多缸发动机失火故障诊断技术

多缸发动机失火故障诊断技术

谢永乐傅波殷国富

【摘要】介绍的失火故障诊断技术，是结合多缸发动机实际工作过程的特点，将作功冲程中最高爆发压力出现时刻附近瞬时角加速度的变化作为多缸机失火现象存在和分辨失火缸的判据。这一技术降低了已有诊断方法中对高速数据采集硬件系统的要求。

关键词多缸发动机失火故障诊断最高爆发压力

失火是多缸发动机的一种常见故障，对它的监测和诊断是现代高档轿车故障自诊断功能中的必要组成部分。但因产生失火故障的原因有多种，如点火系统(火花塞积炭、点火能量降低)故障，因漏气而难于建立压缩终了压力等等，实用中不可能对产生失火现象的每一种故障源逐个进行监测。可行的办法是通过运行过程中某种动力学参数的变化作为诊断的依据。

判断多缸发动机失火的方法

诊断多缸发动机失火，现使用的有代表性的方法有以下两种。

1. 运用一个工作循环(720°曲轴转角)瞬时角速度的离散傅里叶变换(式1)，结合发动机着火顺序对式(1)变换过程中各阶次谐波进行分析。由于傅里叶变换不能反映信号在局部时间范围内的特征，所以该方法能判断多缸机是否存在失火而不能具体判别失火缸。

式中m——角速度采样值序号

(k)——瞬时角速度采样值

2. 利用整个膨胀冲程中瞬时角速度的最大变化(θ

max,i =θ

2,i

-θ

1,i

)

求取平均角加速度(式2)

式中

αv——平均角速度

Δθ

αcc,i——2,i和1,i间所经历的曲轴转角度

将Δ

max,i ,α

cc,i

,Δθ

αcc,i作为表征各缸运行状况的指标，进而对失

火缸进行识别。但由于受到发动机循环变动等非确定性因素的影响，θ

2,i

和θ

1,i

必须在整个膨胀冲程中检测方能可靠获得，所以过多依赖高速数

据采集系统和软件计算，且表征加速时间的曲轴转角度数Δθ

αcc,i，因受循环变动等因素的影响，降低了作为诊断判据的可靠性。

基于上述原因，从发动机实际工作过程出发，考虑到缸内正常工作

状况下最高爆发压力P

f

出现的时刻，必然是瞬时角加速度骤升的时候，以此为依据，判别多缸机的失火缸。该方法的特点是对运转因素的变化不敏感。

基于P f的诊断原理

当多缸发动机某缸着火所产生的气体压力扭矩大于负载扭矩和摩擦

扭矩之和(T

sum

)时便会引起曲轴的加速。当即将进入作功冲程的下一缸经

历压缩过程而消耗了作功冲程的能量，气体压力扭矩低于T

sum

时又会引起曲轴转速下降，这是引起曲轴加速度波动的根本原因。正常着火缸在

P

f

出现时刻及其后的微小时段内瞬时角加速度的变化与失火缸相比是很显著的。发动机燃烧过程展开示功图如图1所示。正常着火和纯空气循环压力有一分界点2，虚线为纯空气压缩线。正常着火为实线，3

点为P

f 点，对应于上止点曲轴转角为φ

f

，对正常着火的第i缸发动机

净扭矩T net,i可用式(3)求得：

式中T

f,i ——第i缸气体压力扭矩，随P

f

单调递增

T

1

——j缸(j≠i)等效气体压力扭矩

T

2

——各缸摩擦力矩之和

T

L

——负载扭矩

n ——多缸机缸数

图1 燃烧过程展开示功图对失火缸发动机净扭矩T net,i0可用式(4)求得：

式中ε

i

——第i缸正常着火的瞬时角加速度

ε

i0

——第i缸失火下的瞬时角加速度K——比例常数

I——发动机动力系统的等效转动惯量

最高爆发压力P

f 出现时刻的上止点曲轴转角φ

f

，柴油机一般是

φf=5°～10°，汽油机一般是φf=10°～18°。考虑到随运转因素的影

响，φ

f 的范围应加大。例如，柴油机φ

f

=5°～

40°，在这个范围内，采用等时间间隔采样瞬时角加速度值ε

k

。

诊断判据和实例分析

对第i缸按等时间间隔采样得到瞬时角加速度值取平均值，则有式(6)

式中i——缸号

k——采样序号

m——对缸号为i的采样总数

将平均角加速度在Δε模糊子集上模糊化，如式(7)。模糊隶属度采用升岭形分布，见图2。

图2 Δε模糊子集隶属函数

式中a=0.85Δε

min 、b=0.425Δε

min

+0.625Δε

max

、

c=1.25Δε

max

由式(7)得出各缸的模糊隶属度

引入诊断指标

从而得出以下判据：

IF index(i)＞1 AND In(i)＜，第i缸工作正常，其余缸中存在失火。IF index(i)＜1 AND In(i)＞，第i缸失火。

IF index(i)=1，则各缸正常着火。

但应考虑到各缸工作的不均匀性，即当发动机各缸正常着火时，index(i)是在1附近变动的，即 index(i)∈(1-δ,1+δ)。实验和理论计算表明，δ∈(0.05,0.12)由此可得出实用的诊断判据：

IF index(i)＞1+δ AND In(i)＜，则第i缸工作正常，其余缸中存在失火。

IF index(i)＜1-δ AND In(i)＞，则第i缸失火。

IF index(i)=∈(1-δ,1+δ)，则各缸正常着火。

图3所示为492Q汽油机在转速n=1200 r/min，第2缸失火工况下加速度变化，该机发火顺序为1-3-4-2，由图3可见2#缸失火是明显的。此时的各缸诊断指标值如表1所示，对照判断依据，2#缸失火。