使用​LabVIEW​构​建​发动​机​爆​震​分析仪

Alfred Collins,​Raeburn Technology

“借助​LabVIEW​的​图形​化​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。”

- Alfred Collins,​Raeburn Technology

挑战:

设计​一​款​汽车​发动​机​爆​震​分析​仪,​要求​成本​低廉,​可以​准确​检测​出​任何​一台​发动​机​是否​存在​爆​震​并​指示​爆​震​强度,​能够​方便​地​在​不同​发动​机​之间​转换,​系统​可以​实​时​操作、​记录​数据,​并且​直观​易​用,​便于​一般​的​发动​机​测​功​机​技术​人员​在​快速​培训​后​操作​使用。​

解决​方案:

使用​LabVIEW​上所​运行​声音​和​振动​工具​包​的​FFT​分析​功能,​以及​具有​足够​带​宽​和​通道​数​的​NI​数据​采集​卡,​进行​爆​震​信号​的​捕捉​和​分析。

 

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
​Raeburn Technology
​11247 Raeburn Lane
​Rixeyville, VA 22737
​United States
​电话:​540-937-5881
​传真:​540-937-5881
ALGCollins@aol.com

图​1. ​ ​强烈​爆​震​的​两​个​燃烧​循环​。 ​
图​2. ​ ​一个​滑​动​窗口​FFT​显示​了​七个​燃烧​循环,​其中​三​个​出现​了​强烈​爆​震​。 ​