柴油机转速传感器故障诊断及其失效_跛行_控制

收稿日期:2010 05 13;修回日期:2010 07 10作者简介:安晓辉(1987 ),男,在读博士,研究方向为柴油机电子控制技术;anx iaomope@ 。

柴油机转速传感器故障诊断及其失效 跛行!控制安晓辉,刘波澜,张付军,崔 涛(北京理工大学机械与车辆学院,北京 100081)摘要:研究了时间控制式电控柴油机转速信号的特点及相位关系;设计了曲轴和凸轮轴传感器失效故障的检测方法及处理算法;开发了由M C68376微处理器和可编程复杂逻辑器件组成的柴油机故障处理系统;在T CD2015V06电控单体泵柴油机上,进行了起动和正常运行时转速传感器失效的试验研究。

结果表明,转速传感器出现故障时,系统可识别出相应故障,并进行逻辑切换,使发动机能正常起动和运行。

关键词:柴油机;转速传感器;故障诊断;故障屏蔽中图分类号:T K424 文献标志码:B 文章编号:1001 2222(2010)04 0056 05随着对柴油机性能和排放要求的提高,控制系统结构日益复杂,发动机故障诊断和排除愈加困难,车载自诊断技术成为当前研究的焦点。

目前,电控系统故障状态下的运行策略分为四级,一级为缺省,二级为减扭矩,三级为跛行回家(Limp hom e),四级为停机[1]。

装配国∀电控柴油机车辆特点之一便是具备 跛行回家!功能。

曲轴、凸轮轴转速传感器是电控发动机重要的传感器,当其中之一出现故障时,需要采用跛行回家策略,确保车辆行驶到最近维修站进行维修。

本研究将针对曲轴或凸轮轴传感器故障进行策略和试验研究。

1 转速信号分析曲轴和凸轮轴位置传感器是电控燃油喷射系统的主要传感器之一,是控制喷油提前角和确定发动机转速不可或缺的信号源。

曲轴信号用于确定发动机转速和提前角的精确控制;凸轮轴信号用于判缸,确定发火次序。

研究对象是T CD2015V06单体泵柴油机,曲轴和凸轮轴位置传感器均采用永磁式传感器,脉冲信号经调理电路处理后输送给微处理器相应模块进行采集。

处理后的脉冲信号见图1,曲轴信号盘齿数为58齿(60缺2),每个齿对应6#曲轴转角,凸轮轴为6+1齿,第1缸凸轮齿后18#为多齿。

图1 凸轮轴相位信号与曲轴转速信号对应关系2 故障诊断系统硬件设计性能可靠的柴油机故障诊断系统硬件是实现柴油机在线故障诊断和离线故障分析的基础。

完整的在线故障诊断系统除包括发动机控制器外,还包括诊断控制器硬件。

下面主要从微处理器选择和转速处理电路两方面介绍诊断控制器数字电路。

2.1 微处理器微处理器(M CU )选用32位微处理器MC 68376,该款单片机基于模块化设计,芯片内部的各个功能模块相对独立,拥有足够的运算速度和丰富的接口资源[2],可以满足故障诊断的需要。

2.2 转速信号处理模块转速处理模块主要用于转速传感器信号失效时的故障应急处理。

设计选用M AX7000S 系列的CPLD 和支持CPLD 的MAX +PLU S ∃集成开发软件。

转速处理模块电路示意见图2。

图中曲轴和凸轮轴转速信号以及PF5~PF3为模块的输入信号。

处理后的曲轴转速信号经管脚T2CLK 输出(该管脚与发动机控制器MCU 中T PU 模块的时钟第4期(总第189期)2010年8月车 用 发 动 机V EH ICL E EN GIN E N o.4(Serial N o.189)A ug.2010图2 转速处理模块原理图输入管脚相连);处理后的凸轮轴转速信号经管脚CAM 输出(该管脚与发动机控制器M CU 中CTM 定时模块的CTD4管脚相连)。

PF5~PF3上的信号状态与相应故障和故障处理方式有关,对应关系见表1。

表1 故障处理方式传感器状态PF5PF4PF3转速处理模块输出曲轴信号正常0%%T2CLK 输出原曲轴信号曲轴信号失效1%%T2CLK 输出原凸轮轴信号凸轮轴信号正常%0%C AM 输出原凸轮轴信号凸轮轴信号失效%10C AM 输出凸轮轴信号1%11C AM 输出凸轮轴信号23 转速传感器故障诊断及后处理算法3.1 曲轴位置传感器故障检测在发动机运行过程中,曲轴信号出现的故障和故障的原因见表2。

表2 曲轴故障列表故障现象故障原因故障导致的结果曲轴转速信号干扰传感器、控制器或线束被干扰供油时刻出错曲轴信号时有时无传感器插头松动或线束接触不良供油时刻出错或无法输出供油脉冲曲轴信号完全丢失传感器损坏,线束短路,传感器处理模块损坏无法输出供油脉冲这三种类型故障的共同特征是:计算出的发动机曲轴转速出现跳变,且曲轴齿号与凸轮轴齿号无法对应。

针对它们的特点分别采用曲轴信号自检、曲轴和凸轮轴信号互检来实现故障识别。

3.1.1 曲轴信号自检所用曲轴信号自检中,采取两种认定方法,它们的输出结果相与后,产生自检测结果。

一种是基于发动机瞬时转速的认定方法,故障诊断控制器每一个曲轴齿计算一次发动机转速,并与上一次的结果比较,得到发动机相邻两齿的速差,该值必定小于发动机瞬时加速度最大值,否则认定出错;另一种是基于曲轴信号盘关系的认定方法,在曲轴信号盘中,两缺齿间共有58个齿,故在曲轴缺齿处所读到的齿号(曲轴缺齿中断中读取)必定为最大齿号(第58齿),否则认定出现故障,如图1曲轴与凸轮轴信号对应关系所示。

3.1.2 曲轴与凸轮轴信号互检当曲轴信号完全丢失时,无法采用自检方式判别,且正常使用条件下检测结果并不可靠,所以更合理的检测还应利用曲轴齿号与凸轮轴齿号对应关系。

从曲轴与凸轮轴信号关系可知,在凸轮信号第CaTN 齿的上升沿中断中,读取的曲轴齿号应等于原始的曲轴齿号CrKTN _n,否则曲轴相位出错。

正常时两者对应关系见表3。

表3 凸轮齿号与曲轴齿号对应关系CaT N 1234567CrKT N_n305010305010153.2 凸轮轴位置传感器故障检测在发动机使用过程中,凸轮轴转速信号可能出现如表4所列的故障。

与曲轴信号故障诊断类似,采用凸轮轴信号自检和凸轮轴与曲轴信号互检的方法,判断凸轮轴信号是否异常。

表4 凸轮轴故障列表故障现象故障原因故障导致的结果凸轮轴转速信号干扰传感器、控制器或线束被干扰无法判缸,供油次序错乱或无法供油凸轮轴信号时有时无传感器插头松动或线束接触不良无法判缸,供油次序错乱或无法供油凸轮轴信号完全丢失传感器损坏,线束断路,传感器处理模块损坏无法判缸,供油次序错乱或无法供油3.2.1 凸轮轴信号自检所用凸轮轴信号自检中,采取两种认定方法,它们的输出结果相与后,产生自检测结果。

一种是基于发动机凸轮轴瞬时转速的认定方法,在每个凸轮轴信号上升沿中断中,诊断系统计算转速,并与上一次的结果比较,相邻两齿的速差必须小于凸轮轴瞬时加速度最大值,否则认定出错;另一种是基于凸轮轴信号盘与转速关系的认定方法,在每个凸轮轴中断中,诊断控制器更新凸轮轴齿号CaT N,因此如在规定时间内CaTN 没有被更新,则认定凸轮轴信号丢失。

3.2.2 凸轮轴与曲轴信号互检在曲轴缺齿处读取凸轮轴齿号CaT N_CrkS,并与固定的齿号CaTN _n 比较,如两者不等则认定故障出现。

从图1信号关系可知,正常时在缺齿处&57&2010年8月安晓辉,等:柴油机转速传感器故障诊断及其失效 跛行!控制CaT N_CrkS 等于4或者3。

3.3 曲轴凸轮轴故障检测解耦由于在检测过程中引入曲轴和凸轮轴信号互检的方法,因此当曲轴或凸轮轴传感器任意一个出现故障时均会导致互检结果为真(故障出现),因此需要对曲轴和凸轮轴故障检测进行解耦,具体措施如下:(1)引入曲轴或凸轮轴自检,两自检方法相互独立,互不干涉;(2)依据故障状态标志CrkFltFlg,CaFltFlg 开启或关闭互检;(3)检测周期不同,凸轮轴检测周期长,其故障判定时间也较曲轴判定长。

最后一条措施是指,凸轮轴故障检测周期大于等于166m s;曲轴检测与发动机转速有关,转速越高检测周期越短。

因此两转速信号的故障判定结果不会同时出现,必定是先得出曲轴信号判定结果,然后再获得凸轮轴信号状态。

同时鉴于互锁机制(第2条措施)的存在,可认为两者在故障检测过程中独立。

3.4 曲轴信号故障后处理曲轴信号故障后处理措施是将凸轮轴信号替代曲轴信号引入发动机控制器中。

在图3中,曲轴信号Cr kSig 和凸轮轴信号CaSig 均被引入CPLD 。

正常状态下,曲轴故障标志CrkFltFlg =FALSE(CrkFltFlg 状态由PF5给出),只有曲轴信号被接入TPU 模块;当故障被认定后Cr kFltFlg =T RU E,曲轴信号被屏蔽,将凸轮轴信号引入TPU 模块,切图3 曲轴故障后处理示意图换逻辑见表1。

与此同时,发动机控制系统软件根据Cr kFlt Flg 状态切换不同的油量计算方法。

3.5 凸轮轴信号故障后处理无故障时原凸轮轴信号CaSig 接入发动机控制器的CTM 模块。

若故障出现后,故障标志CaChg Flg =T RU E(由PF4给出),原凸轮信号被切换为经CPLD 合成后的凸轮轴信号,然后送至CTM 模块。

凸轮轴信号的合成利用了其与曲轴信号盘的关系,即凸轮轴多齿总位于曲轴缺齿后的第15齿;但由于曲轴信号与具体缸号无对应关系,且曲轴一圈有一处缺齿,因此CPLD 合成出的凸轮轴信号有两个,即PsudCaSig1和PsudCaSig2(见图4)。

根据状态标志CaChgFlg (由PF3给出),切换CPLD 输出的凸轮轴信号(见表1)。

图5为CPLD中信号切换的逻辑路径。

图4 曲轴信号与合成的凸轮信号间关系图5 CPL D 信号切换的逻辑路径正常起动后出现凸轮轴信号故障,并不需要判断即可输出正确的凸轮轴合成信号(起动后已经判断)。

若起动前凸轮轴信号就已经出现故障,则曲轴与凸轮轴相位关系未知,需通过发动机状态判断,来选择其中一个合成信号,即确定标志CaChg Flg 状态。

默认条件下,CaChgFlg =FALSE 选择合成的凸轮轴信号PsudCaSig1。

同时监测发动机起动状态,若发动机转速超过最小设定转速,且加速度始终大于设定加速度,并持续一段时间后,则可认定所选凸轮轴信号正确,计数器Chg Cnt 加1。

当Chg Cnt 超过Chg CntM ax 后,不再进行状态判断,标志&58& 车 用 发 动 机 2010年第4期CaChgFlg 状态被锁定。

4 试验验证4.1 试验设备在TCD2015V06单体泵柴油机上进行试验验证,发动机的主要参数见表5。

表5 柴油机主要参数缸数/个缸径/mm 行程/mm 排量/L 压缩比标定功率/kW 标定转速/r &min -1613214511.8817.53002100台架试验系统由南峰电涡流测功机及其控制系统、电子控制单元、油耗仪(小野测器FM 2500)及燃烧分析仪(DEWE5000)等组成。