CN105003373B - 一种基于轨压波形特征参数观测的喷油正时故障诊断方法 - 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正时故障诊断方法，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正时观测步骤、及基于喷油正时观测的喷油正时故障诊断步骤。首先，利用轨压信号采样处理步骤，得到柴油机各缸对应的轨压压降平衡点和平均轨压；其次，结合柴油机各缸对应的柴油机平均转速，再经过喷油正时观测模型计算得到观测喷油正时；最后，通过比较观测喷油正时与预标定的设定喷油正时，实现对柴油机各缸喷油器喷油正时的故障诊断，并输出柴油机各缸喷油器喷油正时故障状态。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正时故障诊断效果。

Description

一种基于轨压波形特征参数观测的喷油正时故障诊断方法

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正时故障诊断方法。

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正时故障诊断，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正时故障诊断方法，用于喷油器喷油正时的在线故障诊断，并显著提高喷油器喷油正时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正时故障诊断方法，主要包括：轨压信号采样处理步骤，用于得到柴油机各缸对应的轨压压降平衡点和平均轨压；基于轨压波形特征参数观测的喷油正时观测步骤，结合柴油机各缸对应的柴油机平均转速，再经过喷油正时观测模型计算得到观测喷油正时；基于喷油正时观测的喷油正时故障诊断步骤，通过比较观测喷油正时与预标定的设定喷油正时，实现对柴油机各缸喷油器喷油正时的故障诊断，并输出柴油机各缸喷油器喷油正时故障状态。

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、轨压压降平衡点角度；

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；

从柴油机各缸喷油过程对应的离散轨压数据中，查找平均轨压所对应的两个相邻离散轨压，并得到该两个相邻离散轨压所对应的曲轴转角位置，再根据线性插值原理，利用平均轨压和两个相邻离散轨压及对应的曲轴转角位置，其得到轨压压降平衡点角度，作为柴油机各缸对应的轨压压降平衡点角度；

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、轨压压降平衡点角度。

所述基于轨压波形特征参数观测的喷油正时观测步骤，具体包括以下步骤：

步骤2-1、建立喷油正时观测模型为：其中，θ_SOI为当前气缸对应的喷油正时，单位为℃A ATDC；θ_RPFB为当前气缸对应的轨压压降平衡点角度，单位为℃A ATDC；p为当前气缸对应的平均轨压，单位为MPa；n为当前气缸对应的柴油机平均转速，单位为r/min；C₁、C₂、C₃和C₄为系数项；

步骤2-2、喷油正时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喷油正时、各缸观测喷油正时、各缸轨压压降平衡点角度、各缸平均轨压、各缸平均转速；然后，根据所述轨压试验数据，采用最小二乘法对喷油正时观测模型的系数进行参数辨识，得到喷油正时观测模型的系数C₁、C₂、C₃和C₄；最后，输出喷油正时观测模型的系数C₁、C₂、C₃和C₄；

步骤2-3、观测喷油正时的获取：首先，输入柴油机各缸轨压波形特征参数和柴油机工况参数，包括柴油机各缸轨压压降平衡点角度、各缸平均轨压及各缸平均转速；然后，根据所述柴油机各缸轨压压降平衡点角度、各缸平均轨压及各缸平均转速，利用所述标定后的喷油正时观测模型，经过计算得到柴油机各缸观测喷油正时；最终，输出柴油机各缸观测喷油正时。

所述基于喷油正时观测的喷油正时故障诊断步骤，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正时、各缸观测喷油正时、各缸喷油正时偏差阈值、各缸瞬时轨压压降、各缸瞬时轨压压降下限值、循环平均轨压瞬时轨压压降、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、比较瞬时轨压压降和瞬时轨压压降下限值的大小，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；如果瞬时轨压压降大于瞬时轨压压降下限值，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，则判定为喷油器喷油正时在检测范围且可以进行故障诊断，并进入步骤3-4；反之，则判定为喷油器喷油正时不在检测范围，并进入步骤3-3；

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正时不在检测范围，并作为喷油器喷油正时故障状态；反之，故障持续状态计数器次数清零，且喷油器喷油正时故障状态不变；最后进入步骤3-8，并对外输出喷油器喷油正时故障状态；

步骤3-4、比较观测喷油正时和设定喷油正时与设定的喷油正时偏差阈值之和的大小；如果观测喷油正时大于设定喷油正时与设定的喷油正时偏差阈值之和时，则判定为喷油器喷油推迟，并进入步骤3-5；反之，则进入步骤3-6；

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推迟，并作为喷油器喷油正时故障状态；反之，故障持续状态计数器次数清零，且喷油器喷油正时故障状态不变；最后进入步骤3-8，并对外输出喷油器喷油正时故障状态；

步骤3-6、比较观测喷油正时和设定喷油正时与设定的喷油正时偏差阈值之差的大小；如果观测喷油正时小于设定喷油正时与设定的喷油正时偏差阈值之差时，则判定为喷油器喷油提前，并进入步骤3-7；反之，则判定为喷油器喷油正时正常，并作为喷油器喷油正时故障状态；最后进入步骤3-8，并对外输出喷油器喷油正时故障状态；

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提前，并作为喷油器喷油正时故障状态；反之，故障持续状态计数器次数清零，且喷油器喷油正时故障状态不变；最后进入步骤3-8，并对外输出喷油器喷油正时故障状态；

步骤3-8、输出柴油机各缸喷油器喷油正时故障状态。

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正时故障诊断方法，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正时观测步骤及基于喷油正时观测的喷油正时故障诊断步骤，可以实现高压共轨系统喷油器喷油正时的在线故障诊断。本发明的喷油正时观测方法，结构简单，对喷油正时的观测精度较高；并且本发明的喷油正时诊断方法可对喷油正时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正时故障诊断提供支持。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正时故障诊断效果。

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正时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是一种基于喷油正时观测的喷油正时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是喷油正时观测步骤中喷油正时观测模型系数的标定实施时的基本流程；

图8是喷油正时观测步骤中观测喷油正时的获取实施时的基本流程；

图9是基于喷油正时观测的喷油正时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缸测量喷油正时与观测喷油正时的喷油正时对比图；

图11是实际应用时的柴油机第1缸测量喷油正时与观测喷油正时的喷油正时残差图；

图12是实际应用时的柴油机第1缸对应的不同喷油正时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正时故障诊断方法，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正时观测步骤、及基于喷油正时观测的喷油正时故障诊断步骤。首先，通过轨压信号采样处理分别得到柴油机各缸对应的轨压压降平衡点、平均轨压和平均转速；其次，再经过喷油正时观测模型计算得到观测喷油正时；最后，通过比较观测喷油正时与ECU预标定的设定喷油正时，实现对柴油机各缸喷油器喷油正时的故障诊断，并输出柴油机各缸喷油器喷油正时故障状态。所述基于轨压波形特征参数观测的喷油正时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正时观测模型中轨压压降平衡点角度θ_RPFB和平均轨压p的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为柴油机平均转速1900r/min、轨压120MPa、喷油脉宽0.8ms、喷油正时-10℃A ATDC工况下某六缸高压共轨柴油机在一个柴油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(定角度间隔)。

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，轨压信号采样处理步骤如图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。

柴油机工作循环对应的轨压采样窗口：[-90,630]℃A ATDC。

柴油机各缸工作时所对应的曲轴转角为120℃A。

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。

喷油过程：喷油器喷油时所对应的曲轴转角。为了涵盖ECU中不同喷油正时所对应的区间，选取的喷油过程对应的轨压采样窗口较大。

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]℃AATDC。

柴油机第1缸对应的轨压采样窗口：[-90,30]℃A ATDC。

柴油机第1缸喷油过程对应的轨压采样窗口：[-10,30]℃A ATDC。

采样频率：1℃A(定角度间隔)。

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。

轨压压降平衡点：瞬时轨压波形中轨压连续急剧下降过程中过平均轨压时的对应点。

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。

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：一个柴油机工作循环内各缸瞬时轨压压降的平均值。

轨压压降始点角度：轨压压降始点所对应的曲轴转角位置。

轨压压降平衡点角度：轨压压降平衡点所对应的曲轴转角位置。

平均转速：一个柴油机工作循环内柴油机转速的平均值，由ECU中曲轴与凸轮轴位置判断模块计算并输出，而本发明的喷油正时观测模型直接使用ECU输出的柴油机平均转速。

本发明中，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、轨压压降平衡点角度；

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；

从柴油机各缸喷油过程对应的离散轨压数据中，查找该平均轨压所对应的两个相邻离散轨压，并得到该两个相邻离散轨压所对应的曲轴转角位置，再根据线性插值原理，利用平均轨压和两个相邻离散轨压及对应的曲轴转角位置，其得到轨压压降平衡点角度，作为柴油机各缸对应的轨压压降平衡点角度。

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、轨压压降平衡点角度。

本发明中，其核心内容是喷油正时观测模型，包括建立喷油正时观测模型、喷油正时观测模型系数的标定和观测喷油正时的获取，具体步骤如下：

所述喷油正时观测模型为：

其中，θ_SOI为当前气缸对应的喷油正时，单位为℃A ATDC；θ_RPFB为当前气缸对应的轨压压降平衡点角度，单位为℃A ATDC；p为当前气缸对应的平均轨压，单位为MPa；n为当前气缸对应的柴油机平均转速，单位为r/min；C₁、C₂、C₃和C₄为系数项，可由试验数据确定，C₁、C₂、C₃和C₄的取值范围为-10～10。

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

ECU在发出喷油器控制指令后，受到喷油器高速电磁阀中电感的影响，喷油器驱动电流会有一个上升过程，在经过一定时间的延迟后，喷油器驱动电流才会达到要求值使得电磁力能够克服弹簧预紧力。在电磁力大于弹簧预紧力后，喷油器控制腔打开，喷油器开始回油，经过一段液力延迟后，控制腔压力降低。当控制腔的压力低于针阀承压面上压力时，针阀开始向上运动。当针阀运动开始后，高压燃油才从喷孔处喷向燃烧室。

喷油正时θ_SOI可表示为：

θ_SOI＝θ_RPFS-(θ_INOD+θ_RPSD+θ_RPRD)

其中，θ_RPFS为当前气缸对应的轨压压降始点角度，单位为℃A ATDC；θ_INOD为喷油器针阀开启延迟对应的曲轴转角，单位为℃A；θ_RPSD为轨压信号传递延迟对应的曲轴转角，单位为℃A；θ_RPRD为轨压传感器响应延迟对应的曲轴转角，单位为℃A。

引入延迟时间，则喷油正时可表示为：

θ_SOI＝θ_RPFS-6n(t_INOD+t_RPSD+t_RPRD)

其中，t_INOD为喷油器针阀开启延迟时间，单位为s；t_RPSD为轨压信号传递延迟时间，单位为s；t_RPRD为轨压传感器响应延迟时间，单位为s。

喷油器针阀开启延迟时间t_INOD为：

其中，L_IN为喷油器针阀的行程，单位为m；a_IN为喷油器针阀动作时的加速度，单位为m/s²。

喷油器针阀加速度a_IN为：

其中，m_IN为喷油器针阀质量，单位为kg；F_IN为喷油器针阀所受作用力，单位为N。

喷油器针阀所受作用力F_IN为：

F_IN＝F_IH+F_IE-F_IS

其中，F_IH为高压燃油对喷油器针阀的作用力，单位为s；F_IE为喷油器针阀所受电磁力，单位为s；F_IS为喷油器针阀所受弹簧作用力，单位为s。

高压燃油对喷油器针阀的作用力F_IH为：

其中，d_IBV为喷油器控制器球阀对应的节流孔直径，单位为m。

轨压信号传递延迟时间t_RPSD为：

其中，L_RH为轨压信号传播的路程，即喷油器与轨压传感器间的距离，单位为m；a_RH为高压燃油在共轨管中的传播速度，单位为m/s。

轨压信号在共轨管中的传播速度a_RH为：

燃油密度ρ为：

其中，ρ为燃油密度，单位为kg/m³；ρ₀为常温常压下的燃油密度，单位为kg/m³；p为燃油压力，单位为MPa。

由以上数学公式可得喷油正时的数学公式为：

对喷油正时数学公式进行简化，将未知与复杂参数用系数项进行表示，可得基于轨压压降始点角度的喷油正时的数学公式为：

其中，C₁₁、C₁₂、C₁₃、C₁₄、C₁₅和C₁₆为系数项，可由试验数据确定。

鉴于在ECU中直接测量轨压压降始点角度时，精确获取轨压压降始点角度较为困难，且得到的轨压压降始点角度精度不高，而轨压压降平衡点角度相对来说比较容易获取。因此，根据基于轨压压降始点角度的喷油正时数学公式，采用轨压压降平衡点角度来表示喷油正时，则基于轨压压降平衡点角度的喷油正时数学公式可表示为：

其中，θ_RPFB为当前气缸对应的轨压压降平衡点角度，单位为℃A ATDC；C₂₁、C₂₂、C₂₃、C₂₄、C₂₅和C₂₆为系数项，可由试验数据确定。

鉴于所述基于轨压压降平衡点的喷油正时数学公式结构比较复杂，在ECU中进行开平方根运算时的执行效率较低，故需要对喷油正时数学公式进一步简化。

利用分式多项式拟合函数对所述基于轨压压降平衡点角度的喷油正时数学公式进一步简化，得到简化后的喷油正时数学公式，并基于此喷油正时数学公式建立喷油正时观测模型。则喷油正时观测模型可表示为：

实现喷油正时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喷油正时、各缸观测喷油正时、各缸轨压压降平衡点角度、各缸平均轨压、各缸平均转速；

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

S703、输出喷油正时观测模型的系数C₁、C₂、C₃和C₄。

观测喷油正时的获取的基本流程如图8所示，具体步骤包括：

S801、输入柴油机各缸轨压波形特征参数和柴油机工况参数，包括柴油机各缸轨压压降平衡点角度、各缸平均轨压及各缸平均转速；

S802、根据所述柴油机各缸轨压压降平衡点角度、各缸平均轨压及各缸平均转速，利用所述标定后的喷油正时观测模型，经过计算得到柴油机各缸观测喷油正时；

S803、输出柴油机各缸观测喷油正时。

本发明中，基于喷油正时观测的喷油正时故障诊断步骤的基本架构，如图5所示。

喷油正时故障诊断方法利用各缸的观测喷油正时、设定喷油正时、瞬时轨压压降和循环平均瞬时轨压压降对喷油正时执行故障诊断，并判断实际喷油正时变大、变小或几乎不变，最终判定喷油器喷油推迟、喷油器喷油提前或喷油器喷油正常。

在瞬时轨压压降大于瞬时轨压压降下限值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的前提下，

当观测喷油正时大于设定喷油正时与设定的喷油正时偏差阈值之和时，则判定为喷油器喷油推迟；

当观测喷油正时小于设定喷油正时与设定的喷油正时偏差阈值之差时，则判定为喷油器喷油提前；

当不满足上述两个条件时，则认为喷油器喷油正常，并判定为喷油器喷油正时正常。

所述喷油正时偏差阈值为大于零的正数。

所述故障持续状态检测为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正时故障，并对外输出喷油器喷油正时故障状态；反之，故障持续状态计数器次数清零，且喷油器喷油正时故障状态不变。

该基于喷油正时观测的喷油正时故障诊断的基本流程如图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正时、各缸观测喷油正时、各缸喷油正时偏差阈值、各缸瞬时轨压压降、各缸瞬时轨压压降下限值、循环平均轨压瞬时轨压压降、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、比较瞬时轨压压降和瞬时轨压压降下限值的大小，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；如果瞬时轨压压降大于瞬时轨压压降下限值，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，则判定为喷油器喷油正时在检测范围且可以进行故障诊断，并进入步骤S904；反之，则判定为喷油器喷油正时不在检测范围，并进入步骤S903；

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正时不在检测范围，并作为喷油器喷油正时故障状态；反之，故障持续状态计数器次数清零，且喷油器喷油正时故障状态不变；最后进入步骤S908，并对外输出喷油器喷油正时故障状态；

S904、比较观测喷油正时和设定喷油正时与设定的喷油正时偏差阈值之和的大小。如果观测喷油正时大于设定喷油正时与设定的喷油正时偏差阈值之和时，则判定为喷油器喷油推迟，并进入步骤S905；反之，则进入步骤S906；

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推迟，并作为喷油器喷油正时故障状态；反之，只要有一次不满足条件，则故障持续状态计数器次数重新开始计算，且喷油器喷油正时故障状态不变；最后进入步骤S908，并对外输出喷油器喷油正时故障状态；

S906、比较观测喷油正时和设定喷油正时与设定的喷油正时偏差阈值之差的大小。如果观测喷油正时小于设定喷油正时与设定的喷油正时偏差阈值之差时，则判定为喷油器喷油提前，并进入步骤S907；反之，则判定为喷油器喷油正时正常，并作为喷油器喷油正时故障状态；最后进入步骤S908，并对外输出喷油器喷油正时故障状态；

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提前，并作为喷油器喷油正时故障状态；反之，故障持续状态计数器次数清零，且判定为喷油器喷油不变，并作为喷油器喷油正时故障状态；最后进入步骤S908，并对外输出喷油器喷油正时故障状态；

S908、输出柴油机各缸喷油器喷油正时故障状态。

为了验证本发明的基于轨压波形特征参数观测的喷油正时故障诊断方法对喷油器喷油正时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正时观测模型中的系数进行标定后，再利用所述喷油正时观测模型对第1缸喷油器喷油正时进行观测。其中，喷油正时观测模型的系数为C₁＝0.188，C₂＝8.043，C₃＝0.010，C₄＝0.455；图10是实际应用时的柴油机第1缸测量喷油正时与观测喷油正时的喷油正时对比图；图11是实际应用时的柴油机第1缸测量喷油正时与观测喷油正时的喷油正时残差图。

图10和图11喷油正时观测结果表明，喷油正时观测值与喷油正时测量值的均方根误差为0.584℃A，最大绝对误差为0.871℃A，回归分析的决定系数为0.947。因此，本发明的喷油正时观测模型的观测精度较高，可用于喷油正时在线观测，并进一步用于喷油正时在线故障诊断。设定喷油正时偏差阈值为1℃A，喷油正时偏差为设定喷油正时与观测喷油正时相减后的结果。

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，调节柴油机第1缸喷油器对应的喷油正时分别在-4、-6、-10℃A ATDC变化，模拟喷油器喷油正时执行异常现象。其中，图12是实际应用时的柴油机第1缸对应的不同喷油正时工况下的瞬时轨压波形图，表1为喷油正时故障诊断方法对柴油机第1缸喷油器喷油正时的诊断结果。

由图12所示柴油机第1缸对应的不同喷油正时工况下的瞬时轨压波形可知，喷油正时执行异常时，瞬时轨压压降段曲线偏离喷油正时为-8℃A ATDC时所对应的基准瞬时轨压压降段曲线。再由表1所示喷油正时故障诊断方法的诊断结果可知，喷油正时故障诊断方法可对喷油正时执行异常现象进行可靠诊断，并给出了喷油正时故障状态，为高压共轨系统在全生命周期内喷油正时在线故障诊断提供支持。

表1喷油正时故障诊断方法对柴油机第1缸喷油器喷油正时的诊断结果

本发明提供的一种基于轨压波形特征参数观测的喷油正时故障诊断方法，结构简单，对喷油正时的观测精度较高，并且可对喷油器喷油正时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正时故障诊断提供支持。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正时故障诊断效果。

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权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于轨压波形特征参数观测的喷油正时故障诊断方法，包括：

轨压信号采样处理步骤，用于得到柴油机各缸对应的轨压压降平衡点角度和平均轨压；

基于轨压波形特征参数观测的喷油正时观测步骤，结合柴油机各缸对应的柴油机平均转速，再经过喷油正时观测模型计算得到观测喷油正时；

基于喷油正时观测的喷油正时故障诊断步骤，通过比较观测喷油正时与预标定的设定喷油正时，实现对柴油机各缸喷油器喷油正时的故障诊断，并输出柴油机各缸喷油器喷油正时故障状态；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°CA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]°CA 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]°CA ATDC、[30,150]°CA ATDC、[150,270]°CA ATDC、[270,390]°CA ATDC、[390,510]°CA ATDC、[510,630]°CA 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]°CA ATDC、[110,150]°CA ATDC、[230,270]°CA ATDC、[350,390]°CA ATDC、[470,510]°CA ATDC、[590,630]°CA 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、轨压压降平衡点角度；

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；

从柴油机各缸喷油过程对应的离散轨压数据中，查找平均轨压所对应的两个相邻离散轨压，并得到该两个相邻离散轨压所对应的曲轴转角位置，再根据线性插值原理，利用平均轨压和两个相邻离散轨压及对应的曲轴转角位置，其得到轨压压降平衡点角度，作为柴油机各缸对应的轨压压降平衡点角度；

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、轨压压降平衡点角度。

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正时故障诊断方法，其特征在于，所述基于轨压波形特征参数观测的喷油正时观测步骤，具体包括以下步骤：

步骤2-1、建立喷油正时观测模型为：其中，θ_SOI为当前气缸对应的喷油正时，单位为°CA ATDC；θ_RPFB为当前气缸对应的轨压压降平衡点角度，单位为°CA ATDC；p为当前气缸对应的平均轨压，单位为MPa；n为当前气缸对应的柴油机平均转速，单位为r/min；C₁、C₂、C₃和C₄为系数项；

步骤2-2、喷油正时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喷油正时、各缸观测喷油正时、各缸轨压压降平衡点角度、各缸平均轨压、各缸平均转速；然后，根据所述轨压试验数据，采用最小二乘法对喷油正时观测模型的系数进行参数辨识，得到喷油正时观测模型的系数C₁、C₂、C₃和C₄；最后，输出喷油正时观测模型的系数C₁、C₂、C₃和C₄；

步骤2-3、观测喷油正时的获取：首先，输入柴油机各缸轨压波形特征参数和柴油机工况参数，包括柴油机各缸轨压压降平衡点角度、各缸平均轨压及各缸平均转速；然后，根据所述柴油机各缸轨压压降平衡点角度、各缸平均轨压及各缸平均转速，利用所述标定后的喷油正时观测模型，经过计算得到柴油机各缸观测喷油正时；最终，输出柴油机各缸观测喷油正时。

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正时故障诊断方法，其特征在于，所述基于喷油正时观测的喷油正时故障诊断步骤，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正时、各缸观测喷油正时、各缸喷油正时偏差阈值、各缸瞬时轨压压降、各缸瞬时轨压压降下限值、循环平均轨压瞬时轨压压降、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、比较瞬时轨压压降和瞬时轨压压降下限值的大小，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；如果瞬时轨压压降大于瞬时轨压压降下限值，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，则判定为喷油器喷油正时在检测范围且可以进行故障诊断，并进入步骤3-4；反之，则判定为喷油器喷油正时不在检测范围，并进入步骤3-3；

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正时不在检测范围，并作为喷油器喷油正时故障状态；反之，故障持续状态计数器次数清零，且喷油器喷油正时故障状态不变；最后进入步骤3-8，并对外输出喷油器喷油正时故障状态；

步骤3-4、比较观测喷油正时和设定喷油正时与设定的喷油正时偏差阈值之和的大小；如果观测喷油正时大于设定喷油正时与设定的喷油正时偏差阈值之和时，则判定为喷油器喷油推迟，并进入步骤3-5；反之，则进入步骤3-6；

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推迟，并作为喷油器喷油正时故障状态；反之，故障持续状态计数器次数清零，且喷油器喷油正时故障状态不变；最后进入步骤3-8，并对外输出喷油器喷油正时故障状态；

步骤3-6、比较观测喷油正时和设定喷油正时与设定的喷油正时偏差阈值之差的大小；如果观测喷油正时小于设定喷油正时与设定的喷油正时偏差阈值之差时，则判定为喷油器喷油提前，并进入步骤3-7；反之，则判定为喷油器喷油正时正常，并作为喷油器喷油正时故障状态；最后进入步骤3-8，并对外输出喷油器喷油正时故障状态；

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提前，并作为喷油器喷油正时故障状态；反之，故障持续状态计数器次数清零，且喷油器喷油正时故障状态不变；最后进入步骤3-8，并对外输出喷油器喷油正时故障状态；

步骤3-8、输出柴油机各缸喷油器喷油正时故障状态。