发动机失火诊断中OBD功能开发

胡建功

（太原学院，山西 太原030032）

1 引言

为了满足日益严格的排放法规要求，电控发动机都要求装备在线诊断系统 (on_board diagnosis，OBD)，而在线失火 (misfire)诊断则是OBD系统的重要内容。失火是指内燃机单个或多个气缸内混合气不能着火燃烧的一种故障。点火系统故障、喷油系统故障、配气机构故障、气缸密封不良等原因都可能导致发动机失火[1]。失火可能会导致输出功率下降、燃油消耗增加、排放污染物超标，甚至三元催化器损坏[2]。由于催化转换器的劣化过程是一个复杂的物理和化学过程，很难设计一个故障模拟装置来模拟。因此，国外采用快速老化的方法[3,4]。制备出不同老化程度的催化转换器来进行OBD系统的标定工作和验证试验。本文提出了发动机粗暴度ER的数值算法，算法包括静态元素、动态元素、曲率元素三种算法。

2 发动机失火测量段的自适应研究

可靠失火探测要求一个准确的测量段周期测量。然而，因为曲轴位置靶轮受制造公差和偏心安装的影响，测得的未处理测量段周期是不准确的。这些不精确度源自于系统误差，因此可以在发动机运行过程中，通过 “学习”识别系统误差，并完成自适应。每一个发动机粗暴度值ER_AV计算前，用相关的测量段自适应值对测得的测量段周期时间进行修正，由曲轴位置靶轮公差产生的系统误差很大程度被消除。

自适应过程的参考测量段是测量段SEG[0]，当自适应条件都具备时，自适应值每720°曲轴角计算一次。各测量段自适应值计算公式如下：

SEG_AD_x=[(Tx-T0)-x/4*(T0’-T0)]/T0

其中SEG_AD_x表示第段x（x=0,1,2,3）的自适应值，

Tx表示测量段SEG[x]实测到的测量段时间，

T0表示实测到的参考测量段SEG[0]时间，

T0’表示720°曲轴角后，第二次实测到的参考测量段SEG[0]的时间。

对于4缸直列发动机，如果没有出现气缸的直接损坏，使用同一机械测量段的汽缸自适应值将大致相同。

SEG_AD_0≈SEG_AD_2，

SEG_AD_1≈SEG_AD_3

考虑自适应值后，修正的测量段时间为：SEG_Tx修正=Tx*(1-SEG_AD_x)

按上述自适应理论，显然在发动机减速过程中进行自适应比较合适。在捷达车载诊断OBD系统开发时，将自适应过程定义在减速倒拖断油工况下进行。在这个过程中，因供油被切断，发动机不做功，可避免由于不正常燃烧可能产生的偶然误差。如果所有的自适应条件都满足，系统从测量段SEG[0]开始，每720°曲轴角完成一次自适应计算。

对于捷达1.6 2V直列四缸发动机，为了能对每一个相关的发动机转速范围内特有的曲轴特性进行学习，测量段周期时间自适应在3个不同的转速范围内定义 （低速，中速和高速），转速范围定义如下：

2500rpm至 3500rpm，SEG_AD_L_x。低发动机转速学习范围，用于初始化和第一个自适应学习过程的标准范围。

3500rpm至4500rpm，SEG_AD_M_x。中等发动机转速学习范围。

4500rpm至 5500rpm，SEG_AD_H_x。高速发动机转速学习范围。

在第一时间，因为测量段时间自适应过程刚刚开始，测量段自适应仅在低发动机转速范围内进行和学习。在这期间，只定义一个总的自适应值：在所有转速范围内都使用同一个值 （SEG_AD_MMV_L_x=SEG_AD_MMV_M_x=SEG_AD_MMV_H_x）。

当第一个自适应过程完成后，然后进行与发动机转速相关的自适应。将根据运行发动机转速范围定义和完成自适应值。

发动机控制器ECU是新的时候，测量段自适应值是零。

3 失火失效基准CARB A/CARB B

捷达车载诊断OBD系统失火监测开发过程中使用美国加州OBD法规定义的失火失效基准CARB A/CARB B。

当失火率达到CARB A门槛值时，排放值升高，同时，如果导致失火率达到门槛值的失火气缸不切断，催化转换器有损坏的危险。在驾驶循环过程中，这种失火率必须在200个曲轴转速内识别，以保护催化转换器。为实现此目的，在发动机控制器ECU里为每一个缸分别设置了计数器Counter[0,1,2,3]，当失火发生时，计数器加1。在200个曲轴转速内，将计数器值与标定门槛值CARB_A_THD比较，CARB_A_THD为一个以负荷和转速为自变量的脉频，不在脉频点上的工况点通过插值方式计算获得。如果累计的失火率大于标定门槛值，发动机控制器将立即点亮故障灯，并切断失火缸的喷油。如图1为捷达CARB A诊断运行逻辑框图。

图1 CARB A运行逻辑框图

判断催化转换器是否产生不可逆损坏的依据是催化转换器工作时的温度，对捷达催化转换器而言，催化转换器供货商在大量试验的基础上将不可逆损坏温度定义为950℃。在底盘测功机上对捷达整车进行试验获得CARB_A_THD脉频。

试验时，在4.5英寸长的催化转换器上设置前、中、后三个测温点，如图2所示。按脉频定义的工况点，逐步提高模拟的失火率，直到催化转换器内部温度达到950℃左右，这时的失火率即为门槛值CARB_A_THD对应的脉频。为了保护试验用催化转换器，缩短试验时间，首先使用白载体(Dummy Catalyst)进行试验，确认大致的催化转换器不可逆损坏的失火率。因白载体内没有催化转换时的化学反应，催化转换器内部温度达到950℃左右的失火率应高于有涂层的催化转换器。

图2 捷达CARB_A_THR脉频标定时催化转换器测温图

图3为试验过程中温度测量的一个示例，催化转换器前部的两个热电偶测量到的温度大致一样，约为890℃。催化转换器后部的温度稍低，约为820℃左右。

图3 试验中测得的催化转换器排温

表1为捷达CARB_A_THD的标定脉频，可以看出，当负荷和转速都较高时，造成催化转换器不可逆损坏的失火率越低，当发动机工况为6000rpm/全负荷时，最低可达5%。

表1 捷达CARB_A_THD标定脉频

CARB B是整车工况排放超过OBD限值时的失火率。当导致工况排放超OBD限值的失火率发生时，发动机控制器应在1000个曲轴循环内识别。为实现此目的，在发动机控制器ECU里为每一个缸分别设置了计数器Counter[0,1,2,3]，当失火发生时，计数器加1。在1000个曲轴转速内，将计数器值与标定的门槛失火率比较，达到门槛值时，则记录故障。如果两个排放工况循环时都记录了CARB B故障，则发动机控制器将点亮故障灯。CARB B运行逻辑框图4图所示。

图4 CARB B运行逻辑框图

CARB B对应的失火率在底盘测功机上通过整车排放试验获得。试验时，使用整车V型80000公里可靠性试验后的老化催化转换器 （法规要求），从失火率为0%开始，以0.5%的步幅逐步升高失火率，直到整车工况排放达到OBD限值。这时的失火率为CARB B对应的失火率。捷达CARB B对应的失火率为2%。

在试验过程中，将发动机粗暴度限值THD_ER设定在最低值，避免发动机控制器诊断出失火故障进入跛行回家备份模式，从而影响试验过程。

没有失火时的工况排放试验如图5所示：

图5 没有失火时工况排放过程结果记录

试验结果：HC=0.175g/km NOx=0.219g/km CO=1.029g/km

失火率为2%时的工况排放试验如图6所示：

图6 2%失火率时工况排放过程结果记录

试验结果：HC=0.457g/km NOx=0.162g/km CO=1.713g/km

失火率为3%时的工况排放试验如图7所示：

图7 3%失火率时工况排放过程结果记录

试验结果：HC=0.683g/km NOx=0.124g/km CO=1.878g/km

4 发动机单缸失火/多缸失火的监测

发动机失火分为单缸失火和多缸失火两种。捷达1.6 2V 4缸发动机使用双点火线圈模块点火控制方式，点火顺序是1-3-4-2，一个点火线圈负责1/4缸点火，另一个点火线圈负责2/3缸点火，每一个缸在2个曲轴转速内都将在压缩上止点/排气上止点各点火1次。这种硬件结构导致1/4缸和2/3缸同时发生双缸失火的概率较大，单缸失火和多缸失火的监测方式有一定差别。如图8所示，左边为第2缸单缸失火的判断过程，右边为2/3缸双缸失火的判断过程。

图8 捷达发动机单缸/多缸失火监测过程示意图

首先测量各缸的发动机粗暴度值ER_AV，将发动机粗暴度ER_AV为负值的测量值，如图中所示的第2缸发动机粗暴度值ER_2，与单缸发动机失火粗暴度限值THD_ER_AV比较，如发动机粗暴度值小于限值THD_ER_AV，则判断存在一个单缸失火。

随后将失火缸的发动机粗暴度值ER_2与其对应的第3缸的发动机粗暴度值ER_3相加，如果其和高于多缸发动机粗暴度失火限值THD_ER_MPL_AV，则不存在双缸失火；如果其和低于多缸发动机粗暴度失火限值THD_ER_MPL_AV，则判断存在发动机双缸失火的可能。对是否存在双缸失火，将使用一个发动机双缸失火的粗暴度检查限值THD_ER_MPL_CHK进行进一步判断。如果两个缸的发动机粗暴度值ER_2/ER_3都低于双缸失火检查限值THD_ER_MPL_CHK，则判断2/3缸存在双缸失火。如图9为单缸失火监测方式的逻辑框图。可以看出，发动机粗暴度限值THD_ER是发动机失火监测的核心。

图9 单缸失火监测方式的逻辑框图

5 发动机粗暴度限值的制取

发动机粗暴度限值THD_ER脉频的制取在捷达整车上进行。脉频的制取基于两个原则：

在没有发动机失火的情况下，发动机粗暴度限值要保证车辆运行时正常噪声不被诊断为失火。

发动机失火可以被误判为没有失火，但没有失火不能被误判为失火。

发动机粗暴度限值THD_ER脉频标定时，使用三种最有可能在日常发动机运行时产生的典型失火率：

4%均布失火率。既发动机每25个运行循环中的某一特定序号循环产生一个失火，如图10所示。发动机转速n=1500rpm，负荷MAF=85mg/hub

图10 4缸发动机4%均布失火率

25%失火率。既有一个缸完全失火，如图11所示。发动机转速N=2500rpm，负荷MAF=200mg/hub

图11 4缸发动机25%失火率

50%失火率。既双缸失火，如图12所示。发动机转速N=2500rpm，负荷MAF=200mg/hub

图12 4缸发动机双缸50%失火率

标定时使用软件发生失火，有切断喷油和不点火两种失火发生方式。试验过程中使用不点火方式。

为保证统计精度，每一个工况点的测量长度至少为100个发动机运转循环。本试验为250个发动机运转循环，既1000个测量段。

标定结果：

表2为捷达发动机单缸失火粗暴度限值THD_ER_AV(μm) 的脉频：

表2 捷达发动机单缸失火粗暴度限值脉频

表3为捷达发动机多缸失火粗暴度限值THD_ER_MPL_AV (μm) 的脉频：

表3 捷达发动机多缸失火粗暴度限值脉频

表4为捷达发动机多缸失火粗暴度检查限值THD_ER_MPL_CHK(μm) 的脉频：

表4 捷达发动机多缸失火粗暴度检查限值脉频

6 结束语

根据国III/国IV排放法规对发动机失火诊断的要求,提出了发动机粗暴度ER的数值算法。试验结果表明，这种失火数值算法是准确可靠的。

在捷达车载诊断OBD系统失火诊断功能开发过程中，为消除制造公差及偏心安装等系统误差对测量段周期精确度的影响，开发了测量段周期自适应算法，划分了高速、中速和低速三个自适应转速范围，以保证获得的测量段周期的准确性。试验结果表明，测量段周期自适用算法能有效提高失火诊断的可靠性。

根据法规定义的失火失效基准CARB A(造成催化转换器不可逆损坏的失火率)/CARB B(造成I型工况排放超OBD限值的失火率)，通过大量试验确定了捷达手动箱车对应于CARB A的失火率脉频，以及对应于CARB B的失火率。试验结果相关的标定匹配是成功的。

根据捷达发动机点火系统的特性，确定了单缸、双缸失火的判别方法，以及标定出对应的发动机粗暴度限值脉频。试验结果表明，使用此脉频能准确判断发动机的失火。