起动电流在发动机气密性检测中的应用

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气缸密封性与气缸、气缸盖、气缸衬垫、活塞、活塞环和进排气门等零件的技术状况有关[1 ]。这些零件组合起来构成了发动机的心脏。由于某些零件的磨损、烧蚀、结胶、积碳、断裂和开裂等原因，会引起气缸密封性下降，进而影响发动机的动力性、燃油经济性、排放净化性及使用寿命 4]。传统的发动机气密性检测需要逐个拆开喷油器或火花塞后安装压力传感器来测试，不仅费时费力，而且容易由于操作不当而造成误差[5.6]。笔者在研究了发动机起动过程中的电流特性后，利用 DSP系统、外卡式电流传感器及光电传感器，研制了基于发动机起动电流特性的在线检测装置 ，在任何地点都可对发动机气缸密闭- 致性进行检测并对漏气缸的漏气程度做出初步诊断 ，及时发现轻微故障 ，避免重大事故的发生。

1 柴油机智能检测节点硬件结构柴油机智能检测节点结构及各传感器位置如图 1所示 。光 电式传感器对准与曲轴 同轴 的带轮最上端 ，带轮上在第 1缸上止点处粘有反光纸带 ；电流传感器套在蓄电池搭铁线上，传感器箭头指向蓄电池负极；电压衰减器接在起动电机的正负极；磁电式 河北省 自然科学基金资助项 目(编号 ：E20OO7OO1048)收稿 日期 ：2011-02-08；修改稿收到 日期 ：2011-04-06转速传感器安装在柴油机飞轮上方。

本研究中磁电式转速传感器是在理论分析阶段使用，在实际应用中可不接。各传感器信号通过抗混叠低通滤波器后接到ADC的模拟输入端。DSP处理后的诊断结果可直接通过CAN总线传出。试验磁电式转速传感器图 1 柴油机智能检测节点硬件结构及连接图第 6期 程利军，等：起动电流在发动机气密性检测中的应用 987机 型为 F3L912型三缸 四冲程柴油机 ，发火顺序为1，2，3。采样频率统-设为 60 kHz，在只测电流、电压及光电传感器的情况下统-设为20 kHz即可。漏气故障设置在第 3缸，通过将排气门间隙调节为负值模拟漏气故障。

2 起动阶段电流变化理论分析发动机起动阶段 ，起动机产生的转矩 M 和起动电流 J 之间的关系为M - C，PI (1)其中： 为起动力矩(N·m)；c 为电机常数，与电机结构有关 ； 为磁通量(Wb)； 为起动电流。

在电机内部，电枢在磁场(通常由励磁电流产生)中旋转，电枢绕组切割磁场的磁力线，从而在绕组中感应出反电动势 E，，E 与电动机转速 的关系为E - e (2)其中：e 为与电动机结构有关的常数。

起动机电枢端电压 厂、电枢 内阻 R 及电枢电流， 之间的关 系为- ( - E)/R (3)式(3)又称为电动机的电压平衡方程式。由于反电动势 E 与电源电压方向相反，而电枢内阻 又很小，通常在 0.02 Q左右，所以反电动势的大小对电枢 电流 ，的影响很大。只要反 电动势 E 有较小的变化 ，就会引起电枢电流 较大的变化。

发动机不供油起动过程各缸工作行程及各信号理论变化关系如图 2所示 ，图中带数字 1，2，3的向上箭头分别为 1，2，3缸上止点，向下箭头为相应缸的下止点 。

2缸 压 做 排 吸 压 做地排 行程糊 捧 气 功 气 压1N： 功 气 气 缩 功 气 气l 行程各缸 1 上止点瞬时 V V V V V V 转速起动 A A 电流图2 FaL912柴油机不供油起动各信号关系理论示意图发动机起动过程 中的起动阻力矩 由机械阻力矩 、惯性阻力矩和气缸压缩空气的反力矩组成 。正常情况下，前两种阻力矩变化不大，可视为常数。压缩空气反力矩具有周期波动性，在每个缸的压缩行程上止点时具有峰值，且与气缸密闭性有直接的关系。

当发动机不供油起动时，在各缸气密性良好的工况下，瞬时转速信号将在各缸压缩行程上止点处形成最小值，而起动电流将在各缸压缩行程上止点处形成峰值。当某缸气密性不好时，瞬时转速信号和起动电流信号在相应故障缸压缩行程上止点形成的最小值和峰值将不明显，甚至消失。

3 实际起动各信号分析图 3～图 5分别为正常、第 3缸轻微漏气及严重漏气工况下采集的各传感器信号。图中黑色上三角标出的 1缸上止点光电信号为 1缸压缩行程末端的上止点。

观察图 3～图 5可以看出，各信号的实测波形基本与理论分析的变化趋势-致。图 4中当 3缸轻微漏气时，3缸对应的瞬时转速最小值变大，对应的起动电流峰值变校图5中3缸严重漏气时，其对应i蟊曾墼 t/S(a)正常工况瞬时转速t/s(b)正常工况起动电流t/s(c)1缸上止点光电信号t/s(d)正常工况起动电压图 3 正常工况不给油起动各信号波形988 振 动、测 试 与 诊 断 第 32卷口善、 磺辞盔鉴22020o《 18016014012Ot/S(a)轻微漏气瞬时转速0.O O.5 I.O 1.5 2.0 2.5tl S(b)轻微漏气起动电流50t/s(d)轻微漏气起动电压图 4 第 3缸轻微漏气工况不给油起动各信号波形.謇瑙曾鉴3002500.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5t/st/s(b)严重漏气起动电流21.50> 21.2521.O020.75t/s(c)1缸上止点光电信号0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5t/s(d)严重漏气起动电压图 5 第 3缸严重漏气工况不给油起动各信号波形的瞬时转速没有任何下降趋势，所对应的起动电流峰值也几乎消失。

4 气缸密闭-致性检测本研究采用起动电流配合第 1缸上止点光电信号来检测气缸密闭-致性。由于起动过程中前 1 S的电流信号有较大的冲击，因此本系统在检测到起动开关信号后 1.5 S再开始采样，共采集 3 S的数据。由于起动电压低于17 V时说明蓄电池放电已超过允许限度[7]，因此当系统检测到起动电压 1.5 S后的平均值低于17 V时，直接通过 CAN总线发送报警信息，此时需要拆下蓄电池送充电间充电。

本研究采用光电传感器采集的上止点信号结合3缸柴油机电流信号的特点来定位压缩行程上止点。

由于第 1缸上止点分为压缩行程上止点和排气行程上止点，为了区分这两种上止点，本研究利用光电信号结合起动电流信号共同定位发动机工作相位。由图2～图5可以看出，虽然第 1缸每个上止点都出现光电信号，但电流信号只有在压缩行程的上止点才出现峰值，而在排气行程的上止点是最低点。

同理第 2缸和第 3缸的上止点也有同样的现象，因此可以利用三缸柴油机的这-特点进行压缩行程上止点的确定。

在此引入 1缸压缩上止点指数 P来确定 1个 1缸上止点光电信号是否是压缩行程上止点3P∑△l (4)1其 中： -I ( ( -1)T/N)- ( ( -1)T/Ⅳ丁/2Ⅳ)； 为要检测的 1缸上止点信号的时间；T为柴油机工作周期 ；t 与向后推两个上止点 的时刻t 的差值即为工作周期 丁；△为第 i缸上止点时刻电流值与上止点时刻向后推 丁/2Ⅳ时刻的电流值的差。

由图 2的相位关系可知，如果光电信号是第 1缸压缩行程上止点，则 A为电流信号 在第 i缸压缩上止点处波峰与波谷的差值 ，应有 △>0；如果光电信号是第 1缸排气行程上止点，则 A为波谷与波峰的差值，应有

由以上分析可知，如果 P>0，说明 1缸的上止点光电信号是 1缸压缩行程上止点；P≤0，则说明是排气行程的上止点 。

确定 为 1缸压缩行程上止点后 ，提取归-化参数QMX( )作为第i缸气密性是否良好的判断参数。O≤QMX( )≤1，越小说明第i缸气缸密封性越好，越大说明第 i缸密封性越差。参数表达式如下2 号信0 点 止趾第 6期 程利军，等：起动电流在发动机气密性检测中的应用 989QMX( -(5)其中：Ⅳ 为发动机总缸数。

mz5 -/.m [ ( ( -1)T/N)]-厂mi - 1)T/NT/2N)] (6)其中( (f)) maxIs[(f-T/1 ooo)～(fT/1 ooo)])厂mi (L)-rain [(-T/1 ooo)～(T/1 ooo)]为测试参数在判断气缸密闭-致性方面的有效性，将正常(样本 1～6)、第 3缸轻微漏气 (样本 7～12)及第 3缸严重漏气 (样本 13～18)工况下提取 的参数进行 比较 ，结果如图 6所示 。由图 6可以看 出，在第 3缸轻微及严重漏气后，其气密性参数 QMX(3)分别达到 0.7和 0.9，与正常工况的参数有着明显的不同。在此设定阈值为0.15，当第i缸气密性参数 QMX( )大于 0.15时，即可判断为第 i缸漏气故障，即各气缸密闭性不-致。QMX( )的值越接近 1，第 i缸漏气越严重 。

j四籁1图 6 3种工况下提取的归-化气密性参数5 结 论1)通过实测信号证明了不供油起动过程中发动机起动电流、瞬时转速等信号与各缸工作行程理论关系模型的正确性 。

2)引入压缩上止点指数来定位压缩行程上止点，解决了 F3L912型柴油机提取工作相位难的问题。提取归-化的气密性参数实现了发动机气密性故障的定性、定缸和定量判断。