曲轴瞬时转速在发动机控制中的应用研究
发布时间：2022-02-12
摘要： 曲轴瞬时转速在一定程度上直接反映发动机的真实工作状态，采集一个工作循环的曲轴瞬时转速信号，利用曲轴瞬时转速和发动机气缸在工作时域上的严格对应关系，提取特定角度范围的瞬时转速，通过分析瞬时转速的波动大小和变化率，可以用来识别发动机各气缸做功状态，是否存在气缸失火，密封性差，或喷油器磨损等故障，同时也是实现单曲轴降级起动的一个重要参数。
关键词： 瞬时转速;气缸气密性检测;气缸失火检测;喷油器磨损检测;单曲轴降级起动
0 引言
曲轴瞬时转速是电控发动机控制系统的重要信号之一，通常我们可以根据需求基于单个曲轴齿周期或数个曲轴齿周期计算得出。发动机的运转过程是通过将活塞的往复直线运动转化为曲轴的旋转运动，进而对外做功。对于普通四冲程发动机来说，每运转一个工作循环凸轮轴转一圈，曲轴转两圈，共分为四个行程：进气—压缩—做功—排气，其中做功行程是发动机运转的动力来源，在该行程曲轴瞬时转速会增加，其他三个行程是通过飞轮惯性或者其他缸的做功来完成，在不同行程曲轴瞬时转速变化也各不相同[1-2]。此外，还有很多因素也和曲轴瞬时转速息息相关，比如信号盘加工齿形误差、传感器装配误差，以及测量误差等，这些因素可以通过滤波算法消除或者将影响减小到最小，但对于加减速时的瞬态工况，以及负荷变化等引起的发动机转速波动，是无法通过算法消除的，需要我们在采集曲轴瞬时转速时加上限制使能条件。在特定工况条件下，通过检测特定角度范围的曲轴瞬时转速波动大小及变化率，利用曲轴瞬时转速和发动机气缸在工作时域上的严格对应关系，可以帮助我们实现发动机状态判断以及进行部分发动机故障的诊断。
本文以某型 6 缸发动机为测试对象，曲轴齿盘采用 60-2 齿，如图 1 所示，每 2 个曲轴圈为一个工作循环，单个工作循环共计 120 个采样点，缺齿处采用软件算法虚拟出 2 个曲轴齿，相邻 2 个采样点之间间隔角度为 6°CA。
1 基于曲轴瞬时转速检测气缸气密性气缸气密性
检测是为了检查发动机是否存在气缸密封不严或漏气现象，要想保证发动机缸内压力正常并有足够的动力输出，首先应该保证气缸密封良好[3]。气缸密封差会导致车辆运转不稳，噪音变大，动力性变差，出现车辆加速不良，发动机起动困难甚至无法起动，车辆爬坡无力，很难达到最高车速，同时，出现排烟增多且有异常气味，燃油与机油消耗增加等故障现象[4]。
通常检测气缸气密性是利用气缸压力表等仪表进行，通过测量气缸最大压缩压力进而有效判定气缸密封性好坏，这种方法需要用到专用的仪器，实现起来相对困难。本文介绍了一种基于曲轴瞬时转速变化的检测方法，该方法不需要改变发动机结构，也不需要特殊的仪器仪表，比较方便。实际计算过程中采用曲轴齿周期进行计算，具体检测策略如下：在压缩行程中，由于气缸漏气，压缩阻力小，活塞运动会比正常快;反之，在做功行程中，气缸密封不严，爆发压力会有损失，活塞运动会比正常慢。采集活塞经过气缸压缩上止点前特定角度范围和经过压缩上止点后特定角度范围的曲轴齿周期，可以很好的反应出气缸的密封性好坏。齿周期越大表示压缩阻力大，活塞运动慢，气缸密封性好，反之，齿周期越小表示压缩阻力小，活塞运动快，气缸密封性差。
图 2 为气缸气密性检测信号采集示意图，横坐标表示时间，纵坐标表示活塞行程。该测试过程为冷机倒拖测试，测试时，需要注意切换供油，防止由于燃油喷射或者燃烧不一致引入的测试误差，同时保证电池电量充足，保证起动机的拖动能力，通过起动机拖动发动机至目标转速范围，分别采集各气缸压缩上止点前和压缩上止点后固定几个齿的齿周期，如图中 Ta 和 Tb 所示，连续多个工作循环后取平均值，最后将测得的压缩上止点前的平均时间及压缩上止点后的平均时间分别与判定阈值进行比较，当 Ta 较判定值偏小，Tb 较判定值偏大时，对应气缸很可能存在漏气。
此外，我们还可以通过断缸的方式对以上的测试结果进行辅助确认，具体方法为：恢复供油，将发动机拉到稳定工况，分别对各缸进行断缸，监控输出功率变化情况，气密性差的气缸输出功率会偏小[5]。如果两者结果一致，则可以判定该气缸存在漏气故障。
2 基于曲轴瞬时转速检测气缸失火
失火诊断是为了检测发动机单缸或多缸失火，当发动机存在喷油器电气故障、油路堵塞、气路堵塞，或气缸严重漏气时，可能会发生气缸失火，从而导致发动机工作不稳定，做功能力下降，在失火气缸对应的加速点无法提供足够的加速动能，曲轴瞬时转速降低等现象[6]。由于瞬时转速波动在时域上是与各个气缸的做功状态是严格对应的，因此我们可以根据不同曲轴角对应瞬时转速波动情况来判断发动机是否有失火以及具体哪个气缸发生了失火。失火造成的转速波动是发动机单个工作循环内的转速波动[7-8]，因此，对于转速的处理必须要以一个工作循环为单位，并结合气缸时序相位，根据曲轴信号与发动机工作冲程之间的相位关系进行分析计算。
图 3 为该发动机单缸失火时曲轴瞬时角速度示意图，横坐标表示曲轴角度，默认以 1 缸压缩上止点为 0°CA，纵坐标表示曲轴角速度。测试时，需要保证发动机处于稳态工况：发动机转速，循环喷油量，冷却液温度，进气温度以及进气压力都在特定范围内，并且转速传感器无故障。连续采集一个工作循环长度的曲轴瞬时转速信号，根据曲轴齿与各缸相位的对应关系，计算各缸点火后加速度最明显的一段角度的平均角加速度，本文以压缩上止点对应曲轴齿作为起始点，以压缩上止点后第 10 个曲轴齿作为结束点，分别计算各气缸从起始点到结束点的角加速度，并选取角加速度最大的三个缸求出平均值作为参考角加速度。将单缸角加速度和参考角加速度做对比，若单缸角加速度除以参考角加速度小于判定阈值，则认为该气缸本工作循环发生了失火，该气缸失火次数累加，连续记录 200 个工作循环，计算各气缸失火率，若某气缸失火率大于判定阈值，则报出该气缸失火故障。
需要注意该失火检测方法仅适用于转速较低的工况，低转速时，曲轴齿周期采样精度高，失火时转速波动特征比较明显。
3 基于曲轴瞬时转速检测喷油器磨损
喷油器磨损检测是指发动机喷油器在使用一段时间后会发生喷孔磨损，导致相同的油量控制参数产生的实际喷油量偏大，进而导致发动机爆发压力超标，发动机排温升高，因此需要一种方法检测喷油器磨损状态，并根据磨损情况对实际喷油量进行修正[9-10]。本文介绍了一种基于曲轴瞬时转速变化的检测方法，采集发动机多次喷射周期内瞬时转速的峰峰值平均值，通过特定工况瞬时转速峰峰值得波动大小来识别喷孔流量变动，为喷油量修正提供依据。
图 4 为发动机转速 3000r/min，循环供油量分别为 150mg/cyc 和 165mg/cyc 时，瞬时转速峰峰值对比示意图，其中横坐标表示时间，纵坐标表示不同时域下瞬时转速波动大小，蓝色线对应 150mg/cyc 供油量，红色线对应 165mg/cyc 供油量。测试时，需要保证发动机处于稳态工况：发动机转速，循环喷油量，冷却液温度，进气温度及进气压力都在特定范围，并且转速传感器无故障。连续采集一个工作循环长度的曲轴瞬时转速信号，把各喷射周期用黑线间隔区分，将各喷油周期每个曲轴齿周期对应的瞬时转速进行从大到小排序，找出最大值和最小值，并将两者做差得到每个喷射周期内的峰峰值，记录多个喷射周期的峰峰值求平均作为检测量，用当前最大值与前一个最小值计算峰峰值，再用当前最大值与后一个最小值计算峰峰值，最后将两者求平均做为最后的峰峰值。
以原始供油量 150mg/cyc 为测试点，分别记录供油量为原始油量的 100%、104%，106%，108%，110%时曲轴瞬时转速峰峰值做数据对比，如表 1 所示，发现当循环供油量增加时，曲轴瞬时转速峰峰值也相应增加。当油量增加 10%时，60 次喷射周期内曲轴瞬时转速峰峰值平均值增大约 7.956%。因此，曲轴瞬时转速波动大小可以反映出发动机的实际喷油量与设定喷油量的偏离情况，进而用于喷油器磨损检测。
4 基于曲轴瞬时转速实现单曲轴降级起动
对于普通四冲程发动机，每运转一个工作循环凸轮轴转一圈，曲轴转两圈。其中凸轮轴信号盘上通常会有一个特征齿，该特征齿和发动机气缸的对应关系唯一且固定，当识别到凸轮轴特征齿时，就可以判定发动机当前处于压缩行程的气缸，所以通常用凸轮信号来判缸。对于曲轴信号，由于两个曲轴圈信号完全一样，同一个位置可能对应间隔 360°CA 的两个气缸，所以通常不用曲轴信号判缸，而是利用曲轴信号齿数更密集的特性，获取高精度的角度信号，使喷油时刻更准确。正常起动时需要曲轴信号和凸轮轴信号相互配合，使同步速度更快，喷油时刻更准确。
当起动过程中凸轮信号丢失或不可信时，无法通过凸轮轴信号来判定所处气缸相位，需要仅依靠曲轴信号识别当前处于压缩行程的气缸号，实现单曲轴降级起动，方便车辆跛行到维修点。本文介绍了一种基于试喷射，根据试喷射后曲轴瞬时转速变化来判别相位的方法。进入该工况需要满足以下几个条件：检测到凸轮轴信号故障;发动机转速低于试喷功能释放最高转速;曲轴已经找到同步且发动机运行平稳。由于同一个曲轴位置可能对应间隔 360° CA 的两个气缸，进入该功能后先假定当前曲轴圈为第一曲轴圈，向曲轴相位为第一曲轴圈时对应的即将做功的气缸内喷油，采集每个气缸着火时瞬时转速变化最明显的几个曲轴齿周期进行计算，当检测到试喷后和试喷前两缸齿周期比值大于判别阈值时，表示发动机成功着火，当前假定的曲轴圈为真实的曲轴圈。反之，当检测到试喷后和试喷前两缸齿周期比值小于判别阈值时，表示发动机没有着火，当前假定错误，需要对当前角度翻转 360°CA，然后重复之前的试喷过程，直到着火成功。图 5 为着火成功瞬时转速变化示意图。着火前后瞬时转速会有明显变化。需要注意该试喷逻辑需要对总试喷次数有一定限制，避免连续不着火时气缸内积油过多，造成淹缸。
5 结论
曲轴瞬时转速波动规律直接反映了发动机当前的工作状态，且瞬时转速的测取相对比较方便。结合瞬时转速和发动机气缸时域上的唯一对应关系，可以有效用于检测气缸气密性，气缸失火，喷油器磨损等故障。同时，根据气缸着火时瞬时转速的变化特性，也可用于实现单曲轴降级起动判缸。——论文作者：卫文晋①② WEI Wen-jin;覃艳①② QIN Yan;孙潇①② SUN Xiao;丛聪①② CONG Cong
参考文献：
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