胡建功

（太原學院，山西 太原030032）

1 引言

為了滿足日益嚴格的排放法規(guī)要求，電控發(fā)動機都要求裝備在線診斷系統(tǒng) (on_board diagnosis，OBD)，而在線失火 (misfire)診斷則是OBD系統(tǒng)的重要內(nèi)容。失火是指內(nèi)燃機單個或多個氣缸內(nèi)混合氣不能著火燃燒的一種故障。點火系統(tǒng)故障、噴油系統(tǒng)故障、配氣機構(gòu)故障、氣缸密封不良等原因都可能導致發(fā)動機失火[1]。失火可能會導致輸出功率下降、燃油消耗增加、排放污染物超標，甚至三元催化器損壞[2]。由于催化轉(zhuǎn)換器的劣化過程是一個復雜的物理和化學過程，很難設(shè)計一個故障模擬裝置來模擬。因此，國外采用快速老化的方法[3,4]。制備出不同老化程度的催化轉(zhuǎn)換器來進行OBD系統(tǒng)的標定工作和驗證試驗。本文提出了發(fā)動機粗暴度ER的數(shù)值算法，算法包括靜態(tài)元素、動態(tài)元素、曲率元素三種算法。

2 發(fā)動機失火測量段的自適應研究

可靠失火探測要求一個準確的測量段周期測量。然而，因為曲軸位置靶輪受制造公差和偏心安裝的影響，測得的未處理測量段周期是不準確的。這些不精確度源自于系統(tǒng)誤差，因此可以在發(fā)動機運行過程中，通過 “學習”識別系統(tǒng)誤差，并完成自適應。每一個發(fā)動機粗暴度值ER_AV計算前，用相關(guān)的測量段自適應值對測得的測量段周期時間進行修正，由曲軸位置靶輪公差產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差很大程度被消除。

自適應過程的參考測量段是測量段SEG[0]，當自適應條件都具備時，自適應值每720°曲軸角計算一次。各測量段自適應值計算公式如下：

SEG_AD_x=[(Tx-T0)-x/4*(T0’-T0)]/T0

其中SEG_AD_x表示第段x（x=0,1,2,3）的自適應值，

Tx表示測量段SEG[x]實測到的測量段時間，

T0表示實測到的參考測量段SEG[0]時間，

T0’表示720°曲軸角后，第二次實測到的參考測量段SEG[0]的時間。

對于4缸直列發(fā)動機，如果沒有出現(xiàn)氣缸的直接損壞，使用同一機械測量段的汽缸自適應值將大致相同。

SEG_AD_0≈SEG_AD_2，

SEG_AD_1≈SEG_AD_3

考慮自適應值后，修正的測量段時間為：SEG_Tx修正=Tx*(1-SEG_AD_x)

按上述自適應理論，顯然在發(fā)動機減速過程中進行自適應比較合適。在捷達車載診斷OBD系統(tǒng)開發(fā)時，將自適應過程定義在減速倒拖斷油工況下進行。在這個過程中，因供油被切斷，發(fā)動機不做功，可避免由于不正常燃燒可能產(chǎn)生的偶然誤差。如果所有的自適應條件都滿足，系統(tǒng)從測量段SEG[0]開始，每720°曲軸角完成一次自適應計算。

對于捷達1.6 2V直列四缸發(fā)動機，為了能對每一個相關(guān)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)特有的曲軸特性進行學習，測量段周期時間自適應在3個不同的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)定義 （低速，中速和高速），轉(zhuǎn)速范圍定義如下：

2500rpm至 3500rpm，SEG_AD_L_x。低發(fā)動機轉(zhuǎn)速學習范圍，用于初始化和第一個自適應學習過程的標準范圍。

3500rpm至4500rpm，SEG_AD_M_x。中等發(fā)動機轉(zhuǎn)速學習范圍。

4500rpm至 5500rpm，SEG_AD_H_x。高速發(fā)動機轉(zhuǎn)速學習范圍。

在第一時間，因為測量段時間自適應過程剛剛開始，測量段自適應僅在低發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進行和學習。在這期間，只定義一個總的自適應值：在所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都使用同一個值 （SEG_AD_MMV_L_x=SEG_AD_MMV_M_x=SEG_AD_MMV_H_x）。

當?shù)谝粋€自適應過程完成后，然后進行與發(fā)動機轉(zhuǎn)速相關(guān)的自適應。將根據(jù)運行發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍定義和完成自適應值。

發(fā)動機控制器ECU是新的時候，測量段自適應值是零。

3 失火失效基準CARB A/CARB B

捷達車載診斷OBD系統(tǒng)失火監(jiān)測開發(fā)過程中使用美國加州OBD法規(guī)定義的失火失效基準CARB A/CARB B。

當失火率達到CARB A門檻值時，排放值升高，同時，如果導致失火率達到門檻值的失火氣缸不切斷，催化轉(zhuǎn)換器有損壞的危險。在駕駛循環(huán)過程中，這種失火率必須在200個曲軸轉(zhuǎn)速內(nèi)識別，以保護催化轉(zhuǎn)換器。為實現(xiàn)此目的，在發(fā)動機控制器ECU里為每一個缸分別設(shè)置了計數(shù)器Counter[0,1,2,3]，當失火發(fā)生時，計數(shù)器加1。在200個曲軸轉(zhuǎn)速內(nèi)，將計數(shù)器值與標定門檻值CARB_A_THD比較，CARB_A_THD為一個以負荷和轉(zhuǎn)速為自變量的脈頻，不在脈頻點上的工況點通過插值方式計算獲得。如果累計的失火率大于標定門檻值，發(fā)動機控制器將立即點亮故障燈，并切斷失火缸的噴油。如圖1為捷達CARB A診斷運行邏輯框圖。

圖1 CARB A運行邏輯框圖

判斷催化轉(zhuǎn)換器是否產(chǎn)生不可逆損壞的依據(jù)是催化轉(zhuǎn)換器工作時的溫度，對捷達催化轉(zhuǎn)換器而言，催化轉(zhuǎn)換器供貨商在大量試驗的基礎(chǔ)上將不可逆損壞溫度定義為950℃。在底盤測功機上對捷達整車進行試驗獲得CARB_A_THD脈頻。

試驗時，在4.5英寸長的催化轉(zhuǎn)換器上設(shè)置前、中、后三個測溫點，如圖2所示。按脈頻定義的工況點，逐步提高模擬的失火率，直到催化轉(zhuǎn)換器內(nèi)部溫度達到950℃左右，這時的失火率即為門檻值CARB_A_THD對應的脈頻。為了保護試驗用催化轉(zhuǎn)換器，縮短試驗時間，首先使用白載體(Dummy Catalyst)進行試驗，確認大致的催化轉(zhuǎn)換器不可逆損壞的失火率。因白載體內(nèi)沒有催化轉(zhuǎn)換時的化學反應，催化轉(zhuǎn)換器內(nèi)部溫度達到950℃左右的失火率應高于有涂層的催化轉(zhuǎn)換器。

圖2 捷達CARB_A_THR脈頻標定時催化轉(zhuǎn)換器測溫圖

圖3為試驗過程中溫度測量的一個示例，催化轉(zhuǎn)換器前部的兩個熱電偶測量到的溫度大致一樣，約為890℃。催化轉(zhuǎn)換器后部的溫度稍低，約為820℃左右。

圖3 試驗中測得的催化轉(zhuǎn)換器排溫

表1為捷達CARB_A_THD的標定脈頻，可以看出，當負荷和轉(zhuǎn)速都較高時，造成催化轉(zhuǎn)換器不可逆損壞的失火率越低，當發(fā)動機工況為6000rpm/全負荷時，最低可達5%。

表1 捷達CARB_A_THD標定脈頻

CARB B是整車工況排放超過OBD限值時的失火率。當導致工況排放超OBD限值的失火率發(fā)生時，發(fā)動機控制器應在1000個曲軸循環(huán)內(nèi)識別。為實現(xiàn)此目的，在發(fā)動機控制器ECU里為每一個缸分別設(shè)置了計數(shù)器Counter[0,1,2,3]，當失火發(fā)生時，計數(shù)器加1。在1000個曲軸轉(zhuǎn)速內(nèi)，將計數(shù)器值與標定的門檻失火率比較，達到門檻值時，則記錄故障。如果兩個排放工況循環(huán)時都記錄了CARB B故障，則發(fā)動機控制器將點亮故障燈。CARB B運行邏輯框圖4圖所示。

圖4 CARB B運行邏輯框圖

CARB B對應的失火率在底盤測功機上通過整車排放試驗獲得。試驗時，使用整車V型80000公里可靠性試驗后的老化催化轉(zhuǎn)換器 （法規(guī)要求），從失火率為0%開始，以0.5%的步幅逐步升高失火率，直到整車工況排放達到OBD限值。這時的失火率為CARB B對應的失火率。捷達CARB B對應的失火率為2%。

在試驗過程中，將發(fā)動機粗暴度限值THD_ER設(shè)定在最低值，避免發(fā)動機控制器診斷出失火故障進入跛行回家備份模式，從而影響試驗過程。

沒有失火時的工況排放試驗如圖5所示：

圖5 沒有失火時工況排放過程結(jié)果記錄

試驗結(jié)果：HC=0.175g/km NOx=0.219g/km CO=1.029g/km

失火率為2%時的工況排放試驗如圖6所示：

圖6 2%失火率時工況排放過程結(jié)果記錄

試驗結(jié)果：HC=0.457g/km NOx=0.162g/km CO=1.713g/km

失火率為3%時的工況排放試驗如圖7所示：

圖7 3%失火率時工況排放過程結(jié)果記錄

試驗結(jié)果：HC=0.683g/km NOx=0.124g/km CO=1.878g/km

4 發(fā)動機單缸失火/多缸失火的監(jiān)測

發(fā)動機失火分為單缸失火和多缸失火兩種。捷達1.6 2V 4缸發(fā)動機使用雙點火線圈模塊點火控制方式，點火順序是1-3-4-2，一個點火線圈負責1/4缸點火，另一個點火線圈負責2/3缸點火，每一個缸在2個曲軸轉(zhuǎn)速內(nèi)都將在壓縮上止點/排氣上止點各點火1次。這種硬件結(jié)構(gòu)導致1/4缸和2/3缸同時發(fā)生雙缸失火的概率較大，單缸失火和多缸失火的監(jiān)測方式有一定差別。如圖8所示，左邊為第2缸單缸失火的判斷過程，右邊為2/3缸雙缸失火的判斷過程。

圖8 捷達發(fā)動機單缸/多缸失火監(jiān)測過程示意圖

首先測量各缸的發(fā)動機粗暴度值ER_AV，將發(fā)動機粗暴度ER_AV為負值的測量值，如圖中所示的第2缸發(fā)動機粗暴度值ER_2，與單缸發(fā)動機失火粗暴度限值THD_ER_AV比較，如發(fā)動機粗暴度值小于限值THD_ER_AV，則判斷存在一個單缸失火。

隨后將失火缸的發(fā)動機粗暴度值ER_2與其對應的第3缸的發(fā)動機粗暴度值ER_3相加，如果其和高于多缸發(fā)動機粗暴度失火限值THD_ER_MPL_AV，則不存在雙缸失火；如果其和低于多缸發(fā)動機粗暴度失火限值THD_ER_MPL_AV，則判斷存在發(fā)動機雙缸失火的可能。對是否存在雙缸失火，將使用一個發(fā)動機雙缸失火的粗暴度檢查限值THD_ER_MPL_CHK進行進一步判斷。如果兩個缸的發(fā)動機粗暴度值ER_2/ER_3都低于雙缸失火檢查限值THD_ER_MPL_CHK，則判斷2/3缸存在雙缸失火。如圖9為單缸失火監(jiān)測方式的邏輯框圖?？梢钥闯?，發(fā)動機粗暴度限值THD_ER是發(fā)動機失火監(jiān)測的核心。

圖9 單缸失火監(jiān)測方式的邏輯框圖

5 發(fā)動機粗暴度限值的制取

發(fā)動機粗暴度限值THD_ER脈頻的制取在捷達整車上進行。脈頻的制取基于兩個原則：

在沒有發(fā)動機失火的情況下，發(fā)動機粗暴度限值要保證車輛運行時正常噪聲不被診斷為失火。

發(fā)動機失火可以被誤判為沒有失火，但沒有失火不能被誤判為失火。

發(fā)動機粗暴度限值THD_ER脈頻標定時，使用三種最有可能在日常發(fā)動機運行時產(chǎn)生的典型失火率：

4%均布失火率。既發(fā)動機每25個運行循環(huán)中的某一特定序號循環(huán)產(chǎn)生一個失火，如圖10所示。發(fā)動機轉(zhuǎn)速n=1500rpm，負荷MAF=85mg/hub

圖10 4缸發(fā)動機4%均布失火率

25%失火率。既有一個缸完全失火，如圖11所示。發(fā)動機轉(zhuǎn)速N=2500rpm，負荷MAF=200mg/hub

圖11 4缸發(fā)動機25%失火率

50%失火率。既雙缸失火，如圖12所示。發(fā)動機轉(zhuǎn)速N=2500rpm，負荷MAF=200mg/hub

圖12 4缸發(fā)動機雙缸50%失火率

標定時使用軟件發(fā)生失火，有切斷噴油和不點火兩種失火發(fā)生方式。試驗過程中使用不點火方式。

為保證統(tǒng)計精度，每一個工況點的測量長度至少為100個發(fā)動機運轉(zhuǎn)循環(huán)。本試驗為250個發(fā)動機運轉(zhuǎn)循環(huán)，既1000個測量段。

標定結(jié)果：

表2為捷達發(fā)動機單缸失火粗暴度限值THD_ER_AV(μm) 的脈頻：

表2 捷達發(fā)動機單缸失火粗暴度限值脈頻

表3為捷達發(fā)動機多缸失火粗暴度限值THD_ER_MPL_AV (μm) 的脈頻：

表3 捷達發(fā)動機多缸失火粗暴度限值脈頻

表4為捷達發(fā)動機多缸失火粗暴度檢查限值THD_ER_MPL_CHK(μm) 的脈頻：

表4 捷達發(fā)動機多缸失火粗暴度檢查限值脈頻

6 結(jié)束語

根據(jù)國III/國IV排放法規(guī)對發(fā)動機失火診斷的要求,提出了發(fā)動機粗暴度ER的數(shù)值算法。試驗結(jié)果表明，這種失火數(shù)值算法是準確可靠的。

在捷達車載診斷OBD系統(tǒng)失火診斷功能開發(fā)過程中，為消除制造公差及偏心安裝等系統(tǒng)誤差對測量段周期精確度的影響，開發(fā)了測量段周期自適應算法，劃分了高速、中速和低速三個自適應轉(zhuǎn)速范圍，以保證獲得的測量段周期的準確性。試驗結(jié)果表明，測量段周期自適用算法能有效提高失火診斷的可靠性。

根據(jù)法規(guī)定義的失火失效基準CARB A(造成催化轉(zhuǎn)換器不可逆損壞的失火率)/CARB B(造成I型工況排放超OBD限值的失火率)，通過大量試驗確定了捷達手動箱車對應于CARB A的失火率脈頻，以及對應于CARB B的失火率。試驗結(jié)果相關(guān)的標定匹配是成功的。

根據(jù)捷達發(fā)動機點火系統(tǒng)的特性，確定了單缸、雙缸失火的判別方法，以及標定出對應的發(fā)動機粗暴度限值脈頻。試驗結(jié)果表明，使用此脈頻能準確判斷發(fā)動機的失火。