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硕士学位论文汽车发动机检测与诊断系统的开发与研究 摘要 随着汽车工业的发展，发动机作为汽车的心脏部件、故障率最高的总成，其可 靠性测试水平和智能化故障诊断水平的提高显得越来越重要。 本课题通过软、硬件的设计与开发，研制了发动机检测与诊断台架系统。该系 统采用多文档界面，使用多线程技术，通过数据采集卡和串口通信实现了对发动机 转速、点火电压、喷油脉宽等信号的实时采集、处理和显示，从而为发动机故障诊 断和视情修理提供科学依据。本文还以几种常用信号为例对测试信号进行了分析。 同时，该课题对电喷汽油发动机动力性和燃油经济性的测试方法进行了深入的分析 和研究，并提出了一种基于喷油脉宽的燃油消耗量的测试方法。最后，课题对发动 机故障诊断专家系统进行了开发，并详细介绍了知识库的建立和维护、推理机制的 设计等。 本人还利用该台架系统对发动机常见故障进行了模拟试验研究。结果表明，该 系统具有人机界面友好、操作方便、可靠性高等优点，可以同时服务于发动机实际 检测与诊断、教学和科研，具有较高的实用价值。 关键词：发动机性能测试状态监测燃油经济性故障诊断专家系统 硕士学位论文 汽车发动机检测与诊断系统的开发与研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t oi n d u s t r y , t h ee n g i n ea l w a y ss u c c e e d sa sh e a r tp a r t a n dt h ep a r tw i t hh i g h e s tf a u l tr a t eo ft h ea u t o m o b i l e ，s oi t i sm o r ei m p o r t a n tt o i m p r o v et h el e v e lo fd e p e n d a b i l i t yt e s ta n dt h el e v e lo fi n t e l l e c t u a lt r o u b l ed i a g n o s i n g o ft h ee n g i n e t h r o u g ht h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to f s o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，t h i st h e s i sd e v e l o p s as y s t e mo fe n g i n ep l a t f o r mw h a tt ob eu s e df o rc a r r y i n go np e r f o r m a n c em e a s u r i n ga n d t r o u b l ed i a g n o s i n gt ot h ee n g i n e t h i ss y s t e ma d o p t sm u l t i p l ed o c u m e n ti n t e r f a c e ( m d i ) ，u s e sm u c h t h r e a d - t e c h n o l o g y , a n dr e a l i z e sa c q u i s i t i o n , d i s p o s a l ，p r e s e n t a t i o no f t h es i g n a l so fe n g i n es p e e d ，i g n i t i o nv o l t a g ea n di n j e c t i o np u l s ew i d t he t ci n r e a lt i m e ， t h r o u g hd a t a c o l l e c t i n gc a r da n db u n c h e so fc o m m u n i c a t i o n ，a n dp r o v i d e st h es c i e n t i f i c f o u n d a t i o nf o re n 画n ef a u l td i a g n o s i sa n dr e p a i ro nc i r c u m s t a n c e t h i sa r t i c l ea l s ot a k e s s e v e r a lu s u a ls i g n a l sf o ri n s t a n c et oa n a l y s es i g n a l sd e t e c t e d m e a n w h i l e ，t h i st h e s i s m a k e sa ni n t e n s i v es t u d ya n da n a l y s i so fm e t h o d so ft e s t i n go nd y n a m i cp e r f o r m a n c e a n df u e le c o n o m yo fe l e c t r o n i cg a s o l i n e 蠲e c t i o na u t o m o b i l e ，a n dp r o p o s e saf u e l c o n s u m p t i o nm e a s u r e m e n tm e t h o db a s e du p o ni n j e c t i o np u l s ew i d t h f i n a l l y ，t h et h e s i s d e v e l o p se x p e r ts y s t e mo fe n g i n ef a u l td i a g n o s i s ，a n di n t r o d u c e ss e t t i n g - u pa n d m a i n t e n a n c eo f k n o w l e d g eb a s e ，d e s i g no f r e a s o u l n gm e c h a n i s ma n ds oo ni nd e t a i l t h ea u t h o rh a sd o n es o m ee x p e r i m e n t sb a s e do nt h ed e s i g n e dp l a t f o r mt os i m u l a t e t h eg e n e r a lf a i l u r e so fe n g i n e s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h em a n - m a c h i n e i n t e r f a c ei sf r i e n d l y , t h eo p e r a t i o ni se a s ya n dd e p e n d a b i l i t yi sg o o de t c t h i ss y s t e me a n s e r v er e a le n g i n et e s t i n ga n dd i a g n o s i n g ，t e a c h i n ga n ds c i e n t i f i cr e s e a r c ha tt h es a m et i m e t h e r e f o r et h es y s t e mh a sw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e yw o r d s ：e n g i n e p e r f o r m a n c et e s t c o n d i t i o nm o n i t o r i n gf u e le c o n o m y f a u l td i a g n o s i s 。e x p e r ts y s t e m i l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：圣垒莲长呵年岁月弘日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 盘奎鹭河年f 月扣日 硕十学位论文 汽车发动机检测与诊断系统的开发与研究 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题“汽车发动机检测与诊断系统的开发与研究”属于车辆工程专业中的汽车 发动机检测与诊断技术研究领域，来源于南京理工大学电控汽车多媒体教学设备事业 部实际研发项目。 1 2 课题研究的目的和意义 社会需求的牵引、政策法规的推动和技术的进步促使了现代汽车工业的迅速发 展。而随着汽车工业的进一步发展和有关汽车的各种法规的日趋完善和强化，人们对 汽车性能指标的要求越来越高，例如，不仅要求功率高、扭矩大、油耗低、污染小， 而且要求安全性好、舒适性佳、智能化高以及成本低廉等等。因此，汽车技术性能的 检测与诊断工作显得越来越突出和重要。 发动机作为汽车的心脏部件、动力之源和故障率最高的总成“1 ，其技术水平和性 能指标要求也越来越高，除了从发动机结构设计、制造工艺和电子控制等方面不断加 以改进和优化外，可靠性测试水平和智能化故障诊断水平的提高也显得越来越重要。 随着现代汽车工业的高速发展，发动机的结构越来越复杂，电子化程度越来越高，电 子控制燃油喷射系统、电子控制点火系统等装置在汽车上的应用已日趋普及。这些不 仅使传统的人工经验检测与诊断方法难以适应，而且对汽车检测与维修人员提出更高 的要求。目前国内汽车检测与维修人员的技术水平普遍不高，这就对发动机检测与诊 断设备的功能、性能提出了较高的要求，其功能的强弱、性能的优劣直接影响着发动 机的检测和维护工作。 由于发动机在运行过程中的工作过程参数、伴随过程参数“3 以及这些参数的变化 趋势，与发动机的技术状况、故障状态及其发展趋势密切相关，因此，通过实时检测 发动机的工作过程参数或伴随过程参数，并利用微机进行理论计算、统计分析和可视 化显示，汽车使用和维护人员就可以轻易的判断出发动机的技术状况是否正常，发动 机有无故障以及故障发展的趋势等，并可通过采取合理的措施，及时维护修理，消除 故障隐患或排除已有故障。 汽车发动机检测与诊断系统就是一种用于对发动机进行状态检测和故障诊断的 专用设备。它能够在汽车不解体( 或仅卸下个别小件) 的条件下，依靠先进的传感器 技术与检测技术，实时采集发动机的各项主要状态参数，并对这些参数进行分析、处 理和显示，扶而使汽车使用和维护人员能够及时、准确地掌握发动机的技术状况，缩 汽车发动机检测与诊断系统的开发与研究 短发动机带病工作的时间，减少发动机因故障引起的排放污染和燃油浪费。另外，检 测与诊断系统可缩短维修时间，降低汽车的运行成本和维修成本，并降低了对使用人 员的专业技术要求，这无疑最适合现代汽车的使用要求。 随着电子技术的发展和测试技术的提高，发动机检测与诊断设备不断地得n t 更 新和发展，特别是计算机技术的引入，促进了检测与诊断设备的更新换代。以计算机 为主体的发动机检测与诊断系统，国内外都有产品的研究和开发，但国内的检测与诊 斯系统在测试精度、操作便捷性、界面友好性和智能化故障诊断等方面与国外先进技 术相比还有一定的差距。同时，随着科学技术的发展和发动机技术水平的提高，特别 是电喷汽油发动机的进一步普及，检测和维修现场对发动机检测与诊断设备的要求越 来越高，传统的发动机检测与诊断设备存在着测试项目少、测量精度低、人工环节多 以及扩展性差等缺点，越来越难以满足现时发动机检测与诊断的要求。因此，有必要 对发动机检测与诊断系统进行一些新的研究。 同时，燃油经济性是汽车最重要、最基本的性能之一，它与降低运行成本、环境 保护和能源节约密切相关o ，而且它还是分析和诊断发动机故障的重要参考，因此， 准确、迅速地对汽车经济性进行检测并做出评价是非常必要的。传统的测试方法是使 汽车发动机在安装了流量传感器的情况下以一定负荷、车速进行路试或在底盘测功机 上钡4 试，检测出百公里燃油消耗量，从而确定汽车的燃油经济性。1 。由于这种测试 方法存在着操作繁琐、信号滞后等缺点，而且电子控制燃油喷射系统大多数带有回油 管且回油量较大、油压较高，这些都使传统的测试方法不适合于日趋普及的电子控制 燃油喷射系统燃油消耗量的测量。因此，有必要对电喷汽油发动机燃油消耗量的测试 方法进行一些探索和研究。 该课题的主要目的就是研究开发一种对发动机进行实时检测和故障诊断的系统。 系统应用虚拟仪器技术建立测试软件平台，选取发动机转速、点火电压、起动电流、 冷却液温度以及喷油脉宽等参数作为检测对象，通过对这些参数的实时采集、计算处 理和动态显示，为发动机的状态趋势分析和故障诊断打下基础，使操作人员能够及时 了解发动机的技术状况，再结合故障诊断专家系统最大限度的确定故障出现的原因和 部位，减少故障判断所需要的时间。这无疑对于降低汽车运行成本、维修成本，减少 排放污染有着积极的作用，并将大大提高汽车使用的经济效益和社会效益。同时，本 课题提出的基于喷油脉宽的燃油消耗量测试方法，具有不需改装油路、现场操作简单、 无信号滞后、动态特性好和成本比较低廉等特点，它将大大提高电喷汽油发动机燃油 消耗量的测试效率和测试精度。因此，本课题的研究具有重要的理论意义和实际意义。 1 3 国内外研究及应用现状 汽车发动机检测与诊断技术是伴随着汽车技术的发展而发展的。在汽车发展的早 硕士学位论文 汽车发动机检测与诊断系统的开发与研究 期，人们主要是通过有经验的维修人员发现汽车的故障并作有针对性的修理，即过去 人们常讲的“望( 眼看) ”、“闻( 耳听) ”、“切( 手摸) ”方式“1 。随着现代科 学技术的进步，特别是智能传感器技术和计算机技术的进步，汽车发动机检测与诊断 技术得到了飞速发展。 1 ) 国外研究与应用现状 早在2 0 世纪4 0 、5 0 年代，国外一些发达国家就成功研制了一些功能单一的检测或 诊断设备，它们通过检测电流、电压、温度等用简单仪表就可获得的参数，结合操作 者的经验进行故障诊断，但这种方法依赖于操作者的经验，存在很大的局限性。6 0 年代后期，国外汽车发动机检测诊断技术发展很快，出现了示波器、转速表、真空表、 功率表以及c o 澳j j 定器等检测仪器。它们是发动机检测与诊断设备的雏形，但由于它们 依靠操作者来逐项进行，而且是边诊断、边记录，因此效率较低。进入7 0 年代后，随 着微型计算机的问世，传感器技术飞速发展，从而为发动机性能检测、故障诊断技术 的发展提供的有利的条件。这段时间，不仅单个检测、诊断设备实现了微机控制，而 且出现了检测控制自动化、数据采集自动化、数据处理自动化、检测诊断结果自动储 存并可打印的现代综合检测技术，检测效率较高“1 。进入8 0 年代后，一些发达国家的 现代检测与诊断技术已达到广泛应用的阶段。不仅在专职的汽车检测站，而且在般 的维修企业都使用了先进的检测与诊断设备，从而给交通安全、环境保护、节约能源、 降低运输成本等方面，带来了明显的社会效益和经济效益。 当前，由于电子技术、智能传感器技术、集成电路技术和计算机技术的进一步发 展，特别是小工智能技术和专家系统技术的日益成熟，发动机检测与诊断技术进入了 新的发展阶段。目前国外的汽车发动机检测与诊断技术正在向智能化、自动化、精密 化和综合化方向发展，应用新技术，开拓新领域，研制新的检测与诊断设备已成为国 外发动机检测与诊断技术发展的标志。 2 ) 国内研究与应用现状 我国从6 0 年代开始研究汽车发动机检测技术，为满足汽车维修需要，当时交通部 主持进行了发动机气缸漏气量检测仪、点火正时灯等检测仪器的研究、开发。7 0 年代， 我国大力发展了汽车检测技术，汽车不解体检测技术及设备被列为国家科委的开发应 用项目，由交通部主持研制开发了发动机综合检测仪、汽车性能综合检验台等检测设 备阎。进入8 0 年代，随着国民经济的发展，科学技术在各个领域都有了较快的发展， 汽车检测与诊断技术也随之得到快速发展，加之我国的汽车制造业和公路交通运输业 发展迅猛，对汽车检测与诊断技术和设备的需求也与曰俱增。同时我国机动车辆保有 量迅速增加，随之而来的是交通安全和环境保护等社会问题，如何保证车辆快速、经 济、灵活，并尽可能不造成社会公害等问题，已逐渐被提到政府有关部门的议事日程， 因而促进了汽车发动机检测和诊断技术的发展。 目前全国各类汽车发动机综合性能检测设备生产厂家己达2 0 多个，除交通部门 3 顾i 学位论文汽车发动机检测与诊断系统的开发与研究 外，机械、电子、高等院校等部门也进入汽车发动机检测与诊断设备的研发、生产及 销售领域，并取得了一定成绩。但是由于我国汽车工业发展较晚，特别是汽车电子技 术远远落后于发达国家，因此到目前为止，发动机检测与诊断技术仍然比较落后。目 前的汽车发动机检测与诊断设备在测试精度、操作便捷性、界面友好性以及采用专家 系统、智能化诊断等方面与国外相比还存在较大差距，电喷发动机综合检测与诊断设 备还主要依靠进口。 1 4 课题的研究内容 随着我国汽车工业的发展，汽车专业人才的培养面临前所未有的机遇与挑战。但 是长期以来，我国与汽车有关的各类院校教学内容、教学手段和教学模式陈旧，已经 远远不能适应当前形势的需要。因此，基于上面分析的国外汽车发动机检测与诊断技 术的状况和国内现状，为促进我国汽车检测与诊断技术的发展和丰富国内汽车专业的 教学、科研设备，确定了本课题的研究内容。该课题是在为自动化系开发具有多媒体 教学功能的凌志l s 4 0 0 发动机检测与诊断台架系统的基础上对汽车发动机检测与诊 断技术进行了基础性、开拓性的研究。所做的主要内容如下： 1 ) 发动机检测与诊断系统的原理和设计 发动机检测与诊断系统是一个集信号检测、性能分析和故障诊断于一体的多任务 信息处理系统。该课题是在分析系统需求的基础上，通过原理设计、硬件的选型、数 据采集和显示的实现、软件平台的开发以及抗干扰设计等研制了凌志l s 4 0 0 发动机检 测与诊断台架系统。利用该台架系统可以对发动机被测参数，即发动机转速、点火电 压、冷却液温度和喷油脉宽等参数进行实时采集、处理以及动态显示，从而为发动机 状态趋势分析、故障诊断和视情修理奠定理论基础，提供科学依据。再结合故障诊断 专家系统，可以最大限度的确定故障出现的原因和部位，减少故障判断所需要的时间， 提高故障诊断的效率。 2 ) 发动机检测与诊断系统软件平台的开发研究 由于w i n d o w s 操作系统主流地位的确立，开发w i n d o w s 2 0 0 0 环境下的各种应用 软件已成大势所趋，因此该系统的检测与诊断软件采用w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统，软 件开发采用d e l p h i6 0 语言环境。系统采用模块化结构，按不同的功能设计成多个子 模块，各个子模块又包含多个分模块，这样既便于主程序的调用，又便于功能的扩展， 使整个程序结构清晰明了。同时，该部分还详细给出了软件关键技术的具体实现方法。 3 ) 动力性和燃油经济性测试方法研究 动力性和燃油经济性是汽车最重要的基本性能。汽车技术状况不良，首先就表现 为动力性不足、燃油消耗量增大。本文对汽车动力性、燃油经济性测试方法进行了较 为深入的分析和研究，并在理论分析的基础上提出一种通过测量喷油脉宽来评价燃油 珥 硕_ 上学位论文汽车发动机检测与诊断系统的开发与研究 经济性的方法。 4 ) 发动机故障诊断专家系统的研究 发动机故障诊断专家系统是建立在知识工程、计算机技术、逻辑数学和模糊数学 基础上的基于知识推理的一种故障诊断分析方法。该部分主要论述了发动机故障诊断 专家系统的软件开发和编程设计中的技术特点，针对汽车发动机故障的特点将发动机 故障分为功能类故障和异响类故障，再通过模拟经验丰富的维修专家的诊断思路和检 修过程进行编程，从而可使用户通过人机对话的形式，方便、快速、准确地找出故障 原因和部位。 1 5 本章小结 本章简要介绍了课题的来源，课题研究的目的和意义以及国内外汽车发动机检测 与诊断技术的现状和发展趋势，最后提出了课题研究的主要内容和整体结构。该发动 机检测与诊断系统运用了微电子技术、计算机技术、传感器技术、现代汽车技术以及 人工智能技术，可以同时服务于发动机实际检测与诊断、教学和科研，具有较高的实 用价值。 颈上学位论文汽车发动机检测与诊断系统的开发与研究 第二章发动机检测与诊断系统的原理和设计 在正常工作过程中，发动机故障发生的过程就是其技术状况变化的过程，这种变 化必然会通过发动机的性能参数反映出来，有丰富经验的技术人员根据这些参数的变 化情况可以判别出发动机技术状况的好坏、诊断出发动机的故障。但是在实际中使用 人员的经验是参差不齐的，这就给发动机技术状况的判断增加了随意性和盲目性，从 而使发动机故障诊断和视情修理因缺少可靠的依据而不被人们接受。因此，检测与诊 断系统的基本任务就是实现发动机运行工况参数的自动采集和显示、发动机综合性能 的评价以及发动机在线检测与离线诊断相结合的检测与诊断方法，达到提高发动机检 测与诊断的准确性、工作效率以及减轻对技术人员要求的目的。基于上述情况，本人 经历了原理设计、硬件的选型、数据采集和显示的实现、软件平台的开发以及抗干扰 设计等，参与研制了凌志l s 4 0 0 发动机检测与诊断台架系统。该发动机检测与诊断 台架系统具有以下三大特点： 1 ) 具有动态的测试功能系统的信号采集模块能迅速、准确地捕获发动机运转 过程中各主要参数随时间交化的函数曲线，这些动态参数是对发动机工作性能和技术 状况进行准确判断的科学依据； 2 ) 具有普遍性和通用性由于系统的测试、分析过程不依据被测发动机e c u 中 的数据，只针对发动机的基本结构和工作原理的实际情况进行测试，因此它的检测结 果具有良好的普遍性，其检测方法同样也具有广泛的通用性： 3 ) 具有智能诊断功能系统的故障诊断专家系统模块能实现发动机在线检测与 离线诊断的很好结合。从而使发动机的故障诊断和维修效率得到大大提高。 2 1 发动机检测与诊断系统的组成原理 用系统工程的观点嘲，发动机检测与诊断系统可分为信号获取部分、信号处理部 分、人机接口部分以及激励装置。系统的结构示意图如图2 - 1 所示： 图2 - 1 系统的结构示意图 1 ) 信号获取部分 信号获取部分的任务是拾取发动机被测点的参数值，使我们得到所关注的有用的 信息。对于电量参数可以通过直接接触或感应获得，而对于非电量参数则需要先经过 6 一 硕士学位论丈 汽车发动机检测与诊断系统的开发与研究 传感器将非电量信号转变成电量信号。传感器作为获取信息的主要工具和手段，在检 测与诊断系统中占有极为重要的地位，它能把特定的被测量信号( 包括物理量、化学 量等) 按一定规律转换成便于运算、传输、储存和进一步处理的电量信号。由于被测 点参数性质的多样性，所以信号获取装置必须具有多种形式以适应不同的测试要求。 2 ) 信号处理部分 信号处理部分的主要作用是对获得的信号进行预处理，即进行衰减、滤波、放大、 整形、运算和数字化等处理，将采集的信号转换成标准数字信号后送入计算机。信号 处理部分是检测系统的中心部分，应该在对检测目的、检测对象进行了充分的研究之 后再确定具体方案，有时还需要对加工处理后的信息做出初步判断，及时修改处理的 方法和参数。 3 ) 人机接口部分 人机接口部分即信号记录与显示部分，是将处理后的信号或判断结果记录下来、 显示出来。记录和显示的方式一般有模拟和数字两种，前者是记录一条或一组曲线， 后者是记录数字或代码。但要从记录的信号中找出反映被测对象的本质规律，还必须 对信号进行分析，如信号强度分析、信号相关性分析等，从而提取有用信号。 4 ) 激励装置 激翮装置是为了使被测对象处于预定状态下，并将其有关方面的内在联系充分显 示出来，以便于有效的测量。当测试工作所希望获取的信息并没有载于可检测的信号 中时，就需要激励被测对象，使其既能表示相关信息又便于检测，例如通过单缸断火 来进行单缸功率的检查等。 2 2 发动机检测与诊断系统的整体设计 该发动机检测与诊断系统是一个集信号检测、性能分析及故障诊断于一体的多任 务信息处理系统。系统硬件部分包括凌志l s 4 0 0 发动机、信号的获取装置、处理装置 和检测主机等。下面主要对诊断参数的确定、硬件的选型、输入信号的处理以及抗干 扰设计等作简要介绍。 2 2 1 诊断参数的选择 发动机诊断参数是指用来描述发动机、零部件和过程性质的状态参数，它是诊断 技术的重要组成部分。在不解体的条件下直接测量结构参数十分困难，但由于结构参 数和状态参数变化存在一定的关系，例如，在一定转速、负荷下，发动机气缸漏气率 随活塞与气缸壁不均匀磨损间隙的增大而增大；发动机输出功率随活塞与气缸壁间隙 变大而减小，因此可以通过状态参数描述结构参数。 但是一个结构参数的变化可能引起多个状态参数的变化，一个状态参数的变化又 硕士学位论文 汽车发动机检测与诊断系统的开发与研究 可能对应多个结构参数的变化，究竟选择哪些状态参数作为诊断参数应从技术上和经 济上综合分析来确定。发动机诊断参数的选取应遵循以下几项原则。3 ： 1 ) 诊断参数能显著反映发动机性能及故障状态； 2 ) 诊断参数应易于测量，且测得的参数值离散度要小； 3 ) 诊断参数在结构参数变化范围内不可出现或超出极限值和非单值变化规律： 4 ) 诊断参数的选择要力求少而精。 根据上面的选择原则，发动机应选择发动机功率、单缸断火功率、发动机油耗、 冷却液温度、机油压力、次级点火电压、点火提前角、气缸压力、起动电流以及喷油 脉冲信号等作为诊断参数。但由于实际条件的限制，系统没能实现对点火提前角、气 缸压力等参数的检测。 2 2 2 检测与诊断系统的工作原理框图 该汽车发动机检测与诊断台架系统的工作原理框图如图2 2 所示： 图2 2 检测与诊断台架系统工作原理框圈 顷上学位论支 汽车发动机检测与诊断系统的开发与研究 2 2 3 检测与诊断主机选型 主机是整个检测与诊断系统的核心。考虑到系统的工作环境恶劣，而且系统对采 集参数的精度、可靠性、实时性等要求都很高，因此系统选择可靠性高、稳定性好、 抗电磁干扰能力强的研华i p c 一6 1 0 i 业控制计算机作为检测与诊断系统的主机。 i p c 一6 1 0 工控机能够在冲击、振动和灰尘较多的恶劣环境下良好工作，满足系统的要 求。选用的具体配置为：i p c 一6 1 0 p 4 p c a 一6 1 8 1 v p i i i l g 2 5 6 m 4 0 g h d d 1 4 4 f d d 。 2 2 4 数据采集系统 数据采集部分是发动机检测与诊断系统的重要组成部分，为发动机性能分析和 故障诊断提供信息。系统采用了通过数据采集卡进行数据采集和利用串口通信进行数 据采集两种采集方法，串口通信的实现将在后面作具体介绍。数据采集卡选用有可编 程增益的高性能a 一8 1 2 p g 数据采集卡，该卡采样转换精度较高，采样速率可以满足要 求，最重要的是能够在低成本的情况下实现系统的功能。其主要特点如下： 1 ) 1 2 位a d 、d a 转换； 2 ) 触发方式可为软件触发、步进触发、外触发和事件触发： 3 ) 1 6 通道数字输入和1 6 通道数字输出； 4 ) 2 个1 2 位模拟量输出通道，输出量程为：o 5 v 、o i o v ： 5 ) 软件可编程增益：1 、2 、4 、8 、1 6 ； 6 ) a d 数据传输方式：查询、中断、d i v l a ； 7 ) 1 6 个单端输入通道，采样速率可达6 5 k b s 。 数据采集卡负责被测参数的a d 转换和输出参数的d a 转换。1 。该系统大部分的数 据采集工作是由a 一8 1 2 p g 采集卡完成的，该卡带有d e l p h i 动态链接库( d l l ) ，并以 函数的形式提供，对于使用者来说，数据采集就是简单的对库函数的调用。利用 a 8 1 2 p g 卡实现数据采集的流程框图如图2 - 3 所示： u s e r s a p p l i c a t i o n lr m 棚o n c 甜t 缸。s d c v e l o p m e n t d l l s t 0 。l l 【i c is 啪i c 嚣c a l li 咖k e m d m o d e ， _ v x d s , _ s y s s ( d e v i c ed r i v e r ) j m c t i m c a n i n t o d l l s h 缸d w a nd 州i c 略 图2 3 数据采集实现的流程框图 硕1 学位论文汽车发动机检测与诊断系统的开发与研究 2 2 5 输入信号处理 检测与诊断系统需要获得的信号千差万别，但是从电子学角度可分为模拟信号、 数字信号和脉冲信号三种，因此系统将信号处理部分分为模拟信号处理通道和数字信 号处理通道。 对于强模拟信号，如温度传感器、节气门位置传感器等幅值为o 5 v ，频率变化 也比较缓慢，可以直接通过低通滤波和信号隔离后送入数据采集卡；而对于弱模拟信 号，如氧传感器，其幅值仅为0 1 v ，则需要在输入采集卡之前进行放大，使其输出 电压的满量程与采集卡a d 转换电压的满量程相匹配，从而提高测量系统的精度。 当然，这种信号经过放大器放大以后，仍须经过低通滤波和信号隔离才能进入数据采 集卡。 模拟信号中也有一些信号如次级点火信号、起动电流等，或具有较高的电压幅值， 或具有较高的电流幅值，这些信号须经特殊处理后方可进入数据采集卡。对于次级点 火信号由于线圈的自感和互感作用，其电压幅值可达3 0 k v ，甚至更高，因此系统利 用电压衰减器进行衰减后再进行后继处理：对于起动电流，其峰值可达2 0 0 a 以上， 无法直接测量，系统利用电流互感器转换成0 5 v 的电压信号再进行测量。 对于数字信号，如发动机转速等，经过整形处理后可通过i o 口直接送入数据采 集卡。由于喷油脉冲在喷油器的电磁线圈断电瞬间会由于自感作用而产生4 0 v 左右 的电压峰值，对此系统利用电阻分压器分压，再经处理后送入数据采集系统。 2 3 检测与诊断系统的抗干扰设计 发动机检测与诊断系统处于电磁干扰较为强烈的环境中，如火花塞的高压点火、 喷油器与继电器等感性负载产生的过电压和冲击电流以及车外的电磁干扰等都会影 响系统的稳定性和可靠性。因此，为保证系统的实时性、准确性与可靠性，必须采取 行之有效的措施抑制各种干扰的产生和影响，尽量提高系统的抗干扰性能。 2 3 1 硬件抗干扰措施 1 ) 采用光电隔离技术 为了抑制强电干扰所造成的信号“反窜”，本系统i o 通道中的信号传输采用了 光电隔离技术。虽然在发动机控制过程中所有电源的最后接地点均为蓄电池的负极， 采用光电耦合器不能切断不同电路“地”之间的干扰，但从实际观察结果发现，在输 入输出通道中使用光电耦合器仍然可以起到较强的抗干扰作用。这主要是因为干扰信 号本身仅是一种高内阻微电流的电压信号，幅值较大，能量不足，无法通过光电耦合 器。同时，由于光电耦合器的单方向传输特性，也避免了输出电路中各种干扰信号进 入微机内部。 硕士学位论文汽车发动机检测与诊断系统的开发与研究 2 ) 采用屏蔽信号线 为了抑制信号采集与传递过程中所受的干扰，保证信号稳定、可靠地传输，系统 采用带有屏蔽层的双绞信号线作为传输线。这主要是由于传输长距离的信号时，双绞 线可以使各个小环路的电磁感应干扰相互抵消，具有很强的抗共模噪声的能力。而带 有屏蔽层的双绞线，其抗干扰能力是屏蔽与平衡的综合，选择正确的接地方式，可以 有效地抑制电磁场干扰。 3 ) 采用正确的接地措施 发动机检测与诊断系统中同时存在着数字电路和模拟电路，当它们在不同位置接 地时，接地点之间由于电位不尽相同将会有电位差出现，从而形成接地环路，造成接 地干扰。为了避免接地干扰，系统将模拟接地点和数字接地点分别通过各自的独立汇 流条，最后相交在一点。 2 3 2 软件抗干扰措施 由于采用硬件抗干扰措施系统成本较高、结构复杂，而且并不是所有干扰都可以 通过硬件抗干扰得到完全解决。相反，软件抗干扰方法具有结构简单、成本低廉、设 计灵活及使用方便等优点。因此，为弥补硬件抗干扰方法中的不足，系统采用了软、 硬件结合的方法抑制干扰。 1 ) 数字滤波 数字滤波是指利用数值计算的方法或利用数字器件来实现对时间离散化信号的 处理，其可以用硬件实现，也可以用软件实现。软件数字滤波是在计算机中利用某 种算法对信号进行处理，消除或削弱各种干扰和噪声。用软件实现数字滤波的优点是 系统传输函数具有可变性，仅仅依赖于算法韵结构，并且很容易获得较理想的滤波性 能。例如对于n 次等精度数据采集，存在着系统误差和因干扰引起的粗大误差，使 采集的数据偏离真实值。此时可用剔除m 个粗大误差后的( n m ) 个测量数据的算术 平均值作为测量结果，这样可提高系统的测试精度。 2 ) 设置w a t c h d o g ( 看门狗) 监视器“” 单片机系统在遇到干扰时，往往会导致运行程序进入死循环，即程序“死锁”。 单片机利用w a t c h d o g 定时器来解决程序“死锁”问题。w a t c h d o g 被启动后，每个状 态周期加l ，若在一定的时阔内，单片机不对其清零或复位，定时器就会溢出，此时 系统将强制复位，井重新初始化。 3 ) 软件异常事件处理 软件异常事件处理是使用d e l p h i 中的t r y e x c e p t 和田f i n a l l y 两种结构对异常 事件进行处理”。当异常事件发生时，程序的正常执行顺序中断，而转入异常事件处 理部分，这样自增强程序处理各种错误的能力，防止由于干扰而使系统进入异常状态， 达到一定的抗干扰效果。 1 1 - 硕七学位论文 汽车发动机检测与诊断系统的开发与研究 图2 - 4 发动机检测与诊断台架系统 本人参与研制的凌志l s 4 0 0 发动机检测与诊断台架系统如图2 - 4 所示。系统硬 件配置合理，软件设计灵活，具有良好的人机界面，性能稳定，数据准确，操作方便， 可广泛应用于发动机的主要状态参数检测，为发动机的性能分析、视情修理和故障诊 断提供依据，并可通过人机对话的方式确定故障部位和原因。 2 4 信号测试与分析 该检测与诊断系统几乎可对发动机的各个主要参数进行采集、处理和显示，并且 根据测得的数据可以进一步对发动机的点火性能、起动性能等进行评判，尤其适合于 现代发动机复杂控制系统的故障诊断。系统还收集了发动机的一些正常波形和故障波 形，并建立了波形数据库，用户可对实际测得的波形与正常波形进行比较、分析，为 故障诊断和视情修理提供科学依据。同时，帮助模块还提供了十几种常用元器件的测 试方法和故障判断帮助信息，从而使系统的功能趋向完善。下面以几种常用信号为例 说明信号的测试与分析： 2 4 1 喷油驱动器波形测试 喷油驱动器，即喷油器的驱动器控制着喷油器的开启与关闭。不同类型的喷油驱 动器波形不同，考虑到实际的条件，系统仅对凌志l s 4 0 0 发动机上使用的饱和开关型 喷油驱动器进行波形测试。该系统测得的喷油驱动器波形和标准波形对照界面如图 2 - 5 所示： 颤学位论文 汽车发动机检测与诊断系统的开发与酬究 图2 - 5 实测喷油驱动器波形与标准波形对照界面 当电子控制单元使接地电路接通时，喷油器开始喷油；当控制单元断开控制电路 时，电磁场会发生突变，而使波形产生峰值。喷油驱动器的峰值高度是很重要的诊断 参数，因为它通常与喷油驱动器的感抗成正比。另外，鉴于喷油时间的重要性，系统 还利用虚拟仪表和数字的方式在显示屏上显示出喷油时间，因此不需要从波形上计算 喷油时间，提高了系统的直观性和可操作性。 喷油器测试时，可以在发动机进入闭环控制后用加入丙烷的方法人为的加浓混合 气或用真空泄漏的方法使混合气变稀，然后观察喷油脉冲时间的变化，从而可以进一 步判别喷油器及其接线电路的好坏。若测试时波形为一条电压为0 伏的直线，则应检 查系统与喷油器的连接是否良好、喷油器供电电源是否正常、喷油器线圈有没开路或 者喷油器插头是否损坏，如果一切正常则可能是控制模块中喷浊器控制电路频繁接 地，造成喷油器频繁地向气缸中喷射燃油，从而导致火花塞被淹死。如果测得的波形 为一条1 2 伏电压的水平直线，则说明控制模块没有提供喷油器的接地。这可能有以 下原因造成：控制模块没有收到曲轴、凸轮轴位置传感器传出发动机转速信号或同步 信号，控制模块内部或外部接地电路不良，控制模块电源故障，控制模块内部喷油驱 动器损坏等。如果测试时，波形有脉冲信号出现，则应确定脉冲信号的幅值、频率、 形状及脉冲宽度等判定性尺度是否正常。喷油脉宽过短会因为喷油量过少而使发动机 不能起动或运转不良，而喷油脉宽过长又会淹死火花塞，并可能阻碍发动机的起动。 喷油器尖峰幅值也应该有正确的高度，如果幅值异常的小则说明喷油器线圈可能短 路：若幅值太高则说明喷油器线圈电阻太大或者控制模块中喷油驱动器接地不良。因 此，根据喷油驱动器的波形可以判断出喷油器及其接线电路的好坏。 2 4 2 氧传感器波形测试 氧传感器是发动机燃料反馈闭环控制系统的重要部件。凌志l s 4 0 0 发动机使用的 是二氧化锆式氧传感器。每个传感器内有一只加热盈0 2 的加热体，加热体受控制模 块控制。在排气温度较低的情况下，电流通过加热体将氧传感器加热到工作温度，此 硕士学位论文汽车发动机检测与诊断系统的开发与研究 时氧传感器才进行氧浓度的准确检测。当排气管内氧浓度大时，传感器内、外的氧浓 度差较小，传感器产生的电压信号也较小( 0 1 v ) ；相反，当排气管内氧浓度较小 时，传感器内、外的氧浓度差较大，传感器产生的电压信号也较大( 达0 8 o 1 v ) 。 控制模块利用氧传感器的电压信号控制喷油量的增加或减少，从而使空燃比保持在以 理论空燃比为中，t h , 的狭小范围内，使三元催化反应器同时净化c o 、h c 和n o 。效率 最高。 氧传感器是非常灵敏的，它的信号电压波形能够反映出氧传感器的优劣以及整个 燃料反馈闭环控制系统的运行情况。当氧传感器的信号电压波形正常时，就可以断定 氧传感器乃至整个闭环控制系统的工作是正常的。但是在测试氧传感器波形前，首先 应检查氧传感器的加热线电压、加热电阻以及接地线，确保氧传感器自身良好。因为 以上任何一项检查如果有问题都将导致氧传感器工作不良，而使输出信号电压失准或 无变化，从而使对氧传感器信号的测试失去意义。 在确认氧传感器自身良好的情况下，可以利用加速法测得氧传感器的波形，波形 的最高信号电压、最低信号电压和信号变化的响应时间是决定氧传感器好坏的主要参 数，三项中若有一项不合格，氧传感器就必须予以更换。另外，对氧传感器波形中杂 波的分析也是非常必要的，因为杂波通常是由发动机点火不良、燃油雾化不好、燃烧 效率低等故障引起的，它反映了发动机各缸的工作性能以及三元催化器工作效率的状 况。因此，在燃油反馈控制系统完全正常时，氧传感器信号电压波形上的少量杂波是 允许的，而木量的杂波则是不可忽视的。氧传感器杂波的判断原则是如果传感器信号 电压波形上的杂波比较明显，则通常与发动机的故障有关，在发动机修理后应消失： 如果传感器信号电压波形上的杂波不明显并且可以判断进气歧管无真空泄漏，排气中 的h c 和氧的含量正常，发动机的转动或怠速运转比较平稳，则该杂波是正常的，在 发动机修理中一般不可能消除。利用该系统测得正常状态下的氧传感器波形如下图： 图2 - 6 实河氧传感器波形界面 l4 硕士学位论文汽车发动机检测与诊断系统的开发与研究 2 4 3 爆震传感器波形测试 爆震传感器正常安装在发动机气缸体或气缸盖上，它有磁致伸缩式和压电式两种 类型。凌志l s 4 0 0 发动机使用的是压电式爆震传感器，并且在机体的左列和右列各 装有一只。压电式爆震传感器是利用压电晶体的压电效应将发动机振动信号转换成电 压信号，再经滤波电路后送入控制模块。控制模块根据送入的电压信号判断发动机是 否发生爆震，从而实现对发动机爆震的控制。当发动机机体振动幅度大于一定的阈值 时，爆震传感器将输出一个较大的电压峰值，表示发动机机体振动异常。控制模块根 据电压信号，重新调整点火正时以阻止进一步爆震。因此，通过检测爆震传感器输出 的电压波形，就可以判断出传感器的好坏以及发动机是否发生爆震。 爆震传感器一般不易损坏，如果发现爆震传感器有问题，则应先检查传感器的接 线是否良好，然后再判别是否是传感器本身的故障。用该系统测得的怠速状况下爆震 传感器波形如图2 7 ： 图2 - 7 爆震传感器波形 2 4 4 点火性能测试 汽油发动机点火性能的好坏，直接影响着发动机的动力性和燃油经济性。点火性 能较差时，发动机将会工作不良，甚至不能工作，因此点火性能是发动机检测的重点 对象。发动机点火性能检测主要包括次级点火波形检测和点火正时检测两个方面。下 面对次级点火波形检测与分析作一些介绍： 无论是传统触点式点火系统还是无触点式电子点火系统或计算机控制的点火系 统，都是利用点火线圈的互感作用将低压电转换为高压电，再通过火花塞跳火点燃可 燃混合气的。点火系统低压部分和高压部分的变化过程都是有规律的。因此，将实际 测得的点火电压波形与正常工作情况下的点火电压波形进行分析、比较，即可判断出 点火系统的技术状况以及故障原因与部位。 利用次级点火波形来分析点火系统的技术状况、找出故障原因与部位的方法很 多，有发火线分析、火花线分析、低频振荡区分析、闭合区分析、闭合角检测和重叠 1 5 硕士学位论文 汽车发动机检测与诊断系统的开发与研究 角检测等方法。例如，通过发火线分析法，可以实现对短路或开路的火花塞高压线和 点火不良的火花塞的检测。各缸点火波形和点火电压峰值的重复性与一致性是进行发 火线分析的基础，如果有一个缸的点火峰值明显比其它缸高出很多，则说明该缸的点 火次级电路中存在着较高的电阻或者火花塞间隙过大。反之，如果有个缸的点火波 形峰值