LabVIEW開(kāi)發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震分析儀

內(nèi)燃機(jī)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(diǎn)燃現(xiàn)象。爆震產(chǎn)生的*的燃燒壓力峰值，會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞環(huán)造成破壞。一個(gè)經(jīng)過(guò)仔細(xì)調(diào)校的發(fā)動(dòng)機(jī)（如賽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)）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(dǎo)致初始爆震升級(jí)為不可控爆震，我們必需進(jìn)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(yùn)動(dòng)等則決定了爆震二次諧振頻率。

發(fā)動(dòng)機(jī)爆震通常使用發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒分析儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。它測(cè)量燃燒室內(nèi)的氣體壓力和曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系。在燃燒循環(huán)中，將壓力信號(hào)或其衍生信號(hào)通過(guò)一個(gè)高通濾波器，我們可以精確測(cè)出爆震的強(qiáng)度。但必須在每個(gè)氣缸的燃燒室內(nèi)安裝一個(gè)昂貴的高溫壓力傳感器，其安裝位置也必須經(jīng)過(guò)優(yōu)化，保證不會(huì)出現(xiàn)爆震的測(cè)試“死區(qū)”。因?yàn)橥ǔＰ枰?至10個(gè)通道（每個(gè)氣缸對(duì)應(yīng)一個(gè)通道）和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)才能保證實(shí)時(shí)分析，一套完整的系統(tǒng)往往需要花費(fèi)超過(guò)$ 50,000，而且發(fā)動(dòng)機(jī)還需要經(jīng)常調(diào)整，以匹配傳感器（的位置）。

大多數(shù)汽車(chē)制造商生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的另一種方法則是在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上安裝一個(gè)或多個(gè)加速度計(jì)，用以捕捉爆震引發(fā)的高頻振動(dòng)。然而，氣閥機(jī)構(gòu)引起的振動(dòng)通常與爆震信號(hào)引起的振動(dòng)處于相同的主頻范圍。為了盡量避免氣閥機(jī)構(gòu)引起的噪聲干擾，并保證對(duì)所有氣缸的爆震敏感，加速度計(jì)的安放位置至關(guān)重要。加速度信號(hào)將分別通過(guò)一個(gè)低通和一個(gè)高通濾波器。低通信號(hào)被整合成一個(gè)閾值信號(hào)代表由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的總體振動(dòng)，這種振動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。高通信號(hào)則用于與該閾值信號(hào)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(wú)法區(qū)分氣閥噪聲和爆震信號(hào)，氣閥機(jī)構(gòu)引入的振動(dòng)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(wú)法檢測(cè)初始爆震。

設(shè)計(jì)

為了使裝載在缸體上的加速度計(jì)準(zhǔn)確反映出發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，爆震信號(hào)必須與氣閥機(jī)構(gòu)以及任何其它系統(tǒng)（包括曲軸和活塞）引起的振動(dòng)分開(kāi)。利用LabVIEW信號(hào)處理函數(shù)庫(kù)生成的一個(gè)IIR濾波器就可以解決該問(wèn)題。但由于每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)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(dòng)機(jī)的頻率特性，并為IIR濾波器設(shè)置適當(dāng)?shù)拇┰筋l率。這套系統(tǒng)*由LabVIEW開(kāi)發(fā)，表現(xiàn)出了很好的結(jié)果，但需要操作者經(jīng)過(guò)一定的技能培訓(xùn)來(lái)理解FFT。

平均快速傅里葉變換的使用，大大簡(jiǎn)化技術(shù)人員確定每一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)穿越頻率的過(guò)程。通過(guò)比較相同轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)從聽(tīng)到爆震到?jīng)]有爆震的平均FFT，我們可以迅速得到發(fā)動(dòng)機(jī)的穿越頻率。我們?cè)跍y(cè)量中使用了NI聲音和振動(dòng)工具包中的平均FFT功能，對(duì)每個(gè)氣缸超過(guò)400個(gè)燃燒循環(huán)過(guò)程進(jìn)行了平均。從這些信息中，技術(shù)人員可以準(zhǔn)確得到每個(gè)IIR濾波器設(shè)置中的*頻率。另外，利用LabVIEW的圖形化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)功能以及聲音和振動(dòng)工具包，我們還快速、方便地開(kāi)發(fā)出了一款可以傳達(dá)有用信息的顯示裝置。平均FFT系統(tǒng)不僅降低了對(duì)技術(shù)人員技能水平的要求，同時(shí)也縮減了培訓(xùn)時(shí)間。然而，平均FFT仍舊需要依賴(lài)歷史記錄決定穿越頻率。

我們zui終需要的是一個(gè)可以方便技術(shù)人員直觀操作的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。聲音和振動(dòng)工具包又一次幫助我們*地實(shí)現(xiàn)了FFT分析顯示功能。我們使用滑動(dòng)窗口FFT顯示頻率和幅度隨著時(shí)間的變化。通過(guò)使用多種顏色來(lái)表示信號(hào)的強(qiáng)度，結(jié)果的解讀變得非常直觀。適當(dāng)?shù)膶?shí)例，可以快速訓(xùn)練技術(shù)人員鑒別出發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)和氣閥機(jī)構(gòu)以及其它發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)引入的干擾。該系統(tǒng)的zui大特點(diǎn)是能夠區(qū)分出初始爆震和高強(qiáng)度爆震。圖4中我們可以注意到高強(qiáng)度爆震燃燒周期會(huì)伴隨高且明亮的紅色、黃色或白色的“標(biāo)識(shí)柱”，而初始爆震的燃燒區(qū)上方則會(huì)出現(xiàn)深藍(lán)和深紫色的斑點(diǎn)。

應(yīng)用

我們?cè)?jīng)改造過(guò)一個(gè)400馬力的四輪驅(qū)動(dòng)保時(shí)捷雙渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，使用93#汽油達(dá)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(shí)間為10秒以?xún)?nèi)，zui高時(shí)速204英里每小時(shí)，重達(dá)3500磅。我們將該車(chē)（如圖5）投入One Lap of America比賽，贏得了其中六場(chǎng)。該比賽包括8條賽道和一個(gè)阻力帶。然而，當(dāng)使用91#汽油時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在Pikes Peak賽道燒毀了。當(dāng)然，我狠批了那個(gè)給汽車(chē)加91#汽油的愚蠢幫手。但那時(shí)我竟沒(méi)意識(shí)到真正應(yīng)該責(zé)罵的是我這個(gè)愚蠢的發(fā)動(dòng)機(jī)制造者啊。

發(fā)動(dòng)機(jī)爆震分析儀才揭示了真相！即使加了93#汽油，發(fā)動(dòng)機(jī)還是會(huì)像我們下圖中所示，有大量的爆震存在。我們后來(lái)發(fā)現(xiàn)因?yàn)闅饬饔?jì)校準(zhǔn)不當(dāng)，才導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)在高增壓時(shí)出現(xiàn)爆震。

借助LabVIEW聲音和振動(dòng)工具包，我們已經(jīng)能夠開(kāi)發(fā)出一款實(shí)時(shí)爆震分析儀，再結(jié)合強(qiáng)大的視覺(jué)顯示，爆震檢測(cè)將變得直觀、準(zhǔn)確并且十分經(jīng)濟(jì)。

LabVIEW開(kāi)發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震分析儀