LabVIEW开开发发动机爆震分析仪虚拟仪器

LabVIEW开开发发动机爆震分析仪虚拟仪器

 北京瀚文网星科技有限公司

内燃机的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*的燃烧压力峰值，会对发动机的活塞环造成破坏。一个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，但由于外界压力可能导致初始爆震升级为不可控爆震，我们必需进行深入分析。气缸内径决定了爆震主率。其它因素，如燃烧室的其它尺寸，高层谐波以及活塞的向下运动等则决定了爆震二次谐振频率。

发动机爆震通常使用发动机燃烧分析仪进行监测。它测量燃烧室内的气体压力和曲柄转角的关系。在燃烧循环中，将压力信号或其衍生信号通过一个高通滤波器，我们可以精确测出爆震的强度。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，而且发动机还需要经常调整，以匹配传感器（的位置）。

大多数汽车制造商生产的发动机中使用的另一种方法则是在发动机缸体上安装一个或多个加速度计，用以捕捉爆震引发的高频振动。然而，气阀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。为了尽量避免气阀机构引起的噪声干扰，并保证对所有气缸的爆震敏感，加速度计的安放位置至关重要。加速度信号将分别通过一个低通和一个高通滤波器。低通信号被整合成一个阈值信号代表由发动机产生的总体振动，这种振动与发动机的转速成正比。高通信号则用于与该阈值信号比较从而判断出是否发生了爆震现象。但由于该系统无法区分气阀噪声和爆震信号，气阀机构引入的振动将在高转速的情况下引入较多系统误差。另外，该系统还无法检测初始爆震。

设计

为了使装载在缸体上的加速度计准确反映出发动机爆震，爆震信号必须与气阀机构以及任何其它系统（包括曲轴和活塞）引起的振动分开。利用LabVIEW信号处理函数库生成的一个IIR滤波器就可以解决该问题。但由于每个发动机会有不同的频率特性，我们使用快速傅立叶变换（FFT）确定发动机的频率特性，并为IIR滤波器设置适当的穿越频率。这套系统*由LabVIEW开发，表现出了很好的结果，但需要操作者经过一定的技能培训来理解FFT。

平均快速傅里叶变换的使用，大大简化技术人员确定每一台发动机穿越频率的过程。通过比较相同转速下发动机从听到爆震到没有爆震的平均FFT，我们可以迅速得到发动机的穿越频率。我们在测量中使用了NI声音和振动工具包中的平均FFT功能，对每个气缸超过400个燃烧循环过程进行了平均。从这些信息中，技术人员可以准确得到每个IIR滤波器设置中的*频率。另外，利用LabVIEW的图形化系统开发功能以及声音和振动工具包，我们还快速、方便地开发出了一款可以传达有用信息的显示装置。平均FFT系统不仅降低了对技术人员技能水平的要求，同时也缩减了培训时间。然而，平均FFT仍旧需要依赖历史记录决定穿越频率。

我们zui终需要的是一个可以方便技术人员直观操作的实时系统。声音和振动工具包又一次帮助我们*地实现了FFT分析显示功能。我们使用滑动窗口FFT显示频率和幅度随着时间的变化。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。适当的实例，可以快速训练技术人员鉴别出发动机爆震甚至初始爆震。三维视图则使我们能够很容易地分离爆震信号和气阀机构以及其它发动机振动引入的干扰。该系统的zui大特点是能够区分出初始爆震和高强度爆震。图4中我们可以注意到高强度爆震燃烧周期会伴随高且明亮的红色、黄色或白色的“标识柱”，而初始爆震的燃烧区上方则会出现深蓝和深紫色的斑点。

应用

我们曾经改造过一个400马力的四轮驱动保时捷双涡轮发动机，使用93#汽油达到了600+的马力，所有排气系统均可操作控制。它的四分之一英里加速时间为10秒以内，zui高时速204英里每小时，重达3500磅。我们将该车（如图5）投入One Lap of America比赛，赢得了其中六场。该比赛包括8条赛道和一个阻力带。然而，当使用91#汽油时，发动机在Pikes Peak赛道烧毁了。当然，我狠批了那个给汽车加91#汽油的愚蠢帮手。但那时我竟没意识到真正应该责骂的是我这个愚蠢的发动机制造者啊。

发动机爆震分析仪才揭示了真相！即使加了93#汽油，发动机还是会像我们下图中所示，有大量的爆震存在。我们后来发现因为气流计校准不当，才导致了发动机在高增压时出现爆震。

借助LabVIEW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。

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