使用LabVIEW构建发动机爆震分析仪

内燃​机​​爆​震​是在​燃烧​循环​中​发生​的​一种​不受​控制​的​空气/​燃料​混合物​的​自发​点燃​现象。​爆​震​产生​的​极​高​​燃烧​压力​峰值，​会对​发动​机​的​活塞和活塞​环​造成​破坏。​​经过​仔细​调校​的​发动​机​（如​赛车​发动​机）​中​出现​少量​爆​震​（初始​爆​震）​是​可以​接受​的，​但​由于​施加在发动机上的外界​压力​可能​导致​初始​爆​震​升级​为​不可​控​爆​震，因此必须进行​彻底分析。​气缸​内径​决定​了​主爆​震​频率。​诸如​燃烧​室​的​其他尺寸、​高电平​谐​波​以及​活塞​的​向下​运动​等其他因素​则​决定​了​爆​震​二次​谐振​频率。

如今普遍接受的发动机爆震检测系统是发动机燃烧分析仪。它会​测量​燃烧​室内​的​气体​压力​与曲轴​转​角​的​关系。我们可以在燃烧期间对压力信号或​其​衍生​信号​使用高通滤波器，从而准确地测量爆震的强度。但​必须​在​每​个​气缸​的​燃烧​室内​安装​一个​昂贵​的​高温​压力​传感器，​其​安装​位置​也​必须​经过​优​化，​保证​不会​出现​爆​震​的测试​“死​区”。​​因为​通常​需要​4​至​10​个​通道​（每​个​气缸​对应​一个​通道）​和​高速​数据​采集​系统​才能​保证​实​时​分析，​一套​完整​的​系统​往往​需要​花费​超过50,000美元，​而且​发动​机​还​需要​经常​调整，​以​匹配​传感器​。

大​多数​汽车​制造​商​生产​的​发动​机​会采用另​一种​方法：在​发动​机​缸​体​上​安装​一个​或​多个​加速度​计，​用以感知爆​震​引起的​高​频​振动。然而，汽门机构​引起​的​振动​通常​与​爆​震​信号​引起​的​振动​处于​相同​的​主​频​范围。为了​尽量​避免​汽门机构​引起​的​噪声​干扰，​并​保持对​所有​气缸​的爆​震振动的​敏感度，​加速度​计​的​安放​位置​至​关​重要。​加速度计​信号​将​分别​通过​一个​低​通​​滤波​器和​一个​高​通​滤波​器。​低​通信​号会​整合​成​一个​阈​值​信号，​代表​由​发动​机引起​​的​总体​振动，​这种​振动​与发动机转速成​正比。​高​通信​号​则​用于​与​该​阈​值​信号​比较，​从而​判断​何时​发生​​爆​震​。​但​由于​该​系统​无法​区分​汽门噪声​和​爆​震​信号，汽门​机构​引入​的​振动​将​在​高​转​速​的​情况​下​引入​较​多​系统​误差。​此外，此类系统也无法检测到初始​爆震。

设计

为了使安装在缸体上的加速度计准确指示发动机爆震，汽门机构和任何其他系统（曲轴和活塞）引起的振动必须与爆震信号分离开来。信号处理库中的IIR滤波器组可以​解决​该​问题，但每​台发动机的频率特性各不相同。我们可以使用快速傅立叶变换来确定​发动​机​的​频率特性，并​为​IIR​滤波​器组应用​适当的交越频率。此系统在LabVIEW中已经得到了完全实现，并且成果显著，但需要操作人员具备丰富的技能并经过大量培训才能​理解​FFT。

利用平均​快速​傅​里​叶​变换，​可大大​简化操作​人员​确定​每台​发动​机​交越频率​的​过程。​通过​比较​相同​转​速​下​发动​机​从​发出​爆​震声​到​没有​爆​震声​的​平均​FFT，​我们​可以​迅速​得到​发动​机​的​交越​频率。​可利用NI声音和振动工具包的平均FFT功能来执行这些测量，计算​每​个​气缸​超过400个燃烧循环​的平均数。根据这些信息，操作人员可以准确地确定IIR滤波器组要使用的特有频率。借助LabVIEW的图形功能以及声音和振动工具包，我们快速、轻松地开发了一款可传达必要信息的显示​设备。​平均FFT系统​不仅​降低了对操作人员技能水平的要求，还缩减​了培训时间。然而，平均FFT仍然依赖于历史数据来确定​交越频率。

我们​最终​需要​的是​一个​可以​方便​操作人员​直观​操作​的​实​时​系统。​声音和振动工具包再次助我们一臂之力，​极好​地​实现​了​FFT​分析​显示​功能。​我们​使用​滑​动​窗口​FFT​来显示​频率​和振幅​随​时间发生​的​变化。通过​使用​多种​颜色​来​表示​信号​的​强度，​结果​的​解读​变得​非常​直观。​再加上适当的范例，可以快速​训练​操作人员来​鉴别​强烈的爆震和初始爆震。借助三维视图，我们能够很容易地将汽门机构和其他发动机引起的振动与爆震信号分离开来。该​系统​的​最大​特点​是​能够​区分​​初始​爆​震​和​高​强度​爆​震。请参见图2。我们可以注意到高强度爆震的燃烧循环​会​伴随较高且明亮的红色、黄色和白色“图腾柱”。 而初始​爆震的主燃烧区上方会​出现​深蓝色和紫色的斑点。

应用

我们​曾经​改造​过​一辆搭载双涡轮​增压发动​机的400马力四轮驱动保时捷汽车，在所有排气系统正常运行和使用93#​汽油的情况下，功率达到了600多马力。它的四分之一英里加速时间为​10​秒​以内，最高速度为204英里/小时，重​达​3500磅。我们将这辆车投入​了One Lap of America比赛，赢得了其中6场。​该​比赛包括8​条​公路赛道和1条双车短程赛车道。然而，当​使用​91#​汽油​时，​发动​机​在​Pikes Peak​赛​道上爆炸了。我理所当然地​狠​批​了​那个​给​汽车​加​91#​汽油​的​愚蠢助手。但那时我没有意识到，真正要责备的其实应该是我​这个愚蠢的发动机制造者。

发动机爆震分析仪揭示了真相！即使​加了​93#​汽油，​发动​机​还是​会有​大量​的​爆​震​，如​​下​图​所​示。我们后来发现，空气流量计校准不当，才导致了发动机在高增压水平时出现爆震。

借助LabVIEW与声音和振动工具包，​我们​已经​能够​开发​出​一​款​实​时​爆​震​分析​仪，​再​结合​强大​的​视觉​显示，​爆​震​检测​将​变得​直观、​准确​并且​十分​经济。

作者信息：

Alfred Collins
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