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    柴油機(jī)失火故障在線診斷策略的開發(fā)

    2012-07-19 02:02:54施華傳龔笑舞
    汽車工程 2012年1期
    關(guān)鍵詞:計(jì)數(shù)器角速度氣缸

    胡 川,杭 勇,馮 源,施華傳,龔笑舞

    (無(wú)錫油泵油嘴研究所,無(wú)錫 214063)

    前言

    逐步實(shí)施的第Ⅳ、Ⅴ階段排放法規(guī)對(duì)柴油機(jī)的排放要求越來(lái)越高,柴油機(jī)須增加相應(yīng)的后處理裝置以降低排放。柴油機(jī)發(fā)生失火時(shí),一方面會(huì)使排放超標(biāo);另一方面會(huì)對(duì)催化劑等后處理設(shè)備造成損害[1-3]。因此,必須對(duì)柴油機(jī)失火故障進(jìn)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(zhuǎn)矩診斷法、剛體振動(dòng)診斷法、排氣噪聲診斷法和瞬時(shí)轉(zhuǎn)速診斷法等[4-7],這些診斷策略復(fù)雜,沒有考慮數(shù)據(jù)的標(biāo)定流程和方法,離實(shí)際的工程應(yīng)用還有距離。

    本文中針對(duì)失火造成發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)角速度的波動(dòng),提取發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)相對(duì)角速度作為特征值進(jìn)行失火診斷。同時(shí)消除曲軸工藝誤差、車輛加減速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)角速度變化和各缸正常燃燒時(shí)存在的穩(wěn)態(tài)誤差對(duì)失火診斷帶來(lái)的影響。針對(duì)診斷策略中的數(shù)據(jù)表和常量,開發(fā)了一套實(shí)用有效的標(biāo)定方法和流程,為失火診斷策略的工程應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

    1 診斷原理

    發(fā)動(dòng)機(jī)某氣缸發(fā)生失火時(shí),氣缸對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)角速度迅速降低,如圖1所示。

    為表征瞬時(shí)角速度下降的量值,特引入一個(gè)參量,暫且稱之為相對(duì)角速度:

    式中:ωr為瞬時(shí)相對(duì)角速度;ω(i)為當(dāng)前缸鄰近點(diǎn)火上止點(diǎn)某一預(yù)設(shè)時(shí)刻的瞬時(shí)角速度;ω(i-1)為按發(fā)火順序前一缸同一時(shí)刻的瞬時(shí)角速度。

    發(fā)生失火時(shí),瞬時(shí)角速度降低,相對(duì)角速度增大,見圖1。將相對(duì)角速度作為失火判斷的特征值,就能有效地檢測(cè)到氣缸失火。

    由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作情況的復(fù)雜性,諸多因素對(duì)瞬時(shí)角速度存在影響,進(jìn)而會(huì)影響失火檢測(cè)的準(zhǔn)確性,因此需要消除這些因素對(duì)瞬時(shí)角速度的影響。影響瞬時(shí)角速度的因素主要有曲軸、信號(hào)盤等加工誤差引起的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)角速度變化;氣缸在正常燃燒時(shí)存在的穩(wěn)態(tài)誤差。

    通過(guò)交錯(cuò)減去360°CA的相對(duì)角速度消除飛輪信號(hào)盤工藝及安裝誤差對(duì)瞬時(shí)角速度的影響:

    式中:ωmr為工藝相對(duì)角速度;Z為發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù);ωr(i)為當(dāng)前缸瞬時(shí)相對(duì)角速度;為飛輪信號(hào)盤相同段對(duì)應(yīng)的另一氣缸瞬時(shí)相對(duì)角速度。

    通過(guò)一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的低通濾波消除氣缸正常燃燒時(shí)存在的穩(wěn)態(tài)誤差:

    式中:C為濾波系數(shù);ωfr(n)為當(dāng)前循環(huán)當(dāng)前氣缸的穩(wěn)態(tài)相對(duì)角速度;ωfr(n-1)為上一循環(huán)當(dāng)前氣缸的穩(wěn)態(tài)相對(duì)角速度。

    圖2~圖4是CA6DF3發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)矩400N·m、轉(zhuǎn)速1 000r/min下每缸失火和非失火各取600次樣本的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。結(jié)果表明:工藝相對(duì)角速度和穩(wěn)態(tài)相對(duì)角速度在消除曲軸工藝誤差和氣缸正常燃燒時(shí)存在的穩(wěn)態(tài)誤差方面起到了一定作用。

    在工程應(yīng)用中,工藝相對(duì)角速度不能檢測(cè)曲軸同步多重失火,穩(wěn)態(tài)相對(duì)角速度不能檢測(cè)同一氣缸多次失火,須兩條路徑互相配合,共同檢測(cè)失火。

    2 診斷模型

    2.1 失火診斷條件

    瞬時(shí)角速度出現(xiàn)波動(dòng)并不一定是由失火引起,如不平路面等會(huì)引起瞬時(shí)角速度的波動(dòng),因此失火檢測(cè)須滿足如下條件才能進(jìn)行。

    (1)發(fā)動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速過(guò)大時(shí),由于慣性力加大,相對(duì)角速度偏低,容易發(fā)生誤判;發(fā)動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速過(guò)小,由于油氣混合不良引起失火,屬于正?,F(xiàn)象,如發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程就存在失火,不能認(rèn)定為故障。

    (2)車速大于一定閾值。

    (3)噴油量在一定范圍內(nèi)。

    (4)冷卻水溫大于一定閾值,發(fā)動(dòng)機(jī)只有在充分暖機(jī)后才進(jìn)行失火檢測(cè)。

    滿足上述條件后,經(jīng)過(guò)一定延時(shí),沒有出現(xiàn)條件狀態(tài)跳變,就可以進(jìn)行失火檢測(cè)。

    2.2 故障處理程序

    針對(duì)排放超標(biāo)和催化劑損壞兩種危害,有兩種獨(dú)立的故障處理程序。

    針對(duì)排放超標(biāo),在失火診斷條件成立情況下,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)累計(jì)到1 000循環(huán)時(shí),計(jì)數(shù)器重置。當(dāng)失火計(jì)數(shù)器超過(guò)一定的閾值時(shí),存儲(chǔ)故障代碼,表示相關(guān)的失火頻率。針對(duì)排放增加的故障處理采用兩步邏輯檢測(cè),當(dāng)失火故障第1次被檢測(cè)時(shí),暫時(shí)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中,MIL燈不亮。如果在相同的情況下再次檢測(cè)到同一故障,則MIL燈發(fā)亮,并設(shè)置一個(gè)故障碼。在兩步檢測(cè)之間必須斷開點(diǎn)火開關(guān)。

    針對(duì)催化劑中毒,一旦發(fā)生失火,每個(gè)氣缸的失火計(jì)數(shù)器以及總失火計(jì)數(shù)器就會(huì)累加。在失火檢測(cè)條件成立情況下,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)累計(jì)到200循環(huán)時(shí),計(jì)數(shù)器重置。如果失火計(jì)數(shù)器超過(guò)一定的限值,達(dá)到催化劑損壞的失火頻率,MIL燈立刻閃爍,并存儲(chǔ)故障碼。

    2.3 診斷模型

    根據(jù)失火故障在線診斷原理和故障處理流程,開發(fā)出診斷模型,如圖5所示。

    首先計(jì)算瞬時(shí)角速度和判斷閾值,在失火診斷條件成立時(shí),進(jìn)行失火判斷。確認(rèn)失火后,失火計(jì)數(shù)器累計(jì)。在一定的測(cè)試周期內(nèi)(用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)衡量),失火次數(shù)超過(guò)一定閾值,則進(jìn)行排放超標(biāo)和催化劑中毒故障處理。

    3 關(guān)鍵數(shù)據(jù)標(biāo)定

    在失火診斷模塊整車應(yīng)用之前,須對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。

    3.1 失火診斷轉(zhuǎn)速范圍MAP標(biāo)定

    轉(zhuǎn)速越高,失火時(shí)相對(duì)角速度越小,在同一負(fù)荷下,高于某一轉(zhuǎn)速時(shí),失火時(shí)相對(duì)角速度和非失火相對(duì)角速度大小很接近,容易發(fā)生誤判,因此須將失火檢測(cè)限制在一定轉(zhuǎn)速之內(nèi)。不同的負(fù)荷對(duì)應(yīng)的失火檢測(cè)的最高轉(zhuǎn)速不同,具體來(lái)說(shuō),失火檢測(cè)的最高轉(zhuǎn)速和負(fù)荷大小成正比。

    標(biāo)定方法是在一工況點(diǎn)下,分別選取失火和非失火一定樣本,做出相對(duì)角速度正態(tài)分布曲線,如圖6所示。根據(jù)均值和置信區(qū)間計(jì)算得到Thd1和Thd2,Thd1/Thd2≤0.6的臨界轉(zhuǎn)速作為該負(fù)荷下失火檢測(cè)的最高轉(zhuǎn)速。標(biāo)定結(jié)果如圖7所示。

    3.2 失火判斷閾值MAP標(biāo)定

    不同的相對(duì)角速度判斷閾值的標(biāo)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(duì)角速度樣本,做出相對(duì)角速度正態(tài)分布曲線,如圖6所示,根據(jù)均值和置信區(qū)間計(jì)算得到Thd2,Thd2即為該工況下暫定失火判斷閾值。

    車輛相對(duì)角速度判斷閾值標(biāo)定結(jié)果見圖8。

    從圖8可看出,失火判斷閾值和循環(huán)油量之間具有很強(qiáng)的線性關(guān)系,這給標(biāo)定工作帶來(lái)了方便。

    3.3 不平路面閾值MAP標(biāo)定

    采集平坦路面非失火時(shí)工藝相對(duì)角速度樣本,做出正態(tài)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(jù)均值和置信區(qū)間計(jì)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(shí)驗(yàn)測(cè)試

    本文中在自主開發(fā)的高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)CA6DF3,排量6.7L,額定轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中,人為地禁止輸出噴油器控制脈寬,模擬失火故障。測(cè)試項(xiàng)包括1缸連續(xù)失火、1缸間隔兩個(gè)循環(huán)連續(xù)失火、相鄰兩缸同時(shí)失火、間隔1缸的兩缸同時(shí)失火、間隔2缸的兩缸同時(shí)失火以及加速過(guò)程失火。1缸連續(xù)失火診斷結(jié)果如圖10所示。

    結(jié)果顯示,發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生失火時(shí),失火標(biāo)志位置位,失火總計(jì)數(shù)器以及各缸失火計(jì)數(shù)器進(jìn)行累加,在失火診斷條件之內(nèi),沒有出現(xiàn)錯(cuò)誤檢測(cè)和遺漏檢測(cè)的情況,表明失火故障在線診斷模塊可靠性強(qiáng)。失火造成的排放超標(biāo)和后處理催化劑中毒故障,須通過(guò)另外的大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。

    5 結(jié)論

    失火檢測(cè)通過(guò)選取瞬時(shí)相對(duì)角速度作為特征值,根據(jù)特征值在失火時(shí)和非失火時(shí)顯著的差異進(jìn)行失火檢測(cè)。工藝相對(duì)角速度和穩(wěn)態(tài)相對(duì)角速度消除不同誤差對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)角速度的影響,兩條路徑相互配合,共同作用,能夠有效地進(jìn)行失火檢測(cè)。

    在數(shù)據(jù)標(biāo)定時(shí),通過(guò)選取大量樣本,做出失火和非失火時(shí)相對(duì)正態(tài)分布曲線,通過(guò)置信區(qū)間剔除異常數(shù)據(jù)。整個(gè)標(biāo)定流程和方法理論依據(jù)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.

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