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第 29 卷第 7 期农 业 工 程 学 报Vol.29No.7 442013 年4 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringApr. 2013 柴油机高压共轨燃油喷射压力故障诊断及保护 黄啸，周文华 ，臧润涛，郭修其 （浙江大学能源工程学系，杭州 310027） 摘要：燃油喷射压力的控制精度直接影响燃油的喷射质量，为了加强轨压控制的可靠性，降低排放，通过对轨 压采样处理以及共轨压力控制算法的研究，提出了燃油喷射压力相关故障的检测方案，包括轨压闭环控制相关故 障以及限压阀故障，利用自主研发的共轨平台设计了相应的诊断软件，并给出了保护策略，在柴油机上完成了各 种轨压故障诊断试验。试验结果表明该诊断方法能迅速有效的识别轨压的各种相关故障，既无漏报也无错报，相 应保护策略也能及时的很好的起作用，完全达到了排放法规的要求。 关键词：柴油机，故障诊断，燃油喷射，压力，保护策略，限压阀，高压共轨 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.07.006 中图分类号：TK421.23文献标志码：A文章编号：1002-6819(2013)-07-0044-06 黄啸，周文华，臧润涛，等. 柴油机高压共轨燃油喷射压力故障诊断及保护J. 农业工程学报，2013，29(7)： 4450. Huang Xiao, Zhou Wenhua, Zang Runtao, et al. Fault diagnosis and protection for fuel injection of high- pressure common rail diesel engineJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(7): 4450. (in Chinese with English abstract) 0引言 为了有效控制车辆的排放、方便故障定位及维 修，国及以上排放标准要求车辆带有在线故障诊 断功能，也即 OBD（on board diagnostic）系统。共 轨燃油喷射系统是柴油机实现国及以上排放标 准的最主要技术手段之一，被整个内燃机行业公认 为 20 世纪三大突破之一1- 5。 燃油喷射压力的精确控制是高压共轨电控系 统开发的一个核心环节6- 10，对柴油机性能特别是 排放性能具有十分重要的影响，因此对高压共轨燃 油喷射压力控制的故障诊断具有十分重要的意义。 国内对柴油机 OBD 的研究还处于初级阶段，对共 轨燃油喷射系统故障的研究主要集中在喷油器电 磁阀以及高压油泵电磁阀上11- 13，对燃油喷射压力 控制故障的研究鲜有涉及。课题组一直致力于柴油 机高压共轨系统的研究，并已经在 Infineon 公司单 片机 XC2785 平台完成了高压共轨各基本功能模块 的开发，本文以课题组自主研发的高压共轨系统为 平台，完成了基于软件策略的共轨燃油喷射压力控 制相关故障诊断模块设计与测试，为后续开发共轨 收稿日期：2012- 07- 03修订日期：2013- 03- 23 基金项目： “十二五”科技支撑计划（2011bae22b05） 作者简介：黄啸（1987） ，男，浙江大学能源工程学系，主要从事发 动机电子控制技术方面的研究。 杭州市浙江大学玉泉校区动力机械及车 辆工程研究所 114 室，310027。Email: zjuhuangxiao 通信作者：周文华（1968） ，男，副教授。杭州浙江大学能源工 程学系，杭州 310027。Email：zhouwh999 OBD 系统提供了基础。 在检测到故障时， 采取相应 的保护措施，起到保护电控单元 ECU（electronic control unit）及发动机的目的。 1轨压相关故障及保护策略 共轨柴油机在工作时，高压油泵将低压油压缩 成高压油输送到共轨管内14，然后经过喷油器喷到 各个气缸。 ECU 通过安装在共轨管上的轨压传感器 采集燃油压力（燃油喷射压力近似于共轨管内的燃 油压力，以下简称轨压），与当前工况所需的目标 轨压进行比较，利用两者之间的差值实现对轨压的 闭环控制。其中，喷油量由工况决定，ECU 通过控 制每循环泵油量来控制轨压，当泵油量大于喷油量 时， 轨压升高； 泵油量小于喷油量时， 轨压下降15- 16。 当共轨系统发生故障，导致轨压超过系统允许值 时，共轨管一端的压力限制阀就会被冲开，高压燃 油通过限制阀回流到油箱，避免高压燃油系统结构 的破坏以及高压燃油泄露等危险事故的发生。共轨 管的结构简图如图 1 所示。 图 1共轨管示意图 Fig.1Schematic diagram of common rail 第 7 期黄啸等：柴油机高压共轨燃油喷射压力故障诊断及保护 45 高压共轨系统对轨压的控制要求非常高，有 可能发生轨压控制的功能性故障17- 18，具体表现 为限压阀故障以及轨压闭环控制功能失效等故 障。 另外由于共轨管内的压力始终处于常态高压， 甚至能达到 200 MPa，恶劣工作环境也增加故障 发生的可能。 失效保护策略是指电控系统故障状态下的运 行策略，兼顾了故障后的驾驶安全性，继续驾驶性 以及排放性能。它分为 4 级，即： 一级：缺省值；对于不涉及驾驶安全性的轻微 故障，控制器仅使用缺省值代替真实值；发动机运 行的转速和扭矩输出正常。 二级：减扭矩；轨压闭环控制故障、限压阀打 开等故障发生时，ECU 即进入二级保护 （减扭矩） ， 在扭矩限制范围内，柴油机转速限制小于 1 800 r 转/min。 三级：Limp home（跛行回家）；对于部分严 重电喷系统故障，发动机运行于较危险情况，控制 器采用特殊的失效方式运行，依据故障严重程度， 限制发动机的扭矩和转速，避免运行危险，同时保 持继续驾驶性。 四级：停机保护；发动机停机，故障状态下无 法再次启动。 不同故障类别采用的诊断策略不同，如限压阀 在超高压情况下不能成功冲开， ECU 应进入停机保 护。 2轨压闭环控制故障诊断模块设计 2.1轨压闭环控制故障检测原理 轨压控制策略主要包括目标轨压的计算和轨 压闭环控制。鉴于传统的 PID 控制时滞较大，课题 组自行研发的高压共轨电控系统采用前馈控制加 PID 反馈控制的复合控制策略，兼顾了响应的速度 和精度。在油泵试验台上油泵转速为 650 r/min（柴 油机转速为 1 300 r/min），当油门开度从 40%增大 到 80%， 目标轨压从 60 MPa 阶跃到 80 MPa 时， 轨 压在不到 0.3 s 的时间就能升高到 80 MPa，轨压最 大超调量小于 2 MPa，稳定时间约为 0.5 s，稳定误 差小于 1.5 MPa19。 实际轨压p与目标轨压pset之差称为控制误差。 当泵的工作效率下降、或高压容积有泄漏、或是有 喷油器卡死，造成闭环控制量偏差太大，即控制误 差过大，则说明轨压闭环控制功能失效。当 ppset 时，为正向控制故障；当 psetp 时，为负向控制故 障。轨压闭环控制功能失效故障需要在发动机运行 过程中连续不停的检测。 2.2轨压闭环控制故障检测的实现 如图 2 所示，正向控制故障与负向控制故障的 原理和流程一致，区别在于检测条件与判断故障的 临界值不一样。 图 2a 为负向故障检测的流程图。当燃油温度、 喷油量大于系统的设定值， ECU 进入轨压负向控制 故障检测。如果高压油泵泵油量大于根据当前工况 计算所得的临界值（此临界值稍大于由 ECU 计算 所得的每循环泵油量），并且控制误差小于根据目 标轨压就算所得的下限临界值（小于 2 MPa），则 说明当前轨压明显小于目标轨压，轨压闭环控制发 生了故障。产生此故障的原因可能是： 1）泵的工作效率下降，每循环的泵油量小于 系统要求值； 2）高压燃油有泄漏； 3）喷油器关闭不严或是不能及时关闭，每循 环喷油量大于进油量。 图 2b 为正向故障检测的流程图。当轨压值大 于系统设定值，ECU 进入轨压正向控制故障检测。 如果高压油泵泵油量小于根据当前工况计算所得 的临界值（此临界值稍大于由 ECU 计算所得的每 循环泵油量），并且控制误差大于根据目标轨压计 算所得的上限临界值（大于 2 MPa），则说明当前 轨压明显大于目标轨压，轨压闭环控制发生了故 障。产生此故障的原因可能是喷油器卡死，导致喷 油器每循环的喷油量小于高压油泵进油量；或是高 压油泵进油计量阀失效，始终处于大泵油量位置。 ECU 检测到轨压闭环控制功能失效故障后， ECU 进入减扭矩的二级保护措施。 3限压阀故障诊断模块设计 3.1限压阀的工作原理 限压阀（pressure relief valve）为一机械阀，其 作用是限制共轨内的瞬间最大压力。当共轨管压力 异常时，限压阀打开以释放压力，防止共轨系统出 现爆裂。若共轨管内压力异常高（高于开启压力 PL），限压阀打开(工作)，共轨管内维持恒定压力 PS；当压力低到一定的水平（低于 PS）之后恢复关 闭，由限压阀释放的燃油返回油箱20。限压阀的工 作压力取决于车型，限压阀的开启压力 PL通常在 140230 MPa， 关闭压力要低得多， 通常只有 50 60 MPa。 课题组自主开发的共轨系统限压阀的轨压 特性如图 3 所示，开启压力在 165 MPa 左右。对限 压阀的检测主要包括：检测限压阀高压情况下是否 打开；在限压阀高压时不能自行打开情况下强制其 打开。 农业工程学报2013 年 46 图 2轨压闭环控制故障检测流程图 Fig.2Rail pressure closed- loop control fault detection flowchart 图 3限压阀工作原理图 Fig.3Working schematic of pressure limiting valve 3.2轨压信号的处理 轨压信号属于低频信号，因此信号处理电路采 用低通滤波器。当共轨压力进入闭环控制时，共轨 压力的稳定性与轨压传感器采样周期的选择密切 相关。对于转速为 n r/min 的 i 缸柴油机，各气缸之 间的时间间隔 3 120 10 (ms)T i n ， 如转速在 800 3 000 r/min 之间变化的六缸机，各气缸之间的时间 间隔则对应在 6.6725 ms 之间变化21。如果采用 定时采样轨压传感器的方式，低速时两缸之间将多 次采样轨压，程序执行效率变低，难以兼顾高低转 速时的轨压传感器的采样频率，故系统采用由相位 触发的定相位采样轨压传感器方式，更适用于轨压 检测，并对该采样进行数字滤波处理以消除纹波影 响22。 图 4轨压信号去抖示意图 Fig.4Schematic of rail pressure signal debounce 轨压信号的去抖策略如图 4 所示，步骤如下： 设置故障计数阀值和自愈计数阀值，且自愈计 数阀值小于故障计数阀值。 当一个故障事件发生时，计数器递增，当计数 器的值达到故障计数阀值时，则确认故障发生，计 数将不再增加。 当一个故障消失的事件发生时，计数器递减， 当计数器的值小于自愈计数阀值时，则确认故障自 愈，计数器的值递减到 0 为止. 如果计数器的值处于 2 个阀值之间，则故障的 上一个状态被保留。 第 7 期黄啸等：柴油机高压共轨燃油喷射压力故障诊断及保护 47 轨压信号经过上述处理，有效的消除了干扰信 号对计算轨压变化梯度的影响，保证了下文中限压 阀故障诊断策略的可行性。 3.3限压阀故障检测原理及实现 判断限压阀是否发生故障主要是监测其在超 高压下能否成功打开。为了降低成本，共轨系统所 用的轨压传感器的最大量程值通常都只稍微高于 轨压上限故障的临界值 PRV_pMax，而小于限压阀 的开启压力，所以不能用共轨系统自带的轨压传感 器直接检测到超高压。另一方面，限压阀本身不与 任何电气设备相连，所以也不能通过电气设备来指 明其故障。正常情况下，当共轨管内的压力高于限 压阀的开启压力时，限压阀开启，共轨管内的压力 会发生突降。本系统采用的策略就是通过监测轨压 变化梯度来判断限压阀是否开启成功。 如图 5 所示，在一定时间内如果轨压恒小于 PRV_pMax，而且无压降，则认为系统正常；当轨 压大于 PRV_pMax 时，ECU 立刻计算压降梯度 g： g 当前轨压值-上一次轨压值 轨压传感器2次采样间隔 ，压降梯度为 负值。 1）当第一、二次压降梯度值 g1、g2 均小于其 参考值 PRV_dpFall（为一负值）时，表明有明显的 压降，限压阀已经打开； 2）当 g1、g2 只有一个小于 PRV_dpFall 时， 以轨压缺省值做参考值，在一定的时间内如果当前 轨压值与查表所得的缺省值相当，表明此时轨压替 代值已经起作用，ECU 已经进入故障保护模式，说 明限压阀已经打开。 轨压缺损值是根据当前工况（转速、油量）通 过查轨压缺损值表得到，轨压缺损值表是当系统正 常时，在固定工况下通过轨压传感器的测量值进行 标定得到23。 如果限压阀在高压下能正常打开，说明限压阀 本身没有故障，但是控制系统（算法）或是高压油 泵发生了故障，此时 ECU 应减扭矩的保护措施。 当 g1、g2 均大于其参考值 PRV_dpFall，说明 轨压在一定时间内一直高于 PRV_pMax 且限压阀 没有自行打开，则认为限压阀发生了卡死故障，此 时 ECU 控制高压油泵逐渐加大泵油量以期冲开限 压阀。如果在规定的时间内限压阀被成功冲开， ECU 进入减扭矩的保护模式； 反之如果在规定的时 间内没有冲开限压阀，ECU 立即停止驱动高压油 泵，防止共轨管内的燃油压力过大，对共轨系统造 成永久性的故障，发动机停机。 图 5限压阀故障检测原理图 Fig.5Schematic of pressure limiting valve fault detection 4试验及结果分析 4.1试验条件与测试方法 在完成以上工作的基础上，对高压共轨系统燃 油喷射压力相关故障进行了测试。 本文在基于模型的开发模式下，利用 Matlab Simulink 工具集完成轨压控制策略的开发，并通过 RTW Embed- ded Coder工具箱实现模型自动代码生 成并编译下载到微控制器。试验主要针对燃油喷射 压力相关故障展开研究。作者在油泵试验台及发动 机试验台架上进行了相关的试验，试验过程采用德 国Vector公司的CANape标定软件建立监控和标定 平台。试验用高压油泵为 PCV 阀高压油泵24，试 验用喷油器由高速电磁铁驱动，2 次喷射最短间隔 可达 0.6 ms25。 4.2结果分析 轨压进入闭环控制后，用电位计模拟目标轨 压，在 40 s 左右时，人为控制高压油泵处于小的泵 油位置，图 6 为发生轨压闭环控制负向故障时，实 际轨压值与目标轨压值的变化曲线。由图 6 可知， 当高压油泵被限制在小泵油位置时，由于泵油量不 足，实际轨压严重偏离目标轨压，当偏差值小于预 先设定的阀值（14 Mpa）时，ECU 报轨压闭环控制 故障。发生负向控制误差的原因包括泵的工作效率 农业工程学报2013 年 48 下降、高压燃油有泄漏、喷油器关闭不严或是不能 及时关闭等；发生正向控制误差的原因包括泵关闭 不严或关闭不及时、喷油器卡死等。具体的原因有 待进一步的检测。 图 6轨压闭环控制功能性故障诊断 Fig.6Rail pressure closed- loop control fault diagnosis 图 7 为限压阀发生故障时，轨压变化曲线。由 于共轨系统自带的轨压传感器最大量程值小于限 压阀开启压力，为了试验需要，在高压油进油口安 装了一个量程为 200 MPa 试验用轨压传感器， 用于 监测共轨管内的压力。为了验证诊断策略的可行 性，在发动机低负荷工况下（轨压 50 MPa），人为 控制高压油泵一直处于大泵油量状态，此时轨压迅 速升高，当轨压超过 146 MPa（轨压上限临界值 PRV_pMax）后，进入轨压故障区域。当轨压继续 升高到限压阀开启压力，限压阀打开，轨压迅速下 降，压降梯度能达到 245 MPa/s，当降到限制阀关 闭压力时，限压阀关闭。 图 7限压阀故障诊断 Fig.7Pressure limiting valve fault diagnosis 5结论 1）根据轨压闭环控制的特性，完成了轨压闭 环控制故障诊断模块的设计。试验证明系统能准确 及时可靠的检测到故障。 2）完成了轨压信号的处理；根据限压阀的工 作特点，通过检测轨压的压降梯度完成了相应故障 诊断模块的设计，试验证明此方法十分有效。 3）在合理的硬件设计基础上，相应的软件能 够及时的判断出现的故障类型并能采取相应的保 护措施，为柴油机 OBD 技术提供了参考。 参考文献 1Joachims, Frank D, Marco S, et al. 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In order to strengthen the reliability and accuracy of the rail pressure control, fuel injection pressure fault detection schemes were completed based on the research of the rail pressure sensor sampling process and a fuel injection pressure control algorithm, including the faults of rail pressure closed- loop control and the pressure limiting valve fault. The diagnostic function software and appropriate protection strategies were designed basing on the existing common rail electronic control unit with the Matlab/Simulink and RTW Embed