基于malab的電控柴油機(jī)故障仿真系統(tǒng)的研究

基于malab的電控柴油機(jī)故障仿真系統(tǒng)的研究

發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)故障診斷策略隨著電子技術(shù)在工程行業(yè)的廣泛應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，維修變得困難，對(duì)維修人員的要求也越來越高。為了便于維修和提高車輛可靠性,現(xiàn)在的發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)都必須具有故障自診斷功能,國際上也制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),如OBDII(OnBoardDiagnosticsII)。在ECU的開發(fā)階段,也就是在故障診斷策略未完善之前,在臺(tái)架上進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的故障試驗(yàn)是相當(dāng)危險(xiǎn)的,如果在此之前在仿真狀態(tài)下對(duì)故障工況進(jìn)行模擬不失為一種既安全又節(jié)省成本的好方法。因此本文在MATLAB/SIMULINK的環(huán)境下,建立了高壓共軌式電控發(fā)動(dòng)機(jī)的模型,對(duì)故障自診斷系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。1系統(tǒng)介紹實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)模型、傳感器模型、執(zhí)行器模型和ECU模型,MATLAB/SIMULINK仿真系統(tǒng)的最上級(jí)結(jié)構(gòu)見圖1。1.1發(fā)動(dòng)機(jī)模型本發(fā)動(dòng)機(jī)均值模型包括:壓氣機(jī)模型、渦輪模型、中冷器模型、充氣效率、進(jìn)氣模型、指示熱效率模型、摩擦轉(zhuǎn)矩模型和發(fā)動(dòng)機(jī)(見圖2)。1.1.1增壓壓氣機(jī)的壓比及tqc公式壓氣機(jī)的質(zhì)量流量、效率及轉(zhuǎn)速、壓比的關(guān)系為mc=f(nc,πc),ηc=f(nc,πc)式中:mc為質(zhì)量流量,kg/s;ηc為效率;nc為轉(zhuǎn)速,r/min;πc為壓比。將增壓器壓氣機(jī)特性曲線輸入計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ),在計(jì)算時(shí)采用插值法,給出壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速nc和流量mc即可得出壓氣機(jī)的壓比πc和效率ηc。由πc、mc、ηc和T1,根據(jù)熱力學(xué)定律和牛頓定律得Τ2=Τ1{1+1ηc[πc(k-1k)-1]}(1)T2=T1{1+1ηc[πc(k?1k)?1]}(1)Τtqc=1ηckk-1?30π?ncmcRΤ1[πc(k-1k)-1](2)式中:T2為壓氣機(jī)出口溫度,K;Ttqc為壓氣機(jī)消耗的轉(zhuǎn)矩,N·m。1.1.2齒輪特性曲線渦輪的質(zhì)量流量、效率和轉(zhuǎn)速、膨脹比的關(guān)系為mt=f(nt,πt),ηt=f(nt,πt)式中:mt為渦輪的質(zhì)量流量,kg/s;ηt為渦輪效率;nt為渦輪轉(zhuǎn)速,r/min;πt為渦輪的膨脹比。根據(jù)渦輪特性曲線,給出渦輪的轉(zhuǎn)速nt和流量mt即可得出渦輪的膨脹比πt和效率ηt。由mt、ηt、nt、πt和排氣溫度T4,根據(jù)力學(xué)定律和牛頓定律,可求出渦輪出口溫度T5和渦輪所發(fā)出的轉(zhuǎn)矩Ttq,即Τ5=Τ4{1+ηt[1-(1/πt)k-1k]}(3)Τtq=ηtkk-1?30πntmtRΤ4[1-(1/πt)k-1k](4)1.1.3出口空氣溫度采用文獻(xiàn)中提到的簡化模型,引入中冷器冷卻系數(shù)εc后,中冷器的出口空氣溫度T3為T3=T2-εc(T2-Twi)(5)p3=p2-Δp(6)式中:εc在0.7～0.9之間,視中冷程度而定,通常視為常數(shù);Twi為中冷器進(jìn)口溫度。1.1.4氣體質(zhì)量ma假設(shè)進(jìn)氣管內(nèi)氣體溫度T3和壓力是均勻分布的,穩(wěn)態(tài)進(jìn)氣管壓力p3取決于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n和增壓器轉(zhuǎn)速。進(jìn)入氣缸的氣體質(zhì)量ma受充氣效率ηv的影響,即ma=1120ηvp3RΤ3ΝVhn(7)式中:Vh為發(fā)動(dòng)機(jī)排量,m3;N為汽缸數(shù)。1.1.5試驗(yàn)確定的常數(shù)用二次多項(xiàng)式來擬合充氣效率(轉(zhuǎn)速是最大的影響因素),ηv=a0+a1·n+a2·n2(8)式中:a0～a2為試驗(yàn)確定的常數(shù);ηv為發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率。1.1.6發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和燃空比發(fā)動(dòng)機(jī)的指示熱效率是由相關(guān)的熱損失和燃燒效率來決定,熱損失是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和燃空比的函數(shù),而燃空比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率起主導(dǎo)作用,因此將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和燃空比作為熱效率計(jì)算的變量,ηi=(k0+k1n+k2n2)·(k3+k4α+k5α2)(9)式中:k0～k5為試驗(yàn)確定的常數(shù);ηi為發(fā)動(dòng)機(jī)的指示熱效率;α為發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比。1.1.7轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速間函數(shù)關(guān)系本文不考慮復(fù)雜的摩擦轉(zhuǎn)矩模型,只采用一個(gè)反映平均摩擦轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速間函數(shù)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式Τtqf=10004π[80+(48n/1000)+0.4Cm2]?Vh(10)式中:Cm為活塞平均速度,m/s。1.1.8指示矩陣平均指示轉(zhuǎn)矩是燃油質(zhì)量流量mf、指示熱效率ηi和轉(zhuǎn)速n的函數(shù),Τtqi=30mf?Ηu?ηiπn(11)1.1.9空氣燃油溫度因子kt排氣溫度T4被認(rèn)為是燃空比的線性函數(shù),Τ4=Τ3+ΚΤ1+mamf(12)式中:KT稱為排氣溫度因子,是空氣燃油比ma/mf的函數(shù),當(dāng)ma/mf>18時(shí),KT為常數(shù);ma/mf<18時(shí),KT有所減小。1.1.1發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平衡方程dndt柴油機(jī)動(dòng)力裝置可簡化成由兩個(gè)回轉(zhuǎn)質(zhì)量(柴油機(jī)和負(fù)載)以及一個(gè)無慣性的聯(lián)軸節(jié)組成的當(dāng)量系統(tǒng),由達(dá)蘭倍爾原理可得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的平衡方程dndt=30π?Τtqi-Τtqf-ΤtqLJe-JL(13)式中:Je為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2;JL為負(fù)荷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2;TtqL為負(fù)荷轉(zhuǎn)矩,N·m。1.2冷卻液、通氣溫度和燃油溫度傳感器傳感器模型包括:油門踏板、共軌油壓、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液、進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度和燃油溫度傳感器(見圖3)。傳感器模型的主要功能是模擬A/D轉(zhuǎn)換和傳感器失效工況的仿真。1.3控制軟件設(shè)計(jì)真實(shí)ECU的軟件包括底層控制軟件、油量計(jì)算、油壓控制、燃油噴射計(jì)算、各種工況控制、通信協(xié)議以及故障診斷程序等,本文主要討論故障診斷,其他部分的控制軟件不在本文的討論范圍。圖4所示的是ECU模型中故障診斷模塊。1.4執(zhí)行器模型1.4.1共軌油氣閥控制曲線噴油器的噴油量mf與噴油持續(xù)時(shí)間ti和共軌油壓pc的關(guān)系為mf=Κinj?ti?√pc(14)式中:Kinj為噴射常數(shù),與電磁閥工作特性、油嘴結(jié)構(gòu)尺寸和共軌油壓有關(guān)。1.4.2dpcd的計(jì)算共軌油壓pc的改變主要是由于共軌管內(nèi)的油量變化引起的,共軌管內(nèi)的油量是進(jìn)出共軌管的油量,由供油量、噴油量和泄漏量決定的,因此dpcdt=E?mp-mf-mleakVc(15)式中:mp為循環(huán)供油量,mm3/str;mf為循環(huán)噴油量,mm3/str;mleak為燃油泄漏量;E為燃油彈性模量;Vc為高壓油管容積,mm3。高壓油泵的供油量由供油電磁閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈寬和油泵轉(zhuǎn)速np決定,即mp=f(np,tc)(16)這是個(gè)非線性的函數(shù),把油泵試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以MAP的形式在模型中使用。2正常模式下的仿真應(yīng)用以上模型對(duì)某型號(hào)的六缸增壓直噴柴油機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算,圖6為正常模式下的仿真結(jié)果,模擬了發(fā)動(dòng)機(jī)的加、減速過程,從圖中可看出仿真過程的各參數(shù)變化與實(shí)際吻合。3油泵開環(huán)控制關(guān)系故障診斷策略包括所有傳感器的故障診斷、執(zhí)行器的故障診斷和ECU及其相關(guān)硬件的故障診斷,對(duì)傳感器而言,油門位置傳感器和共軌油壓傳感器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響最為明顯,是本文研究的重點(diǎn)。圖7和圖8分別是油門位置和共軌油壓傳感器失效工況的仿真結(jié)果。由于油門位置傳感器的信號(hào)線對(duì)電源短路,所以油門的信號(hào)值已經(jīng)超出正常的工作范圍(正常工作范圍是0%～100%,電壓值為0.5V～4.5V),如圖7a所示。在這種情況下,如果ECU沒有采取任何措施的話,發(fā)動(dòng)機(jī)將失去控制,這對(duì)于車輛在城市內(nèi)駕駛是很危險(xiǎn)的。對(duì)于GD-1系統(tǒng),加入了油門故障診斷策略,當(dāng)油門位置傳感器發(fā)生故障后,電控系統(tǒng)的工作模型進(jìn)入跛行(limphome)模式。從圖7b可以看出,雖然油門的原始信號(hào)出現(xiàn)了故障,通過故障失效處理校正后的油門值從上一次正常的值緩慢變化到油門失效后的缺省值20%,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢的變化到跛行的轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速并沒有因?yàn)橛烷T的故障而發(fā)生突變,說明油門診斷及失效處理策略是正確的。圖8a所示共軌油壓傳感器超出其正常的工作范圍(0MPa～160MPa)。正常情況下,壓力越高,噴射同樣數(shù)量的燃油需要的噴油脈寬越小,另外油壓過高,供油電磁閥的供油脈寬也相應(yīng)地減少,如果油壓未有明顯下降,那么供油脈寬甚至可以降低為0s,如果按照此錯(cuò)誤的油壓信息去驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作,必然導(dǎo)致實(shí)際的共軌油壓逐步降低為0,噴油量也因此降低為0,發(fā)動(dòng)機(jī)只能停止工作。當(dāng)檢測(cè)到油壓傳感器的值超出了正常的工作范圍,ECU會(huì)從油壓的閉環(huán)控制模型轉(zhuǎn)換為開環(huán)控制模式,在GD-1系統(tǒng)中存儲(chǔ)有一套供油脈寬和噴油脈寬的開環(huán)控制脈譜,這些脈譜是經(jīng)過油泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)標(biāo)定的。如圖8c所示,在共軌油壓發(fā)生故障后,油壓緩慢地下降到60MPa左右,這是油壓控制進(jìn)入開環(huán)的結(jié)果(當(dāng)共軌油壓信號(hào)不可用后,為了安全起見,開環(huán)控制的油壓要比閉環(huán)控制