一種柴油機噴射系統的故障診斷方法及其裝置的製作方法

2023-07-03 17:41:21 1

專利名稱：一種柴油機噴射系統的故障診斷方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於柴油機噴射過程的控制及其測量技術領域，特別涉及一種柴油機噴射過程的故障診斷方法及其裝置。
以噴油泵為核心的高壓燃油噴射系統是柴油機的重要部件，被稱為柴油機的「心臟」。噴射過程狀態的好壞，對柴油機動力性、經濟性和排放性都有重要影響。現有技術中，直接測量高壓油管壓力中的壓力波動無疑可以實現對柴油機過程的檢測和故障診斷，但是其缺點是壓力傳感器價格昂貴，需要專門的放大器進行信號放大，而且傳感器的安裝會導致高壓容積增大，在一定程度改變了原有系統的液力特性，因此這種方法只能用於實驗室中，實際批量生產的柴油機無法應用。
目前有利用曲軸瞬時轉速信號對柴油機的狀態進行故障診斷的方法。雖然這種方法的成本低也相當可靠，但是該方法只能診斷柴油機燃燒後的總效果，不僅包括噴射過程，也包括了柴油機中進氣系統和活塞組件等其它部分的狀態，因此該方法無法判斷柴油機的故障是否是由於噴射系統故障所致，還是其它故障所致。此外，目前現有柴油機電子控制系統中，凸輪軸上安裝有轉速傳感器，以便在發動機每個工作循環輸出一個參考脈衝，作為電子控制單元判斷各缸工作相位的基準。利用該傳感器的輸出可以測量凸輪軸的平均轉速。在一些現有的電子控制系統中，噴油泵凸輪軸上安裝有一個齒輪盤，通過轉速傳感器檢測該齒輪盤的輸出，為柴油機的噴射過程控制提供凸輪軸的相位基準。這種齒盤的齒數在4～30個之間，即相鄰齒對應凸輪軸角度都在10度以上。由於柴油機噴射過程對應凸輪軸角度很窄，因此利用這種齒盤測量得到的凸輪軸轉速信號只是代表凸輪軸平均轉速的成分，無法用於對噴射過程狀態的診斷。而在目前的柴油機噴射系統的檢測及其故障診斷方法中，最常用的方法仍是依賴於對噴射系統進行拆卸式的解體檢查。這不僅效率低下，而且難以進行故障定位。
針對現有技術的不足和缺陷，本發明的目的和任務是提供一種通過測量凸輪軸瞬時轉速波動來實現柴油機噴射系統的故障診斷的方法及裝置，該方法無須對柴油機噴射系統進行拆卸就可以對其進行故障診斷，使其既不影響噴射系統的液力特性，診斷結果準確、效率高，而且成本較低。
本發明的目的和任務是通過如下技術方案實現的一種柴油機噴射系統的故障診斷方法，其特徵在於該方法是通過測量凸輪軸瞬時轉速波動來測量噴射過程中柱塞腔壓力的變化，從而實現柴油機噴射系統的故障診斷，其故障診斷方法的具體步驟是a．在直列噴油泵上的凸輪軸上安裝一個轉速傳感器，將轉速傳感器所產生的轉速脈衝信號和參考脈衝信號送入一個瞬時轉速測量裝置；b．所述轉速傳感器輸出的轉速脈衝數應在240～1500個/轉範圍c．所述瞬時轉速測量裝置對所輸入的轉速信號進行調整和濾波後，分別被送給單片機和高頻計數器；該單片機運行預先固化在程序存儲器中的軟體控制程序，首先捕捉參考脈衝信號，確定凸輪軸的相位，然後利用單片機內部定時器對轉速進行初步測量，當轉速脈衝信號頻率較高時，該單片機就訪問高頻計數器進行精確測量，並將結果依次存放在數據存儲器中。
d．將上述測量數據送入計算機處理，根據凸輪軸的相位，從測量數據中找到每個凸輪的有效供油段所對應的數據段，計算機通過程序處理該數據段來完成診斷過程並進行結果顯示或者採用鍵盤監控狀態，由瞬時測量裝置通過預先固化在程序存儲器中的軟體控制程序獨立完成診斷過成，並由液晶顯示器顯示結果，其中計算機監控的優先級高於鍵盤的優先級。
上述方法的基本原理在於在油泵凸輪軸上的凸輪推動柱塞上行供油過程中，當柱塞關閉進油口時，由於柱塞腔中的壓力迅速增大，柱塞上行阻力迅速增大，導致作用在凸輪軸上的阻力轉矩增大，使得凸輪軸瞬時轉速下降。當柱塞上的斜槽與低壓油路的回油孔連通時，柱塞腔中的壓力迅速下降，導致作用在凸輪上的阻力轉矩迅速減小，使得凸輪軸瞬時轉速迅速上升。可見，凸輪軸轉速波動幅度的大小取決於柱塞腔壓力的變化幅度。而柱塞腔壓力是噴射系統工作狀態的重要標誌，當高壓油管中的壓力異常(如噴嘴堵塞、油管洩漏等)時，柱塞腔壓力也會隨之變化，於是就可以通過測量凸輪軸瞬時轉速波動來對噴射過程中柱塞腔壓力進行故障診斷。
實現上述方法的一種柴油機噴射系統的故障診斷裝置，其特徵在於在直列噴油泵的凸輪軸上加裝一個轉速傳感器，該傳感器的輸出電纜與一個瞬時轉速測量裝置相連，所述瞬時轉速測量裝置主要由轉速信號預處理系統、高頻計數器、微處理器和監控系統等部分組成；所述轉速信號預處理系統主要由轉速信號類型選擇開關、方波信號處理電路、正弦波信號處理電路等硬體組成；所述高頻計數器是由高頻脈衝振蕩電路、計數器、清零電路和數據保持電路等硬體組成所述微處理器包括SCI通訊電路、單片機及其外圍電路、地址/數據總線及片選電路和程序/數據存儲器等硬體以及固化在存儲器中的控制軟體組成。
附

圖1為凸輪軸瞬時轉速測量系統結構圖。
圖中1-噴油泵凸輪軸2-噴油泵殼體3-聯軸節4-調速器殼體5-傳感器輸入軸6-轉速傳感器殼體7-傳感器輸出電纜8-計算機9-瞬時轉速測量裝置10-噴油器11-高壓油管。
附圖2為瞬時轉速測量裝置的硬體組態及結構圖。
附圖3為高頻計數器電路圖。
附圖4為清零電路圖附圖5為清零電路的信號時序圖，其中 T為門延遲時間。
附圖6為數據保持電路圖。
附圖7為凸輪軸瞬時轉速的區間劃分圖。
附圖8為測量裝置的軟體流程框圖。
下面結合附圖詳細敘述本發明的具體實施方法，結構原理、工作過程及最佳實施方式本發明是在傳統直列噴油泵的凸輪軸上加裝一個轉速傳感器，該傳感器與一個轉速測量裝置相連。如圖1所示，凸輪軸1的尾部通過聯軸節3與傳感器的輸入軸5連接，傳感器殼體6可安裝在調速器殼體4上。傳感器的輸出電纜7與專門設計的瞬時轉速測量裝置9連接，由測量裝置完成轉速的採集。研究結果表明，在柴油機噴射過程中凸輪軸的轉速信號是變化的，只是由於噴射過程對應凸輪角度很小，轉速變化的頻率也相當高。當採樣頻率較低時，測量結果中就沒有由於噴射過程引起的凸輪軸的轉速信號了。如果提高凸輪軸轉速信號的採樣頻率，就可以檢測到噴射過程引起的凸輪軸轉速變化。因此，傳感器對凸輪軸轉速的採樣頻率要足夠高，通常凸輪每轉傳感器的輸出脈衝數應在240～1500個/轉的範圍內，最好為360個/轉，即一度一個轉速脈衝。可以選擇通用的光電編碼器作為凸輪軸轉速傳感器。
在發動機一個循環內由於不同氣缸的噴射過程對應的凸輪角度不同，因此只要確定凸輪軸轉速波動異常時對應的凸輪相位，就可以定位發生故障的氣缸。這需要一個參考脈衝來確定轉速信號的相位。因此可以選擇帶有參考脈衝輸出的光電編碼器，同時輸出參考脈衝信號和轉角脈衝信號，例如OMROM的E6B2-CWZ6C-360P/R型光電傳感器。
瞬時轉速測量裝置的硬體(附圖2)主要由以下四部分組成，即轉速信號預處理系統、高頻計數器、微處理器和監控系統；所述轉速信號預處理系統主要由轉速信號類型選擇開關、方波信號處理電路、正弦波信號處理電路等硬體組成，其主要功能是完成轉速信號的預處理；所述高頻計數器是由高頻脈衝振蕩電路、計數器、清零電路和數據保持電路等硬體組成，其主要功能是利用高頻計數器精確測量兩個凸輪轉角脈衝之間的時間；所述微處理器包括SCI通訊電路、單片機及其外圍電路、地址/數據總線及片選電路和程序/數據存儲器等硬體以及固化在存儲器中的控制軟體組成，其主要功能是完成數據的採集、存放和處理；監控系統包括液晶LCD顯示電路及4×4鍵盤輸入電路，其功能是完成對測量裝置的監控和顯示。監控系統也可以採用計算機通過SCI通訊電路進行監控。測量裝置的軟體功能包括SCI通訊、鍵盤狀態讀取、液晶顯示控制、瞬時轉速信號的測量和處理等。
下面將各部分的工作過程及具體結構分別敘述如下轉速信號類型選擇開關根據轉速信號的類型(方波信號還是正弦信號)進行設置，以決定採用相應的調整電路。轉速調整電路根據轉速信號的類型分別處理使之成為標準的方波信號。高頻時鐘振蕩電路獨立產生可達16MHz的標準時鐘，該時鐘的二倍頻作為計數器的計數頻率。每個轉速脈衝的上升沿到來後，計數器中的數值先被鎖存然後被清零。計數器的清零由轉速脈衝觸發的清零電路完成。計數器清零前的數值為兩個轉速脈衝上升沿之間的脈衝數，它代表了該角度內的時間。該數值由數據保持電路進行保存。微處理器通過片選電路訪問數據保持電路以讀取該數值，並將其存放在數據存儲器中，從而完成轉速測量。測量完成後，按照一定的處理算法，顯示每缸對應的噴油過程工作狀態指標，從而完成噴射系統的診斷過程。操作者可通過裝置上的4×4鍵盤監控診斷過程，也可以利用專門設計的計算機監控界面對測量裝置進行監控。其中計算機監控的優先級別高於鍵盤的優先級，當測量裝置檢測到SCI通訊時，自動轉入計算機監控的狀態而屏蔽4×4鍵盤的輸入。只有在沒有SCI通訊的條件下，才會響應4×4鍵盤的輸入。
高頻計數器主要由計數器、清零電路、數據保持電路等組成，是完成高精度凸輪軸瞬時轉速測量的核心，下面分別敘述如下計數器如圖3所示，為由兩片74HC393組成的16位計數器，它的輸入時鐘即為單片MC68HC711K4的晶振時鐘，頻率為16MHz。計數器的輸出為Q0～Q15，組成16位計數器。由于振蕩電路的輸出信號為正弦信號，在一個周期內計數器要進行0和1兩個狀態跳變，因此計數器的計數頻率實際上為振蕩電路輸出的正弦信號頻率的兩倍，為32MHz。如果沒有清零信號RD，該電路將一直計數。
清零電路清零電路的作用是當一個轉速脈衝的上升沿到來後，使計數器置零，重新計數。這樣，在清零前計數器中的數值就代表了兩個轉速脈衝之間的時間。如圖4所示，主要由74LS123(U2)單穩觸發器及相應的電阻R42、R43及電容C28、C29組成，整形後的轉速脈衝273CK作為觸發的輸入。該電路的信號時序如圖5所示，從轉速信號273CK的上升沿到清零信號RD的下將沿，有Tc時間的滯後，這是因為在清零前，先要數據保持電路保存計數器中的數值。信號RD的高電平具有一定寬度約(50ns)保證清零成功。在Tc區間計數器的數值是無效的，這屬於系統誤差。但Tc非常小，大約100ns，而且為常數，可以軟體補償。
數據保持電路在轉速上升沿到來後、清零電路對計數器置零前的約50ns時間內，計數器中的數值被鎖存到數據保持器中，保存以便於單片機的讀取。如圖6所示，該電路主要由兩片74HC273(U5和U6)、74HC245(U8和U9)組成。當轉速脈衝273CK的上升沿到來後，計數器的值Q0～Q15分別被鎖存到U5和U6中，由P0～P15端輸出。在下一個轉速的上升沿到來前，P0～P15數據保持不變。如果這個期間單片機從/Y0(或/Y1)地址讀取，U8(或U9)被選中，於是數據P0～P7(或P8～P15)出現在單片機的總線AD0～AD7上，從而完成讀取過程。
整個測量裝置的軟體流程框圖如附圖8所示。其測量過程及步驟如下當有計算機和測量裝置通訊時，忽略鍵盤輸入信號，控制參數從計算機讀取，同時液晶顯示器顯示與「計算機控制」字樣。當沒有計算機和測量裝置通訊時，命令由鍵盤輸入，此時液晶提示按鍵功能和所輸入的參數值。
當按下「開始」按鈕時，測量裝置開始測量工作，首先捕捉參考脈衝的下降沿，然後開始用單片機內部定時器測量轉速脈衝，其計數頻率為4MHz。當信號的頻率較低時(＜1000Hz)，4MHz的計數頻率即可滿足轉速測量的精度要求，此時單片機可以不採用高頻計數器的測量結果。這是因為當轉速信號頻率較低時，32MHz的計數頻率很容易溢出，造成測量錯誤。當信號頻率較高時，4MHz的計數頻率不能滿足測量精度要求，則採用高頻計數器的測量結果。測量結束後，如果是計算機監控狀態，則將數據送給計算機，根據凸輪軸的相位，從測量數據中找到每個凸輪的有效供油段所對應的數據段，計算機通過程序處理該數據段來完成診斷過程並在屏幕上進行結果顯示；如果是鍵盤監控狀態，則由瞬時測量裝置通過預先固化在程序存儲器中的軟體控制程序獨立完成診斷過程，並通過液晶顯示器顯示結果。計算機上和測量裝置上的數據處理算法是一致的，即採用局部傅立葉變換，其具體算法如下
轉速信號區間劃分如圖7所示，假定每次測量一個循環的凸輪軸瞬時轉速信號，共有360個數據，每次測量都從參考脈衝的下降沿A點開始。B點為柱塞關閉進油口的凸輪軸角度，AB之間的角度Φ1取決於凸輪軸傳感器的安裝位置，可取Φ1=3°～10°凸輪角度。從B開始之後對應凸輪的有效供油段Φ2為有用的信號區間，只要對該區間的凸輪軸瞬時轉速信號進行處理就可以判斷柱塞腔壓力的狀態。Φ2的典型值為20°凸輪角度。下一個工作凸輪對應的有用區間(DE區間)與B點相差的角度間隔為Φ3，它等於發動機發火間隔角度，例如對於6缸發動機，Φ3典型值為60°凸輪角度。每個噴射過程只要對Φ2區間進行傅立葉分析即可。
1．假設第i缸Φ2區間測量得到的凸輪軸瞬時轉速信號為ni(l),ni(l+1),…ni(p),…,ni(l+19)(1)2．對其進行離散傅立葉變換，結果為Ni(k),k=0～19，其中k=0為直流分量 (2)3．其第i缸噴射過程狀態指標為前5階幅值和Xi=k=15|Ni(k)|------(3)]]>4．計算機各缸指標的最大、最小和平均值 上式中Z為噴油泵總的柱塞個數，即發動機總缸數。
5．設參數C1為各缸噴射過程差異係數，(C1範圍一般為0.25～0.35)，當下式成立時，說明各缸的噴射過程狀態正常ΔX=Xmax-Xmin＜C1X(5)6．若上式不成立，進一步對各缸的噴射過程診斷，當下式成立時，確認第i缸噴射過程狀態異常｜Xi-X｜＞C2X (6)其中C2為0.2～0.25。
上述過程中，區間Φ2的大小，參數C1和C2的大小針對不同類型的噴油泵稍有差別，可以預先標定好。
本發明與現有技術相比，具有以下優點及有益效果由於該方法是通過測量凸輪軸瞬時轉速波動來測量噴射過程中柱塞腔壓力的變化，從而實現柴油機噴射系統的故障診斷，這樣就避免了採用價格昂貴的壓力傳感器，也不需對柴油機噴射系統進行拆卸式的解體檢查，就可進行故障定位。因此本發明不會影響柴油機噴射系統的液力特性、診斷結果準確、效率高、而且成本較低。
權利要求
1．一種柴油機噴射系統的故障診斷方法，其特徵在於該方法是通過測量凸輪軸瞬時轉速波動來測量噴射過程中柱塞腔壓力的變化，從而實現柴油機噴射系統的故障診斷，其故障診斷方法的具體步驟是a．在直列噴油泵上的凸輪軸上安裝一個轉速傳感器，將該轉速傳感器產生的轉速脈衝信號和參考脈衝信號送入一個瞬時轉速測量裝置；b．所述轉速傳感器輸出的轉速脈衝數應在240～1500個/轉範圍內；c．所述瞬時轉速測量裝置對轉速信號進行調整和濾波後，分別被送給單片機和高頻計數器；該單片機運行預先固化在程序存儲器中的軟體控制程序，首先捕捉參考脈衝信號，確定凸輪軸的相位，然後利用單片機內部定時器對轉速進行初步測量；當轉速脈衝信號頻率較高時，該單片機就訪問高頻計數器進行精確測量，並將結果依次存放在數據存儲器中。d．將上述測量數據送入計算機，根據凸輪軸的相位，從測量數據中找到每個凸輪的有效供油段所對應的數據段，計算機通過程序處理該數據段來完成診斷過程並進行結果顯示；或者採用鍵盤監控狀態，由瞬時測量裝置通過預先固化在程序存儲器中的軟體控制程序獨立完成診斷過成，並由液晶顯示器顯示結果，其中計算機監控的優先級高於鍵盤的優先級。
2.一種採用如權利要求1所述方法的柴油機噴射系統的故障診斷裝置，其特徵在於在直列噴油泵的凸輪軸上加裝一個轉速傳感器，該傳感器的輸出電纜與一個瞬時轉速測量裝置相連，所述瞬時轉速測量裝置主要由轉速信號預處理系統、高頻計數器、微處理器和監控系統等部分組成；所述轉速信號預處理系統主要由轉速信號類型選擇開關、方波信號處理電路、正弦波信號處理電路等硬體組成，所述高頻計數器是由高頻脈衝振蕩電路、計數器、清零電路和數據保持電路等硬體組成；所述微處理器包括SCI通訊電路、單片機及其外圍電路、地址/數據總線及片選電路和存儲器等硬體以及固化在存儲器中的控制軟體組成。
3.按照權利要求2所述的一種柴油機噴射系統的故障診斷裝置，其特徵在於所述監控系統包括液晶LCD顯示電路及鍵盤輸入電路，該液晶LCD顯示電路及鍵盤輸入電路輸入端分別與單片機的外圍電路相聯。
4.按照權利要求2所述的一種柴油機噴射系統的故障診斷裝置，其特徵在於所述監控系統採用與所述SCI通訊電路相連的計算機。
5.按照權利要求2、3或4所述的一種柴油機噴射系統的故障診斷裝置，其特徵在於所述轉速傳感器採用可同時輸出參考脈衝信號和轉速脈衝信號的光電傳感器。
全文摘要
一種柴油機噴射系統的故障診斷方法及其裝置,屬於柴油機噴射過程的控制及其測量技術領域。其特點是在直列噴油泵的凸輪軸上加裝一個轉速傳感器,使其與一個瞬時轉速測量裝置相連。其測量方法是通過測量凸輪軸瞬時轉速波動來實現柴油機噴射系統的故障診斷。該方法避免了使用價格昂貴的壓力傳感器,無須對柴油機噴射系統進行拆卸式的解體檢查就可對其進行故障診斷。因此不會影響噴射系統的液力特性,具有診斷結果準確、效率高,而且成本較低的優點。
文檔編號F02M65/00GK1309234SQ0111013
公開日2001年8月22日 申請日期2001年3月30日 優先權日2001年3月30日
發明者李建秋, 歐陽明高 申請人:清華大學