柴油机失火故障在线诊断策略的开发

胡 川，杭 勇，冯 源，施华传，龚笑舞

(无锡油泵油嘴研究所，无锡 214063)

前言

逐步实施的第Ⅳ、Ⅴ阶段排放法规对柴油机的排放要求越来越高，柴油机须增加相应的后处理装置以降低排放。柴油机发生失火时，一方面会使排放超标;另一方面会对催化剂等后处理设备造成损害［1－3］。因此，必须对柴油机失火故障进行在线诊断。目前提出了多种诊断方法，如燃烧压力诊断法、输出转矩诊断法、刚体振动诊断法、排气噪声诊断法和瞬时转速诊断法等［4－7］，这些诊断策略复杂，没有考虑数据的标定流程和方法，离实际的工程应用还有距离。

本文中针对失火造成发动机瞬时角速度的波动，提取发动机瞬时相对角速度作为特征值进行失火诊断。同时消除曲轴工艺误差、车辆加减速时发动机瞬时角速度变化和各缸正常燃烧时存在的稳态误差对失火诊断带来的影响。针对诊断策略中的数据表和常量，开发了一套实用有效的标定方法和流程，为失火诊断策略的工程应用打下基础。

1 诊断原理

发动机某气缸发生失火时，气缸对应的瞬时角速度迅速降低，如图1所示。

为表征瞬时角速度下降的量值，特引入一个参量，暂且称之为相对角速度:

式中:ωr为瞬时相对角速度;ω(i)为当前缸邻近点火上止点某一预设时刻的瞬时角速度;ω(i－1)为按发火顺序前一缸同一时刻的瞬时角速度。

发生失火时，瞬时角速度降低，相对角速度增大，见图1。将相对角速度作为失火判断的特征值，就能有效地检测到气缸失火。

由于柴油发动机工作情况的复杂性，诸多因素对瞬时角速度存在影响，进而会影响失火检测的准确性，因此需要消除这些因素对瞬时角速度的影响。影响瞬时角速度的因素主要有曲轴、信号盘等加工误差引起的发动机瞬时角速度变化;气缸在正常燃烧时存在的稳态误差。

通过交错减去360°CA的相对角速度消除飞轮信号盘工艺及安装误差对瞬时角速度的影响:

式中:ωmr为工艺相对角速度;Z为发动机缸数;ωr(i)为当前缸瞬时相对角速度;为飞轮信号盘相同段对应的另一气缸瞬时相对角速度。

通过一个发动机循环的低通滤波消除气缸正常燃烧时存在的稳态误差:

式中:C为滤波系数;ωfr(n)为当前循环当前气缸的稳态相对角速度;ωfr(n－1)为上一循环当前气缸的稳态相对角速度。

图2～图4是CA6DF3发动机在转矩400N·m、转速1 000r/min下每缸失火和非失火各取600次样本的统计结果。结果表明:工艺相对角速度和稳态相对角速度在消除曲轴工艺误差和气缸正常燃烧时存在的稳态误差方面起到了一定作用。

在工程应用中，工艺相对角速度不能检测曲轴同步多重失火，稳态相对角速度不能检测同一气缸多次失火，须两条路径互相配合，共同检测失火。

2 诊断模型

2.1 失火诊断条件

瞬时角速度出现波动并不一定是由失火引起，如不平路面等会引起瞬时角速度的波动，因此失火检测须满足如下条件才能进行。

(1)发动机平均转速在一定范围内。发动机平均转速过大时，由于惯性力加大，相对角速度偏低，容易发生误判;发动机平均转速过小，由于油气混合不良引起失火，属于正常现象，如发动机起动过程就存在失火，不能认定为故障。

(2)车速大于一定阈值。

(3)喷油量在一定范围内。

(4)冷却水温大于一定阈值，发动机只有在充分暖机后才进行失火检测。

满足上述条件后，经过一定延时，没有出现条件状态跳变，就可以进行失火检测。

2.2 故障处理程序

针对排放超标和催化剂损坏两种危害，有两种独立的故障处理程序。

针对排放超标，在失火诊断条件成立情况下，当发动机循环累计到1 000循环时，计数器重置。当失火计数器超过一定的阈值时，存储故障代码，表示相关的失火频率。针对排放增加的故障处理采用两步逻辑检测，当失火故障第1次被检测时，暂时存储在存储器中，MIL灯不亮。如果在相同的情况下再次检测到同一故障，则MIL灯发亮，并设置一个故障码。在两步检测之间必须断开点火开关。

针对催化剂中毒，一旦发生失火，每个气缸的失火计数器以及总失火计数器就会累加。在失火检测条件成立情况下，当发动机循环累计到200循环时，计数器重置。如果失火计数器超过一定的限值，达到催化剂损坏的失火频率，MIL灯立刻闪烁，并存储故障码。

2.3 诊断模型

根据失火故障在线诊断原理和故障处理流程，开发出诊断模型，如图5所示。

首先计算瞬时角速度和判断阈值，在失火诊断条件成立时，进行失火判断。确认失火后，失火计数器累计。在一定的测试周期内(用发动机转速来衡量)，失火次数超过一定阈值，则进行排放超标和催化剂中毒故障处理。

3 关键数据标定

在失火诊断模块整车应用之前，须对关键数据进行标定。

3.1 失火诊断转速范围MAP标定

转速越高，失火时相对角速度越小，在同一负荷下，高于某一转速时，失火时相对角速度和非失火相对角速度大小很接近，容易发生误判，因此须将失火检测限制在一定转速之内。不同的负荷对应的失火检测的最高转速不同，具体来说，失火检测的最高转速和负荷大小成正比。

标定方法是在一工况点下，分别选取失火和非失火一定样本，做出相对角速度正态分布曲线，如图6所示。根据均值和置信区间计算得到Thd1和Thd2，Thd1/Thd2≤0.6的临界转速作为该负荷下失火检测的最高转速。标定结果如图7所示。

3.2 失火判断阈值MAP标定

不同的相对角速度判断阈值的标定方法是一致的，具体方法是在一定工况下，采集600次失火相对角速度样本，做出相对角速度正态分布曲线，如图6所示，根据均值和置信区间计算得到Thd2，Thd2即为该工况下暂定失火判断阈值。

车辆相对角速度判断阈值标定结果见图8。

从图8可看出，失火判断阈值和循环油量之间具有很强的线性关系，这给标定工作带来了方便。

3.3 不平路面阈值MAP标定

采集平坦路面非失火时工艺相对角速度样本，做出正态分布曲线，选取曲线的最大值作为不平路面判断阈值。如图9所示，根据均值和置信区间计算得到Thd1，Thd1即为该工况下不平路面判断阈值。不平路面判断阈值如图9所示。

4 实验测试

本文中在自主开发的高压共轨发动机台架上进行实验，发动机型号CA6DF3，排量6.7L，额定转速2 300r/min，额定功率162kW。将失火诊断策略写成C代码，烧写到高压共轨控制ECU中。在实验过程中，人为地禁止输出喷油器控制脉宽，模拟失火故障。测试项包括1缸连续失火、1缸间隔两个循环连续失火、相邻两缸同时失火、间隔1缸的两缸同时失火、间隔2缸的两缸同时失火以及加速过程失火。1缸连续失火诊断结果如图10所示。

结果显示，发动机发生失火时，失火标志位置位，失火总计数器以及各缸失火计数器进行累加，在失火诊断条件之内，没有出现错误检测和遗漏检测的情况，表明失火故障在线诊断模块可靠性强。失火造成的排放超标和后处理催化剂中毒故障，须通过另外的大量实验进行标定。

5 结论

失火检测通过选取瞬时相对角速度作为特征值，根据特征值在失火时和非失火时显著的差异进行失火检测。工艺相对角速度和稳态相对角速度消除不同误差对发动机瞬时角速度的影响，两条路径相互配合，共同作用，能够有效地进行失火检测。

在数据标定时，通过选取大量样本，做出失火和非失火时相对正态分布曲线，通过置信区间剔除异常数据。整个标定流程和方法理论依据充分，快速高效。

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