曲軸瞬時轉速在發動機控制中的應用研究

衛文晉 覃艷 孫瀟 叢聰

摘要： 曲軸瞬時轉速在一定程度上直接反映發動機的真實工作狀態，采集一個工作循環的曲軸瞬時轉速信號，利用曲軸瞬時轉速和發動機氣缸在工作時域上的嚴格對應關系，提取特定角度范圍的瞬時轉速，通過分析瞬時轉速的波動大小和變化率，可以用來識別發動機各氣缸做功狀態，是否存在氣缸失火，密封性差，或噴油器磨損等故障，同時也是實現單曲軸降級起動的一個重要參數。

Abstract： The crankshaft instantaneous speed directly reflects the real operating state of the engine， collect a working cycle crankshaft instantaneous speed signal， using the crankshaft instantaneous speed and the instantaneous speed in the working field of the engine， by analyzing the instantaneous speed engine cylinder work status， cylinder fire， poor sealing， or injector wear failure， is also an important parameter to realize the single crankshaft degradation start.

關鍵詞： 瞬時轉速;氣缸氣密性檢測;氣缸失火檢測;噴油器磨損檢測;單曲軸降級起動

Key words： instantaneous speed;cylinder tightness detection;cylinder fire detection;injector wear detection;single crankshaft downgrade start

中圖分類號：TG519.5+4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0010-03

0 ?引言

曲軸瞬時轉速是電控發動機控制系統的重要信號之一，通常我們可以根據需求基于單個曲軸齒周期或數個曲軸齒周期計算得出。發動機的運轉過程是通過將活塞的往復直線運動轉化為曲軸的旋轉運動，進而對外做功。對于普通四沖程發動機來說，每運轉一個工作循環凸輪軸轉一圈，曲軸轉兩圈，共分為四個行程：進氣—壓縮—做功—排氣，其中做功行程是發動機運轉的動力來源，在該行程曲軸瞬時轉速會增加，其他三個行程是通過飛輪慣性或者其他缸的做功來完成，在不同行程曲軸瞬時轉速變化也各不相同[1-2]。此外，還有很多因素也和曲軸瞬時轉速息息相關，比如信號盤加工齒形誤差、傳感器裝配誤差，以及測量誤差等，這些因素可以通過濾波算法消除或者將影響減小到最小，但對于加減速時的瞬態工況，以及負荷變化等引起的發動機轉速波動，是無法通過算法消除的，需要我們在采集曲軸瞬時轉速時加上限制使能條件。在特定工況條件下，通過檢測特定角度范圍的曲軸瞬時轉速波動大小及變化率，利用曲軸瞬時轉速和發動機氣缸在工作時域上的嚴格對應關系，可以幫助我們實現發動機狀態判斷以及進行部分發動機故障的診斷。

本文以某型6缸發動機為測試對象，曲軸齒盤采用60-2齒，如圖1所示，每2個曲軸圈為一個工作循環，單個工作循環共計120個采樣點，缺齒處采用軟件算法虛擬出2個曲軸齒，相鄰2個采樣點之間間隔角度為6°CA。

1 ?基于曲軸瞬時轉速檢測氣缸氣密性

氣缸氣密性檢測是為了檢查發動機是否存在氣缸密封不嚴或漏氣現象，要想保證發動機缸內壓力正常并有足夠的動力輸出，首先應該保證氣缸密封良好[3]。氣缸密封差會導致車輛運轉不穩，噪音變大，動力性變差，出現車輛加速不良，發動機起動困難甚至無法起動，車輛爬坡無力，很難達到最高車速，同時，出現排煙增多且有異常氣味，燃油與機油消耗增加等故障現象[4]。

通常檢測氣缸氣密性是利用氣缸壓力表等儀表進行，通過測量氣缸最大壓縮壓力進而有效判定氣缸密封性好壞，這種方法需要用到專用的儀器，實現起來相對困難。本文介紹了一種基于曲軸瞬時轉速變化的檢測方法，該方法不需要改變發動機結構，也不需要特殊的儀器儀表，比較方便。實際計算過程中采用曲軸齒周期進行計算，具體檢測策略如下：在壓縮行程中，由于氣缸漏氣，壓縮阻力小，活塞運動會比正?？?反之，在做功行程中，氣缸密封不嚴，爆發壓力會有損失，活塞運動會比正常慢。采集活塞經過氣缸壓縮上止點前特定角度范圍和經過壓縮上止點后特定角度范圍的曲軸齒周期，可以很好的反應出氣缸的密封性好壞。齒周期越大表示壓縮阻力大，活塞運動慢，氣缸密封性好，反之，齒周期越小表示壓縮阻力小，活塞運動快，氣缸密封性差。

圖2為氣缸氣密性檢測信號采集示意圖，橫坐標表示時間，縱坐標表示活塞行程。該測試過程為冷機倒拖測試，測試時，需要注意切換供油，防止由于燃油噴射或者燃燒不一致引入的測試誤差，同時保證電池電量充足，保證起動機的拖動能力，通過起動機拖動發動機至目標轉速范圍，分別采集各氣缸壓縮上止點前和壓縮上止點后固定幾個齒的齒周期，如圖中Ta和Tb所示，連續多個工作循環后取平均值，最后將測得的壓縮上止點前的平均時間及壓縮上止點后的平均時間分別與判定閾值進行比較，當Ta較判定值偏小，Tb較判定值偏大時，對應氣缸很可能存在漏氣。