發(fā)動(dòng)機(jī)失火診斷中OBD功能開(kāi)發(fā)

胡建功

（太原學(xué)院，山西 太原030032）

1 引言

為了滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，電控發(fā)動(dòng)機(jī)都要求裝備在線(xiàn)診斷系統(tǒng) (on_board diagnosis，OBD)，而在線(xiàn)失火 (misfire)診斷則是OBD系統(tǒng)的重要內(nèi)容。失火是指內(nèi)燃機(jī)單個(gè)或多個(gè)氣缸內(nèi)混合氣不能著火燃燒的一種故障。點(diǎn)火系統(tǒng)故障、噴油系統(tǒng)故障、配氣機(jī)構(gòu)故障、氣缸密封不良等原因都可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)失火[1]。失火可能會(huì)導(dǎo)致輸出功率下降、燃油消耗增加、排放污染物超標(biāo)，甚至三元催化器損壞[2]。由于催化轉(zhuǎn)換器的劣化過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程，很難設(shè)計(jì)一個(gè)故障模擬裝置來(lái)模擬。因此，國(guó)外采用快速老化的方法[3,4]。制備出不同老化程度的催化轉(zhuǎn)換器來(lái)進(jìn)行OBD系統(tǒng)的標(biāo)定工作和驗(yàn)證試驗(yàn)。本文提出了發(fā)動(dòng)機(jī)粗暴度ER的數(shù)值算法，算法包括靜態(tài)元素、動(dòng)態(tài)元素、曲率元素三種算法。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)失火測(cè)量段的自適應(yīng)研究

可靠失火探測(cè)要求一個(gè)準(zhǔn)確的測(cè)量段周期測(cè)量。然而，因?yàn)榍S位置靶輪受制造公差和偏心安裝的影響，測(cè)得的未處理測(cè)量段周期是不準(zhǔn)確的。這些不精確度源自于系統(tǒng)誤差，因此可以在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò) “學(xué)習(xí)”識(shí)別系統(tǒng)誤差，并完成自適應(yīng)。每一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)粗暴度值ER_AV計(jì)算前，用相關(guān)的測(cè)量段自適應(yīng)值對(duì)測(cè)得的測(cè)量段周期時(shí)間進(jìn)行修正，由曲軸位置靶輪公差產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差很大程度被消除。

自適應(yīng)過(guò)程的參考測(cè)量段是測(cè)量段SEG[0]，當(dāng)自適應(yīng)條件都具備時(shí)，自適應(yīng)值每720°曲軸角計(jì)算一次。各測(cè)量段自適應(yīng)值計(jì)算公式如下：

SEG_AD_x=[(Tx-T0)-x/4*(T0’-T0)]/T0

其中SEG_AD_x表示第段x（x=0,1,2,3）的自適應(yīng)值，

Tx表示測(cè)量段SEG[x]實(shí)測(cè)到的測(cè)量段時(shí)間，

T0表示實(shí)測(cè)到的參考測(cè)量段SEG[0]時(shí)間，

T0’表示720°曲軸角后，第二次實(shí)測(cè)到的參考測(cè)量段SEG[0]的時(shí)間。

對(duì)于4缸直列發(fā)動(dòng)機(jī)，如果沒(méi)有出現(xiàn)氣缸的直接損壞，使用同一機(jī)械測(cè)量段的汽缸自適應(yīng)值將大致相同。

SEG_AD_0≈SEG_AD_2，

SEG_AD_1≈SEG_AD_3

考慮自適應(yīng)值后，修正的測(cè)量段時(shí)間為：SEG_Tx修正=Tx*(1-SEG_AD_x)

按上述自適應(yīng)理論，顯然在發(fā)動(dòng)機(jī)減速過(guò)程中進(jìn)行自適應(yīng)比較合適。在捷達(dá)車(chē)載診斷OBD系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)，將自適應(yīng)過(guò)程定義在減速倒拖斷油工況下進(jìn)行。在這個(gè)過(guò)程中，因供油被切斷，發(fā)動(dòng)機(jī)不做功，可避免由于不正常燃燒可能產(chǎn)生的偶然誤差。如果所有的自適應(yīng)條件都滿(mǎn)足，系統(tǒng)從測(cè)量段SEG[0]開(kāi)始，每720°曲軸角完成一次自適應(yīng)計(jì)算。

對(duì)于捷達(dá)1.6 2V直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，為了能對(duì)每一個(gè)相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)特有的曲軸特性進(jìn)行學(xué)習(xí)，測(cè)量段周期時(shí)間自適應(yīng)在3個(gè)不同的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)定義 （低速，中速和高速），轉(zhuǎn)速范圍定義如下：

2500rpm至 3500rpm，SEG_AD_L_x。低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速學(xué)習(xí)范圍，用于初始化和第一個(gè)自適應(yīng)學(xué)習(xí)過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)范圍。

3500rpm至4500rpm，SEG_AD_M_x。中等發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速學(xué)習(xí)范圍。

4500rpm至 5500rpm，SEG_AD_H_x。高速發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速學(xué)習(xí)范圍。

在第一時(shí)間，因?yàn)闇y(cè)量段時(shí)間自適應(yīng)過(guò)程剛剛開(kāi)始，測(cè)量段自適應(yīng)僅在低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行和學(xué)習(xí)。在這期間，只定義一個(gè)總的自適應(yīng)值：在所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都使用同一個(gè)值 （SEG_AD_MMV_L_x=SEG_AD_MMV_M_x=SEG_AD_MMV_H_x）。

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)自適應(yīng)過(guò)程完成后，然后進(jìn)行與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)的自適應(yīng)。將根據(jù)運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍定義和完成自適應(yīng)值。

發(fā)動(dòng)機(jī)控制器ECU是新的時(shí)候，測(cè)量段自適應(yīng)值是零。

3 失火失效基準(zhǔn)CARB A/CARB B

捷達(dá)車(chē)載診斷OBD系統(tǒng)失火監(jiān)測(cè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用美國(guó)加州OBD法規(guī)定義的失火失效基準(zhǔn)CARB A/CARB B。

當(dāng)失火率達(dá)到CARB A門(mén)檻值時(shí)，排放值升高，同時(shí)，如果導(dǎo)致失火率達(dá)到門(mén)檻值的失火氣缸不切斷，催化轉(zhuǎn)換器有損壞的危險(xiǎn)。在駕駛循環(huán)過(guò)程中，這種失火率必須在200個(gè)曲軸轉(zhuǎn)速內(nèi)識(shí)別，以保護(hù)催化轉(zhuǎn)換器。為實(shí)現(xiàn)此目的，在發(fā)動(dòng)機(jī)控制器ECU里為每一個(gè)缸分別設(shè)置了計(jì)數(shù)器Counter[0,1,2,3]，當(dāng)失火發(fā)生時(shí)，計(jì)數(shù)器加1。在200個(gè)曲軸轉(zhuǎn)速內(nèi)，將計(jì)數(shù)器值與標(biāo)定門(mén)檻值CARB_A_THD比較，CARB_A_THD為一個(gè)以負(fù)荷和轉(zhuǎn)速為自變量的脈頻，不在脈頻點(diǎn)上的工況點(diǎn)通過(guò)插值方式計(jì)算獲得。如果累計(jì)的失火率大于標(biāo)定門(mén)檻值，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器將立即點(diǎn)亮故障燈，并切斷失火缸的噴油。如圖1為捷達(dá)CARB A診斷運(yùn)行邏輯框圖。

圖1 CARB A運(yùn)行邏輯框圖

判斷催化轉(zhuǎn)換器是否產(chǎn)生不可逆損壞的依據(jù)是催化轉(zhuǎn)換器工作時(shí)的溫度，對(duì)捷達(dá)催化轉(zhuǎn)換器而言，催化轉(zhuǎn)換器供貨商在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上將不可逆損壞溫度定義為950℃。在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上對(duì)捷達(dá)整車(chē)進(jìn)行試驗(yàn)獲得CARB_A_THD脈頻。

試驗(yàn)時(shí)，在4.5英寸長(zhǎng)的催化轉(zhuǎn)換器上設(shè)置前、中、后三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，如圖2所示。按脈頻定義的工況點(diǎn)，逐步提高模擬的失火率，直到催化轉(zhuǎn)換器內(nèi)部溫度達(dá)到950℃左右，這時(shí)的失火率即為門(mén)檻值CARB_A_THD對(duì)應(yīng)的脈頻。為了保護(hù)試驗(yàn)用催化轉(zhuǎn)換器，縮短試驗(yàn)時(shí)間，首先使用白載體(Dummy Catalyst)進(jìn)行試驗(yàn)，確認(rèn)大致的催化轉(zhuǎn)換器不可逆損壞的失火率。因白載體內(nèi)沒(méi)有催化轉(zhuǎn)換時(shí)的化學(xué)反應(yīng)，催化轉(zhuǎn)換器內(nèi)部溫度達(dá)到950℃左右的失火率應(yīng)高于有涂層的催化轉(zhuǎn)換器。

圖2 捷達(dá)CARB_A_THR脈頻標(biāo)定時(shí)催化轉(zhuǎn)換器測(cè)溫圖

圖3為試驗(yàn)過(guò)程中溫度測(cè)量的一個(gè)示例，催化轉(zhuǎn)換器前部的兩個(gè)熱電偶測(cè)量到的溫度大致一樣，約為890℃。催化轉(zhuǎn)換器后部的溫度稍低，約為820℃左右。

圖3 試驗(yàn)中測(cè)得的催化轉(zhuǎn)換器排溫

表1為捷達(dá)CARB_A_THD的標(biāo)定脈頻，可以看出，當(dāng)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速都較高時(shí)，造成催化轉(zhuǎn)換器不可逆損壞的失火率越低，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況為6000rpm/全負(fù)荷時(shí)，最低可達(dá)5%。

表1 捷達(dá)CARB_A_THD標(biāo)定脈頻

CARB B是整車(chē)工況排放超過(guò)OBD限值時(shí)的失火率。當(dāng)導(dǎo)致工況排放超OBD限值的失火率發(fā)生時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器應(yīng)在1000個(gè)曲軸循環(huán)內(nèi)識(shí)別。為實(shí)現(xiàn)此目的，在發(fā)動(dòng)機(jī)控制器ECU里為每一個(gè)缸分別設(shè)置了計(jì)數(shù)器Counter[0,1,2,3]，當(dāng)失火發(fā)生時(shí)，計(jì)數(shù)器加1。在1000個(gè)曲軸轉(zhuǎn)速內(nèi)，將計(jì)數(shù)器值與標(biāo)定的門(mén)檻失火率比較，達(dá)到門(mén)檻值時(shí)，則記錄故障。如果兩個(gè)排放工況循環(huán)時(shí)都記錄了CARB B故障，則發(fā)動(dòng)機(jī)控制器將點(diǎn)亮故障燈。CARB B運(yùn)行邏輯框圖4圖所示。

圖4 CARB B運(yùn)行邏輯框圖

CARB B對(duì)應(yīng)的失火率在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上通過(guò)整車(chē)排放試驗(yàn)獲得。試驗(yàn)時(shí)，使用整車(chē)V型80000公里可靠性試驗(yàn)后的老化催化轉(zhuǎn)換器 （法規(guī)要求），從失火率為0%開(kāi)始，以0.5%的步幅逐步升高失火率，直到整車(chē)工況排放達(dá)到OBD限值。這時(shí)的失火率為CARB B對(duì)應(yīng)的失火率。捷達(dá)CARB B對(duì)應(yīng)的失火率為2%。

在試驗(yàn)過(guò)程中，將發(fā)動(dòng)機(jī)粗暴度限值THD_ER設(shè)定在最低值，避免發(fā)動(dòng)機(jī)控制器診斷出失火故障進(jìn)入跛行回家備份模式，從而影響試驗(yàn)過(guò)程。

沒(méi)有失火時(shí)的工況排放試驗(yàn)如圖5所示：

圖5 沒(méi)有失火時(shí)工況排放過(guò)程結(jié)果記錄

試驗(yàn)結(jié)果：HC=0.175g/km NOx=0.219g/km CO=1.029g/km

失火率為2%時(shí)的工況排放試驗(yàn)如圖6所示：

圖6 2%失火率時(shí)工況排放過(guò)程結(jié)果記錄

試驗(yàn)結(jié)果：HC=0.457g/km NOx=0.162g/km CO=1.713g/km

失火率為3%時(shí)的工況排放試驗(yàn)如圖7所示：

圖7 3%失火率時(shí)工況排放過(guò)程結(jié)果記錄

試驗(yàn)結(jié)果：HC=0.683g/km NOx=0.124g/km CO=1.878g/km

4 發(fā)動(dòng)機(jī)單缸失火/多缸失火的監(jiān)測(cè)

發(fā)動(dòng)機(jī)失火分為單缸失火和多缸失火兩種。捷達(dá)1.6 2V 4缸發(fā)動(dòng)機(jī)使用雙點(diǎn)火線(xiàn)圈模塊點(diǎn)火控制方式，點(diǎn)火順序是1-3-4-2，一個(gè)點(diǎn)火線(xiàn)圈負(fù)責(zé)1/4缸點(diǎn)火，另一個(gè)點(diǎn)火線(xiàn)圈負(fù)責(zé)2/3缸點(diǎn)火，每一個(gè)缸在2個(gè)曲軸轉(zhuǎn)速內(nèi)都將在壓縮上止點(diǎn)/排氣上止點(diǎn)各點(diǎn)火1次。這種硬件結(jié)構(gòu)導(dǎo)致1/4缸和2/3缸同時(shí)發(fā)生雙缸失火的概率較大，單缸失火和多缸失火的監(jiān)測(cè)方式有一定差別。如圖8所示，左邊為第2缸單缸失火的判斷過(guò)程，右邊為2/3缸雙缸失火的判斷過(guò)程。

圖8 捷達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)單缸/多缸失火監(jiān)測(cè)過(guò)程示意圖

首先測(cè)量各缸的發(fā)動(dòng)機(jī)粗暴度值ER_AV，將發(fā)動(dòng)機(jī)粗暴度ER_AV為負(fù)值的測(cè)量值，如圖中所示的第2缸發(fā)動(dòng)機(jī)粗暴度值ER_2，與單缸發(fā)動(dòng)機(jī)失火粗暴度限值THD_ER_AV比較，如發(fā)動(dòng)機(jī)粗暴度值小于限值THD_ER_AV，則判斷存在一個(gè)單缸失火。

隨后將失火缸的發(fā)動(dòng)機(jī)粗暴度值ER_2與其對(duì)應(yīng)的第3缸的發(fā)動(dòng)機(jī)粗暴度值ER_3相加，如果其和高于多缸發(fā)動(dòng)機(jī)粗暴度失火限值THD_ER_MPL_AV，則不存在雙缸失火；如果其和低于多缸發(fā)動(dòng)機(jī)粗暴度失火限值THD_ER_MPL_AV，則判斷存在發(fā)動(dòng)機(jī)雙缸失火的可能。對(duì)是否存在雙缸失火，將使用一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)雙缸失火的粗暴度檢查限值THD_ER_MPL_CHK進(jìn)行進(jìn)一步判斷。如果兩個(gè)缸的發(fā)動(dòng)機(jī)粗暴度值ER_2/ER_3都低于雙缸失火檢查限值THD_ER_MPL_CHK，則判斷2/3缸存在雙缸失火。如圖9為單缸失火監(jiān)測(cè)方式的邏輯框圖?？梢钥闯?，發(fā)動(dòng)機(jī)粗暴度限值THD_ER是發(fā)動(dòng)機(jī)失火監(jiān)測(cè)的核心。

圖9 單缸失火監(jiān)測(cè)方式的邏輯框圖

5 發(fā)動(dòng)機(jī)粗暴度限值的制取

發(fā)動(dòng)機(jī)粗暴度限值THD_ER脈頻的制取在捷達(dá)整車(chē)上進(jìn)行。脈頻的制取基于兩個(gè)原則：

在沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)失火的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)粗暴度限值要保證車(chē)輛運(yùn)行時(shí)正常噪聲不被診斷為失火。

發(fā)動(dòng)機(jī)失火可以被誤判為沒(méi)有失火，但沒(méi)有失火不能被誤判為失火。

發(fā)動(dòng)機(jī)粗暴度限值THD_ER脈頻標(biāo)定時(shí)，使用三種最有可能在日常發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的典型失火率：

4%均布失火率。既發(fā)動(dòng)機(jī)每25個(gè)運(yùn)行循環(huán)中的某一特定序號(hào)循環(huán)產(chǎn)生一個(gè)失火，如圖10所示。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=1500rpm，負(fù)荷MAF=85mg/hub

圖10 4缸發(fā)動(dòng)機(jī)4%均布失火率

25%失火率。既有一個(gè)缸完全失火，如圖11所示。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速N=2500rpm，負(fù)荷MAF=200mg/hub

圖11 4缸發(fā)動(dòng)機(jī)25%失火率

50%失火率。既雙缸失火，如圖12所示。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速N=2500rpm，負(fù)荷MAF=200mg/hub

圖12 4缸發(fā)動(dòng)機(jī)雙缸50%失火率

標(biāo)定時(shí)使用軟件發(fā)生失火，有切斷噴油和不點(diǎn)火兩種失火發(fā)生方式。試驗(yàn)過(guò)程中使用不點(diǎn)火方式。

為保證統(tǒng)計(jì)精度，每一個(gè)工況點(diǎn)的測(cè)量長(zhǎng)度至少為100個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)。本試驗(yàn)為250個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)，既1000個(gè)測(cè)量段。

標(biāo)定結(jié)果：

表2為捷達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)單缸失火粗暴度限值THD_ER_AV(μm) 的脈頻：

表2 捷達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)單缸失火粗暴度限值脈頻

表3為捷達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)多缸失火粗暴度限值THD_ER_MPL_AV (μm) 的脈頻：

表3 捷達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)多缸失火粗暴度限值脈頻

表4為捷達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)多缸失火粗暴度檢查限值THD_ER_MPL_CHK(μm) 的脈頻：

表4 捷達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)多缸失火粗暴度檢查限值脈頻

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)國(guó)III/國(guó)IV排放法規(guī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)失火診斷的要求,提出了發(fā)動(dòng)機(jī)粗暴度ER的數(shù)值算法。試驗(yàn)結(jié)果表明，這種失火數(shù)值算法是準(zhǔn)確可靠的。

在捷達(dá)車(chē)載診斷OBD系統(tǒng)失火診斷功能開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為消除制造公差及偏心安裝等系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)量段周期精確度的影響，開(kāi)發(fā)了測(cè)量段周期自適應(yīng)算法，劃分了高速、中速和低速三個(gè)自適應(yīng)轉(zhuǎn)速范圍，以保證獲得的測(cè)量段周期的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量段周期自適用算法能有效提高失火診斷的可靠性。

根據(jù)法規(guī)定義的失火失效基準(zhǔn)CARB A(造成催化轉(zhuǎn)換器不可逆損壞的失火率)/CARB B(造成I型工況排放超OBD限值的失火率)，通過(guò)大量試驗(yàn)確定了捷達(dá)手動(dòng)箱車(chē)對(duì)應(yīng)于CARB A的失火率脈頻，以及對(duì)應(yīng)于CARB B的失火率。試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)的標(biāo)定匹配是成功的。

根據(jù)捷達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的特性，確定了單缸、雙缸失火的判別方法，以及標(biāo)定出對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)粗暴度限值脈頻。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用此脈頻能準(zhǔn)確判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的失火。