电喷发动机故障诊断中的计算机仿真方法

电喷发动机故障诊断中的计算机仿真方法电喷发动机故障诊断中的计算机仿真方法 黄键 唐庆周 蔡启光 摘要摘要 电喷发动机的故障定位目前常用故障码及专家系统辅助分析法 这 2 种方法定位的准确性还不太理想 本文提出一种基于替代比较法原理的计算机 硬件仿真法 理论分析和初步的试验结果表明 仿真替代式故障定位法是一种独 特 有效的方法 关键词关键词 故障诊断 替换法 计算机仿真 中图分类号中图分类号 U472 9 Computer emulation for failure diagnosis of EFI engine Huang Jian Department of Mechanical and Electrical Engineering Fujian Agricultural University Fuzhou 350002 Tang Qingzhou The Auto Products Quality Supervision substitution computer emulation 随着社会的进步和人民生活水平的不断提高 轿车在我国汽车保有量中的 比重不断上升 汽车技术的进步和废气排放法规的日趋严格 使轿车用汽油机 越来越多地采用了电控燃油喷射系统 简称 EFI 据预测 未来 5 a 内在用汽油 机轿车将全部装用 EFI 系统 这种变化对汽车修理方式将产生重大影响 由于 EFI 系统中的许多组成部分是无法修复的 因此这类系统的修理形式将由传统的 故障定位 零件修复 或更换 转变为故障定位 零件更换 故障定位在电喷发动机 修理中占有极为重要的地位 1 1 替代比较法是复杂电控系统故障定位的有效方法替代比较法是复杂电控系统故障定位的有效方法 现代轿车中的电控系统越来越复杂 其中多数是机 电 液一体化的产品 维修这类产品目前主要有 2 种故障定位方法 其一是解读电控系统的故障码 现 代轿车 EFI 系统都含有故障自诊系统 它实际上是 EFI 控制系统的一个故障自 诊程序 该程序根据预定的标准判断诸如信号范围超限 无法识别等故障现象 分门别类以代码形式存入故障代码存储器供调用 对于多数常见故障 故障代码 的提示与实际相吻合 其二是依靠专家系统来进行故障定位 现在已有一些汽车 故障诊断专家系统进入了实际应用领域 吴今培等 1997 这种方案包括早 期主要依靠有经验的维修人员和专家凭借感官 经验和简单仪表的定位以及借 助于传感器技术 信号分析技术的故障定位和最新发展的智能故障诊断专家系 统 韩捷等 1997 不论使用上述哪一种故障定位方法 其结论的准确与否都 须在实施零件更换或修理后才能得以验证 用完好的同类零部件替换有故障 或 有故障怀疑 的零部件 并进行功能比较 不仅是一种检验手段和修复措施 而 且也成为一种故障定位的方法 这就是替代比较法 对某些值得怀疑的故障可能 点 试探性地使用同类完好零部件作替换比较 可简便 快捷地确定或排除疑 点 其有效性是其他方法无法相比的 替代式的故障定位方法在诸如个人计算机 这类大批量产品的维修中获得了广泛的应用 事实上 在汽车修理行业内 也有 许多部门自觉或不自觉地运用替代比较法进行故障定位 2 2 计算机仿真技术在汽车修理中的应用计算机仿真技术在汽车修理中的应用 2 12 1 在复杂机电系统中采用实物替代比较法的局限性在复杂机电系统中采用实物替代比较法的局限性 从理论上讲 将有故障的系统分为若干个部分 逐一地用同类完好实物替 代怀疑部分进行比较 可 100 地实现故障定位 但这种方法在汽车修理实际运 用中有 2 个困难 1 汽车 EFI 发动机种类型号繁多 要备足常见车型的全部零 部件以供随时替换使用几乎是不可能的 2 现代轿车 EFI 系统的价格很高 许 多零部件的价格都是数千元乃至万元 所以储备各种零部件用来作替换检查也 是不经济的 尽管在遇到疑难的故障时 许多维修人员一直想马上得到一件同类 完好零件来验证他的猜想 但往往由于上述原因而无法实现 这两方面的局限使 替代比较法在汽车修理业的应用普及远不如 PC 维修业 2 22 2 计算机硬件仿真可在信息方面对控制系统的任一部件进行替代计算机硬件仿真可在信息方面对控制系统的任一部件进行替代 仿真是一种对系统模型做实验的手段 依建模类型的不同 仿真技术可分为 物理仿真和数学仿真 2 大类 金先级 1991 虽然各类汽车 EFI 系统在实物上 可分为非常多的产品型号 但在控制机理上的分类却比产品的型号少得多 因此 从信息方面建立若干类 EFI 各组成部分的数学模型 进而建立物理模型 硬件仿 真 进行局部替代是可行的 汽车 EFI 系统可分为传感器 电控单元 ECU 及执行 器 3 大类 从信息角度看 三者之间的关系如图 1 所示 图图 1 1 EFIEFI 系统系统 Fig 1 The EFI system 传感器向 ECU 输送各种状态信号 ECU 接收这些信号 并做出控制 决策 向各执行器输送控制信号 一个系统能有效地工作 取决于这 3 大类器件的可靠工作及协调 一般 EFI 系统含有十几个传感器和十几个 执行器 任何一个器件的失常都将导致系统故障 由于信号是以多种形式 脉冲 占空比波形 电压等 在系统内传输 变化 它给专家诊断系统 的使用带来许多困难 有时系统的故障代码也无法反映实际故障 有的 系统的故障代码甚至很难解读 这种场合用计算机硬件仿真的各种模型 替代被怀疑的对象并进行比较 就可以快速有效地进行故障定位 对现 有 EFI 系统建立常见类型的传感器 ECU 模型 技术上是可行的 3 3 一般的仿真方法及应用实例一般的仿真方法及应用实例 3 13 1 一般的仿真方法一般的仿真方法 实际维修工作中 可根据故障特征 凭经验选定几处怀疑点 这些 怀疑点 可能属于传感器 执行器或 ECU 中的某一类 对于执行器怀疑 点可直接用电信号的测试来判断比较 对于传感器或 ECU 的怀疑点 可 采用仿真替换法 通过用仿真传感器信号替代原传感器并向 ECU 发送信 号来检验传感器 或用仿真 ECU 替代原 ECU 来处理传感器信号和控制执 行器来检验 ECU 3 23 2 仿真替代式仿真替代式 EFIEFI 检测仪的测试逻辑检测仪的测试逻辑 仿真替代式 EFI 检测仪将仿真对象分解为 10 类传感器和一个 ECU 10 类传感器包括空气流量传感器 曲轴位置传感器 曲轴 或凸轮 轴 转速传感器 氧传感器 水温 气温 传感器 节气门位置传感器 车速传感器 爆震传感器 手动模拟量传感器 手动开关量传感器 其 中有些类型传感器还根据信号方式不同再细分为若干种 例如 空气流 量传感器分为频率输出型和电压输出型 电压输出型又分为正斜率系数 和负斜率系数 2 种 节气门位置传感器分为开关信号型和连续电压型等 可根据需要 程控选择某一种传感器仿真信号输出供替代比较 ECU 的仿 真十分复杂 它是一个通用型的 万能 ECU 它必须与各种传感器和 执行器适配才能进行可靠的替代 应当指出 这种 ECU 替代仅仅是为了 判定原车 ECU 是否损坏 而并非实际的使用替代 因此 在其控制参数 的优化方面并无要求 即只要求 ECU 替代后能起动并正常运转 而不追 求动力性 经济性及排放等性能的最优 尽管如此 这种 万能 ECU 的 设计仍是非常复杂的 但它的效果也是任何其他方法都不能达到的 这种仿真检测仪就像是一套 万能 工具 它须在一定的推测后使 用 但是 由于故障定位均是个案处理且替换对象状态复杂 由人工完 成电路的连接和替换更为灵活 方便 3 33 3 仿真式仿真式 EFIEFI 检测仪的设计及试验检测仪的设计及试验 试验用的 EFI 检测仪由内含 8 kB 程序存储器的 89C52 单片机及 A D D A F V V F 转换器及键盘 显示器等外围器件构成 它有 2 种 工作模式 传感器仿真模式和 ECU 仿真模式 当处于传感器仿真模式时 可提供各种类型的传感器仿真信号 由键盘和显示器完成传感器类型及 参数的选择 当处于 ECU 仿真模式时 系统充当一台简易 ECU 由键盘及 一些跳线选择不同的传感器类型匹配 为了提高系统自身的工作可靠性 硬件上采用了 watch dog 软件上也特别注意了抗干扰的问题 曾在 EFI 发动机上进行过空气流量计 ECU 等仿真替换试验 验证 了预期的效果 这表明仿真替代法故障定位不失为一种独特 有效的方 法 作者简介 黄键 男 1952 年出生 副教授 研究方向 汽车试验与计 算机仿真 作者单位 黄 键 福建农业大学机电工程系