高压共轨故障诊断

高压共轨故障诊断（共9篇）

高压共轨故障诊断 篇1

工程机械故障诊断的常规方法是先了解与故障有关的结构和原理,再进行排查和处理。笔者认为,可以采用模糊法诊断工程机械故障。采用该方法诊断故障,只需了解相关知识点,加上对故障本质的推断,即可准确、快速地排查和处理故障。现以1个故障排查实例加以说明。

1台高压共轨柴油机,当转速加大到1800r/min时,柴油过滤器杯口密封圈就会损坏,更换后又出现上述故障。分析认为,该故障是因为燃油油路压力过高所致。查找调压溢流元件后发现其阶跃回油阀阀芯卡滞。将该阀芯拆下修复后试机,故障消除。

诊断该故障应当具备以下3个条件:

一是要学习和了解高压共轨电喷技术的基本知识。例如高压共轨电喷技术是指由高压油泵、压力传感器和电子控制单元(ECU)组成的闭环控制系统。

二是要了解高压共轨电喷系统流量和压力元件的工作原理和所在位置。如进油计量比例阀安装在高压油泵的第一级加压(齿轮泵)和第二级加压(柱塞泵)之间,用于调节高压油泵的进油量,该阀的开启量由ECU控制;阶跃回油阀安装在高压油泵上,其作用是保持进油计量比例阀燃油进口处的油压为0.5MPa。

三是应具备一定维修经验和技术素养,能通过拆检对故障部位的结构和功用有所了解。

本例故障就是由于阶跃回油阀锈蚀,阀芯卡滞在阀座上脱不开,造成柴油压力高时不能开启降压,导致柴油过滤器杯口密封圈损坏。

很多同行认为修理高压共轨电喷柴油机,需要依靠电脑检测。实际上电脑检测也可能产生误判,造成小病大治、过度修理。在此例故障之前,同机型发生了同样的故障,修理人员误判后更换了高压油泵总成,花费了1万多元备件费并造成停机2天。

高压共轨故障诊断 篇2

③若进气道气流通畅，则应检查供油时间是否过迟，供油过迟会使进入气缸的燃 油来不及充分燃烧就被排出而形成黑烟。

④多数喷油器的喷射质量严重恶化，燃油雾化差，不能适应燃烧室形状的需要致 使可燃混合气形成困难，部分燃油转化成游离碳被排出，这也是导致黑烟的原因之一， 故也应对喷油器进行检查修理。

⑤检查燃油质量是否合乎标准，应使用符合该发动机在该地区环境温度下正常工 作的标准柴油。

⑥检查增压器的工作是否正常。当增压器失效时，发动机进气终了的压力下降致 使压缩终了温度、压力均下降，影响燃油的喷射雾化和燃烧温度。

⑦如喷油泵维修时间不长，排气管排黑烟，动力不足，则应考虑是否喷油泵调试 不当使供油量过多，对此应重新校正喷油泵在各种工况下的供油量，使之符合规定。

⑧若上述均正常，且发动机已运行了很长时间，可考虑检查气门开启的高度和开 启时间是否正确。长时间的使用可使气门传动机件磨损，正常的配气相位和气门升程失 准，进气量减少，缸内残余废气量相应增加，直接影响燃油的充分燃烧。

⑨对于转速不均，断续排黑烟，发动机无力的诊断可采用逐缸断油法检查。当某缸断油时，发动机转速明显降低，黑烟减少，异响也消失，则说明该缸供油量过多，应对该缸喷油量进行检查调整。若发动机转速变化较小，黑烟消失，则说明该缸喷油器喷雾质量差，应对该喷油器进行检查维修。若发动机转速仍无变化，则说明该缸不工作，应检查该缸的高压供油情况：如喷油泵柱塞副、出油阀副的配合情况怎样、拔叉在油量调节拉杆上的固定螺钉或齿圈的紧固螺钉有无松动、柱塞弹簧有无折断等。若均正常，则应检查喷油器的工作情况和该气缸是否有机械故障。

3.6发动机运转中突然熄火

发动机在运转中突然熄火是指发动机工作时，在未松开油门的情况下，非驾驶员操作因素而急速熄火，熄火后不能再起动的现象。该现象一般为机械故障所致。

原因：

①喷油泵驱动齿断、传动齿轮故障。

②喷油泵轴断。

③发动机内部运动件卡死。

④喷油泵操纵拉杆及连接销脱落。

诊断与处理方法：

运转中突然熄火在汽油机上是最常见的，主要是由电路点火故障引起的。而柴油机运转中突然熄火主要是由喷油泵断油故障引起的，其次才是发动机内部卡死所致。当遇到此现象时，首先检查喷油泵是否转动和供油。

①用起动机带动发动机，若能正常转动，观察喷油泵凸轮轴是否转动，若转动正常

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山东交通学院毕业论文

说明喷油泵有故障。应检查操纵机构的工作是否正常。可扳动油门杆件查看操纵臂、操纵轴的联接是否良好。

②如果喷油泵凸轮轴不转动，则是凸轮轴齿轮紧固螺栓松脱、凸轮轴断或齿轮室中的齿轮故障。

③若起动机带动发动机不能运转?则说明是发动机内部故障。如活塞与气缸之间卡死曲轴与轴承咬死，喷油泵柱塞卡死及配气机构的机械故障等。在正常情况下先应打开气门室罩检查。如果运行中从仪表上反映机油压力过低或温度过高，则需直接针对具体情况进行检修。

3.7发动机“飞车”

“飞车”是指发动机的转速失去控制而突然增高，超过允许的最高转速，同时伴有巨大声响的现象。发动机“飞车”时，若不及时采取措施进行控制，在短时间内可导致发动机损坏，甚至发生人身伤亡事故，造成难以挽回的损失。

原因 ：

发动机之所以产生“飞车”是由于柱塞的转动失去控制，滞留在较大或最大供油位置或发动机的转速因负荷减轻，使每循环喷油量随柱塞运动速度加快而增多，增多的喷油量又促使转速进一步升高，如此恶性循环，直至超过最高允许转速达到无法控制的地步。具体原因如下。

①油量调节拉杆即齿条，卡死在某一位置。油量调节拉杆与调速器连接杆件脱开。 调速器弹簧折断受卡。

②调速器飞锤连接销卡住或脱出。

③调速器飞锤锈死。

④调速器滑动轴与套生锈或被异物卡住。

⑤调速器与喷油泵松脱。

⑥调速器内的机油粘度过大，使飞锤难以张开。

⑦调速器的推力盘轴向滑动受阻。

⑧调速器的飞锤架与导向板滑动受阻。

应急措施 ：发动机产生“飞车”后，应根据当时具体情况，迅速设法强迫发动机 熄火，具体方法有以下几种：

①立即打开排气制动按钮，靠发动机排气制动起作用，阻止气缸废气排出，强制减速拉出熄火拉线，强制油量调节拉杆或齿杆，向减油方向移动使其断油。

②将变速器挂入高速挡，踩下制动踏板，慢松离合器踏板，使发动机带载强迫熄 火。

③堵塞进气口，阻止空气进入气缸。

④松开高压油管接头，不使燃油进缸。

高压共轨系统的研究与应用 篇3

【关键词】柴油机；燃油喷射系统；高压共轨；发展趋势

1.绪论

1.1项目背景

由于发动机柴油混合气形成时间极短，只占15°-35°的曲轴转角，燃烧室各处的混合气成分很不均匀，所以需要柴油发动机的燃油供给系统拥有良好的匹配。而传统的柴油机完全通过机械间的作用来完成这一匹配，就导致了大家印象中的冒黑烟，大噪声的出现，而且柴油发动机燃油经济性的优势也被埋没。随着科技的进步，特别是当共轨技术成功运用于柴油发动机上后，柴油发动机燃油经济性的优势立马体现出来，而冒黑烟之类的弊病也不再存在。越来越多的车辆都开始使用高压共轨系统。经过多年的发展完善，柴油电控喷射系统已由第一代的位移控制到第二代的时间控制一直发展到了现在的压力时间控制，也就是大家所熟知的共轨喷射技术，作为第三代的柴油机电控喷射技术，共轨系统放弃了传统使用的直列泵系统，供油泵建立一定油压后送到各缸公用的高压油管（也就是所说的共轨），再由共轨将柴油送入各缸的喷油器。这样一来，共轨柴油喷射系统的喷油压力就与喷油量无关，也不受发动机负荷和转速的影响，能根据要求任意改变压力水平，这样不仅提高了发动机输出功率，改善了汽车的燃油经济性，而且使氮氧化物和颗粒物排放都大为降低。

1.2我公司设备现状及存在的问题

我公司目前车辆339台，其中高压共轨车辆12台（其中沃尔沃客车4台、宇通客车2台、35吨北起多田野吊车6台）。

目前的维修技术力量主要集中在欧Ⅰ、欧Ⅱ排放车辆的修理上，对欧Ⅲ及以上的电控共轨车辆维修仅仅停留在机件和电路的常规维修上，而对电控高压共轨系统的修理技术缺乏，因此一直以来都是委托外部人员进行修理，随着电控高压共轨车辆的不断发展，势必面临电控维修技术缺乏的境地，界时将严重影响公司的生产经营。

1.3预计实施的解决方案

为降低车辆故障发生率，提高车辆工作率，减少维修成本，提高车辆运行效益，专门成立共轨技术攻关小组，对汽车电控高压共轨系统维修技术进行攻关。

2.高压共轨电控燃油喷射系统及基本单元

它主要由电控单元、高压油泵、蓄压器（高压共轨管）、电控喷油器以及各种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨（蓄压器），高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入气缸。

3.共轨式电控燃油喷射技术的原理

在共轨式蓄压器喷射系统中，ECU通过接收各传感器的信号，借助于喷油器上的电磁阀，让柴油以正确的喷油压力在正确的喷油点喷射出正确的喷油量，保证柴油机最佳的燃烧比、雾化和最佳的点火时间，以及良好的经济性和最少的污染排放。

4.高压共轨系统的技术特点

电控高压共轨技术是指在高压油泵、共轨管、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此分开的一种技术，由高压油泵把高压燃油输送到共轨管，通过对共轨管内的油压进行闭环控制，喷压独立可调。这种系统具有以下特点：

4.1可靠性

对轻型车来说系统零部件成熟且有长期使用考核验证、中型比较成熟；但是对重型柴油机使用寿命未经验证（单体泵供应商声称100万公里，而共轨供应商尚无一敢承诺30万公里）。

4.2继承性

结构简单，安装方便。

4.3灵活性

共轨油压独立于发动机转速控制、整车控制功能强，适应轻型车特别是乘用车的要求。

4.4优化噪声

预喷技术可以降低怠速噪声。

4.5喷油规律

共轨系统的初始喷射率太高，不符合柴油机燃烧所需要的先缓后急的规律，不利于排放控制。

4.6喷油压力

一代共轨喷油压力1350-1450bar，二代做到1600bar，总体来说比单体泵和泵喷嘴要低，所以在油耗上有3%左右的劣势；将来做到1800bar以上但是需要采用增压共轨技术，还没有成熟，成本增加较大。

4.7多次喷射

可以实现多次喷射，目前最好的共轨系统可以进行6次喷射；共轨系统的灵活性好，但是势必带来匹配工作的难度。时间和技术人员的水平，决定了一定阶段在中国使用太灵活的系统不一定能达到预期的效果。

5.柴油共轨系统的发展

柴油共轨系统已开发了3代，它有着强大的技术潜力 。

第一代共轨高压泵总是保持在最高压力，导致能量的浪费和很高的燃油温度。第二代可根据发动机需求而改变输出压力，并具有预喷射和后喷射功能。

由于其强大的技术潜力，今天各制造商已经把目光定在了共轨系统第3代—压电式共轨系统，压电执行器代替了电磁阀，于是得到了更加精确的喷射控制。

“电控”是指喷油系统由电脑控制， ECU（俗称电脑）对每个喷油嘴的喷油量、喷油时刻进行精确控制，能使柴油机的燃油经济性和动力性达到最佳的平衡，而传统的柴油机则是由机械控制，控制精度无法得以保障。

“高压”是指喷油系统压力比传统柴油机要高出3倍，最高能达到200MPa（而传统柴油机喷油压力在60-70MPa），压力大雾化好燃烧充分，从而提高了动力性，最终达到省油的目的。

“共轨”是通过公共供油管同时供给各个喷油嘴，喷油量经过ECU精确的计算，同时向各个喷油嘴提供同样质量、同样压力的燃油，使发动机运转更加平顺，从而优化柴油机综合性能。而传统柴油发动机由各缸各自喷油，喷油量和压力不一致，运转不均匀，造成燃烧不平稳，噪音大，油耗高。

6.实施情况

6.1综合诊断技术

一般当共轨车辆出现问题时诊断维修步骤如下。

①咨询驾驶员车辆存在何种故障现象。

②检查仪表盘是否有故障显示。

③连接解码器，读取故障码，查看并记录当前和历史故障信息，然后进行清除故障码，如果故障未清除，则说明故障为当前故障。

④读取数据流，有时候故障显示并不准确，需要与数据流对比方能判断其好坏。

⑤根据解码器诊断结果实施修理，在进行检修过程中，主要判断电器元件、线路。

6.2取得的效果

2012年通过公关小组的不断研究与学习，累计排除故障汽车电控系统故障33项，故障问题全部得到排除，恢复了车辆性能，累计产生经济效益约38.37万元，主要是节约的修理费、材料费用，高效、快速的解决了共轨系统故障。

6.3存在的问题

传统的柴油滤清器只能过滤10微米以上的颗粒，3微米的颗粒过滤效率很差。高压共轨系统要求滤清器提供95%的水分离效率和98.6%的3-5微米的颗粒过滤效率。目前满足该性能要求的柴油滤清器均被国外公司或外资企业在国内的投资工厂生产垄断。

目前高压共轨系统部件成本昂贵，如果未按使用说明定期更换滤清器，会造成喷油器，高压泵损坏，维修成本相当昂贵。

高压共轨系统的维修，不仅是电工、机修、配修等单方面的工种维修，而是一项三方面全面考虑维修的技术，而目前国内这方面的维修人员较少。

7.结论

高压共轨故障诊断 篇4

常规能源的日趋枯竭和国家实行汽车排放标准的日益提升,推动了柴油机技术的发展;高压共轨技术的引入更是大幅度提高了柴油机的性能水平。另一方面,柴油机控制系统也越来越复杂,故障出现机率相应增加,除了相对简单的机械故障外,还包括更为复杂的电控系统故障,这些故障导致柴油机排放增加[1,2]。为了提高柴油机工作性能,同时有效控制环境污染及便于故障维修,柴油机电控系统必须具有故障诊断功能,国际上制订了相应的On-Board DiagnosticⅡ(OBDⅡ)标准,并在部分国家被普遍采用。中国的排放法规正在从国-Ⅲ向国-Ⅳ、国-Ⅴ转变,不久OBD标准将在全国范围内被强制执行[3,4]。到目前为止,由于车载故障诊断系统的复杂性以及实现此系统时出现的难点很难解决,国内车辆为遵守OBD规范采用的都是国外成型的诊断产品,迫切需要自主研发的故障诊断系统。因此,采用正确的设计思想和合适的开发工具,开发一种新型的故障诊断系统(fault management system,FMS)是非常必要的。本文设计完成了故障诊断模块,通过台架试验有效实现了柴油机的故障诊断。

1 高压共轨柴油机FMS工作原理分析

FMS是电控单元ECU本身具有的一种功能,是储存于ECU 内的部分软件和相应的硬件,主要用来对高压共轨柴油机ECU进行实时监测和诊断。汽车正常运行时,FMS不断监测ECU各模块(燃油喷射模块等)输入输出信号[5]。当某一信号超出允许范围,FMS判定该部分出现故障,并将这一故障及相关信息存入故障内存,同时点亮故障指示灯(简称MIL)[6,7]。通过故障诊断仪可读取故障信息。为了维持发动机故障下的运转,FMS会根据故障类型及其优先级,选择性地抑制故障信号,释放故障替代信号,作为发动机的应急参数,保证发动机短期内正常运行。

2 FMS模型建立

FMS运用ASCET软件的图形化编程界面可以快速建立基于模型的控制过程,利用框图化基本模块实现控制策略。图1为FMS主要组成模块。

FMS控制策略总图如图2所示。状态监测模块不断监测车辆运行时各部件工作状态,一旦发生故障,运用特定算法筛选出真实故障,并将故障信息(故障类型,故障是否监测完毕)以故障路径的方式传递给故障状态控制器。故障路径处理方式对故障类型进行分类,并将对应参数(FMS_ClassMil_C,FMS_ClassSysLamp_C…)分配给不同的故障类,方便对不同故障执行相应的操作。故障触发条件为故障状态控制器判断柴油机当前状态,各种触发条件是否满足。

故障状态控制器在接收到以上3个模块传递的应用参数后,将根据故障类型、柴油机状态等信息发出指令:是否点亮故障指示灯,是否储存环境条件。指令以信号形式传递给故障内存管理模块和与驾驶员接口模块,分别用来进行故障指示灯的驱动和储存故障信息的动作。故障诊断仪和用户诊断仪通过接口可从故障内存中读取故障信息。最后,诊断协调模块依据上述模块传来的故障信息,计算故障的优先级,释放替代信号代替当前的故障信号。

2.1 状态监测的实现

状态监测模块对故障信号进行确认时采用的算法为预消抖。图3为预消抖工作过程。

以大气压力信号为例,当大气压力传感器传递来的信号首次超出系统默认值(需标定)时,该信号就被确认为是初级故障,如果这一状态没有超过一定时间(需标定)或者出现故障的次数没有超出预设值(需标定),该信号被认为是无故障的,即偶发故障;否则被确认为故障信号。此后,如果故障信号再次消失,信号被认为进行了初级自修复,但是如果信号在自修复后又出现故障,则该信号直接被确认为故障。当初级自修复后故障信号在一定修复时间(需标定)内故障消失或者故障出现的次数减少至预设值(需标定),该信号被认为是修复完毕,即该信号不是故障信号。

2.2 故障管理

2.2.1 故障路径处理方式

故障路径处理方式模块对电控柴油机可能出现的故障进行分类,并为不同类分配参数。FMS根据应用范围将故障分为20类,包括OBD标准故障、系统故障和非系统故障等。故障类分配到的参数变量主要包括MIL的亮与灭、触发条件、修复条件、是否对外输出、删除条件等。

详细故障类参数变量见表1,其中XXX表示某种故障类型。

2.2.2 故障触发条件计算

故障触发方式计算模块计算故障被处理的条件,有3种触发条件。时间循环触发:如果故障在某一固定时间内连续发生,就完成时间循环Time,将FMS_stcyles(具体比特位分配见表2)第二比特位置1;驾驶循环触发:发动机起动后或经过适当的时间延迟,即开始驾驶循环,并保持一定的时间(时间长短视系统而定),称为完成一个驾驶循环Dcy,此时将变量FMS_stcyles第三比特位置1;暖机循环触发:充分运转汽车后,使得发动机冷却液温度比起动时至少升高22.2℃,且至少达到71℃,系统完成一个暖机循环Wuc,将FMS_stcyles第四比特位置1。

2.2.3 故障状态控制器

在ASCET软件中,用状态机(state machine)工具实现状态的控制[8,9]。故障状态控制器状态图如图4所示,操作时序图如图5所示。

预消抖后仍存在的故障进入状态0,此时故障灯是熄灭的,故障内存被清空。

当故障通过预消抖首次被确认为最终故障时,转入状态1,并且储存此时故障出现时的环境状况,即冻结数据帧(“快照”)。故障持续存在,并且当前发动机状态满足故障触发条件后,故障计数器开始自减,当计数器减至0时,转入状态3;但如果故障在计数器自减至0之前突然消失,则转入状态2。在状态2中,如果在一定时间内,故障再次出现,故障就转入状态1,如果没有再次出现,故障就转入状态0。

在状态3中,此时的故障是真实的故障,系统会点亮故障指示灯MIL,储存此时的环境状况,并将此故障的故障代码及环境条件、故障指示灯状态写入故障内存[10]。这些故障代码可以根据不同的诊断模式通过通用故障诊断仪从故障内存中获取,如果在状态3中的故障消失,并且此时发动机状态满足故障触发条件时,修复计数器开始自减,当计数器减至0时,转入状态4。

在状态4中,当故障不再出现,并且满足故障触发条件时,删除计数器开始自减,当计数器减至0时,转入状态0,删除故障内存即系统清除储存的故障信息;当在计数器减至0之前,故障再次出现时,转入状态3。

2.2.4 故障内存管理

故障内存用于储存故障信息,目前FMS最多可以储存10条故障信息。当故障被判断为真实故障且故障内存中还有空位时,系统将在故障内存末尾处添加该故障信息。如果故障内存已经用完,系统会用新信息覆盖现有故障内存中优先级比当前故障低的故障信息;如果故障内存中已经存有该故障,该故障内存中的信息将被更新。

2.3 与其他组件的接口

与驾驶员接口就是故障指示灯。故障指示灯可以显示出和排放相关的故障,以便提醒驾驶员出现了故障。发动机正常工作状态下,MIL将根据故障内存的内容决定:处于亮灯、灭灯或闪烁状态。MIL持续点亮,说明与排放有关的组件或电路出现故障;MIL点亮很短的一段时间后又熄灭,并再未被点亮,说明只是出现偶然故障,且故障已被修复;MIL闪烁,说明发生一种可能使催化转化器损坏的严重故障。

通用诊断仪接口依据ISO 15031-5规定的9种诊断模式可以从故障内存中获取故障信息[11]。除ISO标准规定的故障内存和诊断仪之间的接口(9种诊断模式),一些厂商会提出特殊用户数据请求,如读取故障码和冻结数据帧等。因此,FMS开发了基于ISO 14230指令的3个读取模块:0×18读取故障码,0×12读取冻结数据帧,0×17读取故障发生时发动机工作情况。

2.4 诊断协调

诊断协调用来实现故障信号的抑制和默认信号的释放,由抑制处理程序和优先级计算组成。

首先,接收状态监测传来的故障路径,根据故障状态和当前车辆或发动机运行情况,计算出对应故障路径标识符Fid的优先级。其次,选出最重要的Fid,通过抑制处理程序抑制故障信号,释放默认信号。

2.4.1 抑制处理程序

抑制处理程序根据故障路径状态,找到对应故障路径的Fid,并根据优先级计算结果,抑制故障信号。图6为抑制处理程序工作原理示意图。

如果检测到一个故障路径是真实故障,那么属于此故障路径的且属于数组DSM_InhDfp_故障路径_C的所有Fid均被抑制。每个Fid都有一个状态字节和一个计数器字节。在计数器中记录抑制一个Fid的故障路径数。如果数量大于0,则此Fid对应的故障路径被抑制,并释放替代信号。

2.4.2 优先级计算

优先级计算模块计算每个Fid的优先级,从而决定最先被处理的故障。图7为优先级计算框图。

(1) 基本优先级

运行模式优先级:如果函数可以运行在当前发动机运行模式下,就可以获得一个运行模式优先级。

(2) 跳跃优先级

为避免由于磁滞现象导致可能出现的震荡或不必要的改变,可以增加跳跃优先级。

(3) 斜坡优先级

函数随着时间的改变,被ECU所需要的程度不同。斜坡优先级就是随时间而改变的优先级,可以为正优先级,也可以为负优先级。

(4) 发动机/故障状态优先级

发动机优先级:如果发动机某一函数认为自己急需被优先处理,可以传递给协调程序一个发动机优先级。

故障状态优先级:根据故障路径状态改变优先级,如果故障路径存在真实故障,协调程序就增加故障状态优先级。

(5) 窗优先级

在一个时间间隔内的优先级可以通过窗优先级来提高。

3 故障诊断系统仿真

3.1 预消抖仿真

柴油机出现某种故障,根据故障状态模拟仿真预消抖模块,检测预消抖模块是否能判断出真实的故障,仿真结果如图8所示。其中,图线1为故障状态;图线2为经过预消抖后的最终故障输出结果;低平显示时为无故障;高平显示时为有故障。

确认故障过程:当故障出现的时间小于系统故障时间(a、b为小于系统故障时间),故障不是真实故障,最终状态为低平;当故障出现时间大于系统故障时间时(c为大于系统故障时间),故障被确认为真实故障,最终状态为高平。

修复故障过程:当故障消失时间小于系统修复时间(d为小于系统修复时间),故障仍为真实故障,最终状态为高平;当故障消失时间大于系统修复时间(e为大于系统修复时间),故障认为被修复,最终状态为低平。

3.2 故障状态控制器仿真

给定高压共轨电控系统某种故障,根据标定的参数,通过ASCET软件对FMS进行模拟仿真,仿真结果如图9所示。其中,故障的输入状态为测量值1,低平时为无故障;高平时为有故障。故障内存状态低平时表示未存入故障内存,高平时表示已存入故障内存,MIL状态低平时表示未被点亮,高平时表示被点亮。

当出现故障时,故障计数器进行计数,且达到一定次数后,故障被确认为真实故障,系统点亮MIL,将故障信息存入故障内存中;如果故障消失,修复计数器计数,且达到一定次数后,故障确认为被修复,熄灭MIL,故障信息仍然储存在故障内存中,此时进行删除故障内存计数,当删除故障内存计数器达到0时,表明故障被最终修复,系统删除此故障信息在故障内存中的记录。

4 故障诊断系统模型验证

将以上控制策略实现模型应用于某型号的4缸增压直喷柴油机上进行模拟仿真。图10为正常模式下柴油机冷却液温度及冷却液温度传感器输出电压随柴油机运转时间的变化情况。由图10可见:仿真过程中各参数变化与实际情况一致。

柴油机正常工作时,冷却液温度变化范围为0～90℃。如果冷却液温度过高,将导致进气量减小,功率下降;润滑油温度升高,加速零件磨损,缩短使用寿命。冷却液温度传感器正常工作时,冷却液工作范围是-30～120℃,其输出电压值应在0.3～4.7V范围内变化。图11为冷却液温度和冷却液温度传感器都超出了正常的工作范围,如果照此故障继续驱动柴油机,必然导致“开锅”,柴油机动力性、经济性和使用性受到严重影响。为了保证柴油机正常运转,将当前过低的冷却液温度传感器输出电压及过高的冷却液温度信号抑制,并用经验值替代上述故障信号值。

图12为油门位置传感器故障试验结果。油门位置信号的正常工作范围是0～100%,在0～1s之间,油门位置处于正常范围,当油门位置传感器信号线短路时,油门位置信号在1～2s之间超出了正常范围。如果不采取措施,发动机会失去控制。因此,FMS通过诊断协调模块将油门值修正至默认值,保障了柴油机的正常工作。

图13为共轨油压传感器故障试验结果。共轨油压传感器信号的正常工作范围是0～160MPa,在0～1s之间,共轨油压处于正常范围内,压力越高,喷射同样数量的燃油需要的喷油脉宽越小。但是如果油压过高并持续一定时间,供油电磁阀的供油脉宽将会减少为0,导致实际共轨油压逐步降低为0,喷油量也因此降低为0,发动机停止工作。当FMS监测到共轨油压超出正常工作范围,会通过诊断协调程序将油压缓慢降至默认值。

5 结论

(1) 通过预消抖模拟仿真,FMS确认了故障的真实性,防止了由于“假故障”影响MIL正常指示功能情况的出现。

(2) 当电控柴油机出现故障时,通过故障管理FMS实现了对故障的诊断;并根据故障状态指示了MIL的亮/灭动作及故障代码的储存动作。

(3) 采用故障诊断系统不仅可以及时准确地监测出柴油机故障部位,并可通过诊断协调功能将故障信号恢复到默认信号范围内,确保柴油机正常工作。

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高压共轨故障诊断 篇5

电热塞控制集成在EDC电控单元中，控制分为两部分：预热和后热。预热：由于直喷柴油机的启动性能好，预热只需在温度低于+9℃以下进行，冷却水温传感器为电控单元提供准确的温度信号，驾驶员通过仪表盘上的预热报警灯了解预热情况。后热：发动机启动以后，就要进入后热阶段，后热可以减少发动机的噪音，改善怠速工况的发动机性能，并且降低碳氢排放。发动机转速达到2500rpm时后热阶段停止。电热塞控制集成在EDC电控单元中，控制分为两部分：预热和后热。

2.2柴油机电控高压共轨系统原理

2.2.1输油泵工作原理理及特点

(1)输油泵燃油总流程

燃油从燃油箱被吸入到进油泵，然后通过PCV 输送到抽吸机构。PCV 将抽吸机构抽吸的燃油量调整到必要的排出量，然后燃油通过出油阀被压送到油轨。

(2)燃油排供油控制

从进油泵输送的燃油经过柱塞抽吸。为了调整油轨压力，PCV 对排放量进行控制。实际操作如下所示。

每一个行程期间PCV 和柱塞的操作:

a)进气行程

在柱塞下降行程中，PCV 打开，同时低压燃油通过PCV 被吸入到柱塞室中。

b)预行程

就在柱塞进入上升行程时，PCV 不通电并保持开启。此时，通过PCV 吸入的`燃油没经过加压(预行程)而通过PCV 返回。

c)抽吸行程

在获得所需排放量的最佳时机，提供电力使PCV 关闭，则返回通道关闭，同时柱塞室中的压力上升。因此，燃油流经出油阀(反向切断阀)，然后被抽吸到油轨。具体情况是，PCV 关闭之后柱塞升程部分变成排放量，而且通过改变PCV 关闭正时(柱塞行程的终点)，排放量得到改变，从而使油轨压力得到控制。

d)进气行程

当凸轮超过最大升程时，柱塞进入下降行程，同时柱塞室中的压力下降。此时，出 油阀关闭，燃油抽吸停止。此外，PCV 由于被断电而打开，低压燃油被吸入到柱塞室。 具体情况是，系统进入A 状态。

2.2.2喷油器工作原理

喷油器通过控制室中的燃油压力来控制喷射。TWV 通过对控制室中的燃油泄漏进行控制从而对控制室的燃油压力进行控制。TWV 随喷油器类型的不同而改变。

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山东交通学院毕业论文

a. 无喷射，当TWV 未通电时，它切断控制室的溢流通道，因此控制室中的燃油压力和施加到喷嘴针的燃油压力为同一油轨压力。从而，喷嘴针阀由于控制活塞的承压面和喷嘴弹簧力之间的差别而关闭，燃油未喷射。对于X1 型，外部阀被弹簧力和外部阀中的燃油压力推向座，从而控制室的泄漏通道被切断。对于X2/G2 型，控制室出油量孔直接在弹簧力作用下关闭。

b. 喷射，当TWV 通电开始时，TWV 阀被拉起，从而打开控制室的溢流通道。当溢流通道打开时，控制室中的燃油流出，压力下降。由于控制室中的压力下降，喷嘴针处的压力克服向下压的力，喷嘴针被向上推，喷射开始。当燃油从控制室泄漏时，流量受到量孔的限制，因此喷嘴逐渐打开。随着喷嘴打开，喷射率升高。随着电流被继续施加到TWV，喷嘴针最终达到最大升程，从而实现最大喷射率。多余燃油通过如图所示的路径返回到燃油箱。

c. 喷射结束，TWV 通电结束时，阀下降，从而关闭控制室的溢流通道。当溢流通道关闭时，控制室中的燃油压力立即返回油轨压力，喷嘴突然关闭，喷射停止。

2.2.3高压共轨柴油机工作原理

高压共轨系统利用较大容积的共轨腔将油泵输出的高压燃油蓄积起来，并消除燃油中的压力波动，然后再输送给每个喷油器，通过控制喷油器上的电磁阀实现喷射的开始和终止。其主要特点可以概括如下：

共轨腔内的高压直接用于喷射，可以省去喷油器内的增压机构;而且共轨腔内是持续高压，高压油泵所需的驱动力矩比传统油泵小得多。

通过高压油泵上的压力调节电磁阀，可以根据发动机负荷状况以及经济性和排放性的要求对共轨腔内的油压进行灵活调节，尤其优化了发动机的低速性能。

通过喷油器上的电磁阀控制喷射定时，喷射油量以及喷射速率，还可以灵活调节不同工况下预喷射和后喷射的喷射油量以及与主喷射的间隔。供油泵从油箱将燃油泵入高压油泵的进油口，由发动机驱动的高压油泵将燃油增压后送入共轨腔内，再由电磁阀控制各缸喷油器在相应时刻喷油。

预喷射在主喷射之前，将小部分燃油喷入气缸，在缸内发生预混合或者部分燃烧，缩短主喷射的着火延迟期。这样缸内压力升高率和峰值压力都会下降，发动机工作比较缓和，同时缸内温度降低使得NOX排放减小。预喷射还可以降低失火的可能性，改善高压共轨系统的冷起动性能。

柴油机主喷射初期降低喷射速率，也可以减少着火延迟期内喷入气缸内的油量。提高主喷射中期的喷射速率，可以缩短喷射时间从而缩短缓燃期，使燃烧在发动机更有效的曲轴转角范围内完成，提高输出功率，减少燃油消耗，降低碳烟排放。主喷射末期快速断油可以减少不完全燃烧的燃油，降低烟度和碳氢排放。共轨式电控燃油喷射技术通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室

高压共轨故障诊断 篇6

为了适应新排放法规的要求,电控柴油机的普及应用已成为必然,而电控高压共轨柴油机是其中采用较为广泛的一种[1]。高速开关电磁阀是电控高压共轨柴油机中最核心的部件[2]。在柴油机的整个工作寿命中,电磁阀要开关上亿次,同时须保证开关动作的及时、准确,因此,其可靠性、稳定性是电控柴油机重要指标之一[3]。电磁阀故障主要是指线圈的短路、断路等非正常状态。传统的电磁阀故障检测系统采用两种方式:(1)间接方式。检测发动机瞬时转速,计算各缸电磁阀喷油的不均匀性,再由软件判断故障状态。该方法占用CPU资源量大,响应速度慢,且判断准确性差。(2)直接方式。直接检测电磁阀工作电流,通过检测电流到达不同参考值的速度,采用单片机中断程序判断电磁阀故障状态。但是由于单片机处理速度及中断程序调用等方面的不足,限制了其在高速开关电磁阀故障诊断中的应用。

本文设计了一种基于CPLD(complex programmable logic device,复杂可编程逻辑器件)的电磁阀故障诊断系统。该系统充分利用CPLD高速、准确的特点,对电磁阀电流进行直接检测,并根据故障电磁阀驱动电流的特点,判断其工作状态,做出相应的保护,并通知控制ECU。

1 电磁阀故障特征分析

1.1 驱动电路

电磁阀驱动电路如图1所示。电磁阀驱动系统采用MOSFET驱动方式。其中,T1、T2分别为低压电源驱动及高压驱动开关MOSFET,T3为低端MOSFET;电磁阀简化为电感L及电阻R的串联电路;R1为电磁阀电流的采样电阻。高压开关信号、上位开关信号、下位开关信号分别控制T1、T2及T3的通断,均由ECU及电磁阀驱动系统提供。高压电源端可提供80~100V的高压电源,有助于迅速提高电磁阀的电流,加快电磁阀的闭合速度。高压端的电压维持时间较短,并需要在电磁阀工作间隙重新充电。通过对电磁阀电流的检测,驱动系统对T3进行通断控制,达到维持电磁阀适当工作电流的目的。当关闭电磁阀时,应首先关闭T1,经短暂延时后再关断T3,采用电磁阀电流为高压电源充电,并使得驱动电流迅速下降,在提高关断速度的同时,提高了能量利用率。

1.2 电磁阀正常工作电流分析

在电磁阀正常工作的情况下,当驱动电路接收到ECU开启信号后,电磁阀在低压电源和高压电源的共同作用下,电磁阀驱动电流迅速上升。当驱动电流足够大时,电磁阀的电磁力将超过回位弹簧的拉力,驱动衔铁开始加速运动。电磁阀通电一段时间后,高压电源开关T2将被关闭,电流上升速度将减慢。当电流到达预设的最大值后,驱动系统将关闭下位开关,使电磁阀电流回落。当该电流回落至保持值后,驱动系统对其进行通断控制,使得电磁力能够始终保持大于回位弹簧的拉力,维持电磁阀的打开状态,直至ECU开启信号结束。

图2为电磁阀正常工作情况下的电流波形图。在350μs左右,电流上升过程有一拐点,此即为高压电源关闭的时刻。后部的锯齿波即为电磁阀保持时段的同段控制下的电磁阀电流波形。

1.3 故障电磁阀电流特征

电磁阀故障主要有断路及短路两种。电磁阀在工作过程中,因为碰撞、振动等原因造成电磁阀线束连接不好或线圈本身的断裂,导致驱动回路发生断路或者电磁线圈的电阻加大的现象。当故障发生时,电磁阀中的电流始终为零或上升速度缓慢。同时,电磁阀在工作过程中,因为碰撞、振动等因素,造成不同线束的误接触,或因为电流过大、温度过高等因素,造成线圈烧毁的现象,出现短路故障。此时,电磁阀线圈的电感、阻抗极小,电流上升速度很快,如不加以限制,可在数微秒中达到几十安培,造成MOSFET开关的损毁。

2 电磁阀故障检测系统硬件设计

当电磁阀发生短路或断路故障时,其驱动电流的上升曲线会发生相应的变化。因此,通过对电流上升曲线特征的检测,可以实现对电磁阀故障的检测。

本文针对传统间接检测法及单片机直接检测法的缺点,设计了一种基于CPLD的电磁阀故障检测系统。试验电路原理如图3所示。

系统中包含了电磁阀驱动电路,因此,系统具有电磁阀驱动、电磁阀故障检测及驱动电路保护等功能。驱动电流经R1采样,转换为电压信号,连入比较器,与参考电压进行比较,比较信号输入CPLD。CPLD通过检测比较信号翻转时刻来进行故障检测。当判断出电磁阀故障后,CPLD迅速输出低电平,关断MOSFET,同时输出故障指示信号至ECU。CPLD维持故障指示状态直至ECU信号关断为止,并复位,即仅在单次喷油过程中对MOSFET强制关断,再次喷射过程中重复整个故障检测过程,提高了系统灵活性。

3 电磁阀故障检测系统软件设计

3.1 故障检测原理

当电磁阀发生断路故障时,电磁阀驱动电流上升缓慢,或始终为零,比较器输出值翻转时刻较晚,或根本无法出现翻转。通过试验确定参考时间t1,当驱动电路打开MOSFET开关t1时间后,比较器输出仍未发生翻转,则系统判断电磁阀出现断路故障。CPLD将输出控制信号置低,关闭MOSFET开关,同时向ECU发出故障指示。

当电磁阀发生短路故障时,线圈电感、电阻下降,驱动电流上升速度加快,在极短的时间内就可能达到几十安培,造成通过电流过大,损坏线圈及驱动电路。通过试验确定参考时间t2,当驱动电路打开MOSFET开关后,若在t2时刻前,驱动电流便达到参考电压,即比较器输出发生翻转,则系统判断电磁阀出现短路故障。CPLD迅速将输出控制信号置低,关闭MOSFET开关,保护驱动电路,同时向ECU发出故障指示。

电磁阀正常工作以及发生短路、断路情况时的时序如图4所示。

当电磁阀短路时,CPLD会在t3时刻判断故障;当电磁阀断路时,CPLD在t4时刻判断故障。判断故障的同时,强制关闭MOSFET,发出故障指示。

3.2 故障检测系统软件设计

根据检测原理,本文设计了基于CPLD的软件程序,其控制逻辑如图5所示。

在CPLD中包括由ECU信号触发的、时长分别为t1和t2的2个方波发生器,对其信号与比较输出信号进行相应的逻辑运算,用来判断电磁阀故障状态。在发现故障后,CPLD对故障信号进行锁存,同时强制关闭MOSFET,保护电磁阀驱动系统不受损害。

4 电磁阀故障检测及自保护试验

在以上工作的基础上,进行了高压共轨柴油机喷油电磁阀故障检测及自保护试验。当发生短路故障时,CPLD迅速关闭MOSFET,并向ECU发出故障指示。经检测,电磁阀出现短路故障时,比较器输出发生翻转7ns后,CPLD即强制关闭MOSFET,驱动电流仅能达到预设的值,远低于MOSFET所能承受的最大电流,因此有效保护了电磁阀驱动模块。同时,CPLD的故障指示信号会在ECU发出的喷油信号结束时复位,不强制屏蔽下次喷油,提高了驱动系统的灵活性。试验结果表明了故障检测与保护系统较好地实现了设计功能。

5 结论

(1) 基于CPLD技术的电磁阀故障诊断系统,能够根据故障电磁阀驱动电流特征进行快速、准确的故障判断,能够识别出电磁阀的断路、短路等故障类别。

(2) 系统能在判断故障后7ns内关闭故障电磁阀,响应迅速。

(3) 不占用ECU系统资源,独立运行。

参考文献

[1]梁锋,冯静,肖文雍,等.BP神经网络在高压共轨式电控柴油机故障诊断中的应用[J].内燃机工程,2004,25(2):46-49.Liang F,Feng J,Xiao W Y,et al.Application of BP neuralnetwork to fault diagnosis of high-pressure common rail fuelsystem of electronic control diesel engines[J].Chinese InternalCombustion Engine Engineering,2004,25(2):46-49.

[2]徐权奎,祝轲卿,陈自强,等.高压共轨柴油机喷油器电磁阀故障诊断系统设计[J].内燃机工程,2007,28(4):69-72.Xu Q K,Zhu K Q,Chen Z Q,et al.Diagnose system design ofthe solenoid valve for high pressure common rail diesel engine[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering,2007,28(4):69-72.

电控高压共轨发动机故障之殇 篇7

马军刚:在所有的故障模式中,燃油的品质是造成电控高压共轨故障频发的主要原因。用户使用的伪劣燃油或受污染燃油中的过高的水分和不溶性机械杂质含量,对共轨系统的可靠性造成威胁最为严重。前者会破坏燃油的润滑性能并在系统内形成锈迹,在低温环境下水的结晶会影响燃油的流动性,降低发动机性能,甚至导致共轨系统报废。后者则会令包括柱塞、出油阀、控制针阀、喷油针阀、缝隙式滤清器等精密零件擦伤报废。同时,国内燃油含硫量相对较高是公认的事实。而高硫的燃油会侵蚀燃油系统,造成油嘴结焦堵塞。虽然燃油国三,国四标准已在2014年和2015年推出,但国内各地的燃油品质都不一样,很多地区用的燃油还是在国三以下。

在终端客户的实际使用过程中,由于还存在以前机械泵的一些使用习惯,还是会加到一些来路不明的燃油。这对电控共轨燃油系统的危害极大。

田少民:目前高压燃油泵大多是柴油润滑的,计量单元设计在出油侧。建议采用机油润滑、计量单元在进油侧的高压泵,例如博世的CPH2型结构,可以减少高压泵的故障,延长使用寿命。

郭锐:整车或者整机设计缺陷:比如油箱呼吸器未安装滤芯,容易导致燃油二次污染。油箱或者高低压管路材质里含有锌铜铅锡等元素,易导致油嘴积炭等。整机布局不规范,比如整车布线不严谨,导致电器存在峰值电压导致内部芯片击穿等。

柴油品质欠佳:柴油含硫量越低,柴油质量越高,高硫的柴油会侵蚀和损坏发动机系统,增加尾气中颗粒物的排放,其次是柴油中的杂质(不溶固体微粒)问题在国内有些地方也表现的很严重,柴油中的杂质对柴油机高压供油系统特别是喷嘴伤害极大。高压共轨的油泵可以承受相当高的压强,柴油在出厂时是标准油品,但在运输到加油站后经受二次污染也会造成油路配件磨损。

使用的燃油滤清器过滤效率欠佳:高压共轨系统为保证高压喷射,精确流量控制,其各组成部分的精度都非常高,偶件间隙控制相当严格,部分直线度在0.8μm以下,偶件间隙在1.5～3.7μm之间,所以对柴油清洁度提出了很高的要求。传统的柴油滤清器只能过滤10m以上的颗粒,3μm的颗粒过滤效率很差。高压共轨系统要求滤清器提供95%的水分离效率和98.6%的3～5μm的颗粒过滤效率。劣质滤清器对燃油系统和发动机造成的影响是隐性的,可能不会立即发现,但等损害积累到一定程度时爆发出来为时已晚。

劣质柴油滤清器对柴油系统的危害主要包括以下4个方面:①额定流量不足,滤清器超负荷工作,影响车辆动力性和燃油系统使用寿命。②滤纸孔径大、均匀性差、表面积小、过滤效率低,造成燃油系统和发动机早期磨损。③油水分离失效,燃油部件和发动机锈蚀。④滤清器内部粘接不牢固或密封失效,导致滤芯短路,无法滤除杂质,导致燃油系统和发动机磨损。

驾驶员平时不注意发动机的定期保养:应加强空气滤清器、机油滤清器和柴油滤清器这三种滤清器的保养,充分发挥它们的作用。选择发动机厂家推荐的专用机油,根据使用环境和燃油品质缩短机油的更换时间。

设备超载超负荷工作严重:造成燃油系统超负荷工作,寿命降低。发动机热负荷过高,磨损加剧。

设备工作环境恶劣:燃油油路易交叉污染,部件易磨损。高寒、高温、高原环境会导致系统鲁棒性降低。

周凤东:十多年前,车用柴油发动机就开始使用电控高压共轨技术,很多工程机械厂家也在挖掘机上开始使用电控高压共轨柴油发动机。

在我国北方,冬季气温很低,柴油发动机使用“零”号柴油通常会“结腊”,需要使用“-35号”或要求更高的柴油。有些区域当季节变化时,换季燃油供应不及时,使得用户只能在柴油中添加煤油等附加物,导致油品质量下降。

此外,工程机械很少能到加油站进行加油,一般采用运输车将柴油运到施工工地进行加油。柴油运输设备及存储设备不洁净,也影响了燃油的质量。储油设备管理不当,也会使燃油被污染,比如雨水、灰尘的侵入,导致燃油品质很差。

另有不法燃油经销商、运输商为谋取非法利润以次充好。少数施工单位采购油品时,由于多方原因,明知油品质量不好,仍视而不见。据调查,有些地方工程机械使用的柴油质量,差得让人难以理解。

由于电控高压共轨燃油系统部件精密度的大幅提高,工程机械的燃油系统需提高滤芯精度,缩短保养周期,这使得用户的保养成本增加。油品不好时,更使得保养次数增加。为了降低保养成本,用户便开始使用不合格的保养部件或不按机械使用要求进行保养。

油品的质量直接影响了高压共轨柴油发动机燃油系统部件的使用寿命。发生频率较高的故障是:喷油器卡滞不喷油、喷油器划伤滴油,高压燃油泵卡滞、划伤等故障。如果修理人员清洗故障机燃油系统不彻底,还会使更换的新配件在短期内再次损坏。

高压共轨故障诊断 篇8

柴油机以其相对汽油机更高的热效率、经久耐用、皮实可靠、对替代燃料适应性强的优点在交通运输及国民经济的各部门得到了广泛的应用[1,2], 是主要的动力源之一。

然而, 不同产地及炼油工艺生产的柴油组分常常发生改变, 导致柴油物化特性 (如十六烷值) 发生变化。受能源危机的影响, 各种替代燃料研究迅速发展, 并逐渐应用于实际发动机上。燃油系统的执行器 (如喷油器) 在使用过程中, 随着寿命的变化其关键性能参数 (如流量特性) 也会发生变化。燃烧系统本身在不同的环境参数下 (如空气湿度的影响) 和自身寿命的变化引起的性能参数变化 (如缸内积炭引起的压缩比变化) 也会对缸内实际燃烧过程产生影响。

上述影响因素会使缸内燃烧状态偏离预期值, 导致燃烧恶化, 甚至发生非正常燃烧。柴油机工作粗暴就是一种必须避免的非正常燃烧状态。柴油机工作粗暴时有敲击声, 使发动机机械负荷加重, 容易对发动机机体产生伤害, 甚至引发安全事故。

柴油机工作粗暴的诊断可以通过对缸内压力信号[3]或其他信号分析来实现。采用缸压传感器是一种直接的缸内测量手段, 虽然其观测精度高, 受外界干扰小, 但价格昂贵、使用寿命短、安装困难等问题限制了其大规模使用, 常常只应用于实验室研究阶段[4]。研究[5,6]表明:柴油机工作粗暴时其噪声信号将异于同工况正常燃烧状态, 通过对柴油机声学信号的分析有可能辨识出正常燃烧状态和工作粗暴状态, 并且其传感器硬件投资和安装难度相对较小, 便于集成到实际发动机的电控系统。

本文以一台6.5L的高压共轨柴油机构建试验平台, 实时采集试验缸的声学信号和缸压信号, 对采集的声学信号进行时频联合分析, 定义对高压共轨柴油机正常燃烧状态及工作粗暴状态敏感的声学信号特征量, 以判别函数分析的方法建立基于声学信号特征量的高压共轨柴油机工作粗暴辨识模型。该方法硬件投资改动工作量小, 模型计算过程简洁, 可以集成到实际发动机控制器。

1 试验平台

本文的研究工作在一台装备高压共轨燃油系统的6.5L立式直列水冷四冲程六缸柴油机上进行。试验台架系统示意图如图1所示, 发动机参数如表1所示。

将原机的6号缸选为声学信号试验缸, 加装了缸压传感器, 并在缸盖上方8cm处加装频响范围为20Hz~20kHz的驻极体传声器, 传声器的主要参数如表2所示。研究[7,8,9,10]表明:内燃机缸盖正上方是燃烧噪声信号信噪比最佳的测量点。本文中传声器所处的位置靠近声源, 基本是直达声场, 反射声场对采集信号的影响较弱。

采用多通道记录式示波器连续记录试验缸声学信号、缸压信号及发动机角标信号和同步信号。

本文研究的是一种面向发动机实际控制需求基于声学信号诊断柴油机工作粗暴方法, 所以本文的声学数据在普通动力间试验环境下采集, 试验环境如图2所示。

为了突破原机电控系统的限制在试验缸灵活采集分析不同工况和控制参数下的声学信号, 为试验缸加装了一套独立的燃油系统和进排气系统, 并独立开发了一套控制器及上位机监控标定软件。试验过程中通过上位机监控标定软件设定试验缸的轨压、喷油量、喷油提前角等参数, 并实时监控转速、试验缸轨压等参数。自主开发的控制器ECU也是基于声学信号工作粗暴诊断方法在线实现的目标平台和载体。本文开发的ECU及上位机监控标定软件界面如图3所示。

2 声学信号特征分析

柴油机的噪声按其产生原理大致可分为机械噪声、进/排气噪声、燃烧噪声三大类。燃烧噪声通常认为是混合气燃烧产生的缸内压力急剧上升导致的动载荷和冲击波引起的压力高频振荡, 经过气缸盖、气缸套、活塞-连杆-曲轴及主轴承传至机体, 引起内燃机表面振动而辐射出来的噪声。燃烧噪声的强度与缸内气体压力升高率和压力高频振荡相关[11]。

柴油机声学信号是多个声源构成的复杂噪声信号。声学信号在从声源到达传声器的传播路径中会受经历信号的衰减、反射、叠加等过程。这导致声学信号相对缸压信号是一种低信噪比的缸内燃烧过程间接观测信号, 需要通过现代信号处理技术来提高原始信号的信噪比。

本文采用基于小波变换的时频联合分析方法提取与缸内燃烧过程最为相关且能量强度大的燃烧噪声频段。

对于任意函数f (t) ∈L2 (R) 则其对小波函数Ψa, b (t) 的连续小波变换为

根据相关研究结果[8,12], 选择Complex Morlet小波作为小波基函数。Complex Morlet小波的定义如下:

式中, fb为带宽参数;fc为中心频率参数。Complex Morlet小波在MATLAB调用时的命名规则是cmorfb-fc。本文采用cmor3-5作为小波变换的基函数。

发动机转速1 200r/min、试验缸喷油量45mg、平均指示有效压力0.69MPa (非试验缸共发出扭矩50N·m) 的声学信号时域波形和时频分布如图4所示。在同样工况下将试验缸停喷, 此时声学信号时域波形和时频分布如图5所示。

对比图4和图5可见, 在上止点附近时刻, 相对于失火工况, 着火工况在4kHz~6kHz的频段及1.0kHz~1.5kHz的频段出现较明显的声学能突增, 这一现象与缸内燃烧事件发生的时刻吻合, 应该是由缸内燃烧事件引起的。对试验缸不同转速、负荷、喷油提前角下的声学信号进行时频联合分析可知, 均存在4kHz~6kHz和1.0kHz~1.5kHz两个与燃烧事件息息相关的声学信号燃烧观测特征频段。

在1 000r/min下固定喷油量为65mg, 通过改变喷油提前角, 使试验缸发生工作粗暴, 进而比较正常燃烧与工作粗暴下声学信号的差异, 时域信号和时频分布图的对比分别如图6和图7所示。

对比图6和图7可见, 当试验缸处于工作粗暴工况时, 其声学信号能量主要分布在前文分析的1.0kHz~1.5kHz和4kHz~6kHz特征频段。在这两个频段, 其能量强度高于正常燃烧工况。另外一个特点是, 工作粗暴循环在4kHz~6kHz频段其能量分布往高频方向移动。这两个规律将用于利用声学信号诊断柴油机正常燃烧循环和工作粗暴循环。

3 声学信号特征量定义及相关性分析

基于连续小波变换的声学信号时频联合分析法对计算资源和存储资源的巨大消耗, 是当前实际发动机ECU单片机无法支持的。

工作粗暴发生最明显的标志是最大压升率的升高。由上节时频域分析得到的规律, 本节将在时域重点研究最大压升率与4kHz~6kHz特征频段声学信号能量分布变化、1.0kHz~1.5kHz特征频段声学信号能量值变化的相关性, 为找到一种实际ECU可以采用的基于声学信号工作粗暴诊断奠定基础。

在时域定义特征量主导频率f用于考察4kHz~6kHz频段声学信号能量分布的变化。在声学信号感知到燃烧起始时刻及往后推15°CA范围内, 研究4kHz~6kHz带通滤波后的声学信号, 找到这段时刻所有的波峰及波谷出现的时刻, 得到半个周期信号对应的时间 (以曲轴转角φ计) , 再取所有半个周期时间的平均值并乘以2, 得到这段时间信号的平均周期。

平均周期与主导频率f之间的关系为

式中, n为发动机转速, r/min。

在65mg喷油量的较大负荷下改变喷油提前角, 在多个试验工况及循环下得到的缸内最大压升率与主导频率的关系如图8所示。由图8可见, 4kHz~6kHz的主导频率随缸内压升率的增加呈变大趋势, 表现出较好的相关性。但最大压升率与主导频率并不是一一对应的完全线性关系, 不能简单用主导频率直接表示缸内最大压升率。

在时域定义特征量Uenergy_1kHz~5kHz用以在时域表达1.0kHz~1.5kHz声学信号能量值, 其定义如下:

式中, Uφ为声学信号经过1.0kHz~1.5kHz带通滤波器后的电压值;C_S为声学信号感知的燃烧始点。

在65mg喷油量时较高负荷下, 改变喷油提前角在多个试验工况及循环下得到的缸内最大压升率与1.0kHz~1.5kHz频段声学信号能量关系如图9所示。

用线性相关系数对最大压升率与主导频率及与最大压升率与1.0kHz~1.5kHz频段声学信号能量的相关性进行量化分析。线性相关系数是衡量两个变量X和Y之间线性相关程度的指标。相关系数常用符号r表示, r∈[-1, 1], |r|的值越大, 变量之间的相关程度越高, 当|r|=1时认为两个变量完全相关。通常认为|r|≤0.3为弱相关, 0.3<|r|≤0.7为中等相关, |r|>0.7为强相关。r的正负表示关系的方向, r>0表示正相关, r<0表示负相关。两个变量之间线性相关系数的计算公式如下:

声学信号特征量与最大压升率的相关系数如表3所示。由图8、图9、表3可知, 最大压升率与4kHz~6kHz频段声学信号主导频率表现出较好的相关性, 同时与1.0kHz~1.5kHz频段声学信号能量也表现出一定的相关性, 可以基于这两个特征量建立工作粗暴诊断模型。

4 基于声学信号的高压共轨柴油机工作粗暴诊断模型构建

对于正常燃烧循环和工作粗暴循环可以抽象为数学上的两种状态“0”和“1”, 这样可以将工作粗暴诊断抽象为数学上的模式判断问题。模式判断可采用神经网络、最大似然估计、判别分析等多种求解算法。其中, 判别分析可以得到明确的判别函数表达式, 且计算量小, 便于在实际的嵌入式系统实现, 因此得到了广泛的应用。

在高压共轨柴油机常用转速范围内 (800~2000r/min) , 选取720个循环 (含543个正常燃烧循环和177个工作粗暴循环) 为训练样本, 以声学信号特征量f、Uenergy_1.0kHz~1.5kHz和转速作为输入, 定义正常燃烧模式为状态“0”, 工作粗暴模式为状态“1”, 利用判别分析作为数学算法, 建立工作粗暴诊断模型。以Fisher准则求解线性判别函数的判别系数, 得到的判别函数如下:

判别函数值时Y<0发动机处于正常燃烧状态, 判别函数值Y>0时发动机处于工作粗暴状态。

将建立的工作粗暴诊断模型对训练样本数据进行回代分析, 其观测结果如表4所示。由表4可见, 543个正常燃烧循环中有513个循环的观测状态为“0”, 正确率为91.9%;177个工作粗暴循环中有150个循环的观测状态为“1”, 正确率为90%。

5 基于声学信号的高压共轨柴油机工作粗暴诊断模型测试

以高压共轨柴油机常用转速范围内480个循环作为测试样本对上节建立的工作粗暴诊断模型进行测试, 结果如表5所示。测试样本由358个正常燃烧循环和122个工作粗暴循环组成, 模型对正常燃烧循环的正确辨识率为90.2%, 对工作粗暴循环的正确辨识率为86.9%, 达到了较高的精度。虽然该模型对工作粗暴诊断有10%左右的误判概率, 但由于发动机的机体强度通常可以容忍几个循环的工作粗暴燃烧, 且在控制过程中, 由于燃烧的循环波动, 通常对单循环诊断为工作粗暴状态一般不立即采取控制措施。所以, 本文建立的工作粗暴诊断模型精度可初步满足实际控制系统对工作粗暴诊断的要求。

在转速800r/min、循环供油量为65mg的高负荷下, 通过ECU控制命令增大喷油提前角, 使柴油机进入工作粗暴状态, 再减小喷油提前角使柴油机恢复到正常燃烧状态, 以测试基于声学信号的工作粗暴诊断模型对正常燃烧循环和工作粗暴循环的诊断能力, 如图10所示。由图10可见, 工作粗暴诊断模型可以快速准确地观测到发动机进入工作粗暴状态, 在正常燃烧循环中仅有两个循环误报为工作粗暴状态, 与缸压信号计算的结果基本一致, 表现出较好的观测精度, 可以满足控制策略对发动机工作粗暴诊断的要求。

6 结论

(1) 采用时频联合分析方法分析了柴油机正常燃烧模式和工作粗暴模式下声学信号的变化规律, 结果表明:柴油机工作粗暴时4kHz~6kHz声学信号能量分布向高频方向移动且1.0kHz~1.5kHz声学信号能量强度高于正常燃烧循环。以此规律指导时域声学信号特征量的定义, 并对声学信号特征量与缸内最大压升率进行了相关性分析, 结果表明:4kHz~6kHz声学信号主导频率与缸内最大压升率相关性达到0.71, 1.0kHz~1.5kHz声学信号能量与缸内最大压升率的相关性亦有0.33。

(2) 将柴油机正常燃烧循环和工作粗暴循环抽象为数学上的两种状态, 运用判别分析的方法, 以声学信号特征量和转速为输入建立了一个计算简洁且可用于实际控制器的工作粗暴诊断模型。测试结果表明:工作粗暴诊断模型对柴油机正常燃烧和工作粗暴的正确辨识率超过85%, 可为柴油机燃烧过程的闭环控制提供反馈依据。

摘要：采用时频联合分析的方法研究了柴油机正常燃烧和工作粗暴状态下声学信号的特点, 定义了对正常燃烧和工作粗暴敏感的声学信号特征量, 研究了特征量与燃烧模式之间的相关性。采用判别分析的方法建立了基于声学信号特征量的工作粗暴诊断模型。测试结果表明:工作粗暴诊断模型对柴油机正常燃烧和工作粗暴的正确辨识率超过85%。

关键词：内燃机,柴油机,声学信号,工作粗暴,诊断方法

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高压共轨故障诊断 篇9

1 振动监测

1.1 振动参量的选取

激振源是使被测物体产生振动的重要手段, 在主动式测量中应选用激振器作为激振源, 可以对被测物体施加振动特性已知的振动, 以充分了解研究对象的振动状态和各种振动参数。如果被测对象较大或其他原因, 无法对被测对象实施主动式测量, 则可以采用被动测量的方法, 即依靠自然振动, 如风、浪、地震等作用于被测物体上使其产生振动, 也可依靠振动体工作时所产生的振动作为振动源, 通过测量这些振动, 来分析被测物体的振动特性。

选用研究对象的工作振动作为激振源的另一个非常重要的作用是根据所测的振动值来判断机械工作的状态。由于机械的振动频率基本上在10~10 000Hz的范围内, 所以一般选用速度值作为测量参数。国际标准ISO 2372和ISO 3945把设备轴承座壳体上的振动速度值作为判断设备状态的标准。这种用全频域的振动速度值进行的诊断, 一般说来是有效的, 特别是对机械设备整体状态的故障有较强的诊断能力。振动速度的大小是诊断设备是否正常的最好指标之一, 因此ISO 2372和国家标准都选用了速度量作为评价标准, 但根据目前的测试水平, 速度量的直接测试比较困难, 一般都选取加速度量作为测试的主要参数, 然后采用模拟积分或数字积分的方法再得到速度量。

1.2 基于三轴加速度传感器的测试方法

通过振动监测准确进行故障诊断的基础和最重要的前提是振动数据的的准确采集, 也就是加速度的准确测量。传统的测试方法是在被测部位的3个垂直方向同时放置3个单轴加速度传感器。这种测试方法的缺点: (1) 测试时需要3个单轴传感器, 且数据采集接口也需要具备同时采集3个方向数据的能力; (2) 数据采集的同时性难以保证, 这直接影响到数据分析的准确性; (3) 设备的某些部位无法在3个方向放置传感器, 限制了这种方法的应用场合。为了解决传统加速度测试方法的不足, 本文提出了采用三轴加速度传感器进行振动测试分析的方法, 如图1所示。

目前的三轴加速度传感器大多采用压阻式、压电式和电容式工作原理, 产生的加速度正比于电阻、电压和电容的变化, 通过相应的放大和滤波电路进行采集[1]。三轴加速度传感器能通过1个数据通道同时采集3个方向的振动加速度的数据, 简化了测试的线路, 同时提高了测试数据的准确性, 由于只需1个检测探头, 大大增加了振动监测技术的应用范围。

2 电机电流监测

电机电流信号分析法, 简称MCSA (Motor Current Signal Analysis) , 通过分析电机定子电流, 研究其特征信号与故障的对应关系。检测人员可以从电机控制中心方便的评估电机的电气和机械运行状态。为了精确地分析, MCSA系统首先对采集的电压和电流信号进行傅立叶分解 (FFT) , 然后通过解调分析在工频信号中分离出特征频率用来鉴别故障类型和故障程度。

2.1 高压电机故障特征频率

由于MCSA和振动分析具有类似的规律, 因此绝大部分故障具有良好的可识别性:

1) 极通过频率 (ppf) 边带在线频的周围预示转子条故障, 且峰值越高, 故障的严重性也越大。

2) ppf的谐波边带时常与铸造气孔或转子条松动有关。

3) 在线频峰值周围产生“凸起噪声平台”的非ppf边带, 常与驱动负载松动或其他驱动问题有关。

4) “凸起噪声平台”的信号与松弛或空穴现象相关。

5) 电压中显示的峰值与电气问题相关, 如输入电源。电流中显示的峰值只与绕组和机械故障有关。

6) 与转速和线频无关的成对峰值通常与轴承问题相关。

2.2 转子分析

MCSA的基本能力之一就是对转子进行故障诊断。转子条断裂、静态偏心和动态偏心是MSCA可以评估转子问题的3种基本类型。转子条断裂通常被认为是因为基频附近存在滑差频率边带, 当这些边带达到或超过-35d B (正常应低于35d B) 时, 认为检测出现故障。例如, 一台60Hz电机系统中, 转速1 760rpm, 其旋转频率为:1 760/60=29.33Hz。同步频率为: (2×60) /4=30Hz, 那么滑差频率为: (30-29.33) ×4=2.68Hz。如果2.68Hz边带出现在60Hz频谱峰值左右, 并有-40d B大小, 那么转子就存在断条。

静态偏心可以在高频频谱中确定。静态偏心发生在中心频率CF (CF定义为:转子条数 (RB) 乘以转频 (RF) 或定子槽数乘以转频) 。CF即有线频的N倍边带, 其中N是奇整数。例如, 前面提到的1 760rpm电机, 已知RB为47, 其基本频率将是29.33×47=1 378.5Hz, 若存在静态偏心, 则CF有60Hz、180Hz等边带。动态偏心与静态偏心不同的是, 在静态偏心基本频率边带左右也有转频边带。表1为转子故障评价标准与建议。

2.3 定子分析

对电机绕组进行故障诊断, 首先确定定子槽通过频率 (SP) 。CF等于定子槽数乘以转频。当SP边带出现在CF左右时表明存在故障。例如, 29.33 (转频) ×42 (槽数) =1 231.9 (CF) 。如果CF有转频边带, 那么定子就存在机械的或电气的劣化。通过确定中心频率, 可以判断机械不平衡, 47 (RB) ×29.33 (RF) =1 378.5 (CF) 。定子典型故障频谱特征见表2。

3 综合故障诊断实例

3.1 测试方法

将振动监测与电机电流信号分析相结合, 对诊断结论相互印证, 综合诊断高压电机的运行状态, 从而实现高压电机故障的提前预警[2]。电机轴承振动检测中采用FLUKE810三轴加速度传感器, 其放置位置如图2所示。其中, 位置1为电机轴承的主动端, 位置2为从动端。采用美国Old Saybrook的测试仪器ATPOL对电机的电压电流进行采集[3], 测试过程中要注意: (1) 确认测量模式处于相—相测量方式; (2) 尽量准确获取电机参数, 包括名牌转速、额定电压、电流和功率, 此外轴承数据和定转子槽数有助于更准确地对注水电机进行故障诊断; (3) 电流测试时, 保证电流流向与电流钳标定正方向一致, 如果测试系统超过600V, 需通过CT和PT连接, 这时要正确输入CT和PT的变比; (4) 确定电压和电流正确的连接。三相相位差约为120°; (5) 采集10s电压和电流数据, 检查低频解调电流, 对转子和负载相关的运行状态进行故障诊断, 检查高频解调电流和电压, 诊断定子绕组和机械相关的问题[4]。

3.2 诊断结论

对某注水高压电机进行了轴承振动检测, 对加速度进行积分得到速度频谱图, 如图3所示。通过分析3个方向的振动频谱, 电机的轴承存在可能存在磨损故障[5]。同时采集了电机三相电压电流信号, 对数据进行了傅立叶变换和解调分析, 发现电机电流存在明显的谐波畸变现象, 原始电流波形和FFT波形如图4 (a) 、 (b) 所示。低频解调电流的分析表明, 电机的轴承可能存在机械方面的问题, 与振动监测给出的结论一致。检测人员将电机转子抽出检查, 发现轴承外套已经存在较严重的磨损现象, 验证了检测结果的准确性。在电机修理厂对该轴承进行了更换之后重新进行了测试, 结果显示正常。

4 总结

采用三轴加速度传感器进行高压电机的振动分析诊断可以同时采取3个方向的振动数据, 提高了诊断结果的准确性。通过与电机电流信号分析法相结合, 从而可以实现高压电机的综合故障诊断。本文分析了三轴加速度传感器的工作原理和测试方法, 将该方法应用于高压电机轴承的故障诊断分析, 采用电流信号分析法对高压电机的定子、转子的电气和机械工作状态进行了检测, 现场试验结果验证了该方法的准确性。

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