CN105003372B - 一种基于轨压波形特征参数观测的喷油量故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于轨压波形特征参数观测的喷油量故障诊断方法，包括轨压信号采样处理步骤、基于轨压波形特征参数观测的喷油量观测步骤及基于喷油量观测的喷油量故障诊断步骤。首先，利用轨压信号采样处理步骤，得到柴油机各缸对应的瞬时轨压压降和平均轨压；其次，利用基于轨压波形特征参数观测的喷油量观测步骤，经过喷油量观测模型计算得到观测喷油量；最后，利用基于喷油量观测的喷油量故障诊断步骤，通过比较观测喷油量与预标定的设定喷油量，实现对柴油机各缸喷油器喷油量的故障诊断，并输出柴油机各缸喷油器喷油量故障状态。本发明通过了试验验证，在实际应用中可达到良好的喷油器喷油量故障诊断效果。

Description

一种基于轨压波形特征参数观测的喷油量故障诊断方法

技术领域

本发明属于内燃机控制技术领域，涉及柴油机高压共轨燃油喷射系统，是一种柴油机高压共轨燃油喷射系统的故障诊断方法，特别是一种基于轨压波形特征参数观测的柴油机高压共轨燃油喷射系统喷油器喷油量故障诊断方法。

背景技术

内燃机是目前被产业化应用的各种动力机械中热效率最高、能量利用率最好、最节能的机型，已被广泛应用于发电、灌溉、船舶动力、车辆动力等广阔的领域，尤其在车用动力方面的优势最为明显，全球车用动力“内燃机化”趋势业已形成。

高压共轨燃油喷射系统(以下简称高压共轨系统)能够柔性控制喷油参数，有效地降低内燃机排放，显著提高柴油机动力性和燃油经济性，已成为现代柴油机电控技术的主要手段。理想的高压共轨系统中喷射压力的产生过程与燃油的喷射过程是分开的，喷射压力不再受柴油机转速和喷油量的影响，减小了传统柴油机燃油系统的缺陷，可实现对喷射压力和喷油速率的灵活控制。然而实际情况并非如此，高压共轨系统的供油过程和喷油过程都会对轨压产生影响，引起瞬时轨压的剧烈波动，从而造成实际测量喷油量控制不精确，对柴油机排放造成极大影响。

随着油耗要求和排放法规的越来越严格，柴油机更好的瞬态过渡性能必将成为重要的制约，这就要求高压共轨系统在全生命周期内实现喷油精确控制和安全可靠运行。因此，对高压共轨系统安全性和可靠性的要求也越来越高，使得柴油机电控单元(ElectronicControl Unit，以下简称ECU)对高压共轨系统运行状态的监控提出了更高的要求，这也是确保柴油机可靠运行及排放达标的一个重要技术手段。

在高压共轨柴油机ECU中，喷油量控制是以固定的喷油器加电时间脉谱图(MAP)形式设计，即喷油脉宽由喷油量和轨压查喷油器加电时间MAP得到，再通过ECU执行喷油脉宽驱动喷油器得到喷油量。在高压共轨系统使用寿命期内，由于高压共轨系统机械部件和液压部件老化、喷油器积碳、喷油器驱动电压波动、喷油器驱动电流不足及喷油器驱动电容老化等因素，也都会造成喷油器流量特性发生变化，完全依靠出厂标定的喷油控制参数会使得其精度和可靠性在全生命周期内逐渐恶化，使得实际测量喷油量控制变得不准。因此，对高压共轨系统开展故障诊断研究意义重大。

国外对高压共轨系统的故障诊断研究还处于保密阶段，而国内对高压共轨系统的故障诊断研究还处于初级阶段，现有公开的高压共轨系统故障诊断技术往往针对具体的执行器和传感器，如对喷油器电磁阀、高压油泵电磁阀及轨压传感器的故障诊断等，对基于轨压波形特征的高压共轨系统性能故障诊断方法还很少见。

论文“Injection diagnosis through common-rail pressure measurement”(F.Payri,J.M.Luján,C.Guardiola,et al.Injection diagnosis through common-railpressure measurement.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part D:Journal of Automobile Engineering,2006,220(3):347～357)，利用短时傅里叶变换对轨压信号开展时频联合分析，对喷油器启闭进行检测，用于检测因喷油器故障而导致的发动机熄火问题。

公开号为CN102644514A的专利“一种共轨系统中轨压传感器漂移故障的诊断方法”，在高压共轨发动机起动前和停机后，且在满足漂移故障检测条件的前提下，通过比较轨压值与大气压力值，实现对轨压传感器漂移故障的检测。

公开号为CN102037229A的专利“用于在共轨喷射系统中识别故障及尤其轨压传感器的漂移的方法”，在发动机出现启动困难时，采用轨压替代值可以顺利启动发动机且独立运行，则判定轨压传感器存在漂移故障。

公开号为CN102182601A的专利“用于诊断高压共轨系统中的故障以及校准该故障的方法和装置”，采用分缸技术将发动机中的至少一个气缸进行断缸，并基于曲轴转角来测量断缸后高压共轨系统中的轨压，求取断缸后的轨压与出厂轨压的轨压差值，当差值高于预定阈值时，则判断高压共轨系统存在故障。

公开号为CN103032190A的专利“一种基于轨压信号的检测柴油发动机失火的方法及设备”，通过采集当前缸起始齿和结束齿分别对应的瞬时轨压，计算每个缸的起始齿和结束齿对应的瞬时轨压产生的轨压下降值；再由所有缸的轨压下降值计算轨压下降标准值，将每个缸的轨压下降值与所述轨压下降标准值相除获得每个缸的轨压下降比例值；分别判断每个缸的轨压下降值比例值小于预定相对失火阈值，并且对应缸的轨压下降值小于预定绝对失火阈值，则判定该缸失火。

公开号为CN102748181A的专利“一种喷油器故障诊断方法和装置”，在喷油器出厂前，预先在满足不同的工作状况条件下，对每个型号的发动机采集一次做功循环期间的轨压信号，对采集的轨压信号进行离散傅里叶变换(DFT)处理，得到不同工作状况下的轨压频域幅值，形成各个型号发动机基于不同工作状况下的轨压频域幅值的基础MAP；在喷油器出厂后，每隔一段时间，当满足预先设定的外部环境时，采集一次被诊断发动机的轨压信号，并对采集的轨压信号进行DFT处理，得到轨压频域幅值；将处理后得到的轨压频域幅值与所述轨压频域幅值的基础MAP中基于相同工作状况下的轨压频域幅值进行对比，如果大于预先设定的阈值，则判定喷油器发生故障。

公开号为CN102705089A的专利“一种基于轨压信号识别喷孔流量变动的方法和系统”，首先，进行标准喷油流量喷油器实验，得到轨压压降与设定喷油油量之间的基准关系曲线；其次，每隔一段时间对待测发动机进行一次瞬态轨压的测量，得到轨压压降与喷油流量的当前关系曲线；最后，将所述当前关系曲线与所述基准关系曲线比较，若在预定数量的工况下所述当前关系曲线与所述基准关系曲线的差值都超过预定阀值，则认为喷油器喷孔的喷油流量发生了变动。

公开号为CN1773101A的专利“共轨燃油喷射系统喷油器故障诊断方法”，首先利用曲轴传感器测量发动机各缸瞬态转速的差异，再依据发动机缸间平衡控制算法得到各缸所需要的喷油补偿量，并对各缸喷油补偿量的变化趋势进行统计分析，按照概率统计的方法判断喷射系统是否发生故障。

公开号为CN103092191A的专利“轨压模拟值生成方法和应用轨压模拟值进行内燃机燃油系统故障诊断方法”，首先，建立模拟轨压传感器模型，包括生成模拟轨压基本表格，生成模拟轨压静态修正表格，生成模拟轨压动态修正表格，生成模拟轨压环境修正表格；其次，查询模拟轨压基本表格得到模拟轨压基本值，查询模拟轨压静态修正表格得到模拟轨压静态修正值，查询模拟轨压动态修正表格得到模拟轨压动态修正值，查询模拟轨压环境修正表格得到模拟轨压环境修正值，并计算轨压模拟当前值；然后，将轨压模拟当前值进行模拟轨压变化值的步长限制，生成轨压模拟值；最后，将轨压模拟值与轨压实际值作差得到轨压差，再与设定的轨压差阈值相比较，判定进油油路故障或出油油路故障。

公开号为CN102996311A的专利“电控共轨喷油器回油故障诊断方法及系统”，当喷油器处于非喷射状态，且共轨管内的轨压大于第一预设阈值时；控制高压油泵，使得共轨管内的轨压为目标压力值；当共轨管内的轨压为目标压力值后，停止高压油泵的工作状态，并计算共轨管内所需的变化量；将上述得到的轨压变化量与预先设定的参考值比较，根据所述轨压变化量与预设参考值的关系判断喷油器是否发生回油故障。

为了提高高压共轨系统的故障诊断能力，增强其快速性和准确性，先进的高压共轨系统故障诊断方法就显得尤为重要，因此一种可靠性高、算法简单且性能良好的故障诊断方法是高压共轨系统故障诊断方法设计所追求的目标。

发明内容

本发明的目的在于解决高压共轨系统喷油器喷油量故障诊断，本发明在分析上述现有技术的基础上，提出一种基于轨压波形特征参数观测的喷油量故障诊断方法，用于喷油器喷油量的在线故障诊断，并显著提高喷油器喷油量故障诊断的精确性和准确性。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于轨压波形特征参数观测的喷油量故障诊断方法，主要包括：轨压信号采样处理步骤，得到柴油机各缸对应的瞬时轨压压降和平均轨压；基于轨压波形特征参数观测的喷油量观测步骤，利用喷油量观测模型获取观测喷油量；基于喷油量观测的喷油量故障诊断步骤，通过比较观测喷油量与预标定的设定喷油量，实现对柴油机各缸喷油器喷油量的故障诊断，并输出柴油机各缸喷油器喷油量故障状态。

其中，所述轨压信号采样处理步骤，具体包括以下步骤：

步骤1-1、采用1℃A采样频率定角度间隔来采集轨压传感器信号，得到离散轨压数据，并放入缓冲存储数组；

步骤1-2、设置柴油机工作循环对应的轨压采样窗口为[-90，630]℃A ATDC，并按照所述柴油机工作循环对应的轨压采样窗口从缓冲存储数据中提取离散轨压数据，得到柴油机工作循环对应的离散轨压数据；

步骤1-3、所述柴油机为六缸柴油机，设置柴油机各缸对应的轨压采样窗口分别为[-90,30]℃A ATDC、[30,150]℃A ATDC、[150,270]℃A ATDC、[270,390]℃A ATDC、[390,510]℃A ATDC、[510,630]℃A ATDC，并按照所述柴油机各缸对应的轨压采样窗口从所述柴油机工作循环对应的循环离散轨压数据中提取离散轨压数据，得到柴油机各缸对应的离散轨压数据；

步骤1-4、设置柴油机各缸喷油过程对应的轨压采样窗口分别为[-10,30]℃AATDC、[110,150]℃A ATDC、[230,270]℃A ATDC、[350,390]℃A ATDC、[470,510]℃A ATDC、[590,630]℃A ATDC，并按照所述柴油机各缸喷油过程对应的轨压采样窗口从所述柴油机各缸对应的离散轨压数据中提取离散轨压数据，得到柴油机各缸喷油过程对应的离散轨压数据；

步骤1-5、按照柴油机各缸对应的轨压采样窗口、柴油机各缸喷油过程对应的轨压采样窗口和柴油机工作循环对应的轨压采样窗口来提取柴油机各缸对应的轨压波形特征参数，包括柴油机各缸对应的平均轨压、轨压压降峰值、轨压压降谷值、瞬时轨压压降、循环平均瞬时轨压压降；

对柴油机各缸喷油过程对应的离散轨压数据取平均后，作为柴油机各缸对应的平均轨压；

从柴油机各缸喷油过程对应的离散轨压数据中，提取出5个最高轨压后，并经过切尾均值处理后，作为柴油机各缸对应的轨压压降峰值；

从柴油机各缸喷油过程对应的离散轨压数据中，提取出5个最低轨压后，并经过切尾均值处理后，作为柴油机各缸对应的轨压压降谷值；

将所述柴油机各缸对应的轨压压降峰值与所述柴油机各缸对应的轨压压降谷值经过求差处理后，作为柴油机各缸对应的循环平均瞬时轨压压降；

将所述柴油机各缸对应的瞬时轨压压降取平均后，作为柴油机当前工作循环对应的瞬时轨压压降；

其中，所述切尾均值处理，为去除数据的最大值和数据的最小值后，再对剩余的数据取其平均值；

步骤1-6、输出柴油机各缸对应的轨压波形特征参数，包括柴油机各缸对应的平均轨压、轨压压降峰值、轨压压降谷值、瞬时轨压压降、循环平均瞬时轨压压降。

所述基于轨压波形特征参数观测的喷油量观测步骤，具体包括以下步骤：

步骤2-1、建立喷油量观测模型为：其中，V_Inj为当前气缸对应的喷油量，单位为mm³/cyc；△p_Inj为当前气缸对应的瞬时轨压压降，单位为MPa；p为当前气缸对应的平均轨压，单位为MPa；C₁、C₂、C₃和C₄为系数项；

步骤2-2、喷油量观测模型系数的标定：首先，输入至少10组轨压试验数据，包括柴油机各缸实际测量喷油量、各缸观测喷油量、各缸瞬时轨压压降、各缸平均轨压；然后，根据所述轨压试验数据，采用最小二乘法对喷油量观测模型的系数进行参数辨识，得到喷油量观测模型的系数C₁、C₂、C₃和C₄；最后，输出喷油量观测模型的系数C₁、C₂、C₃和C₄；

步骤2-3、观测喷油量的获取：首先，输入柴油机各缸轨压波形特征参数，包括柴油机各缸瞬时轨压压降和各缸平均轨压；然后，根据所述柴油机各缸瞬时轨压压降和各缸平均轨压，利用所述标定后的喷油量观测模型得到柴油机各缸观测喷油量；最后，输出柴油机各缸观测喷油量。

所述基于喷油量观测的喷油量故障诊断步骤，具体包括以下步骤：

步骤3-1、输入参数，包括柴油机各缸设定喷油量、各缸观测喷油量、各缸喷油量偏差阈值、各缸瞬时轨压压降、各缸瞬时轨压压降上限值、循环平均瞬时轨压压降、共轨系统瞬时轨压压降上限值和故障持续状态计数器次数阈值；

步骤3-2、比较观测喷油量和设定喷油量与设定的喷油量偏差阈值之和的大小；如果观测喷油量大于设定喷油量与设定的喷油量偏差阈值之和时，则判定为喷油器喷油量过大，并进入步骤3-3；反之，则进入步骤3-4；

步骤3-3、进行故障持续状态检测；如果故障持续状态计数器次数超过设定的故障持续状态计数器次数阈值时，则判定为喷油器喷油量过大，并作为喷油器喷油量故障状态；反之，故障持续状态计数器次数清零，且喷油器喷油量故障状态不变；最后进入步骤3-9，并对外输出喷油器喷油量故障状态；

步骤3-4、比较观测喷油量和设定喷油量与设定的喷油量偏差阈值之差的大小；如果观测喷油量小于设定喷油量与设定的喷油量偏差阈值之差时，则判定为喷油器喷油量过小，并进入步骤3-6；反之，则判定为喷油器喷油量正常，并进入步骤3-5；

步骤3-5、进行故障持续状态检测；如果故障持续状态计数器次数超过设定的故障持续状态计数器次数阈值时，则判定为喷油器喷油量正常，并作为喷油器喷油量故障状态；反之，故障持续状态计数器次数清零，且喷油器喷油量故障状态不变；最后进入步骤3-9，并对外输出喷油器喷油量故障状态；

步骤3-6、比较瞬时轨压压降和瞬时轨压压降上限值的大小，以及比较循环平均瞬时轨压压降与共轨系统瞬时轨压压降上限值的大小；如果瞬时轨压压降小于瞬时轨压压降上限值的大小，且循环平均瞬时轨压压降小于共轨系统瞬时轨压压降上限值，则判定为喷油器停喷，并进入步骤3-8；反之，则判定为喷油器喷油量过小，并进入步骤3-7；

步骤3-7、进行故障持续状态检测；如果故障持续状态计数器次数超过设定的故障持续状态计数器次数阈值时，则判定为喷油器喷油量过小，并作为喷油器喷油量故障状态；反之，故障持续状态计数器次数清零，且喷油器喷油量故障状态不变；最后进入步骤3-9，并对外输出喷油器喷油量故障状态；

步骤3-8、进行故障持续状态检测；如果故障持续状态计数器次数超过设定的故障持续状态计数器次数阈值时，则判定为喷油器停喷，并作为喷油器喷油量故障状态；反之，故障持续状态计数器次数清零，且喷油器喷油量故障状态不变；最后进入步骤3-9，并对外输出喷油器喷油量故障状态；

步骤3-9、输出柴油机各缸喷油器喷油量故障状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种基于轨压波形特征参数观测的喷油量故障诊断方法，包括轨压信号采样处理步骤、基于轨压波形特征参数观测的喷油量观测步骤及基于喷油量观测的喷油量故障诊断步骤，可以实现高压共轨系统喷油器喷油量的在线故障诊断。本发明的喷油量观测方法，结构简单，对喷油量的观测精度较高；并且本发明的喷油量诊断方法可对喷油量异常现象进行可靠故障诊断，为高压共轨系统全生命周期内喷油量故障诊断提供支持。本发明通过了试验验证，在实际应用中可达到良好的喷油器喷油量故障诊断效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，根据以下给出的详细说明和本发明优选实施例的附图，将会更全面地理解本发明，但是以下说明不是将本发明限制到特定实施例，而仅仅是用于解释和理解的目的。

图1是基于轨压波形特征参数观测的喷油量故障诊断方法的基本架构图；

图2是一个柴油机工作循环内的瞬时轨压波形；

图3是一个轨压波形典型片段波动特征图；

图4是一种轨压信号采样处理步骤的基本架构图；

图5是一种基于喷油量观测的喷油量故障诊断步骤的基本架构图；

图6是轨压信号处理步骤实施时的基本流程；

图7是喷油量观测步骤中喷油量观测模型系数的标定实施时的基本流程；

图8是喷油量观测步骤中观测喷油量的获取实施时的基本流程；

图9是基于喷油量观测的喷油量故障诊断实施时的基本流程；

图10是实际应用时的柴油机第1缸测量喷油量与观测喷油量的喷油量对比图；

图11是实际应用时的柴油机第1缸测量喷油量与观测喷油量的喷油量残差图；

图12是实际应用时的柴油机第1缸对应的不同喷油脉宽工况下的瞬时轨压波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明的一种基于轨压波形特征参数观测的喷油量故障诊断方法，包括轨压信号采样处理步骤、基于轨压波形特征参数观测的喷油量观测步骤及基于喷油量观测的喷油量故障诊断步骤。首先，利用轨压信号采样处理步骤，得到柴油机各缸对应的瞬时轨压压降和平均轨压；其次，利用基于轨压波形特征参数观测的喷油量观测步骤，经过喷油量观测模型计算得到观测喷油量；最后，利用基于喷油量观测的喷油量故障诊断步骤，通过比较观测喷油量与ECU预标定的设定喷油量，实现对柴油机各缸喷油器喷油量的故障诊断，并输出柴油机各缸喷油器喷油量故障状态。所述基于轨压波形特征参数观测的喷油量故障诊断方法基本架构如图1所示。

为了使得本领域技术人员对于所述喷油量观测模型中瞬时轨压压降△p_Inj和平均轨压p求解过程有更清楚的认识，下面将对所述两个变量的求解过程进行详细说明。

在高压共轨系统中，高压油泵凸轮轴推动其柱塞压缩燃油进入共轨管中，引起轨压上升，当柱塞达到上止点(即供油终点)时，停止往共轨管中供油。轨压停止升高，在内部泄漏和脉动作用下，维持一定轨压波动。随后ECU对喷油器进行加电，受到喷油正时(即加电时刻)和喷油脉宽作用，经过一段机电液延迟，高压燃油由喷油器喷入气缸，引起轨压下降，直至喷油器关闭。轨压停止下降，在内部泄漏和脉动作用下，维持一定轨压波动。如此往复交替进行。

以六缸高压共轨柴油机为例进行举例说明。图2为发动机转速1900r/min、轨压120MPa、喷油脉宽0.8ms、喷油正时10℃A BTDC工况下某六缸高压共轨柴油机在一个发动机工作循环内的瞬时轨压波形。其中，轨压信号的采样频率为1℃A。

图3为从图2所示瞬时轨压波形中提取出的第1缸瞬时轨压波形典型片段，平均轨压为第1缸所对应轨压的平均值。将单个气缸的轨压波形典型片段划分为4个特征段：轨压压升段、轨压波峰段、轨压压降段和轨压波谷段，并采用4个特征点来描述轨压波动特征：轨压压升始点、轨压压升终点、轨压压降始点和轨压压降终点。其中，轨压信号采样处理方法如图4所示。

为了便于本领域技术人员的理解，下面将解释一下所述相关术语。

轨压压升始点：瞬时轨压波形中轨压连续急剧上升起始点。

轨压压升终点：瞬时轨压波形中轨压连续急剧上升终止点。

轨压压降始点：瞬时轨压波形中轨压连续急剧下降起始点。

轨压压降终点：瞬时轨压波形中轨压连续急剧下降终止点。

轨压压升段：轨压压升始点与轨压压升终点之间的瞬时轨压。

轨压波峰段：轨压压升终点与轨压压降始点之间的瞬时轨压。

轨压压降段：轨压压降始点与轨压压降终点之间的瞬时轨压。

轨压波谷段：轨压压降终点与轨压压升始点之间的瞬时轨压。

第1缸对应的瞬时轨压采样区间：[-90,30]℃A ATDC。

喷油过程：喷油器喷油时所对应的曲轴转角。

喷油过程对应的瞬时轨压采样区间：[-10,30]℃A ATDC。为了涵盖ECU中不同喷油正时所对应的区间，选取的轨压采样区间较大，为[-10,30]℃A ATDC。

采样频率：1℃A(定角度间隔)。

平均轨压：瞬时轨压波形中对应的轨压的平均值。

瞬时轨压：瞬时轨压波形中对应的轨压。

轨压压降峰值：喷油过程对应的瞬时轨压峰值的平均值。

轨压压降谷值：喷油过程对应的瞬时轨压谷值的平均值。

瞬时轨压压降：喷油过程对应的瞬时轨压压降，即轨压压降峰值与轨压压降谷值之差。

循环平均瞬时轨压压降：一个发动机循环内各缸瞬时轨压压降的平均值。

所述轨压信号采样处理步骤实施的基本流程如图6所示，至少包括以下步骤：

S601、采用1℃A采样频率定角度间隔来采集轨压传感器信号，得到离散轨压数据，并放入缓冲存储数组；

S602、设置柴油机工作循环对应的轨压采样窗口为[-90,630]℃A ATDC，并按照所述柴油机工作循环对应的轨压采样窗口从缓冲存储数据中提取离散轨压数据，得到柴油机工作循环对应的离散轨压数据；

S603、所述柴油机为六缸柴油机，设置柴油机各缸对应的轨压采样窗口分别为[-90,30]℃A ATDC、[30,150]℃A ATDC、[150,270]℃A ATDC、[270,390]℃A ATDC、[390,510]℃A ATDC、[510,630]℃A ATDC，并按照所述柴油机各缸对应的轨压采样窗口从所述柴油机工作循环对应的循环离散轨压数据中提取离散轨压数据，得到柴油机各缸对应的离散轨压数据；

S604、设置柴油机各缸喷油过程对应的轨压采样窗口分别为[-10,30]℃A ATDC、[110,150]℃A ATDC、[230,270]℃A ATDC、[350,390]℃A ATDC、[470,510]℃A ATDC、[590,630]℃A ATDC，并按照所述柴油机各缸喷油过程对应的轨压采样窗口从所述柴油机各缸对应的离散轨压数据中提取离散轨压数据，得到柴油机各缸喷油过程对应的离散轨压数据；

S605、按照柴油机各缸对应的轨压采样窗口、柴油机各缸喷油过程对应的轨压采样窗口和柴油机工作循环对应的轨压采样窗口来提取柴油机各缸对应的轨压波形特征参数，包括柴油机各缸对应的平均轨压、轨压压降峰值、轨压压降谷值、瞬时轨压压降、循环平均瞬时轨压压降；

对柴油机各缸喷油过程对应的离散轨压数据取平均后，作为柴油机各缸对应的平均轨压；

从柴油机各缸喷油过程对应的离散轨压数据中，提取出5个最高轨压后，并经过切尾均值处理后，作为柴油机各缸对应的轨压压降峰值；

从柴油机各缸喷油过程对应的离散轨压数据中，提取出5个最低轨压后，并经过切尾均值处理后，作为柴油机各缸对应的轨压压降谷值；

将所述柴油机各缸对应的轨压压降峰值与所述柴油机各缸对应的轨压压降谷值经过求差处理后，作为柴油机各缸对应的循环平均瞬时轨压压降；

将所述柴油机各缸对应的瞬时轨压压降取平均后，作为柴油机当前工作循环对应的瞬时轨压压降；

其中，所述切尾均值处理，为去除数据的最大值和数据的最小值后，再对剩余的数据取其平均值；

S606、输出柴油机各缸对应的轨压波形特征参数，包括柴油机各缸对应的平均轨压、轨压压降峰值、轨压压降谷值、瞬时轨压压降、循环平均瞬时轨压压降。

本发明中，所述基于轨压波形特征参数观测的喷油量观测步骤的核心为喷油量观测模型，包括：建立喷油量观测模型、喷油量观测模型系数的标定和观测喷油量的获取。

所述喷油量观测模型为：其中，V_Inj为当前气缸对应的喷油量，单位为mm³/cyc；△p_Inj为当前气缸对应的瞬时轨压压降，单位为MPa；p为当前气缸对应的平均轨压，单位为MPa；C₁、C₂、C₃和C₄为系数项，可由试验数据确定，本发明中，C₁的取值范围为-1800～1800，C₂、C₃和C₄的取值范围为-100～100。

为了使得本领域技术人员对于所述模型有更清楚的认识，对于所述喷油量观测模型具体的推导过程介绍如下。

燃油在低压时可视为不可压缩流体，但在高压(30MPa以上)时必须考虑其可压缩性，高压共轨系统中轨压变化较大，造成喷油器喷油瞬间引起共轨管内燃油瞬态轨压压降。假定共轨管内的压缩燃油是压力分布均匀的，则根据燃油弹性模量的定义可知：

其中，E为燃油弹性模量，单位为MPa；V为共轨管控制容积，单位为mm³；dp为共轨管中轨压变化量，单位为MPa；dV为共轨管中燃油体积变化量，单位为mm³。

根据共轨管的燃油连续性方程，可知：

其中，Q_Pump为高压油泵供入共轨管的燃油体积流量，单位为mm³/s；Q_Inj为喷油器喷入气缸的燃油体积流量，单位为mm³/s；Q_LeakInj为喷油器的燃油泄漏量，单位为mm³/s。

喷油器泄漏包括静态泄漏和动态泄漏两个部分。静态泄漏主要发生在控制活塞偶件和针阀偶件两处，由于喷油脉宽很小，一般控制在6ms之内，则在喷油过程中可以忽略喷油器的静态泄漏。对于喷油器燃油动态泄漏量，由于喷油器回油节流孔直径与喷油孔直径相当，且喷油器控制腔压力约为轨压一半，则可推知喷油器燃油动态泄漏量与喷油量成比例关系，比例系数由喷油器的喷孔数目决定。将喷油器动态泄漏量表示为喷油量的关系式，则喷油器的燃油泄漏量可表示为：

Q_LeakInj＝C₁₁Q_Inj

其中，C₁₁为修正系数项，可由喷油器的喷孔数目和试验数据确定。

针对喷油过程可视为零供油量，则由上述共轨管燃油连续性方程可得喷油量为：

将喷油器喷入气缸的燃油体积流量转换为循环喷油量，则循环喷油量可表示为：

其中，V_Inj为当前气缸对应的喷油量，单位为mm³/cyc；△p_Inj为当前气缸对应的瞬时轨压压降，单位为MPa；C₁₂为修正系数项，可由试验数据确定。

根据燃油弹性模量的经验公式可知燃油弹性模量为：

E＝1200+12p

其中，p为当前气缸对应的平均轨压，单位为MPa。

共轨管控制容积为：

V＝V_CRP+V_HPP1+V_HPP2+V_HPC+V_CRC

其中，V_CRP为共轨管容积，单位为mm³；V_HPP1为高压油泵与共轨管连接的高压油管总容积，单位为mm³；V_HPP2为喷油器与共轨管连接的高压油管总容积，单位为mm³；V_HPC为喷油器与高压油管连接的高压连接器总容积，单位为mm³；V_CRC为共轨管及高压油管因高压燃油作用发生而形变造成的共轨管控制容积修正量，单位为mm³。

共轨管控制容积修正量V_CRC可表示成与轨压相关的数学关系式，即为：

V_CRC＝C₁₃+C₁₄p

其中，C₁₃和C₁₄为系数项，可由试验数据确定。

根据以上所述的循环喷油量公式、燃油弹性模量经验公式和共轨管控制容积公式，建立的喷油量观测模型为：

对所述的喷油量观测模型进行复杂，为了简化标定对模型进行变形，将系数项进行合并与简化处理，处理后的喷油量观测模型可表示为：

实现喷油量观测模型系数标定的基本流程如图7所示，具体步骤包括：

S701、输入至少10组轨压试验数据，包括柴油机各缸实际测量喷油量、各缸观测喷油量、各缸瞬时轨压压降、各缸平均轨压；

S702、根据所述至少10组轨压试验数据，采用最小二乘法对喷油量观测模型的系数进行参数辨识，得到喷油量观测模型的系数C₁、C₂、C₃和C₄；

S703、输出喷油量观测模型的系数C₁、C₂、C₃和C₄。

步骤3、观测喷油量的获取。所述观测喷油量的获取，实施例的基本流程如图8所示，具体步骤包括：

步骤S801、输入柴油机各缸轨压波形特征参数，包括柴油机各缸瞬时轨压压降和各缸平均轨压；

步骤S802、根据所述柴油机各缸瞬时轨压压降和各缸平均轨压，利用所述标定后的喷油量观测模型，经过计算得到柴油机各缸观测喷油量；

步骤S803、输出柴油机各缸观测喷油量。

本发明中，基于喷油量观测的喷油量故障诊断步骤的基本架构如图5所示。

喷油量故障诊断方法利用观测喷油量、设定喷油量、瞬时轨压压降和循环平均瞬时轨压压降对喷油量执行故障诊断，并判断喷油量过大或过小，最终判定喷油器喷油量过大、喷油器喷油量过小或喷油器停喷。

当观测喷油量超过设定喷油量与设定的喷油量偏差阈值之和时，则判定为喷油器喷油量过大。

当观测喷油量小于设定喷油量与设定的喷油量偏差阈值之差时，则判定为喷油器喷油量过小。

当观测喷油量小于设定喷油量与设定的喷油量偏差阈值之差，瞬时轨压压降小于瞬时轨压压降上限值的大小，且循环平均瞬时轨压压降小于共轨系统瞬时轨压压降上限值时，则判定为喷油器停喷。

所述故障持续状态检测为如果故障持续状态次数超过设定的故障持续状态次数阈值时，则判定为喷油器喷油量故障，并对外输出喷油器喷油量故障状态；反之，只要有一次不满足条件，则故障持续状态次数重新开始计算。

该基于喷油量观测的喷油量故障诊断步骤实施的基本流程如图9所示，至少包括以下步骤：

S901、输入参数，包括柴油机各缸设定喷油量、各缸观测喷油量、各缸喷油量偏差阈值、各缸瞬时轨压压降、各缸瞬时轨压压降上限值、循环平均瞬时轨压压降、共轨系统瞬时轨压压降上限值和故障持续状态计数器次数阈值；

S902、比较观测喷油量和设定喷油量与设定的喷油量偏差阈值之和的大小；如果观测喷油量大于设定喷油量与设定的喷油量偏差阈值之和时，则判定为喷油器喷油量过大，并进入步骤S903；反之，则进入步骤S904；

S903、进行故障持续状态检测；如果故障持续状态计数器次数超过设定的故障持续状态计数器次数阈值时，则判定为喷油器喷油量过大，并作为喷油器喷油量故障状态；反之，故障持续状态计数器次数清零，且喷油器喷油量故障状态不变；最后进入步骤S909，并对外输出喷油器喷油量故障状态；

S904、比较观测喷油量和设定喷油量与设定的喷油量偏差阈值之差的大小；如果观测喷油量小于设定喷油量与设定的喷油量偏差阈值之差时，则判定为喷油器喷油量过小，并进入步骤S906；反之，则判定为喷油器喷油量正常，并进入步骤S905；

S905、进行故障持续状态检测；如果故障持续状态计数器次数超过设定的故障持续状态计数器次数阈值时，则判定为喷油器喷油量正常，并作为喷油器喷油量故障状态；反之，故障持续状态计数器次数清零，且喷油器喷油量故障状态不变；最后进入步骤S909，并对外输出喷油器喷油量故障状态；

S906、比较瞬时轨压压降和瞬时轨压压降上限值的大小，以及比较循环平均瞬时轨压压降与共轨系统瞬时轨压压降上限值的大小；如果瞬时轨压压降小于瞬时轨压压降上限值的大小，且循环平均瞬时轨压压降小于共轨系统瞬时轨压压降上限值，则判定为喷油器停喷，并进入步骤S908；反之，则判定为喷油器喷油量过小，并进入步骤S907；

步骤S907、进行故障持续状态检测；如果故障持续状态计数器次数超过设定的故障持续状态计数器次数阈值时，则判定为喷油器喷油量过小，并作为喷油器喷油量故障状态；反之，故障持续状态计数器次数清零，且喷油器喷油量故障状态不变；最后进入步骤S909，并对外输出喷油器喷油量故障状态；

S908、进行故障持续状态检测；如果故障持续状态计数器次数超过设定的故障持续状态计数器次数阈值时，则判定为喷油器停喷，并作为喷油器喷油量故障状态；反之，故障持续状态计数器次数清零，且喷油器喷油量故障状态不变；最后进入步骤S909，并对外输出喷油器喷油量故障状态；

S909、输出柴油机各缸喷油器喷油量故障状态。

为了验证本发明的基于轨压波形特征参数观测的喷油量故障诊断方法对喷油器喷油量异常现象的诊断效果，在一台六缸柴油机高压共轨燃油喷射系统中进行实际应用。该六缸柴油机的型号为潍柴WP12.480，排量为11.596L，额定功率为353kW(对应的柴油机转速为2100r/min)，最大扭矩为1973N·m(对应的柴油机转速为1200～1500r/min)，所配燃油喷射系统为博世第二代高压共轨燃油喷射系统，最高喷射压力为180MPa。

以柴油机第1缸喷油器为例进行分析，在利用试验数据对所述喷油量观测模型中的系数进行标定后，再利用所述喷油量观测模型对第1缸喷油器喷油量进行观测。其中，喷油量观测模型的系数为C₁＝1174.723，C₂＝0.108，C₃＝23.985，C₄＝-11.590；图10是实际应用时的柴油机第1缸测量喷油量与观测喷油量的喷油量对比图；图11是实际应用时的柴油机第1缸测量喷油量与观测喷油量的喷油量残差图。

图10和图11喷油量观测结果表明，喷油量观测值与喷油量测量值的均方根误差为2.645mm³/cyc，最大绝对误差为5.138mm³/cyc，最大相对误差为8.43％，回归分析的决定系数为0.980。因此，本发明的喷油量观测模型的观测精度较高，可用于喷油量在线观测，并进一步用于喷油量在线故障诊断。

固定该柴油机的平均转速为1200r/min、平均共轨为100MPa、喷油脉宽为1.0ms、喷油正时为-8℃A ATDC，则设定喷油量为94.694mm³/cyc。调节该柴油机第1缸喷油器对应的喷油脉宽分别在0、0.8、1.2和1.5ms变化，模拟喷油器喷油量执行异常现象。其中，图12是实际应用时的柴油机第1缸对应的不同喷油脉宽工况下的瞬时轨压波形图，表1为喷油量故障诊断方法对柴油机第1缸喷油器喷油量的诊断结果。

由图12所示柴油机第1缸对应的不同喷油脉宽工况下的瞬时轨压波形可知，喷油脉宽执行异常时，瞬时轨压压降偏离喷油脉宽为1.0ms时对应的基准瞬时轨压压降。再由表1所示喷油量故障诊断方法的诊断结果可知，喷油量故障诊断方法可对喷油量执行异常现象进行可靠诊断，并给出了喷油量故障状态，为高压共轨系统在全生命周期内喷油量在线故障诊断提供支持。

表1喷油量故障诊断方法对柴油机第1缸喷油器喷油量的诊断结果

本发明提供的一种基于轨压波形特征参数观测的喷油量故障诊断方法，结构简单，对喷油量的观测精度较高，并且可对喷油器喷油量异常现象进行可靠故障诊断，为高压共轨系统全生命周期内喷油器喷油量故障诊断提供支持。本发明通过了试验验证，在实际应用中可达到良好的喷油器喷油量故障诊断效果。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和方案改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于轨压波形特征参数观测的喷油量故障诊断方法，包括：

轨压信号采样处理步骤，得到柴油机各缸对应的瞬时轨压压降和平均轨压；

基于轨压波形特征参数观测的喷油量观测步骤，利用喷油量观测模型获取观测喷油量；

基于喷油量观测的喷油量故障诊断步骤，通过比较观测喷油量与预标定的设定喷油量，实现对柴油机各缸喷油器喷油量的故障诊断，并输出柴油机各缸喷油器喷油量故障状态；其特征在于，

所述轨压信号采样处理步骤，具体包括以下步骤：

步骤1-1、采用1℃A采样频率定角度间隔来采集轨压传感器信号，得到离散轨压数据，并放入缓冲存储数组；

步骤1-2、设置柴油机工作循环对应的轨压采样窗口为[-90，630]℃A ATDC，并按照所述柴油机工作循环对应的轨压采样窗口从缓冲存储数据中提取离散轨压数据，得到柴油机工作循环对应的离散轨压数据；

步骤1-3、所述柴油机为六缸柴油机，设置柴油机各缸对应的轨压采样窗口分别为[-90,30]℃A ATDC、[30,150]℃A ATDC、[150,270]℃A ATDC、[270,390]℃A ATDC、[390,510]℃A ATDC、[510,630]℃A ATDC，并按照所述柴油机各缸对应的轨压采样窗口从所述柴油机工作循环对应的循环离散轨压数据中提取离散轨压数据，得到柴油机各缸对应的离散轨压数据；

步骤1-4、设置柴油机各缸喷油过程对应的轨压采样窗口分别为[-10,30]℃A ATDC、[110,150]℃A ATDC、[230,270]℃A ATDC、[350,390]℃A ATDC、[470,510]℃A ATDC、[590,630]℃A ATDC，并按照所述柴油机各缸喷油过程对应的轨压采样窗口从所述柴油机各缸对应的离散轨压数据中提取离散轨压数据，得到柴油机各缸喷油过程对应的离散轨压数据；

步骤1-5、按照柴油机各缸对应的轨压采样窗口、柴油机各缸喷油过程对应的轨压采样窗口和柴油机工作循环对应的轨压采样窗口来提取柴油机各缸对应的轨压波形特征参数，包括柴油机各缸对应的平均轨压、轨压压降峰值、轨压压降谷值、瞬时轨压压降、循环平均瞬时轨压压降；

对柴油机各缸喷油过程对应的离散轨压数据取平均后，作为柴油机各缸对应的平均轨压；

从柴油机各缸喷油过程对应的离散轨压数据中，提取出5个最高轨压后，并经过切尾均值处理后，作为柴油机各缸对应的轨压压降峰值；

从柴油机各缸喷油过程对应的离散轨压数据中，提取出5个最低轨压后，并经过切尾均值处理后，作为柴油机各缸对应的轨压压降谷值；

将所述柴油机各缸对应的轨压压降峰值与所述柴油机各缸对应的轨压压降谷值经过求差处理后，作为柴油机各缸对应的循环平均瞬时轨压压降；

将所述柴油机各缸对应的瞬时轨压压降取平均后，作为柴油机当前工作循环对应的瞬时轨压压降；

其中，所述切尾均值处理，为去除数据的最大值和数据的最小值后，再对剩余的数据取其平均值；

步骤1-6、输出柴油机各缸对应的轨压波形特征参数，包括柴油机各缸对应的平均轨压、轨压压降峰值、轨压压降谷值、瞬时轨压压降、循环平均瞬时轨压压降。

2.根据权利要求1所述基于轨压波形特征参数观测的喷油量故障诊断方法，其特征在于，所述基于轨压波形特征参数观测的喷油量观测步骤，具体包括以下步骤：

步骤2-1、建立喷油量观测模型为：其中，V_Inj为当前气缸对应的喷油量，单位为mm³/cyc；△p_Inj为当前气缸对应的瞬时轨压压降，单位为MPa；p为当前气缸对应的平均轨压，单位为MPa；C₁、C₂、C₃和C₄为系数项；

步骤2-2、喷油量观测模型系数的标定：首先，输入至少10组轨压试验数据，包括柴油机各缸实际测量喷油量、各缸观测喷油量、各缸瞬时轨压压降、各缸平均轨压；然后，根据所述轨压试验数据，采用最小二乘法对喷油量观测模型的系数进行参数辨识，得到喷油量观测模型的系数C₁、C₂、C₃和C₄；最后，输出喷油量观测模型的系数C₁、C₂、C₃和C₄；

步骤2-3、观测喷油量的获取：首先，输入柴油机各缸轨压波形特征参数，包括柴油机各缸瞬时轨压压降和各缸平均轨压；然后，根据所述柴油机各缸瞬时轨压压降和各缸平均轨压，利用所述标定后的喷油量观测模型得到柴油机各缸观测喷油量；最后，输出柴油机各缸观测喷油量。

3.根据权利要求2所述基于轨压波形特征参数观测的喷油量故障诊断方法，其特征在于，所述基于喷油量观测的喷油量故障诊断步骤，具体包括以下步骤：

步骤3-1、输入参数，包括柴油机各缸设定喷油量、各缸观测喷油量、各缸喷油量偏差阈值、各缸瞬时轨压压降、各缸瞬时轨压压降上限值、循环平均瞬时轨压压降、共轨系统瞬时轨压压降上限值和故障持续状态计数器次数阈值；

步骤3-2、比较观测喷油量和设定喷油量与设定的喷油量偏差阈值之和的大小；如果观测喷油量大于设定喷油量与设定的喷油量偏差阈值之和时，则判定为喷油器喷油量过大，并进入步骤3-3；反之，则进入步骤3-4；

步骤3-3、进行故障持续状态检测；如果故障持续状态计数器次数超过设定的故障持续状态计数器次数阈值时，则判定为喷油器喷油量过大，并作为喷油器喷油量故障状态；反之，故障持续状态计数器次数清零，且喷油器喷油量故障状态不变；最后进入步骤3-9，并对外输出喷油器喷油量故障状态；

步骤3-4、比较观测喷油量和设定喷油量与设定的喷油量偏差阈值之差的大小；如果观测喷油量小于设定喷油量与设定的喷油量偏差阈值之差时，则判定为喷油器喷油量过小，并进入步骤3-6；反之，则判定为喷油器喷油量正常，并进入步骤3-5；

步骤3-5、进行故障持续状态检测；如果故障持续状态计数器次数超过设定的故障持续状态计数器次数阈值时，则判定为喷油器喷油量正常，并作为喷油器喷油量故障状态；反之，故障持续状态计数器次数清零，且喷油器喷油量故障状态不变；最后进入步骤3-9，并对外输出喷油器喷油量故障状态；

步骤3-6、比较瞬时轨压压降和瞬时轨压压降上限值的大小，以及比较循环平均瞬时轨压压降与共轨系统瞬时轨压压降上限值的大小；如果瞬时轨压压降小于瞬时轨压压降上限值的大小，且循环平均瞬时轨压压降小于共轨系统瞬时轨压压降上限值，则判定为喷油器停喷，并进入步骤3-8；反之，则判定为喷油器喷油量过小，并进入步骤3-7；

步骤3-7、进行故障持续状态检测；如果故障持续状态计数器次数超过设定的故障持续状态计数器次数阈值时，则判定为喷油器喷油量过小，并作为喷油器喷油量故障状态；反之，故障持续状态计数器次数清零，且喷油器喷油量故障状态不变；最后进入步骤3-9，并对外输出喷油器喷油量故障状态；

步骤3-8、进行故障持续状态检测；如果故障持续状态计数器次数超过设定的故障持续状态计数器次数阈值时，则判定为喷油器停喷，并作为喷油器喷油量故障状态；反之，故障持续状态计数器次数清零，且喷油器喷油量故障状态不变；最后进入步骤3-9，并对外输出喷油器喷油量故障状态；

步骤3-9、输出柴油机各缸喷油器喷油量故障状态。