曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在發(fā)動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用研究

衛(wèi)文晉 覃艷 孫瀟 叢聰

摘要： 曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在一定程度上直接反映發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)工作狀態(tài)，采集一個(gè)工作循環(huán)的曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)，利用曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸在工作時(shí)域上的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系，提取特定角度范圍的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，通過(guò)分析瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)大小和變化率，可以用來(lái)識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)各氣缸做功狀態(tài)，是否存在氣缸失火，密封性差，或噴油器磨損等故障，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)單曲軸降級(jí)起動(dòng)的一個(gè)重要參數(shù)。

Abstract： The crankshaft instantaneous speed directly reflects the real operating state of the engine， collect a working cycle crankshaft instantaneous speed signal， using the crankshaft instantaneous speed and the instantaneous speed in the working field of the engine， by analyzing the instantaneous speed engine cylinder work status， cylinder fire， poor sealing， or injector wear failure， is also an important parameter to realize the single crankshaft degradation start.

關(guān)鍵詞： 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速;氣缸氣密性檢測(cè);氣缸失火檢測(cè);噴油器磨損檢測(cè);單曲軸降級(jí)起動(dòng)

Key words： instantaneous speed;cylinder tightness detection;cylinder fire detection;injector wear detection;single crankshaft downgrade start

中圖分類號(hào)：TG519.5+4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）03-0010-03

0 ?引言

曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速是電控發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的重要信號(hào)之一，通常我們可以根據(jù)需求基于單個(gè)曲軸齒周期或數(shù)個(gè)曲軸齒周期計(jì)算得出。發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程是通過(guò)將活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而對(duì)外做功。對(duì)于普通四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，每運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)工作循環(huán)凸輪軸轉(zhuǎn)一圈，曲軸轉(zhuǎn)兩圈，共分為四個(gè)行程：進(jìn)氣—壓縮—做功—排氣，其中做功行程是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力來(lái)源，在該行程曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速會(huì)增加，其他三個(gè)行程是通過(guò)飛輪慣性或者其他缸的做功來(lái)完成，在不同行程曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速變化也各不相同[1-2]。此外，還有很多因素也和曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速息息相關(guān)，比如信號(hào)盤加工齒形誤差、傳感器裝配誤差，以及測(cè)量誤差等，這些因素可以通過(guò)濾波算法消除或者將影響減小到最小，但對(duì)于加減速時(shí)的瞬態(tài)工況，以及負(fù)荷變化等引起的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，是無(wú)法通過(guò)算法消除的，需要我們?cè)诓杉S瞬時(shí)轉(zhuǎn)速時(shí)加上限制使能條件。在特定工況條件下，通過(guò)檢測(cè)特定角度范圍的曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大小及變化率，利用曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸在工作時(shí)域上的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以幫助我們實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)判斷以及進(jìn)行部分發(fā)動(dòng)機(jī)故障的診斷。

本文以某型6缸發(fā)動(dòng)機(jī)為測(cè)試對(duì)象，曲軸齒盤采用60-2齒，如圖1所示，每2個(gè)曲軸圈為一個(gè)工作循環(huán)，單個(gè)工作循環(huán)共計(jì)120個(gè)采樣點(diǎn)，缺齒處采用軟件算法虛擬出2個(gè)曲軸齒，相鄰2個(gè)采樣點(diǎn)之間間隔角度為6°CA。

1 ?基于曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速檢測(cè)氣缸氣密性

氣缸氣密性檢測(cè)是為了檢查發(fā)動(dòng)機(jī)是否存在氣缸密封不嚴(yán)或漏氣現(xiàn)象，要想保證發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力正常并有足夠的動(dòng)力輸出，首先應(yīng)該保證氣缸密封良好[3]。氣缸密封差會(huì)導(dǎo)致車輛運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)，噪音變大，動(dòng)力性變差，出現(xiàn)車輛加速不良，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難甚至無(wú)法起動(dòng)，車輛爬坡無(wú)力，很難達(dá)到最高車速，同時(shí)，出現(xiàn)排煙增多且有異常氣味，燃油與機(jī)油消耗增加等故障現(xiàn)象[4]。

通常檢測(cè)氣缸氣密性是利用氣缸壓力表等儀表進(jìn)行，通過(guò)測(cè)量氣缸最大壓縮壓力進(jìn)而有效判定氣缸密封性好壞，這種方法需要用到專用的儀器，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)困難。本文介紹了一種基于曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速變化的檢測(cè)方法，該方法不需要改變發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，也不需要特殊的儀器儀表，比較方便。實(shí)際計(jì)算過(guò)程中采用曲軸齒周期進(jìn)行計(jì)算，具體檢測(cè)策略如下：在壓縮行程中，由于氣缸漏氣，壓縮阻力小，活塞運(yùn)動(dòng)會(huì)比正常快;反之，在做功行程中，氣缸密封不嚴(yán)，爆發(fā)壓力會(huì)有損失，活塞運(yùn)動(dòng)會(huì)比正常慢。采集活塞經(jīng)過(guò)氣缸壓縮上止點(diǎn)前特定角度范圍和經(jīng)過(guò)壓縮上止點(diǎn)后特定角度范圍的曲軸齒周期，可以很好的反應(yīng)出氣缸的密封性好壞。齒周期越大表示壓縮阻力大，活塞運(yùn)動(dòng)慢，氣缸密封性好，反之，齒周期越小表示壓縮阻力小，活塞運(yùn)動(dòng)快，氣缸密封性差。

圖2為氣缸氣密性檢測(cè)信號(hào)采集示意圖，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示活塞行程。該測(cè)試過(guò)程為冷機(jī)倒拖測(cè)試，測(cè)試時(shí)，需要注意切換供油，防止由于燃油噴射或者燃燒不一致引入的測(cè)試誤差，同時(shí)保證電池電量充足，保證起動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)能力，通過(guò)起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至目標(biāo)轉(zhuǎn)速范圍，分別采集各氣缸壓縮上止點(diǎn)前和壓縮上止點(diǎn)后固定幾個(gè)齒的齒周期，如圖中Ta和Tb所示，連續(xù)多個(gè)工作循環(huán)后取平均值，最后將測(cè)得的壓縮上止點(diǎn)前的平均時(shí)間及壓縮上止點(diǎn)后的平均時(shí)間分別與判定閾值進(jìn)行比較，當(dāng)Ta較判定值偏小，Tb較判定值偏大時(shí)，對(duì)應(yīng)氣缸很可能存在漏氣。