白思春，褚全紅，孟長(zhǎng)江，況涪洪，姜成賦，張 春，張維彪，李 晨，相 楠

（1.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所（天津），天津 300400；2.西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院，陜西 西安 710025；3.啟帆公司，北京 100076）

在高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)中，電控單元（ECU）采集發(fā)動(dòng)機(jī)的相位、轉(zhuǎn)速、燃油壓力、油門位置、溫度等信號(hào)，通過(guò)一定的算法得出噴油泵和噴油器的控制參數(shù)，并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電磁閥工作［1－2］。其中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)相位的精確確定直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的控制品質(zhì)，ECU需要將曲軸和凸輪軸相位傳感器信號(hào)作為整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)序的基礎(chǔ)，其作用相當(dāng)于整個(gè)控制過(guò)程的時(shí)基，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、噴油相位以及判缸信號(hào)等都是通過(guò)這兩個(gè)傳感器計(jì)算處理得出的。因此，研究一種精確、可靠的信號(hào)獲取方法對(duì)整個(gè)柴油機(jī)電控單元來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，是ECU進(jìn)行精細(xì)化控制的前提［3－4］。

本研究基于曲軸信號(hào)（60－2）個(gè)齒（曲軸上的齒盤被60等分后，去掉其中兩個(gè)齒）、凸輪信號(hào)（8＋1）個(gè)齒（凸輪軸上的齒盤被8等分后，在其中兩個(gè)齒之間再增加一個(gè)齒）的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速信號(hào)處理技術(shù)，分析了轉(zhuǎn)速信號(hào)合理性檢測(cè)的原理以及合理性系數(shù)的理論值確定，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)合理性系數(shù)MAP圖進(jìn)行標(biāo)定。經(jīng)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，該轉(zhuǎn)速信號(hào)處理技術(shù)能夠準(zhǔn)確地濾除干擾信號(hào)，保證了信號(hào)的準(zhǔn)確采集，為發(fā)動(dòng)機(jī)噴射控制提供了基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 綜合分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)全工況范圍內(nèi)，凸輪、曲軸信號(hào)輸入到ECU，影響單齒周期的因素包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、測(cè)量齒盤選擇半徑和齒數(shù)、傳感器信號(hào)的處理方式、電磁干擾等；其中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是決定單齒周期的主要參數(shù)，對(duì)于選定的齒盤和處理電路，其他兩因素是常數(shù)，不影響對(duì)單齒周期的測(cè)試。電磁干擾會(huì)造成傳感器輸出信號(hào)出現(xiàn)高頻干擾，在凸輪、曲軸信號(hào)盤輸出的“多齒”、“缺齒”、“正常齒”之外疊加異常的虛假信號(hào)，導(dǎo)致測(cè)試出的單齒周期出現(xiàn)大幅度的變化。

在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升、下降以及波動(dòng)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的單齒周期會(huì)發(fā)生變化；同時(shí)，即使在發(fā)動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速不變的情況下，由于各缸發(fā)火做功導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)單次周期在各個(gè)相位上也不盡相同；此外，測(cè)速齒盤的加工誤差也會(huì)導(dǎo)致在平均轉(zhuǎn)速相同的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)單次周期在各個(gè)相位上不同［5－6］。

以上所闡述的因素雖然復(fù)雜多變，但曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)和凸輪轉(zhuǎn)速信號(hào)的單齒周期（當(dāng)前齒的信號(hào)下降沿與前一齒的信號(hào)下降沿之間的時(shí)間間隔）符合一定的規(guī)律。用前一齒的單齒周期和當(dāng)前齒的單齒周期的比值ratio來(lái)表征，這個(gè)比值ratio在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)應(yīng)該在一定的取值范圍內(nèi)，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的做功不能出現(xiàn)階躍跳變，其工作轉(zhuǎn)速以及升速、降速的轉(zhuǎn)速變化率是漸變量。Ratio值可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)在各轉(zhuǎn)速點(diǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速變化率來(lái)確定，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化率較大時(shí)，轉(zhuǎn)速上升過(guò)程中ratio值較小，轉(zhuǎn)速下降過(guò)程中ratio值較大；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化率較小時(shí)，ratio值接近1。ratio值超出這個(gè)范圍內(nèi)的信號(hào)，可以認(rèn)為是錯(cuò)誤的并可以濾除的干擾信號(hào)［7］。

2 單齒比值分析

2.1 理論計(jì)算

以曲軸信號(hào)為例，曲軸信號(hào)齒為（60－2）的缺齒結(jié)構(gòu)，在忽略曲軸齒盤機(jī)加誤差且曲軸轉(zhuǎn)速不變的情況下，缺齒處捕捉間隔時(shí)間是正常齒的3倍，根據(jù)這個(gè)時(shí)間倍數(shù)關(guān)系來(lái)確定曲軸缺齒的位置（見(jiàn)圖1）。

在實(shí)際運(yùn)行中，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)變化，單齒周期Ta，Tb并不相等，Tb，Tc也不是呈現(xiàn)嚴(yán)格的3倍關(guān)系，Tb／Ta，Tc／Tb的比值在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。影響該比值的主要因素是柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速的變化率。

針對(duì)正常齒的齒寬比值Tb／Ta，設(shè)在56齒柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速為S，轉(zhuǎn)速變化率為P，則第56齒、第57齒的齒周期Ta，Tb為

式中：T56為第56齒的單齒周期；T57為第57齒的單齒周期；S為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速；P為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化率。

特殊齒中包含了第58齒、第59齒和第60齒，齒周期分別為

在進(jìn)行比值運(yùn)算時(shí)，T58，T59，T60不單獨(dú)參與比值計(jì)算，計(jì)算Tc時(shí)，轉(zhuǎn)速上升時(shí)間用3倍T57進(jìn)行替代，則

2.2 計(jì)算

2.2.1 定轉(zhuǎn)速變化率分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)控制中，采集轉(zhuǎn)速一般大于50r／min，以較大的轉(zhuǎn)速上升速率（恒定為1 000r／（min·s））計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)工作循環(huán)（第1齒～第118齒）中各個(gè)相鄰齒的比值（見(jiàn)圖2）。

從圖中可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速區(qū)，各相鄰單齒之間的比值變化范圍較寬，其中從第1齒到第10齒區(qū)間，比值從1.400下降到1.051；從第10齒到第99齒區(qū)間，比值從1.051下降到1.005；之后的比值基本上不再發(fā)生變化。計(jì)算過(guò)程中同時(shí)可以得出，在第99齒時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到450r／min，到120齒（包括缺齒）時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速已經(jīng)接近500r／min，這從另一個(gè)方面也說(shuō)明，在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速區(qū)，即使各轉(zhuǎn)速變化率較大，各相鄰單齒之間的比值變化范圍也比較小。

2.2.2 變轉(zhuǎn)速變化率分析

起始轉(zhuǎn)速為50r／min，轉(zhuǎn)速上升率為100～1 000r／（min·s），計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)工作一個(gè)循環(huán)（第1齒～第118齒）中各個(gè)相鄰齒的比值（見(jiàn)圖3）。

從圖中可以得出相同的結(jié)論：在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速區(qū)，各相鄰單齒之間的比值變化范圍較寬，并且主要集中在第1齒到第20齒區(qū)間。為了更清楚地分析單齒齒寬比值和轉(zhuǎn)速上升率之間的關(guān)系，針對(duì)前20齒的齒寬比值變化情況進(jìn)行了分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速變化率的增大，單齒齒寬比值近似呈線性增大，且齒號(hào)越小，曲線斜率越大，即比值的變化幅度越大；到20齒時(shí)，單齒齒寬比值隨轉(zhuǎn)速變化率的增大變化不再明顯。

2.2.3 變轉(zhuǎn)速分析

發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，其轉(zhuǎn)速變化率隨機(jī)變化，以極限轉(zhuǎn)速變化率為邊界條件，以不同的轉(zhuǎn)速為參變量，對(duì)第1齒（當(dāng)前齒）的齒寬比值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖中可以看出，在轉(zhuǎn)速低于200r／min時(shí)，當(dāng)前齒處的單齒齒寬比值較大，而轉(zhuǎn)速大于500r／min后的單齒齒寬比值小于1.004，相鄰齒之間的寬度相差不到0.5%。考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升和下降兩個(gè)趨勢(shì)，相鄰齒之間的寬度相差在±0.5%以內(nèi)是一個(gè)合理的變化范圍，超出此范圍出現(xiàn)的“齒”就認(rèn)為是高頻干擾帶來(lái)的多齒或其他因素造成的丟齒，以此可以得出齒信號(hào)的合理性判斷依據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中一般采用上、下兩條邊界線。

3 合理性系數(shù)計(jì)算

3.1 曲軸盤信號(hào)合理性系數(shù)設(shè)置

曲軸盤上包含58個(gè)正常齒信號(hào)和1個(gè)缺齒信號(hào)，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速全工況范圍內(nèi)，需要根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速區(qū)段設(shè)置不同的單齒齒寬比值上、下限，即合理性系數(shù)上、下限。在同一坐標(biāo)軸內(nèi)設(shè)置合理性系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖6。從設(shè)置的極限參數(shù)來(lái)看，正常齒和缺齒的合理性系數(shù)未出現(xiàn)交叉的區(qū)域，整體設(shè)置比較合理，但還需要在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上根據(jù)不同的機(jī)型進(jìn)行標(biāo)定，把合理性系數(shù)的范圍進(jìn)一步收縮，以增加對(duì)非正常齒信號(hào)的有效濾除。

3.2 凸輪盤信號(hào)合理性系數(shù)設(shè)置

凸輪盤上包含8個(gè)正常齒信號(hào)和1個(gè)多齒信號(hào)，多齒的設(shè)置可以在2個(gè)正常齒的中間，即1／2處，也可以在距離上一個(gè)正常齒的1／3處。以1／2處的設(shè)置方式在同一坐標(biāo)軸內(nèi)設(shè)置合理性系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖7。從設(shè)置的極限參數(shù)來(lái)看，正常齒合理性系數(shù)的下限和多齒合理性系數(shù)的上限出現(xiàn)了交叉的區(qū)域，交叉點(diǎn)為凸輪轉(zhuǎn)速75r／min，對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為150r／min。這樣的設(shè)置在極限條件——凸輪轉(zhuǎn)速變化率為500r／（min·s），即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化率為1 000r／（min·s）的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)非正常信號(hào)的濾波處理是有問(wèn)題的。

為了避免凸輪信號(hào)合理性系數(shù)的交叉，以1／3處的設(shè)置方式在同一坐標(biāo)軸內(nèi)設(shè)置合理性系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖9。從設(shè)置的極限參數(shù)來(lái)看，正常齒合理性系數(shù)的下限和多齒合理性系數(shù)的上限仍有交叉區(qū)域，交叉點(diǎn)為凸輪轉(zhuǎn)速60r／min，對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為120r／min。這說(shuō)明以1／3處的方式設(shè)置多齒，使多齒的比值和正常齒的比值差相差更大，能使合理性系數(shù)出現(xiàn)交叉的轉(zhuǎn)速點(diǎn)降低，但不能從根本上解決問(wèn)題。實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)具體發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化率進(jìn)行分析，如果發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速變化率能夠達(dá)到1 000r／（min·s），那凸輪盤信號(hào)在低速時(shí)應(yīng)該避免進(jìn)行合理性系數(shù)的判別，如果發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速變化率較小，實(shí)際設(shè)置的系數(shù)將不會(huì)出現(xiàn)交叉，能夠完成對(duì)非正常信號(hào)的濾波處理。

4 合理性系數(shù)范圍標(biāo)定

在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上用瞬態(tài)轉(zhuǎn)速測(cè)試裝置測(cè)試怠速、升速、降速不同工況下的不同齒所對(duì)應(yīng)的單齒周期，計(jì)算出曲軸缺齒、正常齒的比值，確定出不同轉(zhuǎn)速下的合理性系數(shù)。

4.1 怠速工況測(cè)試

在怠速工況下，采用PID閉環(huán)控制，發(fā)動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在600r／min時(shí)，測(cè)試某8缸發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)轉(zhuǎn)速，在10個(gè)測(cè)試工作循環(huán)中，選取3個(gè)循環(huán)來(lái)表征轉(zhuǎn)速變化情況（見(jiàn)圖9）。

從圖中可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，各齒所對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)轉(zhuǎn)速是不同的，瞬態(tài)轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)和8個(gè)缸的做功過(guò)程對(duì)應(yīng)，在1個(gè)工作循環(huán)中出現(xiàn)8個(gè)瞬態(tài)轉(zhuǎn)速上升過(guò)程。圖9中，對(duì)應(yīng)每個(gè)齒的瞬態(tài)轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)一致。通過(guò)對(duì)各個(gè)工作循環(huán)的正常齒比值進(jìn)行計(jì)算得出正常齒單齒齒寬比值（見(jiàn)圖10），考慮發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)情況，怠速時(shí)正常齒的合理性系數(shù)在0.987～1.011范圍內(nèi)。

通過(guò)對(duì)這10個(gè)工作循環(huán)的“缺齒”比值進(jìn)行計(jì)算，得出缺齒單齒齒寬比值（見(jiàn)圖11）?？紤]發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)情況，怠速時(shí)缺齒合理性系數(shù)在3.014～3.021范圍內(nèi)。

4.2 升速工況測(cè)試

在600～1 900r／min 發(fā)動(dòng)機(jī)升速過(guò)程中，測(cè)試15個(gè)循環(huán)各齒所對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)轉(zhuǎn)速，由于第1齒～第116齒轉(zhuǎn)速上升的趨勢(shì)一致，故選取能表征轉(zhuǎn)速變化情況的第1齒、第58齒、第116齒，以測(cè)試工作循環(huán)為橫坐標(biāo)記錄發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（見(jiàn)圖12）。

從圖中可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升過(guò)程中，通過(guò)各齒所計(jì)算出的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升趨勢(shì)是一致的。通過(guò)對(duì)這15個(gè)循環(huán)中正常齒比值進(jìn)行計(jì)算，得出正常齒單齒齒寬比值（見(jiàn)圖13），考慮發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)情況，升速過(guò)程中正常齒的合理性系數(shù)在0.990～1.029范圍內(nèi)。

通過(guò)對(duì)這15個(gè)工作循環(huán)的“缺齒”比值進(jìn)行計(jì)算，得出缺齒單齒齒寬比值（見(jiàn)圖14），考慮發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)情況，升速過(guò)程中缺齒合理性系數(shù)在2.954～3.036范圍內(nèi)。

4.3 降速工況測(cè)試

在1 900～600r／min發(fā)動(dòng)機(jī)降速過(guò)程中，共分13次測(cè)試各齒所對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)轉(zhuǎn)速，由于第1齒～第116齒轉(zhuǎn)速下降的趨勢(shì)一致，選取能表征轉(zhuǎn)速變化情況的第1齒、第58齒、第116齒，以測(cè)試工作循環(huán)為橫坐標(biāo)記錄發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（見(jiàn)圖15）。

從圖中可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降過(guò)程中，通過(guò)各齒所計(jì)算出的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降趨勢(shì)一致。通過(guò)對(duì)這13個(gè)循環(huán)中正常齒比值進(jìn)行計(jì)算，得出正常齒單齒齒寬比值（見(jiàn)圖16），考慮發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)情況，降速過(guò)程中正常齒的合理性系數(shù)在0.951～1.011范圍內(nèi)。

通過(guò)對(duì)這13個(gè)工作循環(huán)的“缺齒”比值進(jìn)行計(jì)算，得出缺齒單齒齒寬比值（見(jiàn)圖17），考慮發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)情況，降速過(guò)程中缺齒合理性系數(shù)在2.962～3.019范圍內(nèi)。

5 合理性系數(shù)設(shè)置及試驗(yàn)驗(yàn)證

在綜合考慮凸輪、曲軸安裝、加工偏差的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算和標(biāo)定相結(jié)合的方式設(shè)定出某發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸信號(hào)的合理性系數(shù)（見(jiàn)圖18）。在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)工作區(qū)域內(nèi)，合理性系數(shù)的上邊界和下邊界放寬，避免在起動(dòng)工況中對(duì)信號(hào)變化限制太嚴(yán)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)；在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作區(qū)域內(nèi)，對(duì)合理性系數(shù)的上邊界和下邊界進(jìn)行擴(kuò)展，避免因齒盤安裝及加工誤差帶來(lái)的單齒齒寬比值變化影響對(duì)正常齒、缺齒、多齒的合理性判別。

曲軸齒盤信號(hào)合理設(shè)置后，在仿真測(cè)試臺(tái)上，對(duì)齒信號(hào)合理性判斷及相應(yīng)的濾波算法進(jìn)行研究，結(jié)果見(jiàn)圖19和圖20。圖中，C1為凸輪信號(hào)，C2為曲軸信號(hào)，C3為噴射信號(hào)，下半部分為局部放大圖。圖19示出有合理性系數(shù)判別及處理機(jī)制情況下的噴射控制，在此工況下，在齒信號(hào)中注入干擾信號(hào)，噴射信號(hào)不受影響。圖20示出取消合理性系數(shù)判別及處理機(jī)制時(shí)的控制，電控系統(tǒng)噴射信號(hào)在出現(xiàn)“多齒”干擾后噴射發(fā)生暫停。

6 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，曲軸的合理性系數(shù)會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的變化發(fā)生變化。通過(guò)理論計(jì)算，確定出合理性系數(shù)與轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速變化率之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上采集各工況的瞬態(tài)轉(zhuǎn)速，標(biāo)定出合理性系數(shù)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該方法能夠很好地濾除高頻干擾信號(hào)以及丟齒現(xiàn)象對(duì)正常噴射的影響。

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