柴油機失火故障在線診斷策略的開發

胡 川，杭 勇，馮 源，施華傳，龔笑舞

(無錫油泵油嘴研究所，無錫 214063)

前言

逐步實施的第Ⅳ、Ⅴ階段排放法規對柴油機的排放要求越來越高，柴油機須增加相應的后處理裝置以降低排放。柴油機發生失火時，一方面會使排放超標;另一方面會對催化劑等后處理設備造成損害［1－3］。因此，必須對柴油機失火故障進行在線診斷。目前提出了多種診斷方法，如燃燒壓力診斷法、輸出轉矩診斷法、剛體振動診斷法、排氣噪聲診斷法和瞬時轉速診斷法等［4－7］，這些診斷策略復雜，沒有考慮數據的標定流程和方法，離實際的工程應用還有距離。

本文中針對失火造成發動機瞬時角速度的波動，提取發動機瞬時相對角速度作為特征值進行失火診斷。同時消除曲軸工藝誤差、車輛加減速時發動機瞬時角速度變化和各缸正常燃燒時存在的穩態誤差對失火診斷帶來的影響。針對診斷策略中的數據表和常量，開發了一套實用有效的標定方法和流程，為失火診斷策略的工程應用打下基礎。

1 診斷原理

發動機某氣缸發生失火時，氣缸對應的瞬時角速度迅速降低，如圖1所示。

為表征瞬時角速度下降的量值，特引入一個參量，暫且稱之為相對角速度:

式中:ωr為瞬時相對角速度;ω(i)為當前缸鄰近點火上止點某一預設時刻的瞬時角速度;ω(i－1)為按發火順序前一缸同一時刻的瞬時角速度。

發生失火時，瞬時角速度降低，相對角速度增大，見圖1。將相對角速度作為失火判斷的特征值，就能有效地檢測到氣缸失火。

由于柴油發動機工作情況的復雜性，諸多因素對瞬時角速度存在影響，進而會影響失火檢測的準確性，因此需要消除這些因素對瞬時角速度的影響。影響瞬時角速度的因素主要有曲軸、信號盤等加工誤差引起的發動機瞬時角速度變化;氣缸在正常燃燒時存在的穩態誤差。

通過交錯減去360°CA的相對角速度消除飛輪信號盤工藝及安裝誤差對瞬時角速度的影響:

式中:ωmr為工藝相對角速度;Z為發動機缸數;ωr(i)為當前缸瞬時相對角速度;為飛輪信號盤相同段對應的另一氣缸瞬時相對角速度。

通過一個發動機循環的低通濾波消除氣缸正常燃燒時存在的穩態誤差:

式中:C為濾波系數;ωfr(n)為當前循環當前氣缸的穩態相對角速度;ωfr(n－1)為上一循環當前氣缸的穩態相對角速度。

圖2～圖4是CA6DF3發動機在轉矩400N·m、轉速1 000r/min下每缸失火和非失火各取600次樣本的統計結果。結果表明:工藝相對角速度和穩態相對角速度在消除曲軸工藝誤差和氣缸正常燃燒時存在的穩態誤差方面起到了一定作用。

在工程應用中，工藝相對角速度不能檢測曲軸同步多重失火，穩態相對角速度不能檢測同一氣缸多次失火，須兩條路徑互相配合，共同檢測失火。

2 診斷模型

2.1 失火診斷條件

瞬時角速度出現波動并不一定是由失火引起，如不平路面等會引起瞬時角速度的波動，因此失火檢測須滿足如下條件才能進行。

(1)發動機平均轉速在一定范圍內。發動機平均轉速過大時，由于慣性力加大，相對角速度偏低，容易發生誤判;發動機平均轉速過小，由于油氣混合不良引起失火，屬于正常現象，如發動機起動過程就存在失火，不能認定為故障。

(2)車速大于一定閾值。

(3)噴油量在一定范圍內。

(4)冷卻水溫大于一定閾值，發動機只有在充分暖機后才進行失火檢測。

滿足上述條件后，經過一定延時，沒有出現條件狀態跳變，就可以進行失火檢測。

2.2 故障處理程序

針對排放超標和催化劑損壞兩種危害，有兩種獨立的故障處理程序。

針對排放超標，在失火診斷條件成立情況下，當發動機循環累計到1 000循環時，計數器重置。當失火計數器超過一定的閾值時，存儲故障代碼，表示相關的失火頻率。針對排放增加的故障處理采用兩步邏輯檢測，當失火故障第1次被檢測時，暫時存儲在存儲器中，MIL燈不亮。如果在相同的情況下再次檢測到同一故障，則MIL燈發亮，并設置一個故障碼。在兩步檢測之間必須斷開點火開關。

針對催化劑中毒，一旦發生失火，每個氣缸的失火計數器以及總失火計數器就會累加。在失火檢測條件成立情況下，當發動機循環累計到200循環時，計數器重置。如果失火計數器超過一定的限值，達到催化劑損壞的失火頻率，MIL燈立刻閃爍，并存儲故障碼。

2.3 診斷模型

根據失火故障在線診斷原理和故障處理流程，開發出診斷模型，如圖5所示。

首先計算瞬時角速度和判斷閾值，在失火診斷條件成立時，進行失火判斷。確認失火后，失火計數器累計。在一定的測試周期內(用發動機轉速來衡量)，失火次數超過一定閾值，則進行排放超標和催化劑中毒故障處理。

3 關鍵數據標定

在失火診斷模塊整車應用之前，須對關鍵數據進行標定。

3.1 失火診斷轉速范圍MAP標定

轉速越高，失火時相對角速度越小，在同一負荷下，高于某一轉速時，失火時相對角速度和非失火相對角速度大小很接近，容易發生誤判，因此須將失火檢測限制在一定轉速之內。不同的負荷對應的失火檢測的最高轉速不同，具體來說，失火檢測的最高轉速和負荷大小成正比。

標定方法是在一工況點下，分別選取失火和非失火一定樣本，做出相對角速度正態分布曲線，如圖6所示。根據均值和置信區間計算得到Thd1和Thd2，Thd1/Thd2≤0.6的臨界轉速作為該負荷下失火檢測的最高轉速。標定結果如圖7所示。

3.2 失火判斷閾值MAP標定

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

車輛相對角速度判斷閾值標定結果見圖8。

從圖8可看出，失火判斷閾值和循環油量之間具有很強的線性關系，這給標定工作帶來了方便。

3.3 不平路面閾值MAP標定

采集平坦路面非失火時工藝相對角速度樣本，做出正態分布曲線，選取曲線的最大值作為不平路面判斷閾值。如圖9所示，根據均值和置信區間計算得到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 實驗測試

本文中在自主開發的高壓共軌發動機臺架上進行實驗，發動機型號CA6DF3，排量6.7L，額定轉速2 300r/min，額定功率162kW。將失火診斷策略寫成C代碼，燒寫到高壓共軌控制ECU中。在實驗過程中，人為地禁止輸出噴油器控制脈寬，模擬失火故障。測試項包括1缸連續失火、1缸間隔兩個循環連續失火、相鄰兩缸同時失火、間隔1缸的兩缸同時失火、間隔2缸的兩缸同時失火以及加速過程失火。1缸連續失火診斷結果如圖10所示。

結果顯示，發動機發生失火時，失火標志位置位，失火總計數器以及各缸失火計數器進行累加，在失火診斷條件之內，沒有出現錯誤檢測和遺漏檢測的情況，表明失火故障在線診斷模塊可靠性強。失火造成的排放超標和后處理催化劑中毒故障，須通過另外的大量實驗進行標定。

5 結論

失火檢測通過選取瞬時相對角速度作為特征值，根據特征值在失火時和非失火時顯著的差異進行失火檢測。工藝相對角速度和穩態相對角速度消除不同誤差對發動機瞬時角速度的影響，兩條路徑相互配合，共同作用，能夠有效地進行失火檢測。

在數據標定時，通過選取大量樣本，做出失火和非失火時相對正態分布曲線，通過置信區間剔除異常數據。整個標定流程和方法理論依據充分，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.重型柴油機失火診斷研究［J］.車用發動機，2010(1):9－12.

［7］劉世元，杜潤生，楊叔子.利用轉速波動信號診斷內燃機失火故障的研究(2)—波形分析方法［J］.內燃機學報，2000，18(3):320－324.