李麗榮 趙樹(shù)國(guó) 程金霞

(邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，河北邯鄲 056005)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)失火檢測(cè)的應(yīng)用研究

李麗榮 趙樹(shù)國(guó) 程金霞

(邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，河北邯鄲 056005)

對(duì)桑塔納3000轎車的失火進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)方法采用加速度判別法，通過(guò)傳感器、計(jì)數(shù)器、單片機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速和加速度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，可以判斷汽車有否失火，進(jìn)而還可判斷汽車失火的汽缸。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究表明，加速度檢測(cè)法對(duì)檢測(cè)汽車失火有一定的準(zhǔn)確性，可靠性和有效性，方法簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，可以應(yīng)用于汽車檢測(cè)的實(shí)際中去。

失火;計(jì)數(shù)器;單片機(jī);加速度

0 前言

汽車有害氣體的排放越來(lái)越受到人們的重視。1994年美國(guó)加州大氣資源局(CARB)的OBDⅡ法規(guī)進(jìn)行了明文立法，規(guī)定因工作異常而使有害廢氣排放增加的所有部件均要由ECU在線監(jiān)測(cè)，而且規(guī)定必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的失火進(jìn)行檢測(cè)。在我國(guó)，國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局和國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢疫總局規(guī)定全國(guó)在2007年7月1日實(shí)施國(guó)Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)，2008年又規(guī)定第一類汽油車需配備車載診斷系統(tǒng)(OBD)。這標(biāo)志著對(duì)汽車的綠色性要求越來(lái)越高。

汽車的綠色性最主要一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是汽車失火問(wèn)題，失火是多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的一種常見(jiàn)故障，有數(shù)據(jù)表明，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生失火時(shí)主要增加有害氣體的排放。圖1給出HC、CO和NOx排放水平與失火比例之間的關(guān)系，此結(jié)果來(lái)自一臺(tái)6缸218L發(fā)動(dòng)機(jī)。結(jié)果顯示，大約2%的失火率就會(huì)使有害排放物超過(guò)1.5倍的排放標(biāo)準(zhǔn)。因此對(duì)汽車失火的檢測(cè)就顯得尤為重要。本文作者在了解了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的失火研究，借鑒國(guó)內(nèi)外的成功經(jīng)驗(yàn)后，立足國(guó)內(nèi)，開(kāi)發(fā)了自己的失火檢測(cè)技術(shù)及其檢測(cè)系統(tǒng)。

1 失火檢測(cè)系統(tǒng)

傳統(tǒng)判斷汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是否失火的方法是檢查各氣缸的轉(zhuǎn)速變化或是瞬時(shí)的加速度的變化，但是都不夠準(zhǔn)確，是因?yàn)槎家獙y(cè)得的數(shù)據(jù)和設(shè)定的閥值作比較，然而設(shè)置的閥值都是來(lái)自大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。又由于發(fā)動(dòng)機(jī)的工況的變化范圍較大，所以人為的模擬不能等同于發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工況。為此，本文采用“加速度判別法”，就是采用計(jì)數(shù)器對(duì)曲軸位置傳感器和曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)發(fā)出的每個(gè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后，再把這個(gè)數(shù)據(jù)送到單片機(jī)中進(jìn)行暫存和中斷，等一次采集完成后，單片機(jī)再通過(guò)串口送入到PC機(jī)進(jìn)行分析、處理等。本系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)完成一個(gè)可實(shí)際應(yīng)用的性價(jià)比較高的診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)具有自診斷和出錯(cuò)報(bào)警功能。試驗(yàn)表明，本文采用的診斷方法是可靠的。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成及其工作原理

實(shí)驗(yàn)采用桑塔納3000發(fā)動(dòng)機(jī)，其曲軸位置傳感器發(fā)出的每個(gè)脈沖信號(hào)包括曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)送到計(jì)數(shù)器內(nèi)部進(jìn)行計(jì)數(shù)，后傳送到單片機(jī)內(nèi)部，單片機(jī)會(huì)對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，在活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)發(fā)出中斷請(qǐng)求，在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的采樣，采樣數(shù)據(jù)暫存到單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，采樣大約在上止點(diǎn)后的18度內(nèi)結(jié)束，采樣完成后通過(guò)串口送入PC機(jī)中，通過(guò)計(jì)算可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)加速度，然后對(duì)加速度進(jìn)行分析，最后得出是否發(fā)生失火的結(jié)論，并作出相應(yīng)的處理。進(jìn)而還可以通過(guò)凸輪軸傳感器和曲軸位置傳感器共同確定出失火氣缸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)主要由曲軸位置傳感器、計(jì)數(shù)器、單片機(jī)和PC機(jī)組成。曲軸位置傳感器采用磁電式傳感器，信號(hào)轉(zhuǎn)子為齒盤(pán)式，在其圓周上均勻間隔地制作有58個(gè)凸齒、57個(gè)小齒缺和一個(gè)大齒缺。大齒缺輸出基準(zhǔn)信號(hào)，對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸1或氣缸4壓縮上止點(diǎn)前一定角度。大齒缺所占的弧度相當(dāng)于兩個(gè)凸齒和三個(gè)小齒缺所占的弧度。因?yàn)樾盘?hào)轉(zhuǎn)子隨曲軸一同旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒就會(huì)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，當(dāng)信號(hào)轉(zhuǎn)子隨發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，傳感線圈就會(huì)輸出58個(gè)脈沖信號(hào)。計(jì)數(shù)器采用KOYO計(jì)數(shù)器KCV－4S，技術(shù)規(guī)格如表1所示。單片機(jī)采用AT89C51，技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路

桑塔納3000發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸位置傳感器采用磁電式傳感器，凸輪軸傳感器發(fā)出的每個(gè)信號(hào)均為數(shù)字脈沖信號(hào)，因此無(wú)需再進(jìn)行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換即可使用。發(fā)出的每個(gè)信號(hào)送至光洋計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后把計(jì)數(shù)值傳給單片機(jī)，再由單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，其中，上止點(diǎn)信號(hào)由T0申請(qǐng)中斷，曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值自動(dòng)鎖存并由INT0申請(qǐng)中斷。

2.3 鍵盤(pán)及動(dòng)態(tài)顯示電路

鍵盤(pán)采用Intel的8279A可編程鍵盤(pán)/顯示接口芯片，鍵盤(pán)為4×4矩陣式鍵盤(pán)，按鍵包括功能鍵和數(shù)字鍵。第一行各鍵定義為0、1、2、3;第二行定義為4、5、6、7;第三行定義為8、9;其它兩鍵不用;第四行定義為功能鍵。8279A的SL0～SL3為掃描信號(hào)輸出線，接接口的1～4線，作為鍵盤(pán)列掃描和顯示的代碼輸出線;RL0～RL3為回饋信號(hào)線，接接口的5～8線，作為鍵盤(pán)行掃描恢復(fù)線，RL4～RL7不用。

顯示電路為12位，位選信號(hào)線需要擴(kuò)展，采用74LS154譯碼器實(shí)現(xiàn)。顯示方式采用動(dòng)態(tài)顯示。

3 軟件的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在硬件電路的支持下，設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定、高效運(yùn)行的軟件程序是非常關(guān)鍵的。這樣可以使系統(tǒng)功能發(fā)揮的更加完善和強(qiáng)大。在軟件調(diào)試過(guò)程中使用KELLC51 uVeison3編譯器和PROTEUS仿真軟件對(duì)編制程序進(jìn)行仿真調(diào)試。

3.1 模塊化的設(shè)計(jì)

本程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，因?yàn)镃語(yǔ)言編程靈活，生成的代碼編譯效率高，可移植性好，便于項(xiàng)目維護(hù)管理等。主要由主程序、INT0中斷服務(wù)程序、T0中斷服務(wù)程序以及其他一些子程序組成。部分程序框圖如圖3所示。

上止點(diǎn)信號(hào)由T0申請(qǐng)中斷，曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值自動(dòng)鎖存并由INT0申請(qǐng)中斷。中斷服務(wù)程序可以完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)鎖存等功能，由于程序較簡(jiǎn)單，流程圖略。

4 信號(hào)分析和處理

4.1 曲軸轉(zhuǎn)角判斷上止點(diǎn)

上止點(diǎn):活塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)活塞頂離曲軸旋轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)處，即活塞最高位置。在開(kāi)始階段的加速運(yùn)動(dòng)中速度達(dá)到最大值，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角超過(guò)上止點(diǎn)后，曲軸的轉(zhuǎn)速變?yōu)闇p速運(yùn)動(dòng)，也就是曲軸的轉(zhuǎn)速變?yōu)榧铀俣葹樨?fù)的加速運(yùn)動(dòng)即減速運(yùn)動(dòng)。因此通過(guò)判斷加速度的符號(hào)就可以知道上止點(diǎn)。

4.2 采樣轉(zhuǎn)速

其中Xi表示曲軸轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。

4.3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速加速度

其中k1，k2，k3，k4和k5為常數(shù)系數(shù)，Ti為每個(gè)計(jì)數(shù)器信號(hào)所需時(shí)間。

分析如下:

其中i表示發(fā)動(dòng)機(jī)的缸號(hào)，j表示采集的信號(hào)的序號(hào)。

如果a＞0則說(shuō)明在此缸做功的過(guò)程中曲軸做的是加速運(yùn)動(dòng)，因此說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)的第i缸工作正常。反之，如果a＜0則說(shuō)明在此缸做功的過(guò)程中曲軸做的是減速運(yùn)動(dòng)，因此說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)的第i缸出現(xiàn)失火。失火汽缸的判別可由凸輪軸和曲軸位置傳感器共同確定。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

“加速度判別法”通過(guò)在桑塔納3000發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，證明了該檢測(cè)方法的有效性，該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，有效率高，響應(yīng)快，而且避免了計(jì)算加速度的閥值，提高了汽車失火判斷的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

［1］GB18352.3－2005.輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)Ⅲ、Ⅳ階段)［S］

［2］王震，方茂東.基于OBD系統(tǒng)的失火診斷與排放分析［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2007，(4)

［3］吳鋒，徐航，何文華，謝云文.基于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)定量分析汽油機(jī)各缸均勻性的研究［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，1995，(3):40～43

［4］黃大偉，聞兵，譚達(dá)明.基于曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)診斷各缸作功狀況的研究［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，(2):138～141

［5］胡偉，季曉衡.單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:人民郵電出版社，2003.1:187～222

U472.43

A

1009－5462(2011)03－0042－04

2011－08－21

本論文由邯鄲市科技局項(xiàng)目支持，項(xiàng)目編號(hào)0921109072－2。

李麗榮，女，河北威縣人，邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系講師。

［責(zé)任編校:張彩紅］