柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)軌壓故障監(jiān)控策略設(shè)計(jì)

王貴勇，孫駿竹，申立中，呂其峰

（昆明理工大學(xué) 云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500）

0 引言

柴油機(jī)的高壓共軌系統(tǒng)對(duì)軌壓的控制要求非常高，有可能發(fā)生軌壓控制的功能性故障。具體表現(xiàn)為壓力傳感器故障以及軌壓閉環(huán)控制功能失效等故障。另外由于共軌管內(nèi)的壓力始終處于常態(tài)高壓，甚至能達(dá)到200MPa，惡劣的工作環(huán)境也增加了故障發(fā)生的可能，因此保證軌壓的穩(wěn)定十分重要。

目前，針對(duì)高壓共軌系統(tǒng)的故障診斷研究主要集中在噴油器電磁閥以及高壓油泵電磁閥上[1～5]，對(duì)軌壓傳感器及相關(guān)的控制故障研究較少。文獻(xiàn)[6]利用自主研發(fā)的共軌平臺(tái)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的診斷軟件，完成了對(duì)軌壓閉環(huán)控制相關(guān)故障以及限壓閥故障的診斷，并給出相應(yīng)的保護(hù)策略，但是未對(duì)軌壓傳感器進(jìn)行相應(yīng)的故障檢測(cè)。文獻(xiàn)[7]提出了軌壓傳感器的相關(guān)故障的檢測(cè)方案，包括開(kāi)路故障、短路故障以及漂移故障，但相關(guān)保護(hù)策略未得到驗(yàn)證。文獻(xiàn)[8]分析了高壓共軌系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的算法，對(duì)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)了相應(yīng)的故障診斷模塊。文獻(xiàn)[9～10]通過(guò)對(duì)軌壓的估計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)了高壓燃油供油和噴射系統(tǒng)的故障診斷。

上述針對(duì)軌壓故障的研究未對(duì)軌壓的波動(dòng)情況進(jìn)行有效監(jiān)控，本文在診斷常見(jiàn)軌壓故障的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了針對(duì)軌壓波動(dòng)梯度過(guò)大的的故障監(jiān)控策略。

在MATLAB/Simulink軟件中完成軌壓相關(guān)故障監(jiān)控策略的建模，包括軌壓傳感器的信號(hào)范圍檢測(cè)及漂移故障，并加入了軌壓信號(hào)預(yù)消抖功能來(lái)保證故障診斷的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了雙層監(jiān)控策略來(lái)保證對(duì)軌壓的波動(dòng)梯度進(jìn)行有效的監(jiān)控，同時(shí)對(duì)相關(guān)軌壓故障采取相應(yīng)的故障處理策略。通過(guò)試驗(yàn)及仿真驗(yàn)證，該策略能夠及時(shí)準(zhǔn)確的識(shí)別軌壓相關(guān)故障，保證了柴油機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。

1 軌壓相關(guān)故障分析

柴油機(jī)的高壓共軌系統(tǒng)由高壓油泵、共軌管、電控噴油器、高壓油管組成，其中共軌管是關(guān)鍵部件之一。在高壓共軌系統(tǒng)中，共軌管的作用是將高壓燃油進(jìn)行儲(chǔ)存和分配，通過(guò)固定的容積對(duì)由于高壓油泵的脈動(dòng)供油和電控噴油器的間歇噴射引起的整個(gè)高壓共軌噴油系統(tǒng)的高壓燃油壓力波動(dòng)進(jìn)行抑制，從而保證各缸噴油器順序噴油時(shí)，共軌管中的壓力基本恒定[11]。

軌壓傳感器是共軌管一個(gè)重要的部件，在系統(tǒng)中的主要作用是：

1）以固定的時(shí)間間隔上報(bào)測(cè)量軌壓值；

2）在每次噴油同步前，為軌壓-噴油量插值曲線(xiàn)提供當(dāng)前軌壓值；

3）監(jiān)控軌壓內(nèi)燃油壓力。圖1為軌壓傳感器信號(hào)處理流程，軌壓傳感器采集到電壓值經(jīng)ADC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換）模塊進(jìn)行輸入和波峰選擇將最終計(jì)算結(jié)果輸出作為當(dāng)前電壓參與故障診斷和軌壓計(jì)算。

圖1 軌壓傳感器信號(hào)處理流程

軌壓傳感器采集到的軌壓信號(hào)輸出模式分為與噴油同步和與時(shí)間同步。與噴油同步是指，當(dāng)軌壓傳感器采集到原始電壓信息，通過(guò)模擬信號(hào)濾波器進(jìn)行濾波，然后通過(guò)與噴油同步的方式，將濾波后的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換輸出軌壓信息。與時(shí)間同步是指，當(dāng)采集到的原始信號(hào)經(jīng)濾波后，通過(guò)與時(shí)間同步的方式，將信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后存儲(chǔ)到緩存中，經(jīng)過(guò)峰值選擇，然后通過(guò)延遲10ms后經(jīng)過(guò)濾波后輸出或直接輸出。

軌壓傳感器接線(xiàn)松動(dòng)會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)軌壓力測(cè)量不正確。通常這種情況下測(cè)量壓力會(huì)在短時(shí)間內(nèi)顯著增加（在10ms內(nèi)跳躍幅度大于100bar）。當(dāng)軌壓傳感器正常工作時(shí)，系統(tǒng)中不會(huì)發(fā)生這種極端的壓力增加。因此，需要對(duì)軌壓進(jìn)行梯度監(jiān)控。

由于軌壓波動(dòng)的存在使整個(gè)高壓共軌系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)難度增大，同時(shí)還會(huì)對(duì)系統(tǒng)中元器件的使用壽命造成損害[12]。除此之外，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在停機(jī)狀態(tài)時(shí)，共軌內(nèi)軌壓會(huì)立即降低為大氣壓，此時(shí)應(yīng)立即切斷高壓油泵的驅(qū)動(dòng)電流，避免不必要的能量損失；在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速較低，軌壓泄漏較大，為了迅速的建立起足夠的噴射壓力，需要軌壓能快速地提升至目標(biāo)軌壓附近；起動(dòng)完成后，轉(zhuǎn)速和軌壓到達(dá)了穩(wěn)定值，發(fā)動(dòng)機(jī)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)軌壓應(yīng)進(jìn)入閉環(huán)控制，保證軌壓值始終穩(wěn)定在目標(biāo)軌壓附近[13]。因此，必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的壓力波動(dòng)進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)控并作出相應(yīng)的保護(hù)策略，保證發(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)工作。

2 故障監(jiān)控策略

本文通過(guò)分析軌壓的相關(guān)故障原因，針對(duì)軌壓傳感器的電路故障、漂移故障以及軌壓的波動(dòng)梯度進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的監(jiān)控保護(hù)策略設(shè)計(jì)。

2.1 軌壓傳感器故障監(jiān)控策略

軌壓傳感器的故障主要分為硬件故障（短、斷路故障）和信號(hào)故障（信號(hào)漂移），針對(duì)硬件故障主要是通過(guò)限值檢測(cè)進(jìn)行故障監(jiān)控。由于軌壓傳感器長(zhǎng)期處在高壓高溫環(huán)境中，會(huì)伴有侵蝕現(xiàn)象發(fā)生，長(zhǎng)時(shí)間使用后容易出現(xiàn)軌壓信號(hào)偏移故障，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。本文研究用軌壓傳感器的額定壓力為140Mpa，最大軌壓為160Mpa。

2.1.1 信號(hào)范圍檢測(cè)

軌壓傳感器發(fā)生開(kāi)路及對(duì)電源短路故障時(shí)，傳感器的電壓信號(hào)會(huì)發(fā)生異常，通過(guò)監(jiān)測(cè)其電壓信號(hào)就可以檢測(cè)出傳感器是否發(fā)生硬件故障。

圖2所示為軌壓傳感器的超限診斷流程。當(dāng)開(kāi)啟故障診斷后，將處理后的電壓與設(shè)定的下限值進(jìn)行比較，小于校準(zhǔn)值則判定為短路故障，大于下限校準(zhǔn)值則進(jìn)入超上限檢測(cè)，當(dāng)傳感器輸出電壓值大于設(shè)定的最大值，判定為斷路故障。故障診斷完成后進(jìn)行故障處理。

圖2 軌壓傳感器超限檢測(cè)流程

2.1.2 漂移故障監(jiān)控

軌壓傳感器長(zhǎng)時(shí)間處在高壓高溫環(huán)境中，會(huì)發(fā)生侵蝕現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間使用后容易出現(xiàn)軌壓信號(hào)偏移故障，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能造成影響。

本文根據(jù)軌壓傳感器工作原理及特性設(shè)計(jì)漂移故障監(jiān)控策略，其檢測(cè)流程為：在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或停機(jī)階段，此時(shí)軌壓與大氣壓力值相近，根據(jù)其電壓—壓力值對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)輸出大氣壓力下電壓值，計(jì)算當(dāng)前電壓值和輸出電壓值的差值，與設(shè)定允許漂移值進(jìn)行比較，若差值大于設(shè)定 值則判斷為漂移故障。故障診斷原理流程如圖3所示。

圖3 軌壓信號(hào)漂移故障檢測(cè)流程

2.2 軌壓梯度監(jiān)控策略

軌壓波動(dòng)梯度監(jiān)控分為兩層，第一層為峰值監(jiān)控層，根據(jù)噴油數(shù)據(jù)中計(jì)算的軌壓狀態(tài)對(duì)軌壓峰值進(jìn)行監(jiān)控；第二層為梯度監(jiān)控層，根據(jù)第一層監(jiān)控結(jié)果結(jié)合軌壓狀態(tài)機(jī)對(duì)當(dāng)前噴油同步軌壓進(jìn)行梯度監(jiān)控。監(jiān)控層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 軌壓監(jiān)控層級(jí)結(jié)構(gòu)

如圖5所示，在軌壓峰值監(jiān)控層中，軌壓信號(hào)的采集和范圍檢查在噴油數(shù)據(jù)計(jì)算模塊中進(jìn)行，該模塊首先根據(jù)軌壓狀態(tài)決定是否開(kāi)啟故障診斷，開(kāi)啟后將采集到的軌壓信號(hào)與軌壓峰值設(shè)定 值進(jìn)行比較，進(jìn)行限值檢測(cè)并啟動(dòng)相應(yīng)的監(jiān)控處理程序。在經(jīng)過(guò)斜坡延遲（設(shè)定值）后檢測(cè)軌壓峰值是否超限，若經(jīng)過(guò)消抖處理后確定軌壓出現(xiàn)超限故障則在第一層中設(shè)定超限故障狀態(tài)為真，然后進(jìn)入第二層進(jìn)行軌壓梯度監(jiān)控。

圖5 峰值監(jiān)控層監(jiān)控策略

軌壓梯度監(jiān)控層的檢測(cè)原理是首先用當(dāng)前軌壓值減去上個(gè)步長(zhǎng)緩存軌壓值，然后與設(shè)定值做差值，若差值大于設(shè)定 值并且根據(jù)軌壓狀態(tài)機(jī)判斷認(rèn)定為軌壓梯度故障，進(jìn)入故障消抖狀態(tài)。故障消抖通過(guò)故障計(jì)數(shù)器和等待計(jì)數(shù)器完成，等待計(jì)數(shù)器的作用是當(dāng)故障消失足夠長(zhǎng)的一段時(shí)間后，沒(méi)有再次出現(xiàn)，則將故障計(jì)數(shù)器清零。當(dāng)檢測(cè)到梯度故障并且當(dāng)前計(jì)時(shí)器值小于故障確認(rèn)值時(shí)，則立即啟動(dòng)計(jì)時(shí)器直到達(dá)到最大值確認(rèn)故障并傳遞到故障管理系統(tǒng)做出故障反應(yīng)。故障診斷流程如圖6所示。

圖6 梯度監(jiān)控層監(jiān)控策略

在進(jìn)行軌壓梯度信號(hào)范圍檢測(cè)時(shí)，若在第一層檢測(cè)到偏差，則進(jìn)入第二層進(jìn)行偏差消抖并做出相應(yīng)的故障反應(yīng)。此外，在第二層會(huì)計(jì)算當(dāng)前軌壓梯度輸入到第一層進(jìn)行范圍檢測(cè)，判斷是否產(chǎn)生故障（本次檢測(cè)將會(huì)在消抖期間進(jìn)行）。

3 故障信息處理

3.1 軌壓信號(hào)處理

在故障監(jiān)控程序監(jiān)測(cè)到故障信號(hào)時(shí)，為了防止故障信號(hào)的誤報(bào)（故障信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間過(guò)短或者故障出現(xiàn)后自行修復(fù)）及誤報(bào)引起的功能抑制，需要對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行再次確認(rèn)，確認(rèn)的過(guò)程稱(chēng)為消抖。

本文針對(duì)軌壓傳感器與軌壓梯度故障診斷使用連續(xù)時(shí)間消抖方式，圖7所示的為由故障信號(hào)曲線(xiàn)、消抖計(jì)時(shí)器變化曲線(xiàn)和消抖等級(jí)變換曲線(xiàn)組成的時(shí)序變化圖。

圖7 連續(xù)時(shí)間消抖示意圖

當(dāng)信號(hào)為0時(shí)代表無(wú)故障，故障計(jì)時(shí)器未啟動(dòng)，消抖等級(jí)為0無(wú)故障；信號(hào)為1時(shí)代表監(jiān)控程序報(bào)告故障，消抖計(jì)時(shí)和消抖等級(jí)曲線(xiàn)隨故障信號(hào)變化。當(dāng)故障信號(hào)為1時(shí)（1～2段），故障計(jì)時(shí)器啟動(dòng)開(kāi)始進(jìn)行累加計(jì)時(shí)，由于故障持續(xù)過(guò)短故障信號(hào)消失，計(jì)時(shí)器值未達(dá)到設(shè)定故障確認(rèn)值，計(jì)時(shí)器歸零，消抖等級(jí)不在上升并且清零；當(dāng)故障信號(hào)為1（5～6段）時(shí)，計(jì)時(shí)器進(jìn)行累加計(jì)時(shí)直到設(shè)定故障確認(rèn)值，計(jì)時(shí)器不再進(jìn)行累加，消抖等級(jí)設(shè)為最大。修復(fù)消抖是在故障確認(rèn)后進(jìn)行的，當(dāng)故障信號(hào)消失后，修復(fù)計(jì)時(shí)器開(kāi)始進(jìn)行累加計(jì)時(shí)，若計(jì)時(shí)值未到設(shè)定修復(fù)值，則認(rèn)為故障仍未消失，計(jì)時(shí)達(dá)到設(shè)定值后，認(rèn)為故障消失，設(shè)定消抖等級(jí)為0。

3.2 軌壓故障處理策略

本文設(shè)計(jì)的軌壓故障處理策略是通過(guò)抑制處理程序?qū)刂乒δ苣K發(fā)出控制信號(hào)，采取相應(yīng)的保護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)故障失效處理功能。抑制處理程序針對(duì)需要失效處理策略的功能模塊會(huì)提供一個(gè)功能標(biāo)識(shí)符（FID），故障抑制處理程序?yàn)镕ID提供一個(gè)狀態(tài)字節(jié)，通過(guò)讀取FID的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)該功能的釋放。FID的計(jì)算通過(guò)故障檢查處理方式（DFC）進(jìn)行，根據(jù)計(jì)算出的FID值判斷是否滿(mǎn)足抑制功能觸發(fā)條件。

FID功能根據(jù)軌壓故障檢查結(jié)果和信號(hào)質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行配置，F(xiàn)ID與DFC之間的計(jì)算關(guān)系如表1所示，該表規(guī)定了不同故障狀態(tài)下的抑制關(guān)系、DFC條件及說(shuō)明。表中Defxx代表故障等級(jí)、Debxx代表消抖等級(jí)，Def50_Deb100表示為在消抖等級(jí)為50%、故障等級(jí)為100%的故障狀態(tài)。

表1 抑制處理關(guān)系

故障抑制處理程序通過(guò)讀取DFC的信息獲取故障等級(jí)與消抖等級(jí)的狀態(tài)，根據(jù)不同的故障等級(jí)和消抖等級(jí)組合確定FID的用法。并對(duì)抑制功能的使用進(jìn)行說(shuō)明，確?？刂颇K功能在正常工作狀態(tài)下的可用性，在故障狀態(tài)時(shí)，確保該功能能夠得到抑制。

針對(duì)軌壓相關(guān)故障，當(dāng)故障監(jiān)控程序檢測(cè)到故障后，將其故障狀態(tài)輸入到抑制處理程序中進(jìn)行功能失效保護(hù)處理，根據(jù)FID采取相應(yīng)的故障保護(hù)模式，對(duì)軌壓傳感器的超限故障采取替代值替代策略，將當(dāng)前噴油同步軌壓值切換到時(shí)間同步軌壓值，對(duì)信號(hào)漂移故障采取減扭矩控制，通過(guò)控制信號(hào)控制其外特性油量按原來(lái)的85%輸出并將限制轉(zhuǎn)速，對(duì)波動(dòng)梯度故障采取噴油量限制措施，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩輸出。當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障的情況下，切斷故障錯(cuò)誤信息的輸入，采用固定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入 行回家模式。

4 試驗(yàn)及仿真驗(yàn)證

4.1 軌壓信號(hào)預(yù)消抖功能仿真

圖8為軌壓傳感器超限值（最低值）故障信號(hào)模擬仿真結(jié)果。

圖8 軌壓傳感器故障仿真

圖8曲線(xiàn)從上至下分別為圖8(a)模擬故障電壓、圖8(b)故障狀態(tài)、圖8(c)消抖結(jié)果，傳感器正常工作電壓為330mv～4646mv，在0.5秒時(shí)插入故障，即令模擬電壓值為0，此時(shí)超限檢測(cè)出故障，故障狀態(tài)為1，進(jìn)入故障消抖，消抖完成后結(jié)果值為1。故障消失后進(jìn)入故障修復(fù)程序，經(jīng)過(guò)足夠時(shí)間的修復(fù)消抖后，消抖結(jié)果值為0。

4.2 軌壓梯度故障仿真

軌壓梯度故障仿真結(jié)果如圖9所示，曲線(xiàn)依次為圖9(a)梯度變化、圖9(b)故障計(jì)數(shù)器和圖9(c)消抖結(jié)果。在0.5s時(shí)注入模擬故障，梯度變大超過(guò)閾值，故障計(jì)數(shù)器立即開(kāi)始計(jì)數(shù)，等待計(jì)數(shù)器在延遲一個(gè)步長(zhǎng)后啟動(dòng)，由于故障持續(xù)時(shí)間不足未到設(shè)定閾值（3s），故障計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，等待計(jì)數(shù)器繼續(xù)累加；在第2秒時(shí)故障重新出現(xiàn)，由于此時(shí)等待計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值小于限值，故障計(jì)數(shù)器未清零，故障計(jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)數(shù)直到閾值，故障狀態(tài)確認(rèn)。若故障在3s后未出現(xiàn)，故障計(jì)數(shù)器清零。

圖9 軌壓梯度監(jiān)控模型仿真

4.3 故障處理策略仿真

在圖10中，從上至下分別為圖10(a)軌壓替代值、圖10(b)外特性油量限制及圖10(c)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速限制，故障信號(hào)出現(xiàn)后經(jīng)過(guò)預(yù)消抖后軌壓傳感器路障路徑的相應(yīng)故障標(biāo)志位被置位，故障診斷系統(tǒng)立即在策略中對(duì)軌壓進(jìn)行默認(rèn)值替代以防止故障范圍的擴(kuò)散，同時(shí)外特性油量及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速受到限制。仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)目的。

圖10 失效策略仿真

4.4 軌壓故障診斷試驗(yàn)

針對(duì)軌壓傳感器超限故障及波動(dòng)梯度故障設(shè)計(jì)的監(jiān)控策略是基于閾值檢測(cè)的原理來(lái)進(jìn)行故障監(jiān)控，為了驗(yàn)證監(jiān)控策略的有效性，需要進(jìn)行軌壓故障產(chǎn)生及故障識(shí)別試驗(yàn)，為了避免對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成不可預(yù)知的損壞，本文使用實(shí)驗(yàn)室自主開(kāi)發(fā)的ECU硬件在環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)機(jī)型為某型四缸非道路高壓共軌柴油機(jī)模型，對(duì)2400rpm轉(zhuǎn)速工況下的軌壓狀況進(jìn)行監(jiān)控，在1.5s時(shí)進(jìn)行軌壓的故障注入，使軌壓出現(xiàn)波動(dòng)，對(duì)波動(dòng)時(shí)段內(nèi)的軌壓視為故障軌壓，測(cè)試監(jiān)控策略的有效性并進(jìn)行故障修復(fù)。監(jiān)控策略試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 軌壓故障監(jiān)控策略試驗(yàn)

曲線(xiàn)依次為圖11(a)軌壓故障信號(hào)曲線(xiàn)、圖11(b)軌壓故障決策。在1.5s注入故障后，軌壓開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)，梯度變大超過(guò)閾值（10MPa），故障計(jì)數(shù)器立即開(kāi)始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器累加至設(shè)定值（0.1s）后，在1.6s時(shí)確認(rèn)故障狀態(tài)，然后運(yùn)行故障保護(hù)策略，直到軌壓回復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)后確認(rèn)故障消失。試驗(yàn)結(jié)果表明，該監(jiān)控策略達(dá)到預(yù)期目的。

5 結(jié)語(yǔ)

1）軌壓傳感器的超限和漂移故障可以通過(guò)閾值檢測(cè)的方式及時(shí)有效地檢測(cè)識(shí)別出來(lái)，軌壓波動(dòng)梯度故障通過(guò)雙層監(jiān)控策略及閾值檢測(cè)的方式可以快速準(zhǔn)確的診斷。

2）預(yù)消抖模型可以對(duì)柴油機(jī)軌壓信號(hào)進(jìn)行故障識(shí)別，提高故障診斷模型的精確度。

3）故障保護(hù)策略能夠在識(shí)別到故障后迅速采取相應(yīng)的措施，確保柴油機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

通過(guò)MATLAB/Simulink軟件完成了軌壓故障監(jiān)控策略的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，仿真測(cè)試結(jié)果表明，該策略可以快速識(shí)別故障，滿(mǎn)足故障診斷要求。