高壓共軌柴油機各缸不均勻性在線修正及其失火診斷

郭樹滿，郭朋彥，高玉國

(華北水利水電大學，河南 鄭州450045)

柴油機各缸噴油一致性不僅是保證柴油機具有優良運轉穩定性、動力性和經濟性，也是降低柴油機噪聲、振動和排放以及提高柴油汽車駕駛舒適性的關鍵因素之一［1］.但是，由于噴油器存在制造誤差，以及各缸控制電路的電氣特性不完全一致等因素，導致在相同的噴射壓力和噴油持續時間內，每個噴油器的噴射油量不一致.當各缸噴油量存在差異時，不僅會導致各缸燃燒過程的不均勻，而且會導致發動機運轉不穩定、排放惡化等. 因此，為了獲得電控噴油器的噴油一致性，在使用前都要對噴油器在臺架上進行標定，并進行一致性修正.一般標定環境和實際工作環境存在差異，如噴油背壓的影響，以及在使用過程中噴油器由于噴孔磨損等原因造成各缸噴油不一致［2－3］.基于此，文中提出了一種基于軟件在線修正的方法對各缸的差異進行在線修正，同時還可以對失火進行診斷.

1 各缸不均勻性在線修正的原理及算法

各缸噴油的不均勻性由多種原因造成的，該差異就會體現在瞬態轉速或加速度的變化［4］.因此，在一個工作循環中測量每缸工作后瞬時角加速度就可以確定各缸間的工作差異.若該差異超出合理的范圍，根據差異的大小按照一定的算法對查表所得的下一個循環中各缸噴油量的基礎油量進行修正，使各缸的瞬時轉速趨于一致.若某個缸的修正油量達到修正極限時，瞬時轉速的差異還沒得到有效修正，就確認該缸失火，啟動診斷程序，以確定失火原因是控制電路造成的還是噴油器導致的，并根據該缸在飛輪信號所處的相位和發火順序確定故障缸的具體位置.

1.1 瞬時轉速的計算

發動機瞬時角加速度是通過安裝于發動機飛輪端的一齒盤來獲取的，實驗所用的發動機的齒盤齒數為60 ～2 齒，經霍耳傳感器感應后得到一個正弦波，經EUC 濾波整形后如圖1所示.

圖1 凸輪信號和飛輪信號及發火順序相位的關系

瞬時轉速的計算劃分為6 個分段，每個分段對應一個缸，一個分段中對應齒盤的20 個齒(第二缸為18 個齒). 以脈沖信號的下降沿為基準，ECU 測量出兩個相鄰下降沿間的脈沖數，再根據時鐘的周期τ(ns)，得到一個齒所經過的時間Δti，一個分段所用的總時間為有了各個分段的時間就可以計算曲軸的瞬時角加速度，算法理論推導如下［5－8］:

式中:ω 為曲軸角速度;θ 為曲軸轉角，(°);n 為曲軸轉速，r/min;式(4)中1/36 為單位換算系數.最后可得

式中C1，C2，C3，C4為常數.

工作缸的角加速度可以由相鄰分段的經歷時間即式(5)計算得到.若某缸噴油量過小，則Tk+1大于Tk，由式(5)計算得到的結果為負. 為了便于計算，取C4=1，在實際應用中對式(5)進行簡化得

1.2 瞬時角加速度的測量

采用自主開發的基于MPC5634 的32 位微處理器高壓共軌柴油機電控單元(ECU)測量每個分段的時間.該處理器有32 個可編程增強型24 位定時器(eTPU)的定時通道，每個通道可以配置一個eTPU 功能(通過設計好的API 函數，一個eTPU 功能可能有一個或多個API 函數)，用于執行特定的任務，同時要給每個特定的任務分配優先級(高、中、低)和通道標記以保證所選通道的服務次序. 選用PPA(脈沖周期累計)功能，根據所采用的時鐘頻率，實現對每個分段的計時. 計算出每個循環中每個缸工作后的瞬時速度，由于采用24 位定時器和25 MHz的時鐘頻率，每個分段時間精確到μs 級.因此，由式(6)能很精確地計算出每個工作缸的瞬時角加速度.

1.3 各缸不均勻性在線修正

在理想情況下，工作時各缸間的瞬時角加速度沒有差異(Δα=0)，則噴油補償量Δq 為零.但在實際情況下，各缸間存在差異.若各缸間的差異在設定的限值范圍內，則不需進行修正;若差異大于設定限值，為使各缸的瞬時角加速度趨于一致，則需根據瞬時角加速度差異的大小對下一循環的噴油量Q 進行修正，修正量的大小是Δα 的函數. 同時，對補償油量設定了上下限±qmax，該值在不同負荷下取基本噴油量的不同百分比. 補償油量和瞬時角加速度差之間的關系如圖2所示.

圖2 瞬時角加速度差和補償油量的關系

2 失火故障診斷

一般情況下，若某缸與其它缸存在差異，幾個循環后，在補償油量的作用下，瞬時角加速度與其它缸基本一致，此時的噴油量是Qi=Qb+q1+q2+… +qi(Qb為基礎油量，i 為循環次數)，qi在一定范圍內波動且遠離qmax.qi與循環次數i 的分布情況如圖3所示.

圖3 補償油量與循環次數的分布關系

2.1 失火的確定

在工作的過程中若某缸的噴油器發生故障或控制電路出現故障而導致噴油器不噴油或持續噴油而使共軌管上的限流閥動作，使故障缸噴油量減少，甚至停止噴油.這時由于噴油補償算法依然有效，但故障缸噴油量已減少或已經停止噴油.因此，由平衡算法得到的噴油補償量q 將越來越大，并最終達到正的最大限值qmax，利用補償算法增加噴油量的方法依然不能調整故障缸瞬時角加速度差異.因此，噴油補償量q 將一直保持在補償限值附近或等于補償限值qmax，如圖4所示.此時，可以確定該缸發生失火.

圖4 失火時補償油量與循環次數分布的關系

2.2 失火診斷

失火發生后，啟動診斷程序，確定該缸失火是由于控制電路發生故障還是由于噴油器發生故障導致的.為了提高噴油器的動態響應特性，驅動電路采用Peak＆Hold 驅動方式，驅動電路如圖5所示.

圖5 噴油器驅動及其診斷電路原理圖

在噴油初期高邊驅動電路和低邊驅動電路同時打開，由DC/DC 升壓后的Boost 電壓驅動噴油器，電路中電流迅速達到峰值，噴油器迅速打開噴油.此后，高邊關閉，低邊繼續保持打開狀態，由蓄電池電壓Vsys驅動噴油器，回路中電流經取樣電阻取樣后，由運算放大電路放大和LM2903 比較器比較后得到一個方波信號，如圖6所示.此方波信號的寬度就是執行器的通電時間，作為診斷信號反饋到MCU，MCU 對該信號進行分析從而可以判斷噴油器的控制電路是否正常.若正常則該缸失火是由噴油器故障引起，反之是控制電路引起的.

圖6 回路取樣電壓和整形后的電壓波形

3 各缸不均勻性在線修正及診斷流程

由以上分析可建立各缸不均勻性在線修正及失火診斷的流程，如圖7所示.

分析N1個工作循環噴油補償量的大小，就可判斷是否發生了故障.設定一定的循環次數，在每個循環中計算各缸的瞬態角加速度，求出一個循環中各缸瞬態角加速度的平均值，再計算各缸瞬態角加速度差值.根據差值情況，定出下一個循環油量的補償量，若該補償量超出了限定值，進行統計得n2.若在N1個循環中，超出限定值的次數大于N2次，此時啟動診斷程序，分析噴油器驅動電路的反饋信號，即可確定該缸失火的原因. 同時根據該缸在曲軸脈沖信號所處的相位和發火順序，可確定具體缸號，存儲故障信息，點亮故障燈.若n2＜N2，表明尚不足以確定發生失火，進入下一次故障判斷流程.

整個修正和診斷流程的關鍵是參考閾值的確定.對比各個氣缸間的瞬時角加速度差異來進行診斷和修正，這種差異與瞬時扭矩和轉速有關.扭矩越大，發火氣缸的曲軸角加速度就越大，發火氣缸與失火氣缸之間的角加速度差異越大;轉速越高，曲軸具有的慣性就越大，發火氣缸與失火氣缸間的差異就越小，故失火參考閾值是由轉速和負荷決定的一個三維MAP.失火參考閾值大致隨著負荷的增大而增大，隨轉速的升高而減小，反之亦然. 具體參考值需要根據具體的機型進行試驗標定.

4 試驗驗證

在一臺6 缸高壓共軌柴油機上進行了在線修正前后發動機瞬時轉速變化的對比試驗. 在怠速為600 r/min 時，測得的瞬時轉速波動修正前后的波形如圖8所示.

圖7 診斷流程圖

圖8 在線修正前、后瞬時轉速變化的曲線

從圖8中可以看出，修正前1，2，4 缸對應的瞬時轉速較一致，3，5 缸對應的瞬時轉速較大，第6 缸對應的瞬時轉速較小.在一個工作循環中，最大和最小瞬時轉速差達到了25 r/min. 經在線各缸不一致修正后，在一個工作循環中，各缸的瞬時轉速趨于一致，最大和最小轉速差減小到14 r/min.經過修正后有效地改善了噴油系統工作的一致性.

5 結 語

1)所給出的基于各缸瞬時角加速度的在線不均勻性修正方法在實際應用中取得了較好的效果.經過修正后有效地改善了噴油系統工作的一致性，在怠速時最大和最小瞬時轉速差由修正前的25 r/min減小到14 r/min，發動機運行更加平穩柔和.

2)該方法在運行時并不是每個循環都進入診斷程序，只有當滿足診斷條件時才進入診斷程序.這樣可減輕微處理器的負擔，這一點在高速實時控制中顯得格外重要，同時又可排除了偶發因素，保證了診斷結果的準確性.

3)選擇適當的N1和N2值，可得到較高的失火診斷率，不但能診斷出失火現象而且還能分析出導致失火的原因.

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