李麗榮 趙樹國 程金霞

(邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電系，河北邯鄲 056005)

汽車發(fā)動機失火檢測的應(yīng)用研究

李麗榮 趙樹國 程金霞

(邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電系，河北邯鄲 056005)

對桑塔納3000轎車的失火進(jìn)行實驗，檢測方法采用加速度判別法，通過傳感器、計數(shù)器、單片機對轉(zhuǎn)速和加速度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，可以判斷汽車有否失火，進(jìn)而還可判斷汽車失火的汽缸。經(jīng)實驗研究表明，加速度檢測法對檢測汽車失火有一定的準(zhǔn)確性，可靠性和有效性，方法簡單，性價比高，可以應(yīng)用于汽車檢測的實際中去。

失火;計數(shù)器;單片機;加速度

0 前言

汽車有害氣體的排放越來越受到人們的重視。1994年美國加州大氣資源局(CARB)的OBDⅡ法規(guī)進(jìn)行了明文立法，規(guī)定因工作異常而使有害廢氣排放增加的所有部件均要由ECU在線監(jiān)測，而且規(guī)定必須對發(fā)動機的失火進(jìn)行檢測。在我國，國家環(huán)境保護總局和國家質(zhì)量監(jiān)督檢疫總局規(guī)定全國在2007年7月1日實施國Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)，2008年又規(guī)定第一類汽油車需配備車載診斷系統(tǒng)(OBD)。這標(biāo)志著對汽車的綠色性要求越來越高。

汽車的綠色性最主要一個關(guān)鍵問題是汽車失火問題，失火是多缸發(fā)動機的一種常見故障，有數(shù)據(jù)表明，發(fā)動機發(fā)生失火時主要增加有害氣體的排放。圖1給出HC、CO和NOx排放水平與失火比例之間的關(guān)系，此結(jié)果來自一臺6缸218L發(fā)動機。結(jié)果顯示，大約2%的失火率就會使有害排放物超過1.5倍的排放標(biāo)準(zhǔn)。因此對汽車失火的檢測就顯得尤為重要。本文作者在了解了當(dāng)前國內(nèi)外的失火研究，借鑒國內(nèi)外的成功經(jīng)驗后，立足國內(nèi)，開發(fā)了自己的失火檢測技術(shù)及其檢測系統(tǒng)。

1 失火檢測系統(tǒng)

傳統(tǒng)判斷汽車發(fā)動機是否失火的方法是檢查各氣缸的轉(zhuǎn)速變化或是瞬時的加速度的變化，但是都不夠準(zhǔn)確，是因為都要將測得的數(shù)據(jù)和設(shè)定的閥值作比較，然而設(shè)置的閥值都是來自大量的實驗數(shù)據(jù)。又由于發(fā)動機的工況的變化范圍較大，所以人為的模擬不能等同于發(fā)動機的實際工況。為此，本文采用“加速度判別法”，就是采用計數(shù)器對曲軸位置傳感器和曲軸轉(zhuǎn)角信號發(fā)出的每個信號進(jìn)行計數(shù)，然后，再把這個數(shù)據(jù)送到單片機中進(jìn)行暫存和中斷，等一次采集完成后，單片機再通過串口送入到PC機進(jìn)行分析、處理等。本系統(tǒng)采用AT89C51單片機系統(tǒng)來完成一個可實際應(yīng)用的性價比較高的診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)具有自診斷和出錯報警功能。試驗表明，本文采用的診斷方法是可靠的。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成及其工作原理

實驗采用桑塔納3000發(fā)動機，其曲軸位置傳感器發(fā)出的每個脈沖信號包括曲軸轉(zhuǎn)角信號送到計數(shù)器內(nèi)部進(jìn)行計數(shù)，后傳送到單片機內(nèi)部，單片機會對該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，在活塞到達(dá)上止點時發(fā)出中斷請求，在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行對發(fā)動機轉(zhuǎn)速的采樣，采樣數(shù)據(jù)暫存到單片機的數(shù)據(jù)存儲器中，采樣大約在上止點后的18度內(nèi)結(jié)束，采樣完成后通過串口送入PC機中，通過計算可以得到發(fā)動機加速度，然后對加速度進(jìn)行分析，最后得出是否發(fā)生失火的結(jié)論，并作出相應(yīng)的處理。進(jìn)而還可以通過凸輪軸傳感器和曲軸位置傳感器共同確定出失火氣缸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)主要由曲軸位置傳感器、計數(shù)器、單片機和PC機組成。曲軸位置傳感器采用磁電式傳感器，信號轉(zhuǎn)子為齒盤式，在其圓周上均勻間隔地制作有58個凸齒、57個小齒缺和一個大齒缺。大齒缺輸出基準(zhǔn)信號，對應(yīng)發(fā)動機氣缸1或氣缸4壓縮上止點前一定角度。大齒缺所占的弧度相當(dāng)于兩個凸齒和三個小齒缺所占的弧度。因為信號轉(zhuǎn)子隨曲軸一同旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過一個齒就會輸出一個脈沖信號，當(dāng)信號轉(zhuǎn)子隨發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)動一圈，傳感線圈就會輸出58個脈沖信號。計數(shù)器采用KOYO計數(shù)器KCV－4S，技術(shù)規(guī)格如表1所示。單片機采用AT89C51，技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路

桑塔納3000發(fā)動機的曲軸位置傳感器采用磁電式傳感器，凸輪軸傳感器發(fā)出的每個信號均為數(shù)字脈沖信號，因此無需再進(jìn)行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換即可使用。發(fā)出的每個信號送至光洋計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，然后把計數(shù)值傳給單片機，再由單片機發(fā)出中斷請求信號，其中，上止點信號由T0申請中斷，曲軸轉(zhuǎn)角信號使計數(shù)器計數(shù)值自動鎖存并由INT0申請中斷。

2.3 鍵盤及動態(tài)顯示電路

鍵盤采用Intel的8279A可編程鍵盤/顯示接口芯片，鍵盤為4×4矩陣式鍵盤，按鍵包括功能鍵和數(shù)字鍵。第一行各鍵定義為0、1、2、3;第二行定義為4、5、6、7;第三行定義為8、9;其它兩鍵不用;第四行定義為功能鍵。8279A的SL0～SL3為掃描信號輸出線，接接口的1～4線，作為鍵盤列掃描和顯示的代碼輸出線;RL0～RL3為回饋信號線，接接口的5～8線，作為鍵盤行掃描恢復(fù)線，RL4～RL7不用。

顯示電路為12位，位選信號線需要擴展，采用74LS154譯碼器實現(xiàn)。顯示方式采用動態(tài)顯示。

3 軟件的設(shè)計

本系統(tǒng)在硬件電路的支持下，設(shè)計一個穩(wěn)定、高效運行的軟件程序是非常關(guān)鍵的。這樣可以使系統(tǒng)功能發(fā)揮的更加完善和強大。在軟件調(diào)試過程中使用KELLC51 uVeison3編譯器和PROTEUS仿真軟件對編制程序進(jìn)行仿真調(diào)試。

3.1 模塊化的設(shè)計

本程序采用C語言編寫，因為C語言編程靈活，生成的代碼編譯效率高，可移植性好，便于項目維護管理等。主要由主程序、INT0中斷服務(wù)程序、T0中斷服務(wù)程序以及其他一些子程序組成。部分程序框圖如圖3所示。

上止點信號由T0申請中斷，曲軸轉(zhuǎn)角信號使計數(shù)器計數(shù)值自動鎖存并由INT0申請中斷。中斷服務(wù)程序可以完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)鎖存等功能，由于程序較簡單，流程圖略。

4 信號分析和處理

4.1 曲軸轉(zhuǎn)角判斷上止點

上止點:活塞上下往復(fù)運動時活塞頂離曲軸旋轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)處，即活塞最高位置。在開始階段的加速運動中速度達(dá)到最大值，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角超過上止點后，曲軸的轉(zhuǎn)速變?yōu)闇p速運動，也就是曲軸的轉(zhuǎn)速變?yōu)榧铀俣葹樨?fù)的加速運動即減速運動。因此通過判斷加速度的符號就可以知道上止點。

4.2 采樣轉(zhuǎn)速

其中Xi表示曲軸轉(zhuǎn)過一個齒時計數(shù)器的計數(shù)值。

4.3 發(fā)動機轉(zhuǎn)速加速度

其中k1，k2，k3，k4和k5為常數(shù)系數(shù)，Ti為每個計數(shù)器信號所需時間。

分析如下:

其中i表示發(fā)動機的缸號，j表示采集的信號的序號。

如果a＞0則說明在此缸做功的過程中曲軸做的是加速運動，因此說明發(fā)動機的第i缸工作正常。反之，如果a＜0則說明在此缸做功的過程中曲軸做的是減速運動，因此說明發(fā)動機的第i缸出現(xiàn)失火。失火汽缸的判別可由凸輪軸和曲軸位置傳感器共同確定。

5 實驗結(jié)論

“加速度判別法”通過在桑塔納3000發(fā)動機上進(jìn)行試驗，證明了該檢測方法的有效性，該方法計算簡單，有效率高，響應(yīng)快，而且避免了計算加速度的閥值，提高了汽車失火判斷的實時性和準(zhǔn)確性。

［1］GB18352.3－2005.輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ階段)［S］

［2］王震，方茂東.基于OBD系統(tǒng)的失火診斷與排放分析［J］.車用發(fā)動機，2007，(4)

［3］吳鋒，徐航，何文華，謝云文.基于瞬時轉(zhuǎn)速波動定量分析汽油機各缸均勻性的研究［J］.車用發(fā)動機，1995，(3):40～43

［4］黃大偉，聞兵，譚達(dá)明.基于曲軸扭轉(zhuǎn)振動診斷各缸作功狀況的研究［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2002，(2):138～141

［5］胡偉，季曉衡.單片機C程序設(shè)計及應(yīng)用實例［M］.北京:人民郵電出版社，2003.1:187～222

U472.43

A

1009－5462(2011)03－0042－04

2011－08－21

本論文由邯鄲市科技局項目支持，項目編號0921109072－2。

李麗榮，女，河北威縣人，邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電系講師。

［責(zé)任編校:張彩紅］