基于malab的电控柴油机故障仿真系统的研究

基于malab的电控柴油机故障仿真系统的研究

发动机电控系统故障诊断策略随着电子技术在工程行业的广泛应用，发动机管理系统变得越来越复杂，维修变得困难，对维修人员的要求也越来越高。为了便于维修和提高车辆可靠性,现在的发动机电控系统都必须具有故障自诊断功能,国际上也制定了相应的标准,如OBDII(OnBoardDiagnosticsII)。在ECU的开发阶段,也就是在故障诊断策略未完善之前,在台架上进行发动机的故障试验是相当危险的,如果在此之前在仿真状态下对故障工况进行模拟不失为一种既安全又节省成本的好方法。因此本文在MATLAB/SIMULINK的环境下,建立了高压共轨式电控发动机的模型,对故障自诊断系统进行了仿真研究。1系统介绍实时仿真系统包括发动机模型、传感器模型、执行器模型和ECU模型,MATLAB/SIMULINK仿真系统的最上级结构见图1。1.1发动机模型本发动机均值模型包括:压气机模型、涡轮模型、中冷器模型、充气效率、进气模型、指示热效率模型、摩擦转矩模型和发动机(见图2)。1.1.1增压压气机的压比及tqc公式压气机的质量流量、效率及转速、压比的关系为mc=f(nc,πc),ηc=f(nc,πc)式中:mc为质量流量,kg/s;ηc为效率;nc为转速,r/min;πc为压比。将增压器压气机特性曲线输入计算机中存储,在计算时采用插值法,给出压气机的转速nc和流量mc即可得出压气机的压比πc和效率ηc。由πc、mc、ηc和T1,根据热力学定律和牛顿定律得Τ2=Τ1{1+1ηc[πc(k-1k)-1]}(1)T2=T1{1+1ηc[πc(k−1k)−1]}(1)Τtqc=1ηckk-1⋅30π⋅ncmcRΤ1[πc(k-1k)-1](2)式中:T2为压气机出口温度,K;Ttqc为压气机消耗的转矩,N·m。1.1.2齿轮特性曲线涡轮的质量流量、效率和转速、膨胀比的关系为mt=f(nt,πt),ηt=f(nt,πt)式中:mt为涡轮的质量流量,kg/s;ηt为涡轮效率;nt为涡轮转速,r/min;πt为涡轮的膨胀比。根据涡轮特性曲线,给出涡轮的转速nt和流量mt即可得出涡轮的膨胀比πt和效率ηt。由mt、ηt、nt、πt和排气温度T4,根据力学定律和牛顿定律,可求出涡轮出口温度T5和涡轮所发出的转矩Ttq,即Τ5=Τ4{1+ηt[1-(1/πt)k-1k]}(3)Τtq=ηtkk-1⋅30πntmtRΤ4[1-(1/πt)k-1k](4)1.1.3出口空气温度采用文献中提到的简化模型,引入中冷器冷却系数εc后,中冷器的出口空气温度T3为T3=T2-εc(T2-Twi)(5)p3=p2-Δp(6)式中:εc在0.7～0.9之间,视中冷程度而定,通常视为常数;Twi为中冷器进口温度。1.1.4气体质量ma假设进气管内气体温度T3和压力是均匀分布的,稳态进气管压力p3取决于发动机转速n和增压器转速。进入气缸的气体质量ma受充气效率ηv的影响,即ma=1120ηvp3RΤ3ΝVhn(7)式中:Vh为发动机排量,m3;N为汽缸数。1.1.5试验确定的常数用二次多项式来拟合充气效率(转速是最大的影响因素),ηv=a0+a1·n+a2·n2(8)式中:a0～a2为试验确定的常数;ηv为发动机的充气效率。1.1.6发动机转速和燃空比发动机的指示热效率是由相关的热损失和燃烧效率来决定,热损失是发动机转速和燃空比的函数,而燃空比对发动机的燃烧效率起主导作用,因此将发动机转速和燃空比作为热效率计算的变量,ηi=(k0+k1n+k2n2)·(k3+k4α+k5α2)(9)式中:k0～k5为试验确定的常数;ηi为发动机的指示热效率;α为发动机空燃比。1.1.7转速与转速间函数关系本文不考虑复杂的摩擦转矩模型,只采用一个反映平均摩擦转矩与转速间函数关系的经验公式Τtqf=10004π[80+(48n/1000)+0.4Cm2]⋅Vh(10)式中:Cm为活塞平均速度,m/s。1.1.8指示矩阵平均指示转矩是燃油质量流量mf、指示热效率ηi和转速n的函数,Τtqi=30mf⋅Ηu⋅ηiπn(11)1.1.9空气燃油温度因子kt排气温度T4被认为是燃空比的线性函数,Τ4=Τ3+ΚΤ1+mamf(12)式中:KT称为排气温度因子,是空气燃油比ma/mf的函数,当ma/mf>18时,KT为常数;ma/mf<18时,KT有所减小。1.1.1发动机转动平衡方程dndt柴油机动力装置可简化成由两个回转质量(柴油机和负载)以及一个无惯性的联轴节组成的当量系统,由达兰倍尔原理可得发动机转动的平衡方程dndt=30π⋅Τtqi-Τtqf-ΤtqLJe-JL(13)式中:Je为发动机转动惯量,kg·m2;JL为负荷转动惯量,kg·m2;TtqL为负荷转矩,N·m。1.2冷却液、通气温度和燃油温度传感器传感器模型包括:油门踏板、共轨油压、发动机冷却液、进气压力、进气温度和燃油温度传感器(见图3)。传感器模型的主要功能是模拟A/D转换和传感器失效工况的仿真。1.3控制软件设计真实ECU的软件包括底层控制软件、油量计算、油压控制、燃油喷射计算、各种工况控制、通信协议以及故障诊断程序等,本文主要讨论故障诊断,其他部分的控制软件不在本文的讨论范围。图4所示的是ECU模型中故障诊断模块。1.4执行器模型1.4.1共轨油气阀控制曲线喷油器的喷油量mf与喷油持续时间ti和共轨油压pc的关系为mf=Κinj⋅ti⋅√pc(14)式中:Kinj为喷射常数,与电磁阀工作特性、油嘴结构尺寸和共轨油压有关。1.4.2dpcd的计算共轨油压pc的改变主要是由于共轨管内的油量变化引起的,共轨管内的油量是进出共轨管的油量,由供油量、喷油量和泄漏量决定的,因此dpcdt=E⋅mp-mf-mleakVc(15)式中:mp为循环供油量,mm3/str;mf为循环喷油量,mm3/str;mleak为燃油泄漏量;E为燃油弹性模量;Vc为高压油管容积,mm3。高压油泵的供油量由供油电磁阀的驱动信号脉宽和油泵转速np决定,即mp=f(np,tc)(16)这是个非线性的函数,把油泵试验台的试验数据以MAP的形式在模型中使用。2正常模式下的仿真应用以上模型对某型号的六缸增压直喷柴油机进行仿真计算,图6为正常模式下的仿真结果,模拟了发动机的加、减速过程,从图中可看出仿真过程的各参数变化与实际吻合。3油泵开环控制关系故障诊断策略包括所有传感器的故障诊断、执行器的故障诊断和ECU及其相关硬件的故障诊断,对传感器而言,油门位置传感器和共轨油压传感器对发动机性能影响最为明显,是本文研究的重点。图7和图8分别是油门位置和共轨油压传感器失效工况的仿真结果。由于油门位置传感器的信号线对电源短路,所以油门的信号值已经超出正常的工作范围(正常工作范围是0%～100%,电压值为0.5V～4.5V),如图7a所示。在这种情况下,如果ECU没有采取任何措施的话,发动机将失去控制,这对于车辆在城市内驾驶是很危险的。对于GD-1系统,加入了油门故障诊断策略,当油门位置传感器发生故障后,电控系统的工作模型进入跛行(limphome)模式。从图7b可以看出,虽然油门的原始信号出现了故障,通过故障失效处理校正后的油门值从上一次正常的值缓慢变化到油门失效后的缺省值20%,发动机转速缓慢的变化到跛行的转速,转速并没有因为油门的故障而发生突变,说明油门诊断及失效处理策略是正确的。图8a所示共轨油压传感器超出其正常的工作范围(0MPa～160MPa)。正常情况下,压力越高,喷射同样数量的燃油需要的喷油脉宽越小,另外油压过高,供油电磁阀的供油脉宽也相应地减少,如果油压未有明显下降,那么供油脉宽甚至可以降低为0s,如果按照此错误的油压信息去驱动发动机工作,必然导致实际的共轨油压逐步降低为0,喷油量也因此降低为0,发动机只能停止工作。当检测到油压传感器的值超出了正常的工作范围,ECU会从油压的闭环控制模型转换为开环控制模式,在GD-1系统中存储有一套供油脉宽和喷油脉宽的开环控制脉谱,这些脉谱是经过油泵实验台标定的。如图8c所示,在共轨油压发生故障后,油压缓慢地下降到60MPa左右,这是油压控制进入开环的结果(当共轨油压信号不可用后,为了安全起见,开环控制的油压要比闭环控制