专利名称：共轨燃油喷射系统喷油器故障诊断方法
技术领域：
本发明涉及柴油机燃油喷射系统的故障诊断方法，特别是涉及共轨燃油喷射系统的喷油器故障诊断方法。
背景技术：
现有的电控柴油喷射系统中，很多已经具有喷油系统故障诊断装置。中国专利CN1112508公开了一种柴油机喷射系统的故障诊断方法及其装置。采取在喷油泵凸轮轴上安装一个脉冲频率较高转速传感器的方法，利用瞬态转速波动与柱塞腔压力变化的关系，判断喷油系统故障，这种方法只适用于电控柴油机泵——管——嘴喷油系统，而不能应用于共轨燃油喷射系统；另一类方法是利用压力传感器或者采集发动机的振动、噪音信号进行故障判断，但这些方法一方面需要增加额外的传感器，另一方面需要丰富的经验对测量信号进行精心筛选与分析，因此，实际应用中不仅增加了成本，而且容易导致误判。
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共轨燃油喷射系统的喷油器故障诊断方法，其特征在于先用曲轴转速传感器测量发动机各缸瞬态转速的差异，利用诊断软件依据发动机缸间平衡喷油量补偿算法确定发生故障的气缸，再根据压力传感器测量得到的共轨腔压力变化规律判断喷油系统是否发生喷油器故障，确定故障源的准确位置。
实现本发明所述的故障诊断方法时所采用的技术方案是先采取第一步测量发动机各缸在喷油后的瞬态转速，第二步根据瞬态转速的差异计算各缸需要的喷油补偿量qi；第三步根据各缸喷油补偿量qi的变化趋势及分布规律进行校正，确定发生故障的气缸并初步判断该缸喷油器是否发生故障。同时，为进一步准确判断喷油系统喷油器故障，确定故障源的准确位置，采用了分析共轨腔压力波压差Δpc是否大于预先通过标定确定的压力差限值(Δpc)max的方法，判断是否发生喷油器卡死或喷油量持续过大而引起共轨部件限流阀动作等类型故障；同时还能排除不属于燃油喷射系统的其它类型故障(如柴油机进排气系统或活塞组件等故障)。
和现有技术相比，本发明的有益效果和优点是本发明利用柴油机共轨燃油喷射系统原有的曲轴转速传感器和共轨部件上的共轨压力传感器测量瞬态转速波动和共轨腔压力波，而不需要增加任何额外的传感器和外围设备，即可在现有共轨燃油喷射系统的基础上利用软件算法实现喷油器故障诊断，并结合共轨腔压力变化趋势进行故障源的准确判断，从而避免了单纯利用瞬态转速进行故障判断的不足，即利用瞬态转速进行故障判断时只能诊断柴油机燃烧后总的效果，它不仅包括喷射过程，也包括柴油机进排气系统和活塞组件等其它部件的状态。因此，单纯利用瞬态转速判断故障难以判别故障是否出自燃油系统本身，还是由其它原因所致。采用本发明所述的诊断方法能可靠地对共轨燃油喷射系统进行不解体故障诊断，而且不需要改变已有共轨系统的任何结构，因此成本低，判断可靠，易于在批量生产的产品中实施。
图1是发动机曲轴和高压供油泵转速脉冲信号的相位关系；图2是本发明所述诊断方法中发动机缸间平衡喷油量补偿算法的流程框图；图3是瞬态转速差Δn和喷油补偿量步长Δq的关系曲线；图4是正常情况下随时间轴t(循环次数)展开的某缸喷油补偿量qi的分布规律；图5是喷油系统故障时，随时间轴t(循环次数)展开的某缸喷油补偿量qi的分布规律；图6是共轨燃油喷射系统集成应用处理模块驱动电路原理图；图7是共轨燃油喷射系统的驱动电路故障检测原理图；图8是正常情况下的共轨腔压力变化曲线；图9是故障情况下的共轨腔压力变化曲线；图10是本发明所述诊断方法的故障判断流程框图。
具体实施例方式
以下结合附图详细说明本发明所述喷油器故障诊断方法的具体实施方式
，工作原理及优选的实施例。
附图以一台六缸四冲程共轨式柴油机为例，发动机的发火顺序为1-5-3-6-2-4。用于测量发动机瞬态转速的曲轴(或飞轮)齿盘为48缺3齿结构。装在高压供油泵上用于判别气缸的脉冲信号齿盘为6+1齿结构。图1表示发动机曲轴和高压供油泵转速脉冲信号的相位关系。在图1中，对应缸压缩上止点位于该缸判缸信号后约75°曲轴转角处。为了使采集的信号能很好地反映发动机的瞬态转速。以第一缸为例，以信号脉冲下降沿为基准，在每缸曲轴传感器脉冲的0齿位置记录定时器时间，然后在曲轴12齿位置再次记录定时器时间，两者之间的曲轴转角为12×(360°/48)＝90°，因此只要测量得到曲轴每转过90°时定时器计数值差就可计算该缸瞬态转速。为简便起见，可以直接利用在90°曲轴转角中的定时器计数值定标后的结果作为瞬态转速的衡量指标。由于定时器通常在微秒级，因此直接利用定时器计数值作为瞬态转速指标可大大提高精度。
据此，在实施本发明所述的故障诊断方法时，将首先采集各缸喷油器喷射前后发动机的瞬态转速，并根据各缸瞬态转速的差异，在下一循环时对喷油量进行补偿。理想情况下，各缸间在喷油后的瞬态转速没有差异(Δn＝0)，则喷油补偿量qi为零，这时实际计算的喷油补偿量和补偿限值qmax的相对距离最大；当各缸间喷油器性能存在差异时，则在喷油后各缸之间的瞬态转速发生差异(Δn≠0)，为使得各缸的瞬态转速趋于一致，则需要根据瞬态转速差异(Δn)，按照图3或者采用与图3相似的查表方式确定喷油补偿量调整步长，对下一循环基本喷油量qbase进行补偿。诊断软件对喷油补偿量规定了上、下限值±qmax。而当喷油器发生故障，例如喷油器卡死或者因喷油量持续过大而引起共轨限流阀动作而停止喷油等，则为了弥补转速差异，若干循环后对应缸喷油补偿量qi达到或接近补偿限值qmax，而且在故障排除前一直保持类似的分布规律。因此，计算各缸喷油补偿量qi与补偿限值qmax的相对距离可直接反映喷油器故障状况及性能。
本发明诊断方法预先给定按喷油补偿量和补偿限值相对距离之和计算的概率限值Pro。对于给定缸，若随时间轴的最新N1个循环喷油补偿量qi分布结果和补偿限值的相对距离之和小于给定的限值，则可以判断已发生故障。同时，为判断该故障是否来自燃油喷射系统，还需要进一步对共轨腔的压力变化规律进行分析。由于最新计算得到的补偿量是在采集了N1个统计样本之后，因此原来N1个样本中最早计算的结果将退出统计样本，即N1个用于故障分析的统计样本数据遵循“先进先出”原则。因此，一旦喷油器发生故障，则经过若干循环后，由于补偿量样本将被故障发生后的补偿值所逐步替代，因此，样本统计结果和补偿限值的相对距离di将越来越小，最终相对距离之和会低于预先给定的限值，则可判断发生了故障，然后，再结合共轨腔压力变化趋势进一步判断故障源是否来自燃油喷射系统。
根据上述原理，当喷油器补偿量达到限值，若干循环后仍不足以校正发动机各缸之间的瞬态转速差异时，说明喷油系统可能发生了故障，因此需要计算随时间轴的各缸喷油补偿量qi与补偿限值qmax的相对距离，并给出距离之和概率限值Pro。而且在故障判断时始终使用最新N1个循环内的补偿量统计分析结果作为喷油系统喷油器故障判断的依据。此外，在时间轴上收集各缸喷油补偿量qi的变化趋势时，还应叠加在一起示出，对这些数据进行统计分析，判断其分布规律，而不是简单地把补偿量平均值直接作为故障判断的依据。此外，在需要对随时间轴的各缸喷油补偿量qi的分布进行统计分析时，仅示出喷油补偿量qi与补偿限值qmax的相对距离之和D低于给定概率限值Pro，也就是仅示出(100％-D)＞Pro时的喷油系统的喷油器故障。
图2是本发明所述喷油器故障诊断方法中发动机缸间平衡喷油补偿量算法的流程框图。诊断方法中的第一步测量发动机各缸在喷油前后的瞬态转速就是图中的步骤S10。第二步根据瞬态转速的差异计算各缸需要的喷油补偿量qi就是步骤S20和S30。在步骤S20中直接把S10定标后的定时器计数值相减作为瞬态转速差Δn的衡量指标。第三步根据各缸喷油补偿量的变化趋势及分布规律进行校正并初步判断该缸喷油器是否发生故障就是步骤S30及以后步骤。步骤S30为根据转速差Δn查表计算得到喷油补偿量步长Δq，并确认在下一个循环时应调整的喷油量qi。实际运行时某缸喷油补偿量qi可能在若干循环中分成若干步调整才达到规定的限值。例如qi＝Δq1+Δq2+Δq3+…，其中油量调整步长Δqi根据转速差不同是可变的。当转速差绝对值达到最大值Δnmax后，Δqi也达到规定的补偿限值Δqmax，这是一个常数。步骤S40判断本缸喷油后瞬态转速的变化趋势，当瞬态转速增大时，即步骤S20的计算结果(ni-ni-1)为负数，表明需要减少本缸油量，因此，进入步骤S60；当本缸转速比前缸降低时，即步骤S20的计算结果为正数，则表明需要增加本缸油量，程序进入S50，在步骤S70中对各缸喷油补偿量的范围进行限制，即油量调整值限定在[-qmax，qmax]内，该计算结果将在下一循环中调整对应缸的基本喷油量，即在基本油量基础上加上喷油补偿量qi作为该缸的实际喷油量，步骤S80存储逐缸平衡喷油补偿算法的计算结果。
图3为转速差Δn与喷油补偿量步长Δq关系曲线，图中横坐标为当前工作缸瞬态转速与前一缸瞬态转速的差值ni-ni-1，其实际物理意义为定时器计数值定标后的结果。纵坐标为需要的喷油补偿量步长Δq，曲线的基本趋势为当转速差零时没有补偿，而当转速差增大时，喷油补偿量步长Δq也随之增大；当转速差绝对值达到最大值Δnmax后，喷油补偿量步长也达到最大值Δqmax；此后当转速差再增大时，喷油补偿量步长Δq一直保持最大值Δqmax。
图4为正常情况随时间轴t(循环次数)展开的某缸喷油补偿量q的分布规律。在该图中横坐标为循环次数，代表时间轴t，以发动机六缸轮流工作一次计为一个循环，燃油喷射系统喷油器正常工作时特定缸喷油补偿量q在一定范围内波动，且喷油补偿量q不会持续等于限值qmax。
图5是某缸喷油器发生故障时，随时间轴t(循环次数)展开的喷油补偿量q的分布规律。当电控燃油喷射系统发生故障时，如喷油器卡死或故障导致喷油器不能关闭等情况发生时，此时，发动机工作粗暴，排放恶化，燃油经济性大大降低。因此，共轨管上的限流阀将动作，从而导致故障缸喷射油量大大减少、甚至停止喷油。这时由于油量补偿算法依然有效，但故障缸喷射油量已大大减少或者已经停止喷油，因此，据平衡算法得到的喷油补偿量q将越来越大，并最终达到正的最大限值qmax附近。由于补偿算法得到的结果相对基本喷油量qbase而言较小，且在喷油器发生故障时，利用补偿算法增加喷油量的方法依然不能调整故障缸瞬时转速差异，因此，喷油补偿量q将一直保持在补偿限值附近或等于补偿限值qmax。
图6为集成应用处理模块燃油喷射系统喷油器驱动原理图。为提高喷射系统动态响应，首先利用驱动高压对喷射系统喷油器执行器(电磁线圈或压电晶体)驱动，驱动高压通常在100伏以上，此后利用蓄电池电压(例如24伏)维持驱动电流，两路驱动分别由集成应用处理模块输出控制信号驱动大功率MOS管。每路驱动都有检测回路，用于判断喷射系统驱动是否正常，最后电流通过二极管输出驱动喷射系统喷油器。
图7为共轨燃油喷射系统的故障检测电路原理图。当输入控制信号驱动时，大功率管处于导通状态，因此可通过电阻测量网络检测系统电流状态，并通过放大器LM2904进行信号放大，诊断反馈信号输入到单片机模/数转换接口，通过采样值的范围判断系统电流是否出现异常，从而判断燃油喷射系统是否工作正常。
图8是由安装在共轨管部件上的共轨压力传感器在正常情况下测量得到的压力变化曲线。图中所示为六缸发动机轨压变化曲线，在燃油喷射系统喷油后轨压会稍微有些下降，然后在高压供油泵供油后轨压又开始回升，所以在六缸轮流工作的一个循环中，除了微观的扰动以外会有六个明显的波峰和波谷，正常情况稳态工况下这种波动是均匀一致的。
图9是故障情况下的共轨腔压力变化曲线。当燃油喷射系统出现故障时，在这种情况下经过若干工作循环后，会因故障而导致某一缸停止喷油。因此，在电控单元发出喷射控制信号后，由于不能正常喷油，所以共轨腔的压力波形发生异常，也就是在故障缸的喷油信号之后压力波没有出现正常的下降，然后当高压供油泵供油后压力又有异常的上升。图9中所示就是第二缸停止喷油后出现的异常波形。图中在相当于二缸喷油信号后面的位置上没有出现正常的波谷；而当供油泵供油后，曲线中会出现一个比其它各缸略微高一些的波峰。将本图与图8对比，可明显看出第二缸共轨腔压力曲线出现的异常征兆。
图10是本发明所述诊断方法采用的故障判断流程图。它也是继图2所示流程之后执行的程序。根据图5的分析，若分析了N1个循环喷油补偿量qi的分布规律就可判断是否发生了故障。步骤S90计算当前喷油补偿量qi与补偿限值qmax的相对距离di，相对距离di的计算公式如下di=||qi|-qmax|qmax]]>若当前的喷油补偿量qi达到了补偿限值qmax，则相对距离di等于零。喷油补偿量绝对值越小，则相对距离越大。步骤S100计算最新N1个循环相对距离之和D。由于相对距离为绝对值，因此不会出现正负抵消的情况。步骤S110判断驱动电路是否正常，即根据图6和7所示的喷射系统驱动和诊断原理，诊断反馈回路接口输入到控制单元ECU的模/数转换端口。再根据诊断反馈网络电流值的大小判断喷射驱动是否正常，如果发现驱动电路出现异常，则直接结束诊断程序并显示电路故障。
步骤S120判断相对距离之和D是否大于等于100％，若D≥100％，则表明喷油补偿量qi的绝对值还比较小，离补偿限值qmax的距离较大，这时还不能肯定燃油喷射系统发生了故障，因此就直接结束诊断程序。当D＜100％程序进入步骤S130，由于发生故障时喷油补偿量qi接近或等于补偿限值qmax，因此计算结果D较小，所以可根据(100％-D)是否大于预先给定的概率限值Pro来判断是否发生故障，若不大于Pro则结束诊断程序。如果大于Pro，则进入步骤S140，以便进一步确认是否属于喷油系统故障。这是因为当柴油机进排气系统或活塞组件出现异常时，也会发生因故障缸功率不足而引起瞬态转速下降，喷油补偿量qi会达到补偿限值qmax等类似的症状。根据图8和9所示的共轨腔压力变化曲线，当喷射系统喷油器发生故障时，共轨腔的压力波和正常情况发生了改变，这时当柴油机进排气系统出现故障时，共轨腔的压力波不会出现异常现象。所以，可通过共轨腔压力变化曲线进一步确认故障源。
由于在喷射系统喷射前t1时刻共轨腔压力pc出现极大值(波峰)，而在高压供油泵供油始点前t2时刻共轨腔压力出现极小值(波谷)，因此t1时刻和t2时刻代表了在喷射过程中压力的变化幅度。采用安装在共轨管上的共轨压力传感器对共轨压力pc采样，将模/数转换值分别定义为s1和s2，现定义轨压pc的标定公式为pc＝K×(V-V0)式中K——轨压传感器标定系数，单位Bar/伏；V——实际采样电压值，单位伏；V0——轨压零时对应的电压值，单位伏。
假设共轨压力传感器的供电电压为5.0伏，微控制器模/数转换的采样精度为12bit，K＝500，V0＝1.0，则两次采样轨压差Δpc为Δpc=5K4096(s1-s2)]]>对应图8，其电压波动大概为100mV，则对应压力为5MPa，而对应模/数转换数字量差为82。在步骤S140中压力波动直接利用模/数转换结果计算，(Δpc)max为根据标定确定的正常喷射压力差限值，它在不同工况下的数据可按表格形式存储在程序中。
在S140中，若波动大于预先标定的存储压力差限值(Δpc)max，则诊断程序结束。表明不能判断故障源来自燃油喷射系统，故障现象可能由于进气系统或活塞组件等原因引起。若压力波动小于限值(Δpc)max，则进入步骤S150，进行次数n累计。步骤S160进行累计次数判断，若n＞N2(N2为根据实际情况确定的次数限值)，则表明连续N2次出现正常喷射共轨腔压力波动小于标定的限值，可确认燃油喷射系统故障，进入步骤S170确认燃油喷射系统故障，并在步骤S180进行现场保护，即存储故障确认时刻发动机状态，这些信息对以后系统故障分析具有非常重要的意义；若n≤N2，表示尚不足以肯定喷射系统喷油器故障，则该次故障判断结束，故障程序继续运行下一次故障判断流程。
以上所述的具体实施方式
，包括所列举的流程框图，在本发明内容和权利要求所覆盖的范围内可以有多种变型和改变。因此，所述的实施例并不构成对本发明权利要求保护范围的限制。
权利要求
1.一种共轨燃油喷射系统的喷油器故障诊断方法，其特征在于先用曲轴传感器测量发动机各缸瞬态转速的差异，利用诊断软件依据发动机缸间平衡喷油量补偿算法确定发生故障的气缸，再根据共轨压力传感器测得的共轨腔压力变化规律判断喷油系统是否发生故障，确定故障的准确位置。
2.根据权利要求1所述的喷油器故障诊断方法，其特征在于上述诊断方法在判断故障时采取第一步测量发动机各缸在喷油后的瞬态转速；第二步根据瞬态转速的差异计算各缸需要的喷油补偿量qi；第三步根据各缸喷油补偿量qi的变化趋势及分布规律进行校正，并初步判断该缸喷油器是否发生故障。
3.根据权利要求1所述的喷油器故障诊断方法，其特征在于为准确判断燃油系统喷油器故障，确定故障源的准确位置，采用了分析共轨腔喷油前后压力差Δpc是否大于预先通过标定确定的限值(Δpc)max的方法，判断是否发生喷油器卡死或喷油量持续过大而引起共轨部件限流阀动作等类型故障，同时，排除不属于燃油喷射系统的其它类型故障(如柴油机进排气系统或活塞组件异常等)。
4.根据权利要求2所述的喷油器故障诊断方法，其特征在于若各缸之间在喷油后的瞬态转速没有差异，则喷油补偿量qi为零；若各缸之间在喷油后的瞬态转速存在差异，则根据瞬态转速差异Δn对一下循环的基本喷油量qbase进行补偿；同时对喷油补偿量规定了上、下限值±qmax，当喷油补偿量达到限值仍不足以校正各缸之间的瞬态转速时，对随时间轴的各缸喷油补偿量分布进行统计分析，总结其分布规律，并给出概率限值Pro作为故障判断的依据。
5.根据权利要求2和4所述的喷油器故障诊断方法，其特征在于对随时间轴的各缸喷油补偿量qi进行统计分析时，利用最新N1个循环的喷油补偿量qi与补偿限值qmax的相对距离进行计算，并给出概率限值Pro，而且在故障判断时始终使用最新N1个循环内的喷油补偿量分析结果作为喷油系统喷油器故障判断的依据。
6.根据权利要求4所述的喷油器故障诊断方法，其特征在于当喷油补偿量qi达到了补偿限值qmax，但仍不足以校正各缸间瞬态转速的差异时，在时间轴上收集各缸喷油补偿量qi的变化趋势，并叠加在一起示出，对这些数据进行统计分析，总结其分布规律，而不是简单地把补偿量平均值直接作为故障判断的依据。
7.根据权利要求5和6所述的喷油器故障诊断方法，其特征在于对随时间轴的各缸喷油补偿量qi分布进行统计分析时，仅示出喷油补偿量qi与补偿限值qmax的相对距离之和低于预先给定概率限值时的喷油系统喷油器故障。
全文摘要
本发明涉及共轨燃油喷射系统中喷油器故障的诊断方法，主要是利用软件方法判断喷油系统喷油器机械系统的故障。采用本发明所述的方法诊断喷射系统喷油器发生的故障时，先利用发动机瞬态转速的采集和分析，再依据发动机缸间平衡控制算法所得到的喷油补偿量，并对补偿量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。同时为防止喷射系统故障误判，该方法在依据补偿量统计规律判断喷射系统故障的前提下，结合每工作循环共轨腔压力的分布规律进行分析，以精确判断故障源是否确实来自燃油喷射系统本身，从而大大提高了燃油喷射系统故障判断的准确性。
文档编号F02M65/00GK1773101SQ20051008619
公开日2006年5月17日 申请日期2005年7月25日 优先权日2005年7月25日
发明者宋国民, 季晓华, 陆召振, 张爱云, 徐剑飞 申请人:无锡油泵油嘴研究所