LabVIEW로 엔진 노크 분석기 만들기

Alfred Collins, Raeburn Technology

“LabVIEW와 Sound and Vibration Toolkit의 그래픽 기능을 사용하여 우리는 필요한 정보를 전달하는 화면을 빠르고 쉽게 개발했습니다.”

- Alfred Collins, Raeburn Technology

과제:

구축 비용이 저렴하고, 모든 엔진에서 노크의 존재와 강도를 정확하게 표시하고, 엔진에서 엔진으로 이동하기 쉽고, 실시간으로 작동하며 데이터를 기록할 수 있고, 일반적인 엔진 동력계 기술자가 빠르게 결과를 해석할 수 있도록 교육할 수 있을 만큼 동작이 직관적인 자동 엔진 노크 분석기를 설계하는 것.

해결책:

LabVIEW에서 실행되는 Sound and Vibration Toolset의 FFT 분석 기능과 대역폭과 채널 수가 충분한 NI 데이터 수집 카드를 사용하여 노크 신호를 감지하고 분석하는 것.

내연 기관의 노크는 연소 사이클 중간에 발생하는 공기/연료 혼합물의 제어되지 않은 자체 점화로, 엔진의 피스톤과 링을 파괴하는 극도로 높은 연소 압력 폭증을 유발합니다. 경주용 자동차와 같이 고도로 튜닝된 엔진에서는 소량의 노크 (초기 노크)가 허용되지만 엔진에 가해지는 외부 응력으로 인해 초기 노크가 폭주하는 노크 상태가 될 가능성이 있지 않은지 철저히 분석해야 합니다. 실린더 내경이 1차 노크 주파수를 결정합니다. 2차 노크 주파수는 연소실의 다른 치수, 높은 수준의 고조파 및 피스톤의 하향 운동에 의해 결정됩니다.

엔진 노크를 감지하기 위해 보편적으로 허용되는 시스템은 크랭크축 회전 각도에 대한 연소실의 가스 압력을 측정하는 엔진 연소 분석기입니다. 연소 기간 동안 압력 신호 또는 그 미분값에 고역 통과 필터를 사용하면 노크 강도를 정확하게 측정할 수 있습니다. 각 실린더의 연소 챔버에는 고온 압력 변환기가 설치되어야 하는데 이 변환기는 노크에 대해 “죽은” 영역에 센서가 있지 않도록 위치에 최적화되어 설치되어야 합니다. 일반적으로 4–10개의 채널 (실린더당 하나)이 필요하고 실시간으로 분석을 수행하려면 초고속 데이터 수집 시스템을 사용해야 하기 때문에 전체 시스템의 비용은 일반적으로 $50,000를 넘고 엔진은 영구적으로 센서가 설치될 수 있게 개조되어야 합니다.

대부분의 자동차 제조업체가 양산 엔진에서 사용하는 대안은 엔진 블록에 장착된 하나 이상의 가속도계를 장착해 노크에 의해 생성된 고주파수 진동을 감지하는 것입니다. 불행히도 밸브 트레인에서 생성된 진동은 일반적으로 노크 신호와 동일한 1차 주파수 범위에 들어옵니다. 가속도계의 위치가 밸브 트레인 노이즈를 최대한 방지하고 모든 실린더에서 발생하는 노크 진동을 민감하게 감지하는 데 중요합니다. 가속도계의 신호는 저역 및 고역 통과 필터를 통과합니다. 저역 통과 신호는 엔진 속도에 비례하는 엔진 전체 진동을 나타내는 임계값을 만들기 위해 적분됩니다. 고역 통과 신호는 임계값과 비교되어 노크가 언제 발생했는지 나타냅니다. 밸브 트레인의 진동은 밸브 노이즈와 노크를 구별할 수 없기 때문에 높은 RPM일 때 이 시스템에서 많은 에러를 발생시킵니다. 또한 이런 유형의 시스템은 초기 노크를 감지할 수 없습니다.

설계

블록 장착된 가속도계에서 엔진 노크를 정확하게 나타내려면, 밸브 트레인의 진동과 다른 진동을 일으키는 시스템 (크랭크축 및 피스톤)을 노크 신호로부터 분리해야 합니다. 이를 위해 신호 처리 라이브러리의 IIR 필터 세트를 사용할 수 있지만 엔진마다 주파수 특성이 다를 것입니다. 고속 푸리에 변환을 사용하면 이러한 주파수 특성을 결정할 수 있고 적절한 교차 주파수를 IIR 필터 세트에 적용할 수 있습니다. 이 시스템은 완전히 LabVIEW에서 구현되었으며 훌륭한 결과를 내지만, FFT를 해석하려면 작업자가 상당한 기술이 있어야 하며 많은 교육을 받아야 합니다.

평균 고속 푸리에 변환을 사용하면 작업자의 각 엔진 교차 주파수 결정 작업을 상당히 단순화할 수 있습니다. 노크 소리가 확실히 들릴 때와 같은 RPM에서의 평균 FFT와 그렇지 않을 때의 값을 비교하면 주파수 특성을 빠르게 식별할 수 있습니다. NI Sound and Vibration Toolkit의 평균 FFT가 실린더당 400 연소 사이클의 평균을 내는 이 측정에 사용되었습니다. 이 정보를 기반으로, 작업자는 IIR 필터 세트에서 어떤 고유한 주파수를 사용할지 정확하게 결정할 수 있습니다. LabVIEW와 Sound and Vibration Toolkit의 그래픽 기능을 사용하여 우리는 필요한 정보를 전달하는 화면을 빠르고 쉽게 개발했습니다. 평균 FFT 시스템을 사용하면 작업자에게 필요한 기술 수준과 교육 시간을 모두 줄였습니다. 그러나 평균 FFT는 여전히 교차 주파수 결정에 과거 데이터에 의존했습니다.

우리가 궁극적으로 원한 것은 작업자에게 직관적인 실시간 시스템이었습니다. 여기서 또 Sound and Vibration Toolset이 FFT 분석에 사용되는 가장 놀라운 표현 형식 중 하나를 제공함으로써 도움이 되었습니다. 우리는 슬라이딩 윈도우 FFT로 시간에 상대적으로 주파수와 진폭을 표시했습니다. 다양한 색상으로 신호의 강도를 나타내어 해석을 직관적으로 할 수 있었습니다. 적절한 예제를 사용하면 작업자가 강력한 노크뿐만 아니라 초기 노크도 식별하도록 신속하게 교육할 수 있습니다. 3차원 보기를 사용하면 밸브 트레인 진동과 다른 모든 엔진 진동을 노크 신호에서 쉽게 분리할 수 있습니다. 이 시스템의 가장 좋은 기능은 초기 노크를 고강도 노크와 구별하는 기능입니다. 그림 2를 보십시오. 고강도 노크가 있는 연소 사이클에는 크고 밝은 빨간색, 노란색 및 흰색 "토템 기둥"이 보입니다. 초기 노크가 있는 곳에는 주 연소 영역 위에 진한 파란색과 보라색 반점이 보입니다.

어플리케이션

우리는 400마력의 4륜 구동 Porsche Twin Turbo를 개조하여 모든 배기 가스 시스템이 93 옥탄가의 휘발유로 작동하는 상태로 600+마력을 달성했습니다. 10초 중반의 1/4 마일 가속 시간, 204mph의 최고 속도, 3500파운드의 무게가 가능했습니다. 우리는 8개의 로드 레이싱 코스와 1개의 드래그 스트립이 포함된 One Lap of America 레이스에 참가해 6개 종목에서 우승했습니다. 하지만 안타깝게도, Pikes Peak에서 경주 중 91 옥탄가 휘발유를 사용할 때 엔진이 폭발했습니다. 물론 저는 91 옥탄가 휘발유를 넣은 멍청한 도우미를 탓했죠. 사실은 멍청한 엔진 개발자인 제가 잘못한 것이라는 것도 모르고 말입니다.

엔진 노크 분석기가 그 진실을 밝혔습니다! 아래 스크린샷에서 보이는 것처럼 93 옥탄가에서도 엔진에 상당한 수준의 노크가 발생했습니다. 공기 유량계가 부적절하게 교정되어 높은 부스트 레벨에서 엔진 노크가 발생한다는 사실을 발견되었습니다.

LabVIEW를 Sound and Vibration Toolkit과 함께 사용하여 놀라운 시각적 화면으로 직관적이고 정확하고 저비용으로 노크를 식별할 수 있는 실시간 노크 분석기를 만들 수 있었습니다.