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%

1

1

C AM 输出凸轮轴信号2

3 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_n

30

50

10

30

50

10

15

3.2 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

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