基于曲轴转速波动的诊断策略研究

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欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... OBD系统测试是实施国Ⅲ､国Ⅳ排放标准的核心内容，也是难点之一｡OBD系统将根据发动机的运行状况随时监控与汽车排放相关的部件，一旦某些部件发生故障导致排放超标时，会马上发出警示｡当系统出现故障时，故障指示灯（MIL）或发动机警告灯亮，同时动力总成控制模块（PCM）将故障信息存入存储器，通过一定的程序可以将故障码从PCM中读出｡根据故障码的提示，维修人员能够迅速､准确地确定故障的性质和部位，从而可有效控制车辆因排放净化装置故障或其他原因造成排放超标的情况[1]｡发动机失火故障是指发动机工作过程中由于各种原因造成的混合气在气缸内不能正常燃烧的现象｡多缸汽油机失火故障因不易觉察而普遍存在，对环境和车辆特别是采用催化转换器的车辆造成了巨大危害｡因此，研究OBD系统的发动机失火诊断策略并分析失火排放状况有很大的实用价值｡ 1 失火的原因及危害 失火原因主要包括以下几点：点火系统的导线､线圈和火花塞故障；进气系统（包括曲轴箱强制通风系统和EGR阀等）密封性不好及空气流量传感器提供虚假的小流量信息造成混合气过稀；燃油系统的燃油泵和滤清器堵塞､压力调节器和喷油器等故障引起喷油压力过低而造成混合气过稀；氧传感器因长时间怠速或短距离运行引起表面硅污染，提供虚假的浓混合气信息；燃油含有水､酒精或其他污染物，这些污染物稀释了混合气[2]｡ OBD法规中规定对两种失火危害进行监测，分别是失火造成的催化剂损害和排放超标｡由于上述原因造成发动机持续失火，会导致催化剂温度大幅度升高，从而引起严重的热老化，对催化剂造成损害｡Martin Klenk等人研究了失火对催化剂温度及HC､CO､NOx排放的影响[3]｡发动机转速和负荷不同，失火率对催化剂损害程度也不同｡当发动机处于高速大负荷无失火时，催化剂温度可升到950℃，因此可确定1000℃为催化剂温度极限来判断催化剂是否损害｡如图1所示，试验用6缸2.5L发动机在高速大负荷时，5%的失火率就会使催化剂温度超过限值｡低速小负荷时，失火率25%以上才会使温度超过限值｡发动机失火会使HC排放大幅度上升，2%的失火率就会使HC排放超过标准（美国94年标准）的1.5倍，如图2所示｡另外CO､NOx排放量主要依据氧传感器类型，废气中大量的氧会使氧传感器输出持续性低电压，从而使混合气持续加浓｡氧传感器表面催化活性不同所引起的混合气加浓量也不同，因而CO的增加量及NOx的减少量也不同｡ 2 OBD失火诊断原理分析 2.1监测方法 发动机失火监测方法有很多，有曲轴角速度波动法､离子电流法和宽域氧传感器法等｡目前比较常用的是曲轴角速度波动法，该方法是利用曲轴飞轮信号来评估发动机转速波动检测失火｡ 式中，M为发动机净转矩；W为负载转矩；d!/dt为角加速度；J表示发动机转动惯量，由于失火导致的发动机转矩突然降低，d!/dt为负值，d!/dt与发动机转动能量输出成正比；ni是i缸的发动机转速；"是曲轴转角；dn2/d"值很大表示发动机失火｡ 感应式传感器扫描60-2齿的飞轮，信号经过PCM处理，可以确定发动机转速｡把一次气缸做功之间的间隔分为一段，通过曲轴转角信号计算出分段时间Tsi｡Tsi指i缸做功冲程相应曲轴转角所用时间｡ 发动机运行粗暴度值Ri可由（4）式计算，其中Td表示动态补偿时间，用来修正分段时间｡ 2.2诊断原理 根据平均转速和发动机负荷（油门位置）以及冷却水温度等修正值判断出失火的发动机的运行粗暴度参考阀值，然后与计算出的相对应的各发火气缸的发动机运行粗暴度进行比较，大于参考阀值就说明发生了失火，最后通过一个故障计数器计数，当失火达到一定程度时，点亮故障指示灯（MIL），如图3所示｡故障计数器是防止偶发的不正常工作影响诊断结果，而且如果没有计数器，诊断系统报警会过于频繁，对用户而言会对诊断系统失去信任｡由于转速波动的影响因素众多，所以在进行失火检测时要尽量避免其他因素的干扰｡设置了诊断无效条件来过滤其他的影响因素，只有满足这些条件，才能进行失火检测，这样就保证了诊断结果的准确性｡失火诊断条件包括发动机转速､冷却水温､蓄电池电压等｡ 整个诊断流程最关键的就是失火参考阀值的确定｡由于诊断的原理是通过对应各个气缸间的转动粗暴度差异来进行的，这种差异与当时的瞬时转矩和转速有关，因为产生的转矩越大，发火气缸产生的加速度就越大，发火气缸与失火气缸之间的角加速度差异自然就会越大；转速越高，那么曲轴具有的惯性就越大，发火气缸与失火气缸间的差异就越小，所以失火参考阀值是由转速和油门位置（表征负荷）决定的一个三维MAP图[4]｡失火参考阀值的变化规律大致是随着负荷的增大而增大，随转速的升高而减小，反之亦然，具体参考值需要根据具体的机型进行试验标定｡ 2.3故障处理方法 针对不同的失火效果（排放水平增加和催化剂损坏），有两种单独的故障处理程序：第一种，对于排放水平超过OBD排放标准1.2倍的失火累加计数[1]；第二种，在实际发动机运行情况，根据可能对催化剂损坏累计失火次数｡ 2.3.1针对排放增加的故障处理 一旦发生失火，每个气缸相应的故障计数器就会累加｡除了在失火诊断无效条件情况下，所有发动机循环都有计算在内，当循环累加达到1000个曲轴循环时，每缸计数器就会重置[3]｡当故障计数超过一定的限值时，储存故障代码，表示排放相关的失火频率，如图4（a）所示｡针对排放增加的故障处理采用二步逻辑检测｡当失火故障第一次被检测到时，暂时储存在PCM的存储器中，故障指示灯不亮｡如果第二次行车时，在相同的情况下再次检测到同一故障，则“CHECK ENGINE”指示灯将变亮，并设置一个故障码，在第一步和第二步检测之间必须断开点火开关｡ 2.3.2针对催化剂损坏的故障处理 另一个单独的故障计数器监视失火率对催化剂的损坏｡失火时，发动机转速和负载值加到相应气缸的计数器上｡当循环累进到200个曲轴循环时，每缸的故障计数器就会重置[3]，如图4（b）｡如果故障计数超过一定的限值，表示已达到催化剂损坏的失火频率，故障指示灯立刻闪烁，在PCM存储故障代码｡ 3 试验与结论 为了研究发动机失火时的曲轴转速波动，把失火发生装置连接在PCM和初级点火线圈之间，屏蔽部分PCM发出的点火信号，以造成发动机失火，并使OBD系统监测到该劣化信号，保证在两个ECE+EUDC循环内，激活MIL灯，而汽车排放量不能超过OBD排放限值的1.2倍以上[1]｡ 3.1试验设备与方案 试验采用保定长城的491QE型多点电喷汽油机，其排量2.237L，点火线圈类型为双缸共点火线圈，最大功率75kW（4600r/min），怠速830r/min±20r/min，洛阳南峰FST2发动机数控试验台，CW150电涡流测功机｡试验使用失火发生装置屏蔽部分点火控制信号而造成失火，以双缸共点火线圈发动机为例，失火发生装置与PCM线束连接线路，如图5｡通过引出点火控制信号计算出发动机点火次数，并根据曲轴位置和凸轮轴位置信号判断点火缸号，以此为依据发出信号屏蔽设定断火缸的点火控制信号，造成气缸失火，如图6｡ 3.2失火时曲轴转速波动试验 使用以上设备，进行了OBD法规要求的设置断火及测量发动机转速波动的试验｡发动机正常工作时，发动机转速比较稳定，保持在820～840r/min，如图7｡发生失火时，发动机一缸或多缸没有做功，转速会明显下降，单缸失火时发动机转速下降约40r/min，多缸均匀失火时的发动机转速有比较大的波动，如图8､9，失火时，发动机转速会下降40～80r/min｡根据式（1）计算出的发动机运行粗暴度如图10，没有失火时发动机运行粗暴度比较小，在0～20s-2之间波动，失火时运行粗暴度达到60～80s-2｡ 4 总结 北京市在2005年12月30日提前实施国Ⅲ标准，而未加装OBD系统的车辆2006年年底起不能在北京市销售｡OBD失火诊断策略及失火对排放影响的研究是一个比较新的课题，还需要不断深入研究｡(end)

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