汽车发动机失火检测的应用研究

李丽荣 赵树国 程金霞

(邯郸职业技术学院机电系，河北邯郸 056005)

汽车发动机失火检测的应用研究

李丽荣 赵树国 程金霞

(邯郸职业技术学院机电系，河北邯郸 056005)

对桑塔纳3000轿车的失火进行实验，检测方法采用加速度判别法，通过传感器、计数器、单片机对转速和加速度进行数据处理分析，可以判断汽车有否失火，进而还可判断汽车失火的汽缸。经实验研究表明，加速度检测法对检测汽车失火有一定的准确性，可靠性和有效性，方法简单，性价比高，可以应用于汽车检测的实际中去。

失火;计数器;单片机;加速度

0 前言

汽车有害气体的排放越来越受到人们的重视。1994年美国加州大气资源局(CARB)的OBDⅡ法规进行了明文立法，规定因工作异常而使有害废气排放增加的所有部件均要由ECU在线监测，而且规定必须对发动机的失火进行检测。在我国，国家环境保护总局和国家质量监督检疫总局规定全国在2007年7月1日实施国Ⅲ排放标准，2008年又规定第一类汽油车需配备车载诊断系统(OBD)。这标志着对汽车的绿色性要求越来越高。

汽车的绿色性最主要一个关键问题是汽车失火问题，失火是多缸发动机的一种常见故障，有数据表明，发动机发生失火时主要增加有害气体的排放。图1给出HC、CO和NOx排放水平与失火比例之间的关系，此结果来自一台6缸218L发动机。结果显示，大约2%的失火率就会使有害排放物超过1.5倍的排放标准。因此对汽车失火的检测就显得尤为重要。本文作者在了解了当前国内外的失火研究，借鉴国内外的成功经验后，立足国内，开发了自己的失火检测技术及其检测系统。

1 失火检测系统

传统判断汽车发动机是否失火的方法是检查各气缸的转速变化或是瞬时的加速度的变化，但是都不够准确，是因为都要将测得的数据和设定的阀值作比较，然而设置的阀值都是来自大量的实验数据。又由于发动机的工况的变化范围较大，所以人为的模拟不能等同于发动机的实际工况。为此，本文采用“加速度判别法”，就是采用计数器对曲轴位置传感器和曲轴转角信号发出的每个信号进行计数，然后，再把这个数据送到单片机中进行暂存和中断，等一次采集完成后，单片机再通过串口送入到PC机进行分析、处理等。本系统采用AT89C51单片机系统来完成一个可实际应用的性价比较高的诊断系统，系统具有自诊断和出错报警功能。试验表明，本文采用的诊断方法是可靠的。

2 系统硬件电路设计

2.1 系统组成及其工作原理

实验采用桑塔纳3000发动机，其曲轴位置传感器发出的每个脉冲信号包括曲轴转角信号送到计数器内部进行计数，后传送到单片机内部，单片机会对该数据进行处理、分析，在活塞到达上止点时发出中断请求，在中断服务程序中进行对发动机转速的采样，采样数据暂存到单片机的数据存储器中，采样大约在上止点后的18度内结束，采样完成后通过串口送入PC机中，通过计算可以得到发动机加速度，然后对加速度进行分析，最后得出是否发生失火的结论，并作出相应的处理。进而还可以通过凸轮轴传感器和曲轴位置传感器共同确定出失火气缸。系统结构如图2所示。

系统主要由曲轴位置传感器、计数器、单片机和PC机组成。曲轴位置传感器采用磁电式传感器，信号转子为齿盘式，在其圆周上均匀间隔地制作有58个凸齿、57个小齿缺和一个大齿缺。大齿缺输出基准信号，对应发动机气缸1或气缸4压缩上止点前一定角度。大齿缺所占的弧度相当于两个凸齿和三个小齿缺所占的弧度。因为信号转子随曲轴一同旋转，每转过一个齿就会输出一个脉冲信号，当信号转子随发动机曲轴转动一圈，传感线圈就会输出58个脉冲信号。计数器采用KOYO计数器KCV－4S，技术规格如表1所示。单片机采用AT89C51，技术指标如表2所示。

2.2 数据采集电路

桑塔纳3000发动机的曲轴位置传感器采用磁电式传感器，凸轮轴传感器发出的每个信号均为数字脉冲信号，因此无需再进行A/D模数转换即可使用。发出的每个信号送至光洋计数器进行计数，然后把计数值传给单片机，再由单片机发出中断请求信号，其中，上止点信号由T0申请中断，曲轴转角信号使计数器计数值自动锁存并由INT0申请中断。

2.3 键盘及动态显示电路

键盘采用Intel的8279A可编程键盘/显示接口芯片，键盘为4×4矩阵式键盘，按键包括功能键和数字键。第一行各键定义为0、1、2、3;第二行定义为4、5、6、7;第三行定义为8、9;其它两键不用;第四行定义为功能键。8279A的SL0～SL3为扫描信号输出线，接接口的1～4线，作为键盘列扫描和显示的代码输出线;RL0～RL3为回馈信号线，接接口的5～8线，作为键盘行扫描恢复线，RL4～RL7不用。

显示电路为12位，位选信号线需要扩展，采用74LS154译码器实现。显示方式采用动态显示。

3 软件的设计

本系统在硬件电路的支持下，设计一个稳定、高效运行的软件程序是非常关键的。这样可以使系统功能发挥的更加完善和强大。在软件调试过程中使用KELLC51 uVeison3编译器和PROTEUS仿真软件对编制程序进行仿真调试。

3.1 模块化的设计

本程序采用C语言编写，因为C语言编程灵活，生成的代码编译效率高，可移植性好，便于项目维护管理等。主要由主程序、INT0中断服务程序、T0中断服务程序以及其他一些子程序组成。部分程序框图如图3所示。

上止点信号由T0申请中断，曲轴转角信号使计数器计数值自动锁存并由INT0申请中断。中断服务程序可以完成数据采集和数据锁存等功能，由于程序较简单，流程图略。

4 信号分析和处理

4.1 曲轴转角判断上止点

上止点:活塞上下往复运动时活塞顶离曲轴旋转中心最远处，即活塞最高位置。在开始阶段的加速运动中速度达到最大值，当曲轴转角超过上止点后，曲轴的转速变为减速运动，也就是曲轴的转速变为加速度为负的加速运动即减速运动。因此通过判断加速度的符号就可以知道上止点。

4.2 采样转速

其中Xi表示曲轴转过一个齿时计数器的计数值。

4.3 发动机转速加速度

其中k1，k2，k3，k4和k5为常数系数，Ti为每个计数器信号所需时间。

分析如下:

其中i表示发动机的缸号，j表示采集的信号的序号。

如果a＞0则说明在此缸做功的过程中曲轴做的是加速运动，因此说明发动机的第i缸工作正常。反之，如果a＜0则说明在此缸做功的过程中曲轴做的是减速运动，因此说明发动机的第i缸出现失火。失火汽缸的判别可由凸轮轴和曲轴位置传感器共同确定。

5 实验结论

“加速度判别法”通过在桑塔纳3000发动机上进行试验，证明了该检测方法的有效性，该方法计算简单，有效率高，响应快，而且避免了计算加速度的阀值，提高了汽车失火判断的实时性和准确性。

［1］GB18352.3－2005.轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段)［S］

［2］王震，方茂东.基于OBD系统的失火诊断与排放分析［J］.车用发动机，2007，(4)

［3］吴锋，徐航，何文华，谢云文.基于瞬时转速波动定量分析汽油机各缸均匀性的研究［J］.车用发动机，1995，(3):40～43

［4］黄大伟，闻兵，谭达明.基于曲轴扭转振动诊断各缸作功状况的研究［J］.西南交通大学学报，2002，(2):138～141

［5］胡伟，季晓衡.单片机C程序设计及应用实例［M］.北京:人民邮电出版社，2003.1:187～222

U472.43

A

1009－5462(2011)03－0042－04

2011－08－21

本论文由邯郸市科技局项目支持，项目编号0921109072－2。

李丽荣，女，河北威县人，邯郸职业技术学院机电系讲师。

［责任编校:张彩红］