以內(nèi)，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(fā)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(fā)動機制造者啊。

發(fā)動機爆震分析儀才揭示了真相！即使加了93#汽油，發(fā)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(fā)現(xiàn)因為氣流計校準不當，才導致了發(fā)動機在高增壓時出現(xiàn)爆震。

借助LabVIEW聲音和振動工具包，我們已經(jīng)能夠開發(fā)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(jīng)濟。

 北京瀚文網(wǎng)星科技有限公司，是一家以LabVIEW（虛擬儀器）為主要技術手段的開發(fā)公司，為您提供全套的系統(tǒng)集成服務，包括結構設計、軟件開發(fā)、軟件與硬件的產(chǎn)品升級與改造。其服務領域包括：汽車、通信、航空、半導體、電子設計生產(chǎn)、過程控制和生物醫(yī)學等各領域。涵蓋了從研發(fā)、測試、生產(chǎn)到服務的產(chǎn)品開發(fā)所有階段。

      北京瀚文網(wǎng)星科技有限公司經(jīng)N認證，已正式成為NI聯(lián)盟合作伙伴，為您提供運動控制、電子設計、視覺和射頻以及無線等諸多領域的解決方案，技術咨詢以及資源整合。所提供服務確保符合NI產(chǎn)品認證和行業(yè)標準，更有效地使用NI資源，提供優(yōu)質(zhì)的NI產(chǎn)品及LabVIEW軟件服務。

    北京瀚文網(wǎng)星科技有限公司不但代理NI全系列產(chǎn)品，更為您提供LabVIEW軟件服務。在NI產(chǎn)品使用過程中，或者由于時間關系，或者NI產(chǎn)品本身功能比較復雜，導致工作無法順利開展。這些都可以交給我們來解決。我們不僅僅是代理，更為您提供技術解決方案。公司在設備開發(fā)與集成方面積累了豐富經(jīng)驗，為您提供完整的解決方案?？梢蕴峁┙Y構設計、機械加工、有機玻璃設計與加工、電路設計、機箱選型、開孔與絲印、線纜及連接器選型與加工等服務。

    經(jīng)過多年的積累，目前北京瀚文網(wǎng)星科技有限公司產(chǎn)品已有多個品種，包括：防護時間測試儀、高速粒子沖擊試驗機、工業(yè)用*（人工肺）、氣密阻力測試儀、皮秒級時間間隔計數(shù)器、多通道移相信號源，從項目策劃階段，我們就會介入，一起討論，并提供我們的建議供參考。