CN1112508C - 一种柴油机喷射系统的故障诊断方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种柴油机喷射系统的故障诊断方法及其装置，属于柴油机喷射过程的控制及其测量技术领域。其特点是在直列喷油泵的凸轮轴上加装一个转速传感器，使其与一个瞬时转速测量装置相连。其测量方法是通过测量凸轮轴瞬时转速波动来实现柴油机喷射系统的故障诊断。该方法避免了使用价格昂贵的压力传感器，无须对柴油机喷射系统进行拆卸式的解体检查就可对其进行故障诊断。因此不会影响喷射系统的液力特性，具有诊断结果准确、效率高，而且成本较低的优点。

Description

一种柴油机喷射系统的故障诊断方法及其装置

技术领域

本发明属于柴油机喷射过程的控制及其测量技术领域，特别涉及一种柴油机喷射过程的故障诊断方法及其装置。

背景技术

以喷油泵为核心的高压燃油喷射系统是柴油机的重要部件，被称为柴油机的“心脏”。喷射过程状态的好坏，对柴油机动力性、经济性和排放性都有重要影响。现有技术中，直接测量高压油管压力中的压力波动无疑可以实现对柴油机过程的检测和故障诊断，但是其缺点是压力传感器价格昂贵，需要专门的放大器进行信号放大，而且传感器的安装会导致高压容积增大，在一定程度改变了原有系统的液力特性，因此这种方法只能用于实验室中，实际批量生产的柴油机无法应用。

目前有利用曲轴瞬时转速信号对柴油机的状态进行故障诊断的方法。虽然这种方法的成本低也相当可靠，但是该方法只能诊断柴油机燃烧后的总效果，不仅包括喷射过程，也包括了柴油机中进气系统和活塞组件等其它部分的状态，因此该方法无法判断柴油机的故障是否是由于喷射系统故障所致，还是其它故障所致。此外，目前现有柴油机电子控制系统中，凸轮轴上安装有转速传感器，以便在发动机每个工作循环输出一个参考脉冲，作为电子控制单元判断各缸工作相位的基准。利用该传感器的输出可以测量凸轮轴的平均转速。在一些现有的电子控制系统中，喷油泵凸轮轴上安装有一个齿轮盘，通过转速传感器检测该齿轮盘的输出，为柴油机的喷射过程控制提供凸轮轴的相位基准。这种齿盘的齿数在4～30个之间，即相邻齿对应凸轮轴角度都在10度以上。由于柴油机喷射过程对应凸轮轴角度很窄，因此利用这种齿盘测量得到的凸轮轴转速信号只是代表凸轮轴平均转速的成分，无法用于对喷射过程状态的诊断。而在目前的柴油机喷射系统的检测及其故障诊断方法中，最常用的方法仍是依赖于对喷射系统进行拆卸式的解体检查。这不仪效率低下，而且难以进行故障定位。

发明内容

针对现有技术的不足和缺陷，本发明的目的和任务是提供一种通过测量凸轮轴瞬时转速波动来实现柴油机喷射系统的故障诊断的方法及装置，该方法无须对柴油机喷射系统进行拆卸就可以对其进行故障诊断，使其既不影响喷射系统的液力特性，诊断结果准确、效率高，而且成本较低。

本发明的目的和任务是通过如下技术方案实现的：一种柴油机喷射系统的故障诊断方法，其特征在于该方法是通过测量凸轮轴瞬时转速波动来测量喷射过程中柱塞腔压力的变化，从而实现柴油机喷射系统的故障诊断，其故障诊断方法的具体步骤是：

a.在直列喷油泵上的凸轮轴上安装一个转速传感器，将转速传感器所产生的转速脉冲信号和参考脉冲信号送入一个瞬时转速测量装置；

b.所述转速传感器输出的转速脉冲数应在240～1500个/转范围；

c.所述瞬时转速测量装置对所输入的转速信号进行调整和滤波，其信号分别被送给单片机和高频计数器；该单片机运行预先固化在程序存储器中的软件控制程序，首先捕捉参考脉冲信号，确定凸轮轴的相位，然后利用单片机内部定时器对转速进行初步测量，当转速脉冲信号频率较高时，该单片机就访问高频计数器进行精确测量，并将结果依次存放在数据存储器中；

d.将上述测量数据送入计算机处理，根据凸轮轴的相位，从测量数据中找到每个凸轮的有效供油段所对应的数据段，计算机通过程序处理该数据段来完成诊断过程并进行结果显示：或者采用键盘监控状态，由瞬时测量装置通过预先固化在程序存储器中的软件控制程序独立完成诊断过程，并由液晶显示器显示结果，其中计算机监控的优先级高于键盘的优先级。

上述方法的基本原理在于：在油泵凸轮轴上的凸轮推动柱塞上行供油过程中，当柱塞关闭进油口时，由于柱塞腔中的压力迅速增大，柱塞上行阻力迅速增大，导致作用在凸轮轴上的阻力转矩增大，使得凸轮轴瞬时转速下降。当柱塞上的斜槽与低压油路的回油孔连通时，柱塞腔中的压力迅速下降，导致作用在凸轮上的阻力转矩迅速减小，使得凸轮轴瞬时转速迅速上升。可见，凸轮轴转速波动幅度的大小取决于柱塞腔压力的变化幅度。而柱塞腔压力是喷射系统工作状态的重要标志，当高压油管中的压力异常(如喷嘴堵塞、油管泄漏等)时，柱塞腔压力也会随之变化，于是就可以通过测量凸轮轴瞬时转速波动来对喷射过程中柱塞腔压力进行故障诊断。

实现上述方法的一种柴油机喷射系统的故障诊断装置，其特征在于在直列喷油泵的凸轮轴上加装一个转速传感器，该传感器的输出电缆与一个瞬时转速测量装置相连，所述瞬时转速测量装置主要由转速信号预处理系统、高频计数器、微处理器和监控系统等部分组成；所述转速信号预处理系统主要由转速信号类型选择开关、方波信号处理电路、正弦波信号处理电路等硬件组成；所述高频计数器是由高频脉冲振荡电路、计数器、清零电路和数据保持电路等硬件组成；所述微处理器包括SCI通讯电路、单片机及其外围电路、地址/数据总线及片选电路和程序/数据存储器等硬件以及固化在存储器中的控制软件。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：由于该方法是通过测量凸轮轴瞬时转速波动来测量喷射过程中柱塞腔压力的变化，从而实现柴油机喷射系统的故障诊断，这样就避免了采用价格昂贵的压力传感器，也不需对柴油机喷射系统进行拆卸式的解体检查，就可进行故障定位。因此本发明不会影响柴油机喷射系统的液力特性、诊断结果准确、效率高、而且成本较低。

附图说明

附图1为凸轮轴瞬时转速测量系统结构图。

图中：1-喷油泵凸轮轴 2-喷油泵壳体 3-联轴节 4-调速器壳体 5-传感器输入轴 6-转速传感器壳体 7-传感器输出电缆 8-计算机 9-瞬时转速测量装置 10-喷油器 11-高压油管。

附图2为瞬时转速测量装置的硬件组态及结构图。

附图3为高频计数器电路图。

附图4为清零电路图

附图5为清零电路的信号时序图，其中ΔT为门延迟时间。

附图6为数据保持电路图。

附图7为凸轮轴瞬时转速的区间划分图。

附图8为测量装置的软件流程框图。

具体实施方式

下面结合附图详细叙述本发明的具体实施方法，结构原理、工作过程及最佳实施方式：

本发明是在传统直列喷油泵的凸轮轴上加装一个转速传感器，该传感器与一个转速测量装置相连。如图1所示，凸轮轴1的尾部通过联轴节3与传感器的输入轴5连接，传感器壳体6可安装在调速器壳体4上。传感器的输出电缆7与专门设计的瞬时转速测量装置9连接，由测量装置完成转速的采集。研究结果表明，在柴油机喷射过程中凸轮轴的转速信号是变化的，只是由于喷射过程对应凸轮角度很小，转速变化的频率也相当高。当采样频率较低时，测量结果中就没有由于喷射过程引起的凸轮轴的转速信号了。如果提高凸轮轴转速信号的采样频率，就可以检测到喷射过程引起的凸轮轴转速变化。因此，传感器对凸轮轴转速的采样频率要足够高，通常凸轮每转传感器的输出脉冲数应在240～1500个/转的范围内，最好为360个/转，即一度一个转速脉冲。可以选择通用的光电编码器作为凸轮轴转速传感器。

在发动机一个循环内由于不同气缸的喷射过程对应的凸轮角度不同，因此只要确定凸轮轴转速波动异常时对应的凸轮相位，就可以定位发生故障的气缸。这需要一个参考脉冲来确定转速信号的相位。因此可以选择带有参考脉冲输出的光电编码器，同时输出参考脉冲信号和转角脉冲信号，例如OMROM的E6B2-CWZ6C-360P/R型光电传感器。

瞬时转速测量装置的硬件(附图2)主要由以下四部分组成，即转速信号预处理系统、高频计数器、微处理器和监控系统；所述转速信号预处理系统主要由转速信号类型选择开关、方波信号处理电路、正弦波信号处理电路等硬件组成，其主要功能是完成转速信号的预处理；所述高频计数器是由高频脉冲振荡电路、计数器、清零电路和数据保持电路等硬件组成，其主要功能是利用高频计数器精确测量两个凸轮转角脉冲之间的时间；所述微处理器包括SCI通讯电路、单片机及其外围电路、地址/数据总线及片选电路和程序/数据存储器等硬件以及固化在存储器中的控制软件组成，其主要功能是完成数据的采集、存放和处理；监控系统包括液晶LCD显示电路及4×4键盘输入电路，其功能是完成对测量装置的监控和显示。监控系统也可以采用计算机通过SCI通讯电路进行监控。测量装置的软件功能包括SCI通讯、键盘状态读取、液晶显示控制、瞬时转速信号的测量和处理等。

下面将各部分的工作过程及具体结构分别叙述如下：

转速信号类型选择开关根据转速信号的类型(方波信号还是正弦信号)进行设置，以决定采用相应的调整电路。转速调整电路根据转速信号的类型分别处理使之成为标准的方波信号。高频时钟振荡电路独立产生可达16MHz的标准时钟，该时钟的二倍频作为计数器的计数频率。每个转速脉冲的上升沿到来后，计数器中的数值先被锁存然后被清零。计数器的清零由转速脉冲触发的清零电路完成。计数器清零前的数值为两个转速脉冲上升沿之间的脉冲数，它代表了该角度内的时间。该数值由数据保持电路进行保存。微处理器通过片选电路访问数据保持电路以读取该数值，并将其存放在数据存储器中，从而完成转速测量。测量完成后，按照一定的处理算法，显示每缸对应的喷油过程工作状态指标，从而完成喷射系统的诊断过程。操作者可通过装置上的4×4键盘监控诊断过程，也可以利用专门设计的计算机监控界面对测量装置进行监控。其中计算机监控的优先级别高于键盘的优先级，当测量装置检测到SCI通讯时，自动转入计算机监控的状态而屏蔽4×4键盘的输入。只有在没有SCI通讯的条件下，才会响应4×4键盘的输入。

高频计数器主要由计数器、清零电路、数据保持电路等组成，是完成高精度凸轮轴瞬时转速测量的核心，下面分别叙述如下：

计数器：如图3所示，为由两片74HC393组成的16位计数器，它的输入时钟即为单片MC68HC711K4的晶振时钟，频率为16MHz。计数器的输出为Q0～Q15，组成16位计数器。由于振荡电路的输出信号为正弦信号，在一个周期内计数器要进行0和1两个状态跳变，因此计数器的计数频率实际上为振荡电路输出的正弦信号频率的两倍，为32MHz。如果没有清零信号RD，该电路将一直计数。

清零电路：清零电路的作用是当一个转速脉冲的上升沿到来后，使计数器置零，重新计数。这样，在清零前计数器中的数值就代表了两个转速脉冲之间的时间。如图4所示，主要由74LS123(U2)单稳触发器及相应的电阻R42、R43及电容C28、C29组成，整形后的转速脉冲273CK作为触发的输入。该电路的信号时序如图5所示，从转速信号273CK的上升沿到清零信号RD的下降沿，有Tc时间的滞后，这是因为在清零前，先要数据保持电路保存计数器中的数值。信号RD的高电平具有一定宽度约(50ns)保证清零成功。在Tc区间计数器的数值是无效的，这属于系统误差。但Tc非常小，大约100ns，而且为常数，可以软件补偿。

数据保持电路：在转速上升沿到来后、清零电路对计数器置零前的约50ns时间内，计数器中的数值被锁存到数据保持器中，保存以便于单片机的读取。如图6所示，该电路主要由两片74HC273(U5和U6)、74HC245(U8和U9)组成。当转速脉冲273CK的上升沿到来后，计数器的值Q0～Q15分别被锁存到U5和U6中，由P0～P15端输出。在下一个转速的上升沿到来前，P0～P15数据保持不变。如果这个期间单片机从/Y0(或/Y1)地址读取，U8(或U9)被选中，于是数据P0～P7(或P8～P15)出现在单片机的总线AD0～AD7上，从而完成读取过程。

整个测量装置的软件流程框图如附图8所示。其测量过程及步骤如下：

当有计算机和测量装置通讯时，忽略键盘输入信号，控制参数从计算机读取，同时液晶显示器显示与“计算机控制”字样。当没有计算机和测量装置通讯时，命令由键盘输入，此时液晶提示按键功能和所输入的参数值。

当按下“开始”按钮时，测量装置开始测量工作，首先捕捉参考脉冲的下降沿，然后开始用单片机内部定时器测量转速脉冲，其计数频率为4MHz。当信号的频率较低时(＜1000Hz)，4MHz的计数频率即可满足转速测量的精度要求，此时单片机可以不采用高频计数器的测量结果。这是因为当转速信号频率较低时，32MHz的计数频率很容易溢出，造成测量错误。当信号频率较高时，4MHz的计数频率不能满足测量精度要求，则采用高频计数器的测量结果。测量结束后，如果是计算机监控状态，则将数据送给计算机，根据凸轮轴的相位，从测量数据中找到每个凸轮的有效供油段所对应的数据段，计算机通过程序处理该数据段来完成诊断过程并在屏幕上进行结果显示；如果是键盘监控状态，则由瞬时测量装置通过预先固化在程序存储器中的软件控制程序独立完成诊断过程，并通过液晶显示器显示结果。计算机上和测量装置上的数据处理算法是一致的，即采用局部傅立叶变换，其具体算法如下：

转速信号区间划分：如图7所示，假定每次测量一个循环的凸轮轴瞬时转速信号，共有360个数据，每次测量都从参考脉冲的下降沿A点开始。B点为柱塞关闭进油口的凸轮轴角度，AB之间的角度Φ1取决于凸轮轴传感器的安装位置，可取Φ1＝3°～10°凸轮角度。从B开始之后对应凸轮的有效供油段Φ2为有用的信号区间，只要对该区间的凸轮轴瞬时转速信号进行处理就可以判断柱塞腔压力的状态。Φ2的典型值为20°凸轮角度。下一个工作凸轮对应的有用区间(DE区间)与B点相差的角度间隔为Φ3，它等于发动机发火间隔角度，例如对于6缸发动机，Φ3典型值为60°凸轮角度。每个喷射过程只要对Φ2区间进行傅立叶分析即可。

1.假设第i缸Φ2区间测量得到的凸轮轴瞬时转速信号为：

        n_i(l)，n_i(l+1)，Λn_i(p)，Λ，n_i(l+19)                      (1)

2.对其进行离散傅立叶变换，结果为：

        N_i(k)，k＝0～19，其中k＝0为直流分量                            (2)

3.其第i缸喷射过程状态指标为前5阶幅值和： $X_i=\underset{k=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\left|N_i\left(k\right)\right|......\left(3\right)$

4.计算机各缸指标的最大、最小和平均值：

上式中Z为喷油泵总的柱塞个数，即发动机总缸数。

5.设参数C₁为各缸喷射过程差异系数，(C₁范围一般为0.25～0.35)，当下式成

  立时，说明各缸的喷射过程状态正常：

       ΔX＝X_max-X_min＜C₁ X                                         (5)

6.若上式不成立，进一步对各缸的喷射过程诊断，当下式成立时，确认第i缸

  喷射过程状态异常：

          ｜X_i- X｜＞C₂ X                                            (6)

其中C₂值为0.2～0.25。

上述过程中，区间Φ2的大小，参数C₁和C₂的大小针对不同类型的喷油泵稍有差别，可以预先标定好。

Claims (5)

1.一种柴油机喷射系统的故障诊断方法，其特征在于该方法是通过测量凸轮轴瞬时转速波动来测量喷射过程中柱塞腔压力的变化，从而实现柴油机喷射系统的故障诊断，其故障诊断方法的具体步骤是：

a.在直列喷油泵上的凸轮轴上安装一个转速传感器，将该转速传感器产生的转速脉冲信号和参考脉冲信号送入一个瞬时转速测量装置；

b.所述转速传感器输出的转速脉冲数应在240～1500个/转范围内；

c.所述瞬时转速测量装置对转速信号进行调整和滤波，其信号分别被送给单片机和高频计数器；该单片机运行预先固化在程序存储器中的软件控制程序，首先捕捉参考脉冲信号，确定凸轮轴的相位，然后利用单片机内部定时器对转速进行初步测量；当转速脉冲信号频率较高时，该单片机就访问高频计数器进行精确测量，并将结果依次存放在数据存储器中；

d.将上述测量数据送入计算机，根据凸轮轴的相位，从测量数据中找到每个凸轮的有效供油段所对应的数据段，计算机通过程序处理该数据段来完成诊断过程并进行结果显示；或者采用键盘监控状态，由瞬时测量装置通过预先固化在程序存储器中的软件控制程序独立完成诊断过程，并由液晶显示器显示结果，其中计算机监控的优先级高于键盘的优先级。

2、一种采用如权利要求1所述方法的柴油机喷射系统的故障诊断装置，其特征在于在直列喷油泵的凸轮轴上加装一个转速传感器，该传感器的输出电缆与一个瞬时转速测量装置相连，所述瞬时转速测量装置主要由转速信号预处理系统、高频计数器、微处理器和监控系统等部分组成；所述转速信号预处理系统主要由转速信号类型选择开关、方波信号处理电路、正弦波信号处理电路等硬件组成，所述高频计数器是由高频脉冲振荡电路、计数器、清零电路和数据保持电路等硬件组成；所述微处理器包括SCI通讯电路、单片机及其外围电路、地址/数据总线及片选电路和存储器等硬件以及固化在存储器中的控制软件。

3、按照权利要求2所述的一种柴油机喷射系统的故障诊断装置，其特征在于所述监控系统包括液晶LCD显示电路及键盘输入电路，该液晶LCD显示电路及键盘输入电路输入端分别与单片机的外围电路相联。

4、按照权利要求2所述的一种柴油机喷射系统的故障诊断装置，其特征在于所述监控系统采用与所述SCI通讯电路相连的计算机。

5、按照权利要求2、3或4所述的一种柴油机喷射系统的故障诊断装置，其特征在于所述转速传感器采用可同时输出参考脉冲信号和转速脉冲信号的光电传感器。

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