新型高压共轨喷油器电磁阀驱动系统故障诊断及自保护系统设计_图

1、第30卷第6期2009年12月内燃机工程Chinese Internal Combustion Engine Engineering Vol. 30No. 6December. 2009收稿日期:2008209204作者简介:王孝(1956- , 正研级高级工程师, 主要研究方向为柴油机电控及工业电控系统, E 2m ail :w angxiaodt 。文章编号:1000-0925(2009 06型高压共轨喷油器电磁阀驱动系统故障诊断及自保护系统设计王孝1, 王璠璟2(1. 中国北方发动机研究所, 大同037036;2. 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,

2、北京100191A F ault Diagnosis and Self 2Protection System for Fuel InjectorSolenoid V alve of High Pressure Common 2R ail Diesel E ngineWANG Xiao 1, WANG F an 2jing 2(1. China Nort h Engine Research Instit ute ,Datong 037036,China ;2. School of Inst rument Science and Opto 2Elect ronics Engineering ,Be

3、ijing U niversityof Aeronautics and Ast ronautics ,Beijing 100191,China Abstract :Through t he analysis of current under normalcondition and various fault conditions , a st ruct ure for common rail diesel engine solenoid valve programmable logic device . The module can valve. When t he fault is dete

4、cted , t he module can also p rotect t he immediately. Experimental result shows t hat it can t urn off t he valve wit hin 7ns a was detected , so t hat to protect t he engine and it s cont roller.摘要:根据高压共轨柴油机喷油电磁阀在正常工作以及短路或断路工作状态下的驱动电流特性的分析结果, 设计了一种基于CPLD (复杂可编程逻辑器件 、采用纯硬件逻辑电路结构的电磁阀故障检测系统。该系统通过对电磁阀

5、驱动电流特征的快速提取和判断, 能够迅速检测电磁阀的不同故障, 并在故障出现时对电磁阀和驱动系统进行保护。试验结果表明:系统能在7ns 内关闭故障电磁阀, 从而有效地保证了发动机及其控制系统的安全运行。关键词:内燃机; 柴油机; 高压共轨; 电磁阀; 复杂可编程逻辑器件; 故障诊断K ey w ords :IC engine ; diesel engine ; high p ressure common rail ; solenoid valve ;complex p rogrammable logic device (CPLD ;fault diagno sis中图分类号:T K42114文

6、献标识码:A0概述为了适应新排放法规的要求, 电控柴油机的普及应用已成为必然, 而电控高压共轨柴油机是其中采用较为广泛的一种1。高速开关电磁阀是电控高压共轨柴油机中最核心的部件2。在柴油机的整个工作寿命中, 电磁阀要开关上亿次, 同时须保证开关动作的及时、准确, 因此, 其可靠性、稳定性是电控柴油机重要指标之一3。电磁阀故障主要是指线圈的短路、断路等非正常状态。传统的电磁阀故障检测系统采用两种方式:(1 间接方式。检测发动机瞬时转速, 计算各缸电磁阀喷油的不均匀性, 再由软件判断故障状态。该方法占用CPU 资源量大, 响应速度慢, 且判断准确性差。(2 直接方式。直接检测电磁 2009年第6期

7、内燃机工程阀工作电流, 通过检测电流到达不同参考值的速度, 采用单片机中断程序判断电磁阀故障状态。但是由于单片机处理速度及中断程序调用等方面的不足, 限制了其在高速开关电磁阀故障诊断中的应用。本文设计了一种基于CPLD (complex program 2mable logic device , 复杂可编程逻辑器件 的电磁阀故障诊断系统。该系统充分利用CPLD 高速、准确的特点, 对电磁阀电流进行直接检测, 并根据故障电磁阀驱动电流的特点, 判断其工作状态, 做出相应的保护, 并通知控制ECU 。1电磁阀故障特征分析1. 1驱动电路 电磁阀驱动电路如图1所示。电磁阀驱动系统采用MOSFET 驱

8、动方式。其中, T 1、T 2分别为低压电源驱动及高压驱动开关MOSFET , T 3为低端MOSFET ; 电磁阀简化为电感L 及电阻R 的串联电路; R 1为电磁阀电流的采样电阻。高压开关信号、上位开关信号、下位开关信号分别控制T 1、T 2及T 3的通断, 均由ECU 及电磁阀驱动系统提供。高压电源端可提供80100V 的高压电源, 电磁阀的电流, 充电。, 驱动系统对T 3进行通断控制, 达到维持电磁阀适当工作电流的目的。当关闭电磁阀时, 应首先关闭T 1, 经短暂延时后再关断T 3, 采用电磁阀电流为高压电源充电, 并使得驱动电流迅速下降, 在提高关断速度的同时, 提高了能量利用率。

9、图1系统驱动电路1. 2电磁阀正常工作电流分析在电磁阀正常工作的情况下, 当驱动电路接收到ECU 开启信号后, 电磁阀在低压电源和高压电源的共同作用下, 电磁阀驱动电流迅速上升。当驱动电流足够大时, 电磁阀的电磁力将超过回位弹簧的拉力, 驱动衔铁开始加速运动。电磁阀通电一段时间后, 高压电源开关T 2将被关闭, 电流上升速度将减慢。当电流到达预设的最大值后, 驱动系统将关闭下位开关, 使电磁阀电流回落。当该电流回落至保持值后, 驱动系统对其进行通断控制, 使得电磁力能够始终保持大于回位弹簧的拉力, 维持电磁阀的打开状态, 直至ECU 开启信号结束。图2为电磁阀正常工作情况下的电流波形图。在35

10、0s 左右, 电流上升过程有一拐点, 此即为高压电源关闭的时刻。后部的锯齿波即为电磁阀保持时段的同段控制下的电磁阀电流波形。图2电磁阀电流波形图1. 3故障电磁阀电流特征电磁阀故障主要有断路及短路两种。电磁阀在工作过程中, 因为碰撞、振动等原因造成电磁阀线束连接不好或线圈本身的断裂, 导致驱动回路发生断路或者电磁线圈的电阻加大的现象。当故障发生时, 电磁阀中的电流始终为零或上升速度缓慢。同时, 电磁阀在工作过程中, 因为碰撞、振动等因素, 造成不同线束的误接触, 或因为电流过大、温度过高等因素, 造成线圈烧毁的现象, 出现短路故障。此时, 电磁阀线圈的电感、阻抗极小, 电流上升速度很快, 如不

11、加以限制, 可在数微秒中达到几十安培, 造成MOSFET 开关的损毁。2电磁阀故障检测系统硬件设计当电磁阀发生短路或断路故障时, 其驱动电流的上升曲线会发生相应的变化。因此, 通过对电流上升曲线特征的检测, 可以实现对电磁阀故障的检测。95 内燃机工程2009年第6期本文针对传统间接检测法及单片机直接检测法的缺点, 设计了一种基于CPLD 的电磁阀故障检测系统。试验电路原理如图3所示。 图3试验电路图系统中包含了电磁阀驱动电路, 因此, 系统具有电磁阀驱动、电磁阀故障检测及驱动电路保护等功能。驱动电流经R 1采样, 转换为电压信号, 连入比较器, 与参考电压进行比较, CPLD 测。平, 关断

12、MOSFET ECU 。CPLD 维持故障指示状态直至ECU 信号关断为止, 并复位, 即仅在单次喷油过程中对MOSFET 强制关断, 再次喷射过程中重复整个故障检测过程, 提高了系统灵活性。 3电磁阀故障检测系统软件设计3. 1故障检测原理当电磁阀发生断路故障时, 电磁阀驱动电流上升缓慢, 或始终为零, 比较器输出值翻转时刻较晚, 或根本无法出现翻转。通过试验确定参考时间t 1, 当驱动电路打开MOSFET 开关t 1时间后, 比较器输出仍未发生翻转, 则系统判断电磁阀出现断路故障。CPLD 将输出控制信号置低, 关闭MOSFET 开关, 同时向ECU 发出故障指示。当电磁阀发生短路故障时,

13、 线圈电感、电阻下降, 驱动电流上升速度加快, 在极短的时间内就可能达到几十安培, 造成通过电流过大, 损坏线圈及驱动电路。通过试验确定参考时间t 2, 当驱动电路打开MOSFET 开关后, 若在t 2时刻前, 驱动电流便达到参考电压, 即比较器输出发生翻转, 则系统判断电磁阀出现短路故障。CPLD 迅速将输出控制信号置低, 关闭MOSFET 开关, 保护驱动电路, 同时向ECU 发出故障指示。电磁阀正常工作以及发生短路、断路情况时的时序如图4所示。图4,CPLD 会在t 3时刻判断故障;,CPLD 在t 4时刻判断故障。判断故障的同时, 强制关闭MOSFET , 发出故障指示。3. 2故障检

14、测系统软件设计根据检测原理, 本文设计了基于CPLD 的软件程序, 其控制逻辑如图5所示。图5CPLD 内部逻辑图在CPLD 中包括由ECU 信号触发的、时长分别为t 1和t 2的2个方波发生器, 对其信号与比较输出信号进行相应的逻辑运算, 用来判断电磁阀故障状态。在发现故障后,CPLD 对故障信号进行锁存, 同时强制关闭MOSFET , 保护电磁阀驱动系统不受损害。(下转第66页 06 内燃机工程2009年第6期布置, 冷却水套更深入靠近气缸盖火力面, 经过测量, 达到了降低火力面温度的要求。(2 经过优化改进的该款柴油机动力性得到了大幅提升, 标定功率由原来的74kW 提升到98. 2kW

15、 , 2000r/min 时达到最大扭矩319N m , 提高24. 8%。(3 改进后的柴油机NO x 和颗粒排放均小于欧限值; 而HC 和CO 在简单采用氧化催化器处理后, 可满足欧排放要求, 并且具备了带DPF 达到欧的潜能。参考文献:1Bauder R. 轿车柴油机有前途吗J.国外内燃机,2008,40(6 :122.2缪勇, 倪计民, 周奇. 柴油机轿车在中国的开发和应用J.柴油机,2003(4 :8210.Miao Y , Ni J M , Zhou Q. Development and application of diesel sedan in ChinaJ.Diesel En

16、gine ,2003(4 :8210. 3Mori K , Nakayama S , Matuo S , et al. Technology for environ 2mental harmonization and future of t he diesel engineC/SA E 200920120318,2009.4张翔, 宋晓英, 姚海滨. 喷油器结构对电控柴油机性能及排放影响研究J.扬州职业大学学报,2008,12(4 :22225.Zhang X , Song X Y , Yao H B. Research into t he effect of in 2jector struc

17、ture on t he performance and emission of electric con 2trolled diesel engineJ.Journal of Yangzhou Polytechnic Col 2lege ,2008,12(4 :22225.5Chen G. 进气参数对涡轮增压柴油机性能及排放的影响J.国外内燃机车,2005(5 :26232.6Tanabe K , K ohket su S , Nakayama S. Effect of fuel injectionrate control on reduction of emissions and fuel

18、 consumption in a heavy duty DI diesel engineC/SA E 200520120907,2005. 7莫海俊, 黄永全, 肖坤胜, 等. 进气涡流、油束以及燃烧室的匹配对直喷式单体泵柴油机性能和排放的影响J.装备制造技术,2005(2 :21223.Mo H J , Huang Y Q , Xiao K S , et al. Effect on direct 2injec 2tion unit pump diesel s preferment and emission by matching intake vortex , oil and combus

19、tion chamber J .Equipment Manufacturing Technology ,2005(2 :21223.(编辑:张妍(上接第60页4, 进行了高压共轨柴油机喷油电磁阀故障检测及自保护试验。当发生短路故障时,CPLD 迅速关闭MOSFET , 并向ECU 发出故障指示。经检测, 电磁阀出现短路故障时, 比较器输出发生翻转7ns 后, CPLD 即强制关闭MOSFET , 驱动电流仅能达到预设的值, 远低于MOSFET 所能承受的最大电流, 因此有效保护了电磁阀驱动模块。同时,CPLD 的故障指示信号会在ECU 发出的喷油信号结束时复位, 不强制屏蔽下次喷油, 提高了驱

20、动系统的灵活性。试验结果表明了故障检测与保护系统较好地实现了设计功能。5结论(1 基于CPLD 技术的电磁阀故障诊断系统,能够根据故障电磁阀驱动电流特征进行快速、准确的故障判断, 能够识别出电磁阀的断路、短路等故障类别。(2 系统能在判断故障后7ns 内关闭故障电磁阀, 响应迅速。(3 不占用ECU 系统资源, 独立运行。参考文献:1梁锋, 冯静, 肖文雍, 等. BP 神经网络在高压共轨式电控柴油机故障诊断中的应用J.内燃机工程,2004,25(2 :46249.Liang F , Feng J , Xiao W Y , et al. Application of BP neural network to fault diagnosis of high 2pre