柴油机高压共轨系统轨压故障监控策略设计

王贵勇，孙骏竹，申立中，吕其峰

（昆明理工大学 云南省内燃机重点实验室，昆明 650500）

0 引言

柴油机的高压共轨系统对轨压的控制要求非常高，有可能发生轨压控制的功能性故障。具体表现为压力传感器故障以及轨压闭环控制功能失效等故障。另外由于共轨管内的压力始终处于常态高压，甚至能达到200MPa，恶劣的工作环境也增加了故障发生的可能，因此保证轨压的稳定十分重要。

目前，针对高压共轨系统的故障诊断研究主要集中在喷油器电磁阀以及高压油泵电磁阀上[1～5]，对轨压传感器及相关的控制故障研究较少。文献[6]利用自主研发的共轨平台设计了相应的诊断软件，完成了对轨压闭环控制相关故障以及限压阀故障的诊断，并给出相应的保护策略，但是未对轨压传感器进行相应的故障检测。文献[7]提出了轨压传感器的相关故障的检测方案，包括开路故障、短路故障以及漂移故障，但相关保护策略未得到验证。文献[8]分析了高压共轨系统的关键部件，设计了相应的算法，对关键部件设计了相应的故障诊断模块。文献[9～10]通过对轨压的估计来实现了高压燃油供油和喷射系统的故障诊断。

上述针对轨压故障的研究未对轨压的波动情况进行有效监控，本文在诊断常见轨压故障的基础上，设计了针对轨压波动梯度过大的的故障监控策略。

在MATLAB/Simulink软件中完成轨压相关故障监控策略的建模，包括轨压传感器的信号范围检测及漂移故障，并加入了轨压信号预消抖功能来保证故障诊断的准确性，设计了双层监控策略来保证对轨压的波动梯度进行有效的监控，同时对相关轨压故障采取相应的故障处理策略。通过试验及仿真验证，该策略能够及时准确的识别轨压相关故障，保证了柴油机的平稳运行。

1 轨压相关故障分析

柴油机的高压共轨系统由高压油泵、共轨管、电控喷油器、高压油管组成，其中共轨管是关键部件之一。在高压共轨系统中，共轨管的作用是将高压燃油进行储存和分配，通过固定的容积对由于高压油泵的脉动供油和电控喷油器的间歇喷射引起的整个高压共轨喷油系统的高压燃油压力波动进行抑制，从而保证各缸喷油器顺序喷油时，共轨管中的压力基本恒定[11]。

轨压传感器是共轨管一个重要的部件，在系统中的主要作用是：

1）以固定的时间间隔上报测量轨压值；

2）在每次喷油同步前，为轨压-喷油量插值曲线提供当前轨压值；

3）监控轨压内燃油压力。图1为轨压传感器信号处理流程，轨压传感器采集到电压值经ADC（模/数转换）模块进行输入和波峰选择将最终计算结果输出作为当前电压参与故障诊断和轨压计算。

图1 轨压传感器信号处理流程

轨压传感器采集到的轨压信号输出模式分为与喷油同步和与时间同步。与喷油同步是指，当轨压传感器采集到原始电压信息，通过模拟信号滤波器进行滤波，然后通过与喷油同步的方式，将滤波后的信号进行A/D转换输出轨压信息。与时间同步是指，当采集到的原始信号经滤波后，通过与时间同步的方式，将信号进行A/D转换，然后存储到缓存中，经过峰值选择，然后通过延迟10ms后经过滤波后输出或直接输出。

轨压传感器接线松动会导致导轨压力测量不正确。通常这种情况下测量压力会在短时间内显著增加（在10ms内跳跃幅度大于100bar）。当轨压传感器正常工作时，系统中不会发生这种极端的压力增加。因此，需要对轨压进行梯度监控。

由于轨压波动的存在使整个高压共轨系统的控制环节难度增大，同时还会对系统中元器件的使用寿命造成损害[12]。除此之外，当发动机在停机状态时，共轨内轨压会立即降低为大气压，此时应立即切断高压油泵的驱动电流，避免不必要的能量损失；在发动机起动时，转速较低，轨压泄漏较大，为了迅速的建立起足够的喷射压力，需要轨压能快速地提升至目标轨压附近；起动完成后，转速和轨压到达了稳定值，发动机处于正常运转状态，此时轨压应进入闭环控制，保证轨压值始终稳定在目标轨压附近[13]。因此，必须对整个系统的压力波动进行及时的监控并作出相应的保护策略，保证发动机平稳工作。

2 故障监控策略

本文通过分析轨压的相关故障原因，针对轨压传感器的电路故障、漂移故障以及轨压的波动梯度进行相对应的监控保护策略设计。

2.1 轨压传感器故障监控策略

轨压传感器的故障主要分为硬件故障（短、断路故障）和信号故障（信号漂移），针对硬件故障主要是通过限值检测进行故障监控。由于轨压传感器长期处在高压高温环境中，会伴有侵蚀现象发生，长时间使用后容易出现轨压信号偏移故障，影响发动机的性能。本文研究用轨压传感器的额定压力为140Mpa，最大轨压为160Mpa。

2.1.1 信号范围检测

轨压传感器发生开路及对电源短路故障时，传感器的电压信号会发生异常，通过监测其电压信号就可以检测出传感器是否发生硬件故障。

图2所示为轨压传感器的超限诊断流程。当开启故障诊断后，将处理后的电压与设定的下限值进行比较，小于校准值则判定为短路故障，大于下限校准值则进入超上限检测，当传感器输出电压值大于设定的最大值，判定为断路故障。故障诊断完成后进行故障处理。

图2 轨压传感器超限检测流程

2.1.2 漂移故障监控

轨压传感器长时间处在高压高温环境中，会发生侵蚀现象，长时间使用后容易出现轨压信号偏移故障，对发动机的性能造成影响。

本文根据轨压传感器工作原理及特性设计漂移故障监控策略，其检测流程为：在发动机启动或停机阶段，此时轨压与大气压力值相近，根据其电压—压力值对应曲线输出大气压力下电压值，计算当前电压值和输出电压值的差值，与设定允许漂移值进行比较，若差值大于设定 值则判断为漂移故障。故障诊断原理流程如图3所示。

图3 轨压信号漂移故障检测流程

2.2 轨压梯度监控策略

轨压波动梯度监控分为两层，第一层为峰值监控层，根据喷油数据中计算的轨压状态对轨压峰值进行监控；第二层为梯度监控层，根据第一层监控结果结合轨压状态机对当前喷油同步轨压进行梯度监控。监控层级结构如图4所示。

图4 轨压监控层级结构

如图5所示，在轨压峰值监控层中，轨压信号的采集和范围检查在喷油数据计算模块中进行，该模块首先根据轨压状态决定是否开启故障诊断，开启后将采集到的轨压信号与轨压峰值设定 值进行比较，进行限值检测并启动相应的监控处理程序。在经过斜坡延迟（设定值）后检测轨压峰值是否超限，若经过消抖处理后确定轨压出现超限故障则在第一层中设定超限故障状态为真，然后进入第二层进行轨压梯度监控。

图5 峰值监控层监控策略

轨压梯度监控层的检测原理是首先用当前轨压值减去上个步长缓存轨压值，然后与设定值做差值，若差值大于设定 值并且根据轨压状态机判断认定为轨压梯度故障，进入故障消抖状态。故障消抖通过故障计数器和等待计数器完成，等待计数器的作用是当故障消失足够长的一段时间后，没有再次出现，则将故障计数器清零。当检测到梯度故障并且当前计时器值小于故障确认值时，则立即启动计时器直到达到最大值确认故障并传递到故障管理系统做出故障反应。故障诊断流程如图6所示。

图6 梯度监控层监控策略

在进行轨压梯度信号范围检测时，若在第一层检测到偏差，则进入第二层进行偏差消抖并做出相应的故障反应。此外，在第二层会计算当前轨压梯度输入到第一层进行范围检测，判断是否产生故障（本次检测将会在消抖期间进行）。

3 故障信息处理

3.1 轨压信号处理

在故障监控程序监测到故障信号时，为了防止故障信号的误报（故障信号出现时间过短或者故障出现后自行修复）及误报引起的功能抑制，需要对故障信号进行再次确认，确认的过程称为消抖。

本文针对轨压传感器与轨压梯度故障诊断使用连续时间消抖方式，图7所示的为由故障信号曲线、消抖计时器变化曲线和消抖等级变换曲线组成的时序变化图。

图7 连续时间消抖示意图

当信号为0时代表无故障，故障计时器未启动，消抖等级为0无故障；信号为1时代表监控程序报告故障，消抖计时和消抖等级曲线随故障信号变化。当故障信号为1时（1～2段），故障计时器启动开始进行累加计时，由于故障持续过短故障信号消失，计时器值未达到设定故障确认值，计时器归零，消抖等级不在上升并且清零；当故障信号为1（5～6段）时，计时器进行累加计时直到设定故障确认值，计时器不再进行累加，消抖等级设为最大。修复消抖是在故障确认后进行的，当故障信号消失后，修复计时器开始进行累加计时，若计时值未到设定修复值，则认为故障仍未消失，计时达到设定值后，认为故障消失，设定消抖等级为0。

3.2 轨压故障处理策略

本文设计的轨压故障处理策略是通过抑制处理程序对控制功能模块发出控制信号，采取相应的保护措施，实现故障失效处理功能。抑制处理程序针对需要失效处理策略的功能模块会提供一个功能标识符（FID），故障抑制处理程序为FID提供一个状态字节，通过读取FID的状态，实现该功能的释放。FID的计算通过故障检查处理方式（DFC）进行，根据计算出的FID值判断是否满足抑制功能触发条件。

FID功能根据轨压故障检查结果和信号质量状态进行配置，FID与DFC之间的计算关系如表1所示，该表规定了不同故障状态下的抑制关系、DFC条件及说明。表中Defxx代表故障等级、Debxx代表消抖等级，Def50_Deb100表示为在消抖等级为50%、故障等级为100%的故障状态。

表1 抑制处理关系

故障抑制处理程序通过读取DFC的信息获取故障等级与消抖等级的状态，根据不同的故障等级和消抖等级组合确定FID的用法。并对抑制功能的使用进行说明，确保控制模块功能在正常工作状态下的可用性，在故障状态时，确保该功能能够得到抑制。

针对轨压相关故障，当故障监控程序检测到故障后，将其故障状态输入到抑制处理程序中进行功能失效保护处理，根据FID采取相应的故障保护模式，对轨压传感器的超限故障采取替代值替代策略，将当前喷油同步轨压值切换到时间同步轨压值，对信号漂移故障采取减扭矩控制，通过控制信号控制其外特性油量按原来的85%输出并将限制转速，对波动梯度故障采取喷油量限制措施，减少发动机的功率和扭矩输出。当出现严重故障的情况下，切断故障错误信息的输入，采用固定转速运转发动机，使发动机进入 行回家模式。

4 试验及仿真验证

4.1 轨压信号预消抖功能仿真

图8为轨压传感器超限值（最低值）故障信号模拟仿真结果。

图8 轨压传感器故障仿真

图8曲线从上至下分别为图8(a)模拟故障电压、图8(b)故障状态、图8(c)消抖结果，传感器正常工作电压为330mv～4646mv，在0.5秒时插入故障，即令模拟电压值为0，此时超限检测出故障，故障状态为1，进入故障消抖，消抖完成后结果值为1。故障消失后进入故障修复程序，经过足够时间的修复消抖后，消抖结果值为0。

4.2 轨压梯度故障仿真

轨压梯度故障仿真结果如图9所示，曲线依次为图9(a)梯度变化、图9(b)故障计数器和图9(c)消抖结果。在0.5s时注入模拟故障，梯度变大超过阈值，故障计数器立即开始计数，等待计数器在延迟一个步长后启动，由于故障持续时间不足未到设定阈值（3s），故障计数器停止计数，等待计数器继续累加；在第2秒时故障重新出现，由于此时等待计数器计数值小于限值，故障计数器未清零，故障计数器继续计数直到阈值，故障状态确认。若故障在3s后未出现，故障计数器清零。

图9 轨压梯度监控模型仿真

4.3 故障处理策略仿真

在图10中，从上至下分别为图10(a)轨压替代值、图10(b)外特性油量限制及图10(c)发动机转速限制，故障信号出现后经过预消抖后轨压传感器路障路径的相应故障标志位被置位，故障诊断系统立即在策略中对轨压进行默认值替代以防止故障范围的扩散，同时外特性油量及发动机转速受到限制。仿真结果符合设计目的。

图10 失效策略仿真

4.4 轨压故障诊断试验

针对轨压传感器超限故障及波动梯度故障设计的监控策略是基于阈值检测的原理来进行故障监控，为了验证监控策略的有效性，需要进行轨压故障产生及故障识别试验，为了避免对发动机造成不可预知的损坏，本文使用实验室自主开发的ECU硬件在环系统进行测试，试验机型为某型四缸非道路高压共轨柴油机模型，对2400rpm转速工况下的轨压状况进行监控，在1.5s时进行轨压的故障注入，使轨压出现波动，对波动时段内的轨压视为故障轨压，测试监控策略的有效性并进行故障修复。监控策略试验结果如图11所示。

图11 轨压故障监控策略试验

曲线依次为图11(a)轨压故障信号曲线、图11(b)轨压故障决策。在1.5s注入故障后，轨压开始出现波动，梯度变大超过阈值（10MPa），故障计数器立即开始计数，计数器累加至设定值（0.1s）后，在1.6s时确认故障状态，然后运行故障保护策略，直到轨压回复到平稳状态后确认故障消失。试验结果表明，该监控策略达到预期目的。

5 结语

1）轨压传感器的超限和漂移故障可以通过阈值检测的方式及时有效地检测识别出来，轨压波动梯度故障通过双层监控策略及阈值检测的方式可以快速准确的诊断。

2）预消抖模型可以对柴油机轨压信号进行故障识别，提高故障诊断模型的精确度。

3）故障保护策略能够在识别到故障后迅速采取相应的措施，确保柴油机平稳运行。

通过MATLAB/Simulink软件完成了轨压故障监控策略的设计开发，仿真测试结果表明，该策略可以快速识别故障，满足故障诊断要求。