曲轴瞬时转速在发动机控制中的应用研究

卫文晋 覃艳 孙潇 丛聪

摘要： 曲轴瞬时转速在一定程度上直接反映发动机的真实工作状态，采集一个工作循环的曲轴瞬时转速信号，利用曲轴瞬时转速和发动机气缸在工作时域上的严格对应关系，提取特定角度范围的瞬时转速，通过分析瞬时转速的波动大小和变化率，可以用来识别发动机各气缸做功状态，是否存在气缸失火，密封性差，或喷油器磨损等故障，同时也是实现单曲轴降级起动的一个重要参数。

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.

关键词： 瞬时转速;气缸气密性检测;气缸失火检测;喷油器磨损检测;单曲轴降级起动

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

中图分类号：TG519.5+4                                      文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2022）03-0010-03

0  引言

曲轴瞬时转速是电控发动机控制系统的重要信号之一，通常我们可以根据需求基于单个曲轴齿周期或数个曲轴齿周期计算得出。发动机的运转过程是通过将活塞的往复直线运动转化为曲轴的旋转运动，进而对外做功。对于普通四冲程发动机来说，每运转一个工作循环凸轮轴转一圈，曲轴转两圈，共分为四个行程：进气—压缩—做功—排气，其中做功行程是发动机运转的动力来源，在该行程曲轴瞬时转速会增加，其他三个行程是通过飞轮惯性或者其他缸的做功来完成，在不同行程曲轴瞬时转速变化也各不相同[1-2]。此外，还有很多因素也和曲轴瞬时转速息息相关，比如信号盘加工齿形误差、传感器装配误差，以及测量误差等，这些因素可以通过滤波算法消除或者将影响减小到最小，但对于加减速时的瞬态工况，以及负荷变化等引起的发动机转速波动，是无法通过算法消除的，需要我们在采集曲轴瞬时转速时加上限制使能条件。在特定工况条件下，通过检测特定角度范围的曲轴瞬时转速波动大小及变化率，利用曲轴瞬时转速和发动机气缸在工作时域上的严格对应关系，可以帮助我们实现发动机状态判断以及进行部分发动机故障的诊断。

本文以某型6缸发动机为测试对象，曲轴齿盘采用60-2齿，如图1所示，每2个曲轴圈为一个工作循环，单个工作循环共计120个采样点，缺齿处采用软件算法虚拟出2个曲轴齿，相邻2个采样点之间间隔角度为6°CA。

1  基于曲轴瞬时转速检测气缸气密性

气缸气密性检测是为了检查发动机是否存在气缸密封不严或漏气现象，要想保证发动机缸内压力正常并有足够的动力输出，首先应该保证气缸密封良好[3]。气缸密封差会导致车辆运转不稳，噪音变大，动力性变差，出现车辆加速不良，發动机起动困难甚至无法起动，车辆爬坡无力，很难达到最高车速，同时，出现排烟增多且有异常气味，燃油与机油消耗增加等故障现象[4]。

通常检测气缸气密性是利用气缸压力表等仪表进行，通过测量气缸最大压缩压力进而有效判定气缸密封性好坏，这种方法需要用到专用的仪器，实现起来相对困难。本文介绍了一种基于曲轴瞬时转速变化的检测方法，该方法不需要改变发动机结构，也不需要特殊的仪器仪表，比较方便。实际计算过程中采用曲轴齿周期进行计算，具体检测策略如下：在压缩行程中，由于气缸漏气，压缩阻力小，活塞运动会比正常快;反之，在做功行程中，气缸密封不严，爆发压力会有损失，活塞运动会比正常慢。采集活塞经过气缸压缩上止点前特定角度范围和经过压缩上止点后特定角度范围的曲轴齿周期，可以很好的反应出气缸的密封性好坏。齿周期越大表示压缩阻力大，活塞运动慢，气缸密封性好，反之，齿周期越小表示压缩阻力小，活塞运动快，气缸密封性差。

图2为气缸气密性检测信号采集示意图，横坐标表示时间，纵坐标表示活塞行程。该测试过程为冷机倒拖测试，测试时，需要注意切换供油，防止由于燃油喷射或者燃烧不一致引入的测试误差，同时保证电池电量充足，保证起动机的拖动能力，通过起动机拖动发动机至目标转速范围，分别采集各气缸压缩上止点前和压缩上止点后固定几个齿的齿周期，如图中Ta和Tb所示，连续多个工作循环后取平均值，最后将测得的压缩上止点前的平均时间及压缩上止点后的平均时间分别与判定阈值进行比较，当Ta较判定值偏小，Tb较判定值偏大时，对应气缸很可能存在漏气。