宽带氧传感器用于发动机失火检测的应用

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1、宽带氧传感器用于发动机失火检测的应用Youngkyo Chung, Choongsik Bae and Sangmin Choi韩国高等科学技术研究院Kumjung Yoon 韩国现代汽车 摘要在火花点火发动机上引用一种宽带氧传感器，用于发动机失火检测的新技 术。这种宽带氧传感器，被安装在排气歧管的结合点，一旦发生失火现象， 它就用来检测氧浓度的变化。宽带氧传感器的信号用来区分不同的发动机工 作状态，从而确定失火检测和相应出错的气缸的参数。传感器的位置效果， 传感器瞬态响应的特性以及在波动信号下气缸的变化也进行了研究。商用传 感器的有限的响应时间仅仅可以观察失火。通过传感器信号的变化，失火可

2、以更清楚得区别于正常燃烧。对于一个气缸的一次失火现象，可以区分的信 号都有两个峰值。可区分信号波动的振幅通常被用作失火检测的监测参数。 瞬态响应迅速，足以探测失火，即使在一个高转速5000rpm的情况下。可区 分的信号与参考信号相比的第二个峰值的相位延迟适用于错误气缸的检测。 据证实，相位延迟在确定失火气缸足够可靠，因为在30 40失火循环周期 的相位延迟偏差为足够小的变化。引言1993年，加州空气资源委员会（CARB）决定在由火花点火发动机驱动的汽 车应用增强的车上诊断系统（OBD -II）。美国环境保护署（EPA）也采用了 这一模式从1996年的车辆的监管。在这个条例中失火检测被作为一个重

3、要 的指标，因为它对排放有重要影响。据加州空气资源局OBD -II的法规（1995 年），诊断系统应监测发动机熄火，并应当标明具体缸遇到失火。至于发动 机失火检测范围，该规例规定一切实际工作扭矩中检测失火。但是，作为一 个例外，制造商可能会在高转速和低发动机负荷条件下的工作范围禁用点火 失效监测。对于检测失火已经提出许多种策略，大致分为三类。第一种方法 是检测曲轴角速度的波动，由Klenk （1993年）和Ribbens （1990年）等 人提出。发动机控制单元（ECU）通过曲轴位置传感器配合齿轮位置传感器 检测曲轴角速度波动。汽车制造商都赞成这种方法，因为它不需要额外的传 感器，只需要一些软

4、件的修改。然而，正如Klenk （1993年）等人注意到， 该方法还需要一个额外的车辆重力加速度传感器，防止在崎岖不平的道路错 误的监测。这种方法被揭示了其应用范围严重不足，尤其是在发动机高转速 低负荷。第二种方法是监测气缸的行为，是由Herden等人，（1994年）,Miyata 等人。 （1993 年），Shinasaki 等。 （1993 年），和 Ohashi （1997 年）等 人提出。在这种方法里面，失火检测是通过监测火花塞电压波形或者是一个 火花塞的离子电流。气缸压力也是用来监测缸内行为的。这种方法在检测失 火现象时非常准确，因为可以直接监测到缸内的行为。然而，这种策略并没 有被

5、汽车制造商采纳，因为它所固有的缺点，需要额外的传感器或电源供应 器。第三种方法是监测的压力，或者排气系统中氧气的浓度。当一个特定的 气缸发生失火现象是，排气歧管压力出现周期性波动和不规则减少。这种有 别于正常排气压力的偏差提供了发生错误燃烧的信息。这种方法也有一个固有的缺点，就是需要一个专门的压力传感器来检测失火。氧气浓度监测使用 的氧传感器，是由Bozek等人提出。(1992年)，它很有利因为它不需要 额外的传感器，它已经采用了 lambda反馈控制。然而这种方法在稀混合气 工作条件下不能检测失火，这是由于传统氧传感器的非线性转换的特性。最 近有日立公司(1986), NTK (1992)和

6、博世公司提出的宽范围氧传感器能够 根据氧浓度和空燃比产生输出电压。瞬态响应特性也得到了改善。Yamada et al. (1992)等人提出了使用一个宽范围氧传感器检测失火的可能性。不过，这 种监测方法并没有被认真研究，因为它缓慢的动态响应特性(上升时间约为 300毫秒)。博世宽范围氧传感器LSU有快速动态响应特性，因为它的传感 元件是一个平面式(上升时间为30毫秒到100毫秒)。宽量程氧传感器用 于车用时，和传统氧传感器相比仍然昂贵。然而，由于宽量程氧传感器为了 满足排放要求而大范围使用，宽量程氧传感器价格有可能会降低到传统氧传 感器的水平。Hasegawa et al. (1994) an

7、d Nasu et al. (1996)等人分别用宽量程 氧传感器用于单独气缸的lamda反馈控制和基于模型的燃油喷射控制。在这 篇文章中一种新的失火检测的方法被提出来。在排气歧管汇合点氧浓度的波 动用博世的LSU宽量程氧传感器检测，因为其具有较快的动态响应特性。 对由失火造成的碳氢化合物和氧浓度进行的研究，有助于了解宽范围氧传感 器的响应。对从宽范围氧传感器采集的信号的研究，也是想确定这个传感器 是否可以反映由于失火造成的气体浓度的波动，并尽可能用于失火检测。要 应用新的监测方法，失火检测和气缸的故障识别的监测参数由此推导出来。 在排气歧管传感器的位置效果和传感器的瞬态响应特性也进行了研究。

8、如需 可靠的失火检测和相应的故障缸，适当的信号处理是必要的。宽量程氧传感器LSU在这个研究中采用的是博士生产的宽量程氧传感器，它的AWS是由ETAS生 产的。根据传感器的规格，该传感器的静态响应特性如图1所示。其灵敏性 在稀混合气和浓混合气中也是不同的。不过，在稀混合气和浓混合气，在每 个范围内其输出信号也是和空燃比相互关联并互成比例的。相反的是，传感 器输出的电压信号与氧浓度成线性关系，如图2。一个传感器的动态特性可 以由一个时间常数上63表示，每一步输入电压达到稳定输出电压的63%的输 出地反应时间。LSU传感器的时间常数据说达到30毫秒100毫秒，这个 远远慢于由失火气体导致的碳氢化合物

9、改变的最大速率。这个问题很值得认 真研究。r/./-P1/寫思OAAir-F uei RatioStatic characteristics of a wide range oxygen263OAFigure 2.Static characteristics of a wide range oxygen sensor (Oxygen concentration vs. Output voltage, Gas : N2/O2 Mixture)实验装置发动机和排气管的布局一本研究是在一个自然吸气四缸发动机火花点火（现 代作2.0升发动机）进行的，其特征在表1所描述。排气歧管在图3中一 维表示。排气

10、歧管的长度很短，因为紧凑耦合的催化装置安装在非常接近发 动机的位置，而且在FTP-5排放测试循环中，冷的过渡相在预热阶段，紧 凑耦合的催化装置也被迅速加热。这种岐管设计理念已经成为一种流行的技 术，以满足低排放车（LEV）是美国加州空气资源委员会（CARB）排放法 规的方案。Tabte 1,. Characteristics of the research engineEngEne Type4 Cycle, 4CyHnder: In-Une TypeDrsplac&ment Votume1975ccCylinder Diameter * Stroke82(mm) x 93.5(nnnn)Com

11、pression Ratto10.27CamDOHCVaFveTimingIVOBTDC 10QI VCABDC40EVOBBDC 50“EVCATDC 10eValve LiftIn : BOfmnn), Ex : 90(mm)Vatve DiameterIn : 29.3(mnn): Ex : 24.5(mm)Fuet InjectionMulti Point Sequential InjectionIgnition SystemDLI(Disirtbutor丄巳甜 Ignition)Firing Order1-3-4-2Figure 3. Layout of the exhaust sy

12、stem and dimensions of the exhaust manifold实验装备一实验安装如图4。失火是由失火发生器引起的，它是通过切断 从发动机控制单元到点火线圈的点火信号实现的。有博世制造的失火发生器 能够中断给定各缸的时间间隔的点火信号。一个气缸由于失火引起的宽量程 氧传感器信号波动和碳氢化合物浓度波动的比较，有助于研究传感器对失火 气体流动的快速反应。失火气体的流动可以通过对碳氢化合物的测量来研 究，因为失火气体主要包括氧，氮，未燃的碳氢化合物。一个快速反应的碳 氢化合物分析器一HFR （由Combustion制造），被用于测量排气歧管结合点 的碳氢化合物浓度，宽量程氧传

13、感器也安装在那。根据Collings （1987）等 人的报道，在碳氢化合物每一步的改变的上升时间大概是4毫秒，延迟时间 接近10毫秒。该分析仪的上升时间被忽略，因为它远远快于宽量程氧传感 器的上升时间，这个时间大约是30毫秒到100毫秒。碳氢化合物分析仪的 结果被提前10毫秒用于补偿延迟时间。氧传感器信号和快速反应的碳氢化 合物分析仪的信号以及相信号（曲轴位置传感器）和由数据采集系统以1 曲轴转角产生的失火触发信号被一起记录。由每循环一次脉冲产生的相传感 器信号被用来作为曲轴转角参考信号，因为它的下降边界在1号缸到达压缩 冲程上止点（4号缸进气冲程上止点）前是固定在129曲轴转角。碳氢化合物

14、浓度变化的基本模式和宽量程氧传感器的信号波动当由点火引起的失火在一个特定的缸内发生（在这个实验中试4号缸），排 气歧管结合点的碳氢化合物的浓度波动是在这样一种模式下进行的，即在每 两个循环都有两个峰值，氧浓度波动也类似于碳氢化合物浓度的波动。碳氢 化合物的信号提前120曲轴转角，用来补偿碳氢分析仪的延迟时间，这个 时间大概是10毫秒，对应发动机转速2000rpm。考虑到排气歧管结合点失 火气体流动和混合的特性，在结合点处的碳氢化合物浓度的双峰特征在图6 中描述。把气体浓度的波动作为输入量，根据传感器的特性可知宽量程氧传 感器的输出信号也在类似的模式下波动。因为传感器的反应慢于碳氢化合物 和氧浓

15、度的波动，输出信号衰减和延迟如图5中虚线所示。o诵cwu 曲 BAXC mucntr:UPIAAJOvmm=D8000-I 6000040000 -H20000-0 5 0 5 0 5 02 2 11EqEdadol 蛊匚容 U0Oo0500 WOO l&OO 20QQCrank Angle after #4 Cylinder TDC (Intake), degreeFigure 5. Wide-range oxygen sensor signal fluctuation caused by a misfiring, compared to the variation in hydrocarb

16、on concentration and the cylinder pressure (the #4 cylinder thisffriRQ under 2000 rpm1 1/4 load oqfidition)同 Start of Exhaust StnMw (S401 -Aniysl of Miffed Gaa 山画 65O1|M Anlval cP MisNred Gas 忡曰mBSff1 Eftd 出 ExhuEit Stroke (neef 73(鬥何 EM trf EJfhausf Slroka (near 7M*j -Operiinfl MExhau辄 Vake of l4aM

17、 Cycle (nearlZlff1)(d) Opting of jchaust Vlva of Next (wax IIEF) * Arrival of Fired Qje of Ngx； Cycl* (naar 1250)厂iMisled Gas| Fin&d GasFigure 6. Mixing characterrstics of misfired gas in the exhaust manifold监测参数当发动机工作在稀混合气状态下，一旦发生失火现象，宽量程氧传感器的原 始信号的改变很难被区别。在高转速下为区别失火和正常燃烧，传感器信号 也应做相应处理。由于失火引起的传感器信号

18、波动的斜率远不同于正常燃烧 的情况，所以在这次研究中，对传感器信号的各种变化都做了尝试。这个信 号比lamda反馈控制信号（大概0.5Hz到5Hz）的波动迅速很多，但又比 正常的电噪声慢（khz）。根据发动机转速，由失火引起的信号波动在7Hz 到50Hz的频率范围内各不相同。在1曲轴转角间隔内，宽量程氧传感器 的初始信号需要变的平滑，而且要有区别。如图7所示，由失火引起的可区 分的信号波动比初始信号的波动更显著，因此使用宽量程氧传感器，前者被 用来作为失火检测的监测信号。0.001530 “D.D0100 00C5OOMX)-CQ005-0 00102A-2610010Number of Cy

19、ctes2.540ts-0.001529Figure 7.Comparison between a raw sensor signal and a differentiated signal在不点火的气缸内，失火信号触发后的两个循环内，传感器的信号开始波动 了。当第三缸的失火信号被触发，信号波动的延迟，相比第一缸信号波动， 大概延迟了 180，如图8所示，因为气缸的发火顺序是1-3-4-2。相传感 器信号（曲轴位置信号）通常被用来作为参考信号，有一个固定的曲轴角度。 因此通过与参考信号比较，监测传感器信号波动的相位延迟，就可以确定发 生失火的气缸。相位延迟角度通常被定义为曲轴角度，介于参考信号

20、（相传 感器信号的下降边界）和可区分信号的第二个峰值点。0.00 2更QJ口传感器的安装位置的影响和传感器的瞬态响应传感器位置的影响一发动机的lamda反馈控制的氧传感器原先是安装在4 号气缸排气歧管结合点边上的（A位置），如图9所示。宽量程氧传感器最 初是安装在初始氧传感器的位置。在不同的失火气缸，传感器信号和可分化 的信号需要比较。如图10所示，当失火信号被触发，1号气缸的传感器信 号和可分化的信号远强于4号气缸。据认为，在原氧传感器位置，4号缸排 气的速度下降很厉害，这是由于在排气岐管氧传感器上游的急速回流造成了 再循环的效应。因此在原氧传感器位置，4号缸的氧浓度波动很难被检测到。 为解

21、决这个问题，传感器B位置C和位置都做了尝试，如图9。当氧传感器 被改到中心位置（B位置），每个失火气缸的信号波动如图11。每种情况的 信号波动几乎一样，这是由于每个气缸的排气速度在这个位置是几乎一样 的。当位置改变到C时，和原传感器位置（A位置）相比，没有任何改进。 因此决定把氧传感器由原位置（A位置）移到排气歧管结合点的中心位置（B 位置）。在中心位置氧浓度的波动可以在一个相等强度上被检测到，与失火 气缸联系很小。Sensor PosiUon ASensor PosJiion 6Sensor Positian CCGC丿Figure 9. Oxygen sensor installation

22、 positions (originaland new passions)口rt+ DOB *吕器詈时iMhM T呦鈔fPhssB Seinsoru iI1 SignalSignalLFji ，i !1 DiKerntsc4d SignalCyfitfiderMisiire#1 Cylinder Mis-fire10OT 15W KMM 2 SOT 3M0霍创lindwhWn!Crank Angl, degrsBFigure 10. Effect of misfiring cylinder on the sensor signal and differentiated stgnat when

23、the sensor instated at position TV (original position), 1500rpm, no bad25 TTH:;:J*-：-*T厂Lr1 KOxjngflfl Sens-or Signalia1h_ :dl M 1.1Ul mUli.dd._g LI.M3MLFrtD- 5 4 3 3 1 A*Qd* DHH背PSFH0GCrank Angl .degreeEffect of mtsfiring cylinder on the sensor signal and differentiated signal when the sensor insta

24、lled at position 妙（central positfonV 1 SOOrpnn, no foad失火条件下传感器的瞬态响应一 传感器的瞬态响应强烈影响宽量程氧 传感器的输出信号，因为传感器的响应远慢于排气歧管结合点的废气浓度波 动。因此很有必要研究在失火条件下宽量程氧传感器的瞬态响应，从而确定 该传感器是否应用于失火检测。在这次研究中发动机转速对瞬态响应的影响 是主要研究的对象，因为高转速条件下，瞬态响应强烈影响输出信号。在失 火条件下传感器瞬态响应特性测试如下。传感器被安装在气缸盖和排气歧管 结合点下30毫米处，其输出信号在失火条件下，与碳氢化合物分析仪的快 速响应信号作比较。

25、碳氢化合物分析仪的采样探针被安装在和传感器相同的 位置，结果见图12。随着碳氢化合物和氧浓度的阶梯变化，传感器输出信 号如图12虚线所示。3 4Crank Angle after #4 Cyhnder TDCompression), degreeFigure 12. Response characteristics of the sensor to a stepped input of mtsfked gas发动机转速对瞬态响应的影响是在空负荷，从零转到4000rpm情况下研究 的。在时间基础上和曲柄转角的基础上，对结果进行比较。在同一个时间基 准下，高转速条件下的瞬态响应远快于低转速情况，如

26、图13所示。因为传 感器的响应速度随着发动机转速上升而增加，当在同一曲柄转角基准上做比 较时，传感器的瞬态响应特性没有改变很多。根据瞬态响应特性，安装在结 合点的传感器波动信号没有随着发动机转速增加而衰减，如图14，高转速 下失火检测是可行的。Wiedenmann(1984)和Mizusawa (1997)指出传统的 开关转换的氧传感器和宽量程氧传感器都会受到废气流动速度，温度和传感 器防护套管孔的设计的影响。也就暗示了宽量程氧传感器响应速度岁发动机 转速上升而增大，高转速下失火检测也是可能的，因为废气流动速度和温度 都随转速上升而增大。为了改变失火检测的性能，增大传感器的瞬态响应速 度是很有

27、益的。失火检测装置的孔的设计也是必须研究的对象，特别是在 5000rpm的高转速条件下。3.62.4.250.a.6.4 a.s.azzs.roo43 ro3o十Z8252.40500IODO15002000Crank Angte aftsr Misfire Trigger Signal, degcae(b) in a crank angle baseFigure 13. Effects of engrne speed on the transient response characteristEcs under a m矗firing conditionIdlem.帖rpni2000 rpm

28、3000 rpm*3 4000 rpmElapsed Tima after Misfi/e T輻般rWig帕L mec(a) in a time baseCrank Angle after Misfire Trigger Signal, degreeFigure 14. Effects of engine speed on the fEuctuation ofdifferentiated signals传感器信号的周期变化和失火检测气缸的可靠性氧传感器信号对于更可靠地检测失火气缸是可以区分的。失火可以通过监测 派生信号波动的振幅被检测到。同时，与参考信号相比，波动相位延迟角度 也一个被监测，以

29、检测哪个缸失火，这是由于派生信号移动大约180。，女口 图18所示。相传感器信号在每个发动机循环都有一次脉冲，它被用来作为 参考信号。然而，如果传感器信号波动的相位延迟角度周期性变化超过 180。曲轴转角，相位延迟角度就不能作为监测参数。一开始导致周期性变 化的原因被研究，在空负荷，转速由0到5000rpm，每次失火条件下相位的 周期性变化的原因也进行了研究。失火条件下传感器信号的周期性变化一失火气体的周期性变化和传感器的 瞬态响应是影响传感器信号和派生信号周期性变化的主要因素。排气歧管结 合点的碳氢化合物浓度的周期性变化如图15。剔除先前失火的意外影响， 在每50个循环有一次的速率下，失火触

30、发20次。对应碳氢化合物和氧浓度 阶梯变化的宽量程氧传感器的周期性变化如图16,是在空负荷，2000rpm 情况下的数据。这两个是对于宽量程氧传感器的总的周期性变化的主要影响 因素，在结合点的派生信号如图17。和币亡ojcl80 deg QA0.0015-0.0010-0.0005-Q.OOOOPTiase sr*tir0.0 2-s uoflenipizffiLn 甘lllprrll 一 |dujyEwlne Sipnd. rpmFigure 23. Effect of engme speed on the ftuctuabon of differentiated signal and it

31、s amplitude6DDM-4JXXXJ-0- - - -T - , . -0&W10001500200DCrank AngJe after TOC (Intake degreeFigure 24. Effect of engine speed on the hydrocarbon fluctuation at the confluence pofnt24KOO-Eddc卫一 即上匚3亡口0 uo-eSOEPAH9al5Q)p eoua)J3ccE04 e-6uaCyUftder Misfire S3 Cylinder Mbsfln 4 Cylindar Mrs fire -92 Cyli

32、nder MisGro24Engine Speed, rpmFigure 25. Effect of engine speed on the phase delay between the reference signal and the second peak of the differentiated signal肖OA5 4Air-F ueE RatioFigure 1. Static characteristics of a wide range oxygen sensor (Air-fue! ratio vs. Output voltage)Oxygen Concentratiori

33、. %Figure 2. Static characteristics of a wide range oxygen sensor (Oxygen concentration vs. Output voltage, Gas : N2/O2 Mixture)结论宽量程氧传感器安装在在排气管结合点，用于检测发动机失火，能够提供足 够多的信息用失火检测。它在各种负荷和转速的测试，是经过验证的，也通 过了废气浓度的测量。为了在实际汽车上应用这种新的失火检测方法，通过 传感器信号的波动监测参数已经被确定了，各种可以考虑到的情况也已经进 行了研究。通过这次研究，得到以下结论。1. 由于失火引起的排气歧管碳

34、氢化合物的浓度的测量都显示双峰图像，在 所有工况下都是这种情况。2. 浓度峰值的存在，使得检测缸内失火成为可能。当商用的宽量程氧传感 器使用时描绘发生呢个浓度的衰减和延迟，这是由于瞬态响应的特性。 为了区别失火，这些传感器信号必须加以处理。3. 为了使失火区别于正常燃烧，区分传感器信号时可取的。通过监测科分 化信号波动的振幅来检测失火现象，通过监测可分化信号的第二峰值和 参考信号的相位延迟来确定发生失火的气缸。4. 宽量程氧传感器应该安装在每个气缸气体浓度在同一水平可被检测的 位置。结合点的中间被认为是最佳的安装位置。5. 由于传感器的响应速度随发动机转速增大而增大，即使在5000rpm高转 速情况下，失火仍可被检测。6. 在空负荷，转速从0到5000rpm的情况下，30到40次失火的相位延迟 角度的周期性变化被记录下来。它可以更加确证相位延迟角度可以用来 检测发生失火的气缸，从0到5000rpm的条件下，保证了可靠性。7. 可分化信号的振幅随着发动机负荷增大而增大，随发动机转速增大而减 小。随着发动机负荷的增大，来自参考信号的相位延迟角度减小随着发 动机转速提高而略微增加。