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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