胡 川，杭 勇，馮 源，施華傳，龔笑舞

(無(wú)錫油泵油嘴研究所，無(wú)錫 214063)

前言

逐步實(shí)施的第Ⅳ、Ⅴ階段排放法規(guī)對(duì)柴油機(jī)的排放要求越來(lái)越高，柴油機(jī)須增加相應(yīng)的后處理裝置以降低排放。柴油機(jī)發(fā)生失火時(shí)，一方面會(huì)使排放超標(biāo);另一方面會(huì)對(duì)催化劑等后處理設(shè)備造成損害［1－3］。因此，必須對(duì)柴油機(jī)失火故障進(jìn)行在線(xiàn)診斷。目前提出了多種診斷方法，如燃燒壓力診斷法、輸出轉(zhuǎn)矩診斷法、剛體振動(dòng)診斷法、排氣噪聲診斷法和瞬時(shí)轉(zhuǎn)速診斷法等［4－7］，這些診斷策略復(fù)雜，沒(méi)有考慮數(shù)據(jù)的標(biāo)定流程和方法，離實(shí)際的工程應(yīng)用還有距離。

本文中針對(duì)失火造成發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)角速度的波動(dòng)，提取發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)相對(duì)角速度作為特征值進(jìn)行失火診斷。同時(shí)消除曲軸工藝誤差、車(chē)輛加減速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)角速度變化和各缸正常燃燒時(shí)存在的穩(wěn)態(tài)誤差對(duì)失火診斷帶來(lái)的影響。針對(duì)診斷策略中的數(shù)據(jù)表和常量，開(kāi)發(fā)了一套實(shí)用有效的標(biāo)定方法和流程，為失火診斷策略的工程應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 診斷原理

發(fā)動(dòng)機(jī)某氣缸發(fā)生失火時(shí)，氣缸對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)角速度迅速降低，如圖1所示。

為表征瞬時(shí)角速度下降的量值，特引入一個(gè)參量，暫且稱(chēng)之為相對(duì)角速度:

式中:ωr為瞬時(shí)相對(duì)角速度;ω(i)為當(dāng)前缸鄰近點(diǎn)火上止點(diǎn)某一預(yù)設(shè)時(shí)刻的瞬時(shí)角速度;ω(i－1)為按發(fā)火順序前一缸同一時(shí)刻的瞬時(shí)角速度。

發(fā)生失火時(shí)，瞬時(shí)角速度降低，相對(duì)角速度增大，見(jiàn)圖1。將相對(duì)角速度作為失火判斷的特征值，就能有效地檢測(cè)到氣缸失火。

由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作情況的復(fù)雜性，諸多因素對(duì)瞬時(shí)角速度存在影響，進(jìn)而會(huì)影響失火檢測(cè)的準(zhǔn)確性，因此需要消除這些因素對(duì)瞬時(shí)角速度的影響。影響瞬時(shí)角速度的因素主要有曲軸、信號(hào)盤(pán)等加工誤差引起的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)角速度變化;氣缸在正常燃燒時(shí)存在的穩(wěn)態(tài)誤差。

通過(guò)交錯(cuò)減去360°CA的相對(duì)角速度消除飛輪信號(hào)盤(pán)工藝及安裝誤差對(duì)瞬時(shí)角速度的影響:

式中:ωmr為工藝相對(duì)角速度;Z為發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù);ωr(i)為當(dāng)前缸瞬時(shí)相對(duì)角速度;為飛輪信號(hào)盤(pán)相同段對(duì)應(yīng)的另一氣缸瞬時(shí)相對(duì)角速度。

通過(guò)一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的低通濾波消除氣缸正常燃燒時(shí)存在的穩(wěn)態(tài)誤差:

式中:C為濾波系數(shù);ωfr(n)為當(dāng)前循環(huán)當(dāng)前氣缸的穩(wěn)態(tài)相對(duì)角速度;ωfr(n－1)為上一循環(huán)當(dāng)前氣缸的穩(wěn)態(tài)相對(duì)角速度。

圖2～圖4是CA6DF3發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)矩400N·m、轉(zhuǎn)速1 000r/min下每缸失火和非失火各取600次樣本的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。結(jié)果表明:工藝相對(duì)角速度和穩(wěn)態(tài)相對(duì)角速度在消除曲軸工藝誤差和氣缸正常燃燒時(shí)存在的穩(wěn)態(tài)誤差方面起到了一定作用。

在工程應(yīng)用中，工藝相對(duì)角速度不能檢測(cè)曲軸同步多重失火，穩(wěn)態(tài)相對(duì)角速度不能檢測(cè)同一氣缸多次失火，須兩條路徑互相配合，共同檢測(cè)失火。

2 診斷模型

2.1 失火診斷條件

瞬時(shí)角速度出現(xiàn)波動(dòng)并不一定是由失火引起，如不平路面等會(huì)引起瞬時(shí)角速度的波動(dòng)，因此失火檢測(cè)須滿(mǎn)足如下條件才能進(jìn)行。

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速過(guò)大時(shí)，由于慣性力加大，相對(duì)角速度偏低，容易發(fā)生誤判;發(fā)動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速過(guò)小，由于油氣混合不良引起失火，屬于正?，F(xiàn)象，如發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程就存在失火，不能認(rèn)定為故障。

(2)車(chē)速大于一定閾值。

(3)噴油量在一定范圍內(nèi)。

(4)冷卻水溫大于一定閾值，發(fā)動(dòng)機(jī)只有在充分暖機(jī)后才進(jìn)行失火檢測(cè)。

滿(mǎn)足上述條件后，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)，沒(méi)有出現(xiàn)條件狀態(tài)跳變，就可以進(jìn)行失火檢測(cè)。

2.2 故障處理程序

針對(duì)排放超標(biāo)和催化劑損壞兩種危害，有兩種獨(dú)立的故障處理程序。

針對(duì)排放超標(biāo)，在失火診斷條件成立情況下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)累計(jì)到1 000循環(huán)時(shí)，計(jì)數(shù)器重置。當(dāng)失火計(jì)數(shù)器超過(guò)一定的閾值時(shí)，存儲(chǔ)故障代碼，表示相關(guān)的失火頻率。針對(duì)排放增加的故障處理采用兩步邏輯檢測(cè)，當(dāng)失火故障第1次被檢測(cè)時(shí)，暫時(shí)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，MIL燈不亮。如果在相同的情況下再次檢測(cè)到同一故障，則MIL燈發(fā)亮，并設(shè)置一個(gè)故障碼。在兩步檢測(cè)之間必須斷開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)。

針對(duì)催化劑中毒，一旦發(fā)生失火，每個(gè)氣缸的失火計(jì)數(shù)器以及總失火計(jì)數(shù)器就會(huì)累加。在失火檢測(cè)條件成立情況下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)累計(jì)到200循環(huán)時(shí)，計(jì)數(shù)器重置。如果失火計(jì)數(shù)器超過(guò)一定的限值，達(dá)到催化劑損壞的失火頻率，MIL燈立刻閃爍，并存儲(chǔ)故障碼。

2.3 診斷模型

根據(jù)失火故障在線(xiàn)診斷原理和故障處理流程，開(kāi)發(fā)出診斷模型，如圖5所示。

首先計(jì)算瞬時(shí)角速度和判斷閾值，在失火診斷條件成立時(shí)，進(jìn)行失火判斷。確認(rèn)失火后，失火計(jì)數(shù)器累計(jì)。在一定的測(cè)試周期內(nèi)(用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)衡量)，失火次數(shù)超過(guò)一定閾值，則進(jìn)行排放超標(biāo)和催化劑中毒故障處理。

3 關(guān)鍵數(shù)據(jù)標(biāo)定

在失火診斷模塊整車(chē)應(yīng)用之前，須對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。

3.1 失火診斷轉(zhuǎn)速范圍MAP標(biāo)定

轉(zhuǎn)速越高，失火時(shí)相對(duì)角速度越小，在同一負(fù)荷下，高于某一轉(zhuǎn)速時(shí)，失火時(shí)相對(duì)角速度和非失火相對(duì)角速度大小很接近，容易發(fā)生誤判，因此須將失火檢測(cè)限制在一定轉(zhuǎn)速之內(nèi)。不同的負(fù)荷對(duì)應(yīng)的失火檢測(cè)的最高轉(zhuǎn)速不同，具體來(lái)說(shuō)，失火檢測(cè)的最高轉(zhuǎn)速和負(fù)荷大小成正比。

標(biāo)定方法是在一工況點(diǎn)下，分別選取失火和非失火一定樣本，做出相對(duì)角速度正態(tài)分布曲線(xiàn)，如圖6所示。根據(jù)均值和置信區(qū)間計(jì)算得到Thd1和Thd2，Thd1/Thd2≤0.6的臨界轉(zhuǎn)速作為該負(fù)荷下失火檢測(cè)的最高轉(zhuǎn)速。標(biāo)定結(jié)果如圖7所示。

3.2 失火判斷閾值MAP標(biāo)定

不同的相對(duì)角速度判斷閾值的標(biāo)定方法是一致的，具體方法是在一定工況下，采集600次失火相對(duì)角速度樣本，做出相對(duì)角速度正態(tài)分布曲線(xiàn)，如圖6所示，根據(jù)均值和置信區(qū)間計(jì)算得到Thd2，Thd2即為該工況下暫定失火判斷閾值。

車(chē)輛相對(duì)角速度判斷閾值標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)圖8。

從圖8可看出，失火判斷閾值和循環(huán)油量之間具有很強(qiáng)的線(xiàn)性關(guān)系，這給標(biāo)定工作帶來(lái)了方便。

3.3 不平路面閾值MAP標(biāo)定

采集平坦路面非失火時(shí)工藝相對(duì)角速度樣本，做出正態(tài)分布曲線(xiàn)，選取曲線(xiàn)的最大值作為不平路面判斷閾值。如圖9所示，根據(jù)均值和置信區(qū)間計(jì)算得到Thd1，Thd1即為該工況下不平路面判斷閾值。不平路面判斷閾值如圖9所示。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本文中在自主開(kāi)發(fā)的高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)CA6DF3，排量6.7L，額定轉(zhuǎn)速2 300r/min，額定功率162kW。將失火診斷策略寫(xiě)成C代碼，燒寫(xiě)到高壓共軌控制ECU中。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，人為地禁止輸出噴油器控制脈寬，模擬失火故障。測(cè)試項(xiàng)包括1缸連續(xù)失火、1缸間隔兩個(gè)循環(huán)連續(xù)失火、相鄰兩缸同時(shí)失火、間隔1缸的兩缸同時(shí)失火、間隔2缸的兩缸同時(shí)失火以及加速過(guò)程失火。1缸連續(xù)失火診斷結(jié)果如圖10所示。

結(jié)果顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生失火時(shí)，失火標(biāo)志位置位，失火總計(jì)數(shù)器以及各缸失火計(jì)數(shù)器進(jìn)行累加，在失火診斷條件之內(nèi)，沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤檢測(cè)和遺漏檢測(cè)的情況，表明失火故障在線(xiàn)診斷模塊可靠性強(qiáng)。失火造成的排放超標(biāo)和后處理催化劑中毒故障，須通過(guò)另外的大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。

5 結(jié)論

失火檢測(cè)通過(guò)選取瞬時(shí)相對(duì)角速度作為特征值，根據(jù)特征值在失火時(shí)和非失火時(shí)顯著的差異進(jìn)行失火檢測(cè)。工藝相對(duì)角速度和穩(wěn)態(tài)相對(duì)角速度消除不同誤差對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)角速度的影響，兩條路徑相互配合，共同作用，能夠有效地進(jìn)行失火檢測(cè)。

在數(shù)據(jù)標(biāo)定時(shí)，通過(guò)選取大量樣本，做出失火和非失火時(shí)相對(duì)正態(tài)分布曲線(xiàn)，通過(guò)置信區(qū)間剔除異常數(shù)據(jù)。整個(gè)標(biāo)定流程和方法理論依據(jù)充分，快速高效。

［1］Enrico Corti，Giorgio Minelli.Misfire Detection Based on Engine Speed Time-Frequency Analysis［C］.SAE Paper 2001 －01 －0480.

［2］Azzoni P，Cantoni G，Moro D.Measurement of Engine Misfire in the Lamborghini 533 V-12 Engine Using Crankshaft Speed Fluctuations［C］.SAE Paper 950837.

［3］Ribbens W W，Park J.Road Tests of a Misfire Detection System［C］.SAE Paper 940975.

［4］Matin Klenk，Winfried Moser，Werner Mueller.Misfire Detection by Evaluating Crankshaft Speed-A Means to Comply with OBDII［C］.SAE Paper 930399.

［5］Rizzoni G.Diagnosis of Individual Cylinder Misfire by Signature A-nalysis of Crankshaft Speed Fluctuations［C］.SAE Paper 890884.

［6］張韜略，孫強(qiáng).重型柴油機(jī)失火診斷研究［J］.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2010(1):9－12.

［7］劉世元，杜潤(rùn)生，楊叔子.利用轉(zhuǎn)速波動(dòng)信號(hào)診斷內(nèi)燃機(jī)失火故障的研究(2)—波形分析方法［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2000，18(3):320－324.