（车辆工程专业论文）基于神经网络的电控发动机故障诊断应用研究.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 随着我国经济的快速发展，机动车保有量在今后相当长的时间内 将保持快速增长，随之而来的机动车排放污染物对人类居住环境的污 染日趋严重，特别是尾气排放不达标的在用汽车对大气的污染更严 重。本课题正是在上述背景下，明确提出如果能根据汽车尾气参数值， 应用神经网络模型判断发动机的故障，这将大大减少了汽车尾气对 大气环境的污染，也有利于i m 制度的管理。能使维修人员快速掌 握故障部位并制定出相应的维修对策，提高发动机的使用寿命，对开 发电控发动机故障诊断的辅助分析系统和解码仪的功能扩展有实际 意义。如果把设计好的程序固化到解码仪的电脑之中，将会使解码仪 进一步向“傻瓜化”方向发展。 本文首先介绍了汽车排放污染物、i m 制度及电控发动机的基本 知识；其次，介绍了b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) 神经网络和r b f ( r a d i a l b a s i sf u n c t i o nn e u r a ln e 俩o r k ) 神经网络的结构和算法，并建立神经网 络模型；最后，以丰田凌志l s 4 0 0 电控发动机为实例，在怠速工况 下，模拟发动机的各种故障，用金德k 8 1 电脑检测仪和n h a 5 0 1 型 尾气分析仪采集所对应故障下的尾气参数，并建立样本集。用 m a t l a b 语言及其数据库处理技术编制仿真程序，分别用b p 神经 网络和r b f 神经网络对所采集的样本集进行训练和仿真，并将两种 神经网络的训练、仿真结果进行比较。从而得出，r b f 神经网络比 b p 神经网络的训练速度快、效率高、诊断结果准确。 关键词：故障诊断，b p 神经网络，r b f 神经网络，电控发动机 基丁神经网络的电控发动机故障诊断应用研究 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m i c si nc h i n a ，t h en u m b e ro f v e h i c l e sw i l li n c r e a s er a p i d l yi nt h ef u t u r e t h ee x h a u s t i n gg a sf r o mt h e v e h i c l eb r i n g so u ts e v e r ei n f l u e n c eo nt h el i v i n ge n v i r o n m e n t e s p e c i a l l y , t h e e x h a u s t i n gg a s o ft h eu s e dv e h i c l et h a td on o ta c c o r d sw i t ht h e r e g u l a t e ds t a n d a r dp o l l u t e ss e r i o u s l yo u rl i v i n ge n v i r o n m e n t o nt h u s b a c k g r o u n d ，i ti sd i c t a t e dd e f i n i t e l yt h a ti fw ed e p e n do nt h ee x h a u s t i n g g a sf r o me n g i n et od i a g n o s et h ef a u l to fa u t o m o b i l eb ya p p l y i n gt h e n e u r a ln e t w o r km o d e l t h er e s u l tr e d u c e st h ec o n t a m i n a t i o no ft h e e x h a u s t i n gg a so ft h eu s e dv e h i c l eo no u re n v i r o n m e n t ，i ti si nf a v o ro f t h em a n a g e m e n to ft h ei ms y s t e m i ti so fap r a c t i c a li m p o r t a n c et o d e v e l o pt h ee f ie n g i n ep e r f o r m a n c ef a u l ta n a l y s i ss y s t e ma n de x t e n dt h e f u n c t i o n sf o rv e h i c l ed i a g n o s i n gi n s t r u m e n t s ，a n di ti sa l s oa b l et ot r a i n m a i n t a i n e r st od e a lw i t ht r o u b l e sa n dt om a k eo u tr e p a i r i n gs t r a t e g i e s a c c o r d i n g l yf o rt h ep u r p o s eo fe n h a n c i n gt h eu t i l i t ya n dw o r k i n gl i f eo f a ne f ie n g i n e i ft h i sp r o g r a mc a nb es o l i d i f i e di nd i a g n o s i n gi n s t r u m e n t ， i tw i l lf u r t h e rd e v e l o pt ot h ed i r e c t i o no f “f o o l i z a t i o n f i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n t a m i n a t i o no ft h ee x h a u s t i n gg a so f t h ev e h i c l e ，t h ei ms y s t e ma n dt h eb a s i ck n o w l e d g eo ft h ee l e c t r o n i c c o n t r o le n g i n e s e c o n d ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n f i g u r a t i o na n d a r i t h m e t i co ft h eb pa n dt h er b fn e u r a ln e t w o r k ，a n db u i l d e st h en e u r a l n e t w o r km o d e l f i n a l ，t a k i n gl e x u s 4 0 0e n g i n ea se x a m p l e ，s i m u l a t i n g a l m o s ta l lk i n d so fe n g i n ef a u l t si nt h ei d l ec o n d i t i o n t h e s ee x h a u s t i n g g a s i s g a t h e r e db yu s i n g t h ej i n d ek 8 1a n dt h en h a 一5 0 1 e q u i p m e n t m o r e o v e r , b u i l d i n gt h es t y l e b o o k u s i n gm a t l a bl a n g u a g e a n dd a t am a n a g e m e n tt e c h n o l o g yt oc o m p i l es i m u l a t i o np r o g r a m m e t h i s t h e s i st r a i n e sa n ds i m u l a t e st ot h es t y l e b o o kb ya d o p t i n gt h eb pn e u r a l 江苏大学工程硕士学位论文 n e t w o r ka n dt h er b fn e u r a ln e t w o r ka n dc o m p a r e st h er e s u l to ft h e t r a i n i n ga n ds i m u l a t i o n 1 1 1 ec o n c l u s i o nt h a tt h et r a i n i n gr a t eo ft h er b f n e u r a ln e t w o r ki sf a s t e rt h a nt h eb pn e u r a ln e t w o r k ，t h ee f f i c i e n c yo ft h e r b fn e u r a ln e t w o r ki s h i g h e rt h a nt h eb pn e u r a ln e t w o r ka n dt h e d i a g n o s i sr e s u l to ft h er b f n e u r a ln e t w o r ki sm o r ec o r r e c t t h u s t h er b f n e u r a ln e t w o r kf o rt h em a l f u n c t i o nd i a g n o s i so ft h ee l e c t r o n i cc o n t r o l e n g i n ei sm o r ef e a s i b l ea n ds u c c e s s f u lt h a nb pn e u r a ln e t w o r k k e yw o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ，b pn e u r a ln e t w o r k ，r b fn e u r a ln e t w o r k ， e l e c t r o m cc o n t r o le n g i n e - 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在年我解密后适用本授权书。 不保密口 学位论文作者签名：孑长岔 朋多年b 月 指剥币硌多参勉 ，弓日分年名月3 日 独创性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 弓长亥磊 训多年多月 江苏人学工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 国内外汽车故障诊断技术概况 1 1 1 国外汽车故障诊断技术 汽车工业发达的西方国家自2 0 世纪7 0 年代初以来，汽车新结构新技术层出 不穷，这就导致汽车诊断内容的复杂化：随着汽车保有量的急剧增加，使熟练维 修人员相对短缺；各国有关汽车安全、排放的严格法规相继出台，对诊断检测提 出了更精确更可靠的要求。 目前，汽车诊断设备分车内诊断装置与非车载诊断仪器。前者是利用所有装 在车上的诊断装置进行诊断，而后者是利用独立于车辆的诊断设备进行诊断。 在汽车诊断设备的发展过程中，首先出现的是一些专用的检测仪器，如正时 一提前角测试仪、闭合角测试仪等，它们是故障诊断的辅助工具，而真正的故障 判断仍凭借机理分析和人工经验来完成。与此同时，国际汽车工程界开始注意汽 车诊断的标准问题。1 9 7 2 年，在美国旧金山召开的第一次国家汽车安全会议就 讨论了汽车诊断标准化问题。在本次会议上，德国大众汽车公司首先开发了使用 微机的诊断仪器，它利用汽车装设的诊断用传感器和联接器与车外微机相连，能 检查8 8 个项目。该仪器一经展出便在汽车制造业和维修业产生了巨大的震动。 随后，各国相继推出类似诊断装置，如1 9 7 5 年美国哈米尔顿标准公司推出汽车 自动读出诊断仪。由于这类装置数据存贮量小，缺乏对检测数据的综合分析能力， 对故障部位的推断能力有限，使用成本高，因此带有微机的车上实时监测与控制 装置占了汽车故障诊断设备的主流。 进入8 0 年代后，车内诊断无非是在发动机e c u 内部都设有简单的故障自诊 断程序，可以将汽车的故障状态以故障码的方式记录在e c u 的r o m 中，并用 相应的故障指示灯进行提示。汽车维修人员可按规定程序读取故障码，并据此确 定故障部位与原因，进而进行维修。但是自诊断系统设在e c u 内部，其诊断程 序仅限于与传感器有关的问题，特别是只停留在与线束相关的短路、断路的故障 诊断上，而且考虑成本问题，e c u 中数据输出也很难。因此，车外诊断技术便 有了很大进展，如1 9 8 6 年美国美国通用汽车公司推出t e c h 1 型汽车诊断仪， 基丁神经网络的电控发动机故障诊断应用研究 能显示车内诊断装置的诊断结果，并向e c u 输入控制参数，还可以进行运行状 态监i 9 l t j ；1 9 8 7 年，日本丰田汽车公司和三菱汽车公司分别推出了诊断监测仪和多 用途故障诊断试验仪；1 9 8 9 年，日本日产公司也推出了故障阅读仪。车外诊断的 主要技术是采用串行通讯方式与车内e c u 进行数据交换，即应用能进行串行通 讯的诊断仪器，读出e c u 中数据流和故障码。 8 0 年代中期，国外各大汽车公司还开始采用向汽车维修厂提供诊断、对策 等信息的系统，如通用汽车公司建立了为客户服务的信息中心和为销售店技工服 务的技术支援中心。随着计算机的普及以及人工智能技术的发展，开始探讨用于 汽车诊断的专家系统，如美国雷迪安公司设计了一个实验性汽修专家系统；加拿 大太平洋铁路公司利用多年积累的润滑油光谱分析数据和经验，于1 9 8 7 年开发 了一个用于利用发动机油液分析来进行故障诊断的专家系统。这些系统己获初步 成功，显示了专家系统的巨大潜力。但是也应看到，基于知识的诊断系统的发展 也面临许多问题，主要原因是来自传统的基于知识诊断理论的限制和对不同深层 次诊断知识的获取的困难。 另外，许多学者还对各种汽车状态参数检测方法与测试技术在故障诊断中的 应用进行了深入的研究，如迪琼( r gd ej o n g ) 利用振动信号进行发动机监控； 绍伯( h s h a u b ) 用于测量气门机构磨损的实时放射性标记技术；比安齐( b i a n c h i ) 对发动机压力信号波形分析；穆尔( gem a u e r ) 的动能测量内燃机性能的诊断 学；迪米特鲁( d g ：d i m i t d u ) 对柴油机燃油点火延时时间测量的研究等。 1 1 2 国内汽车故障诊断技术 我国从2 0 世纪6 0 年代开始研究汽车检测技术，当时由交通部门主持研制了 一些简单的诊断设备。7 0 年代末，我国下达了第一个关于汽车维修方面的国家 级课题一“汽车不解体检测技术 。从此，汽车检测与诊断技术在我国掀开了一 个新篇章。进入8 0 年代后，随着国民经济的发展，在交通部门的统筹规划下， 汽车检测诊断技术得到了迅速发展。目前，我国汽车检测设备生产厂家已超过 9 0 0 家，产品种类达1 2 0 0 0 个，年产值4 0 多亿元，全国已建立各类汽车诊断站 1 5 0 0 个。一批具有高新技术的诊断仪器研制成功并投入实用，如发动机故障诊 断仪、汽车底盘测功机、四轮定位仪、制动检测台、全自动转向角检测仪等均达 2 江苏大学工程硕士学位论文 到了较高的水平。就发动机检测仪器而言，发动机无负载加速测功仪、点火系检 测仪、数字转速表、油耗仪、发动机漏气量分析仪、异响诊断仪、润滑油分析仪 等专用检测设备在技术上已相当成熟。至于发动机综合测试仪，最初的功能主要 对点火系和异响进行检测，在微机控制下，实现自动检测，具有显示、打印功能， 如济南无线电六厂开发的w f j 1 型和天津汽车检测仪器厂生产的y t - 4 1 6 型发动 机测试仪就是目前国内保有量最大的发动机综合检测设备。近几年来，发动机综 合测试仪的检测项目逐渐增多，功能更强大，如深圳元征、深圳威宁达、天津奥 通等国内知名的汽车检测设备生产厂家相继推出了各自的产品。同时，各科研院 所及高等学校也纷纷对发动机诊断技术从不同角度进行研究，如西安交通大学开 展了发动机燃烧过程优化控制新判一离子电流的研究；武汉理工大学利用内燃机 气缸盖的振动信号识别缸内气体压力；北京理工大学对发动机油料进行光谱分 析；华中科技大学开发了汽车发动机诊断专家系统等等。 尽管如此，我国汽车诊断技术水平与国外还存在很大差距，这主要表现为： 汽车诊断理论的基础研究不完善、不系统、不深入；汽车检测仪器产品可靠性差； 自动化水平低；品种不齐全，更新慢，技术含量低，附加值低；产品性价比低； 智能化水平低；某些高性能产品也无独立知识产权，等等。入世后，进口产品将 大举进入我国，会使我国汽车保修设备业的竞争处于不利的境地。但是，我国的 汽车后市场是巨大的：截至2 0 0 7 年3 月，全国汽车保有量超过1 4 亿辆，全国 现有汽车维修企业3 2 万家，大多分布在大中城市，其中能做大修的一类企业约 1 5 万家，能做二级维护的二类企业5 5 万家，其余2 0 万家是从事专项修理的 企业；根据市场预测，随着我国汽车保有量的高速增长，汽车维修企业今后每年 将会以1 0 1 5 的速度发展，各种类型的汽车安全检测站和综合检测站将在各 地陆续建立，预计2 0 1 0 年约建成2 4 0 0 - - 2 5 0 0 个，若按每条检测线配备2 0 台计 算，则用在汽车检测线上的检测仪器，就可达到4 8 0 0 0 - 5 1 0 0 0 台，再加上全国 几十万家汽车维修企业的需求量，其数字是可观的。由此推测，我国汽车检测与 维修设备的发展前景非常广阔。为此，今后我国汽车诊断技术应向以下三个方面 发展： ( 1 ) 完善与硬件配套的软件建设，制定全国统一的检测标准。 ( 2 ) 大型检测诊断设备研制方面，向声、光、电等自动化技术方向发展， 3 基于神经网络的电控发动机故障诊断应用研究 进一步提高诊断系统的智能化水平。 ( 3 ) 汽车检测诊断实现网络化，提高信息资源共享、硬件共享、软件共享 水平。 1 2 汽车故障诊断的意义、目的和方法 1 2 1 汽车故障诊断的意义 电控发动机的故障诊断技术的意义和作用可归纳为以下几点： ( 1 ) 改革汽车维修制度，实现功能视情维修的必要手段。汽车检测制度发 展至今已具备三种类型：第一是事后维修制，这种方式隐含着所有可能导致的危 害一威胁人身安全和带来巨大的经济损失；第二是定期强制保养，它是以零件的 磨损规律和零件的寿命为基础而建立的，这种维修制度与车的实际技术情况不符 的现象越来越严重，往往造成盲目修理或失修现象；第三是目前正在推出的视情 维修制度，这是利用诊断设备定期地检测汽车的技术状况，按照检测结果，根据 实际需要对汽车各系统进行针对性的修理，它是以一定的检测诊断为基础的。 ( 2 ) 研究电控发动机故障诊断技术可以提高维修效率，缩短维修时间和降 低费用，是提高维修质量的需要。随着我国汽车工业的快速发展，特别是加入 w t o 后，各国的汽车巨头都看好了中国的汽车市场，纷纷将各自品牌的汽车引 入中国。但随之而来的是维修任务相应加大，并且汽车电子装置的迅速发展带来 了熟练维修工的短缺。因此有必要采用新的维修技术，从而提高电控发动机的维 修效率和质量。 ( 3 ) 有利于加强对汽车安全技术检测，保证车辆安全行驶及减少交通事故 造成的人员伤亡和经济损失，同时降低发动机尾气排放及噪声污染【l 】。 1 2 2 汽车故障诊断的目的 ( 1 ) 能及时、正确的对各种异常状态或故障状态作出诊断，预防或消除故 障，对设备的运行进行必要的指导，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性， 从而把故障损失降低到最低水平。 ( 2 ) 保证设备发挥最大的设计能力，制定合理的检测维修制度，充分挖掘 4 江苏大学工程硕士学位论文 设备潜力，延长服役期限和使用寿命，降低设备全寿命周期费用。 ( 3 ) 通过检测监视、故障分析、性能评估等，为设备结构修改、优化设计、 合理制造及生产过程提供数据和信息。 总而言之，故障诊断既要保证设备的安全可靠运行，又要获取更大的经济效 益和社会效益。 1 2 3 汽车故障诊断方法 目前汽车故障诊断可归纳为以下几种方法： ( 1 ) 问诊法 问诊法是维修人员通过与车主的交谈，了解故障的现象、产生及发展的过程， 为进一步查找故障原因收集尽可能多的信息的一种方法。了解故障现象是问诊的 主要任务，同一种故障，现象往往有所不同，因此，应通过问询、提示、启发等 手段，让车主对故障现象尽可能作出全面、客观的描述。由于车主对汽车结构不 了解或一知半解，对故障原因常常会作出一些主观臆断，问诊时要注意排除这些 干扰，必要时可与车主一同试车，以便对故障现象有感性的体会。此外，还应进 一步了解故障产生的条件( 如车况、路况、气候条件等) 、汽车使用中该故障发 生的频繁程度、第一次出现该故障的时间、故障的发展过程、产生该故障前后一 段时期内汽车的维修历史等情况，以便对故障有更加全面的了解，为故障诊断提 供足够的信息。 ( 2 ) 外观检查法 外观检查法是应用望、触、听等手段，从外观上对整车和局部的各种状态及 特征进行故障诊断查找的一种方法。仔细、认真的外观检查，常常能直接发现电 喷发动机的传感器、执行器、线路以及一些外部机械故障，如破损、泄漏、松脱 等。某些执行器的工作情况也可以通过触、昕等方法来检查。此外，外观检查也 有助于维修人员了解电喷发动机的组成、类型、元件分布情况、老化程度等，为 分析故障原因提供必要的线索。 ( 3 ) 电脑自诊断法 电脑自诊断法是通过读取故障代码来查找故障原因的一种方法。存储在电喷 发动机控制系统电脑中的故障代码，可用电脑检测仪来读取，也可以用人工的方 基丁神经网络的电控发动机故障诊断应用研究 法读取。电脑自诊断法主要适合于电喷发动机传感器、执行器、控制线路的短路、 断路故障的诊断排除，而除此之外其他类型的故障，通常不能被电脑自诊断系统 检n - n ，因而也不能用这种方法来查找故障部位。采用电脑自诊断时，应注意同 一个故障代码常常有几个不同的含义( 如传感器、执行器短路、断路或其控制线 路的短路、断路) ，因此要通过进一步的检测才能确定故障的具体部件。 ( 4 ) 电脑数值分析法 电脑数值分析法是用汽车电脑检测仪( 或解码器) ，将电喷发动机电脑在工 作中的各个输入、输出信号的数值以数据表的方式显示出来，并通过定量、定性 的分析各个信号在不同工况下的变化情况，判断发动机控制系统有无故障及故障 部位的一种方法。这种方法适合于查找电控系统中几乎所有与电脑连接的电子部 件的各种形式的故障以及线路故障，特别是对无法用电脑故障自诊断法测出的电 子部件的机械故障等，也能通过电脑数值分析判断出来。此外，电喷发动机在运 行中偶尔产生的故障，也可以从故障瞬间各个信号数值的变化中找出故障的原 因。 电脑数值分析法是现代高科技技术在汽车维修上的应用结果，采用这种方 法，由于故障结论不是由仪器自动给出，而是靠维修人员通过分析得到的，因此 要求维修人员不但要熟悉仪器的使用，还要对各种车型电喷发动机控制系统的电 脑信号数值，在各种工况下的标准值十分熟悉，这样才能充分发挥仪器的作用， 完成故障诊断任务。 ( 5 ) 电脑信号波形分析法 信号波形分析法是用示波器对电喷发动机控制系统中电信号的波形进行检 测，并通过对测得的波形分析来判断故障的一种方法。这种方法主要用于判断传 感器或电脑的故障，特别是产生脉冲信号的传感器( 如车速传感器、爆震传感器 等) 。它弥补了其它仪器无法对脉冲电信号进行全面检测和分析的缺陷。此外， 由于示波器的反应速度极快，因而对于传感器或线路的瞬间故障也可以从其信号 波形的瞬时异常上反映出来。 信号波形分析法适用范围广，不受车型及电喷发动机种类的限制。该方法的 缺点是技术难度较大，要求操作者有较高的知识和技术水平，不但要熟练使用示 波器，还要熟悉各种信号的标准波形，并能从实际波形和标准波形的差别中分析 6 江苏大学工程硕士学位论文 出故障所在之处。 ( 6 ) 部件互换法 部件互换法是将怀疑有故障的电子部件用正常的电子部件替代，以判断故障 原因的一种方法。如果更换部件后故障消失，则说明被换下的部件有故障；反之， 若更换部件后故障仍存在，则说明该部件正常，应进一步查找其它故障原因。这 种方法简单易行，效率较高，经常在缺少被修车型技术资料或检测工具的情况下 使用，无法用测量的方法判定的故障，如控制系统中执行器的机械故障等也可以 用这种方法。此外，在怀疑电脑有故障时，往往也用这一种方法来确认。 ( 7 ) 资料分析法 资料分析法是在故障诊断过程中，以汽车制造厂提供的有关电喷发动机控制 系统结构、原理及故障索引等技术资料为参考依据，对故障进行分析，从而查找 出故障原因的一种方法。由于电喷发动机控制技术发展很快，维修人员很难做到 对所有车型的各种电喷发动机结构、原理都十分熟悉，因此，在故障诊断过程中， 充分合理的利用厂家提供的技术资料，往往能收到事半功倍的效果。在许多情况 下，掌握足够的技术资料是进行故障诊断工作的必要条件。 当然，并不是所有故障现象都能在技术资料中找到现有的答案，资料都只能 对故障诊断工作起一个辅助的作用，以科学客观的态度对待技术资料并合理的加 以利用，才能解决实际中千变万化的故障诊断问题。 以上几种汽车故障诊断方法仍然在不断发展和变化。但在目前阶段，还保持 着各自的特色，还具有各自不可替代的特点，因此，最佳的选择，是采取互相结 合、互补长短的方式，以达到很好的诊断效果。 1 3 汽车尾气污染 1 3 1 汽车尾气污染现状 1 8 8 6 年德国人c e b e n z 制造第一辆汽车的时候，也许很难料想到1 0 0 多年 后，汽车工业给人类文明带来了前所未有的激励和贡献。然而，它同时也对人类 赖以生存的自然环境发起了严峻的挑战和考验。 进入2 0 世纪9 0 年代后，在一些发达国家，城市交通已经成为城市空气污染 7 基于神经网络的电控发动机故障诊断应用研究 的首要因素。m a g e 等1 9 9 6 年所做的调查表明，交通污染是大城市空气污染的主 要来源。自1 9 5 0 年以来，全球机动车数量增长了十倍，据预测，在接下来的2 0 3 0 年间，机动车保有量将再增加一倍。车辆的增加主要出现在发展中国家和东欧1 2 1 。 中国大中城市的空气污染已经逐渐由煤烟型污染转化为交通污染，交通空气污染 已经成为城市环境的主要问题之一【3 】。 机动车尾气中包含很多化合物，主要成分是一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物 ( h c ) 和氮氧化合物( n o 。) ，此外还有烟尘以及诸如铅等重金属元素。c o 无 色无味，不易察觉，它和血红蛋白的亲和力比氧气更强，长期处于高浓度的c o 环境下，容易使人的心肺能力受损，进而引发其它疾病。n o 。除了能在大气中被 氧化，成为酸雨一个重要的酸性气体来源外，而且在强烈太阳光照射下还会发生 一系列光化学反应，生成臭氧、过氧乙烯硝酸酯和醛等危害性更大的污染物，形 成光化学烟雾，对人体健康、建筑材料等造成很大伤害。h c 也将参与这个过程。 由于机动车尾气排放引起的严重污染事件在世界上曾经发生过多次。例如1 9 3 0 年的比利时马斯河谷事件、4 0 年代在美国发生的举世瞩目的洛杉矶光化学烟雾 事件以及宾州多诺拉事件、1 9 5 2 年的英国伦敦烟雾事件以及6 0 7 0 年代同本东 京和墨西哥也出现过类似的光化学烟雾。据全世界有关大气污染与人类死因分 析，每年因大气污染死亡人数达3 0 0 万人，是交通事故死亡人数的三倍，占总死 亡人数的5 8 【4 】。因此自6 0 年代以来，欧洲、日本和美国等国家投入了巨额资 金对机动车排气污染控制技术、管理政策和排放扩散预测等方面进行了大量的研 究。 自2 0 世纪8 0 年代以来，我国机动车保有量迅速增长，平均年增长率高达 1 5 左右，截至2 0 0 7 年3 月，全国汽车保有量超过1 4 亿辆，由此造成的尾气污 染及其潜在危机也越来越严重，并且具有自身的特点。虽然我国城市目前的机动 车密度还很低，即使北京、上海等汽车化程度较高的城市其汽车密度也远远低于 世界上一些发达城市( 例如美国的加州、洛杉矶，英国的伦敦，日本的东京) ， 但是由于车辆性能偏低，燃料质量差，维护保养和检查制度( i m ) 不完善，使 得单位车辆的尾气排放和噪声污染高于国外水平。加上我国车用汽油和柴油的品 质较低，硫、不饱和芳香烃的含量高，十六烷值等有效燃烧成分较低等原因，我 国城市交通污染在整个城市空气污染中分担率比较高。以北京市为例，6 3 的 8 江苏大学工程硕士学位论文 c o 、7 3 的h c 、2 2 的n o x 主要来源于汽车尾气。随着我国经济的发展和城市 化、汽车化进程的加快，机动车在今后相当长的时间内将保持快速增长。因此， 如果没有科学高效的机动车污染排放控制体系，机动车的污染排放还将持续快速 增加，这将会成为我国城市机动车发展战略必须面对的严峻挑战。 1 。3 2 汽车排放污染物的生成机理 汽车污染物的来源有三个方面：首先是排气管排出废气，其主要成分为c o 、 h c 、n o ；以及s 0 2 、铅化合物和炭烟等，称为排气污染物；其次是曲轴箱窜气， 即从活塞与气缸之间漏出，再由曲轴箱经排气管排出的可燃气体，其主要成分是 h c ，称为曲轴箱排放物；第三是汽油蒸气，即从燃油系统蒸发的燃油蒸气，其 成分为h c ，成为燃油蒸发排放物。本研究是为了根据发动机的排放污染物数据 检测进行发动机的故障诊断，所以只检测排气污染物。 尾气排放污染占汽油机污染量的6 5 8 5 以上，其中有害气体成分为n o x 、 c o 、有机化合物( 主要是未燃和部分燃烧的h c ) ，这些有害气体的排放量与发 动机的工作状态密切相关。在汽油发动机中，这些排放物的生成机理如下p j ： ( 1 ) h c 的生成机理 h c 是指尾气中所包含的碳氢燃料的未完全燃烧部分。汽油由多种成分h c 所组成，如果完全燃烧将生成c 0 2 和h 2 0 。但是汽油的燃烧很复杂，任何发动 机都有可能发生不完全燃烧，在排气中都会有少量h c 存在，它的产生主要有以 下途径： 在压缩和燃烧过程中，由于气缸内压力升高，把一部分未燃混合气压入 与燃烧室相通的狭缝，由于燃烧时火焰不能进入狭缝，因此不能完全燃烧。在膨 胀和排气行程中，在气缸压力降低后，以未燃h c 的形式与废气混合，排出气缸 外，这是h c 的主要来源。 气缸壁的激冷效应，在火焰逼近气缸壁时，离气缸壁 存在于气缸壁，活塞顶以及气缸盖底面上的润滑油膜，有可能在燃烧前 后吸取或放出燃料中的碳氢成分。 发动机瞬态工况运行时，点火正时、空燃比以及废气再循环值，均不处 于最佳状态，有可能引起燃烧过程的不完善，使h c 排放增加。 排气中h c 的浓度，随着发动机燃烧室的形式、工况、混合气空燃比、燃烧 条件及燃料性质的改变而变化。 ( 2 ) c o 的生成机理 c o 的生成率主要受空燃比的影响，c o 是在火焰前锋后面高温局部缺氧的 条件下生成的，此时燃烧反应不可能完全生成c 0 2 ，有一部分生成c o 。理论上 当空燃比五 1 ，排气中不存在c o ，而只有过剩0 2 。实际上由于混合、分配不 均匀，在排气中还含有少量c o 。即使混合气混合的很均匀，由于燃烧后的温度 很高，已经生成的c 0 2 也会由于一小部分被分解而生成c o 和0 2 ，h 2 0 也会部 分被分解成0 2 和h 2 ，生成的h 2 也会使c 0 2 还原成c o ，所以，即使是在稀混合 气条件下，由于高温离解，也会产生一部分c o 。 影响混合气空燃比的因素，都会影响排放中c o 的浓度，这些因素主要有： 进气空气温度、大气压力、进气管真空度、怠速转速、发动机工况。 ( 3 ) n o x 的生成机理 n o 。是n o 、n 0 2 等氧化物的混合物，主要成分是n o 。它是在已燃高温气 体中通过n 和0 原子或分子之间的化学反应产生的，但它们达不到化学平衡， 燃气温度愈高，生成的n o x 愈多，进入膨胀行程后，燃气温度迅速下降，在某 一温度，n o 。在化学反应上“冻结 ，使得n o 。排出机外的浓度远远高于化学反 应平衡值。其中n o 的平衡浓度与气体的温度以及气体中氧气的浓度有关。 排放中n o ，的浓度主要与燃烧室的温度和氧气的浓度有关系。燃烧室温度 越高，氧气越充足，生成的n o x 量越多。所以，它主要受空燃比、点火提前角、 大气湿度、燃料成分、运行工况的影响。 研究表明，c o 、h c 的生成与燃料燃烧本身关系密切，而n o x 的来源与燃 烧产生的高温、高压、有氧条件环境、燃料成分均有关。 1 0 江苏大学工程硕+ 学位论文 1 4 l m 制度 在用车检测与维修工作的顺利开展依赖于行之有效的制度。美国最早以法律 的形式建立了在用车检测和维修制度，来源于英语i n s p e c t i o na n dm a i n t e n a n c e p r o g r a m m e ，其含义为检查维修制度，简称i m 制度。该制度在美国、加拿大主 要是针对在用车排放污染物控制的制度，通过立法以及科学的质量控制、质量保 证体系和管理机制，对在用车定期进行强制排放检测，发现排放超标车辆，责令 其限期进行修理，使在用车最大限度地发挥自身的排放净化能力。i m 制度的基 本流程如图1 1 所示【6 。 1 4 1i n 制度的主要作用 图1 1i u 制度的基本流程 f i g 1 1b a s i cf l o wo f u m i m 制度是通过对在用车进行定期( 年检) 和不定期( 路检) 的排放检测， 确定排放污染严重的车辆并诊断其产生的故障原因，然后采取相应的维护或修理 措施，监督检验车上原有污染控制装置工作是否正常，充分发挥汽车的自身排放 净化能力，使车辆最大限度的保持原制造厂的技术指标。实施i m 制度可以促进 车辆的正常维护，使得在整个车辆使用寿命期中排放控制系统始终能够保持良好 的技术状态，因此，i m 制度是目前国际上公认的在用车排放治理最有效、最快 速、最经济、最合理的措施，主要表现在： ( 1 ) 根据国外经验，占汽车总数1 0 。1 5 的高排放在用车排出的污染物占 机动车污染物排放总量的5 0 ，而这些车辆中绝大多数是由于没有进行良好的维 护造成的，i m 制度正是着眼于治理这部分高排污车辆的排放。因此它可以使在 1 1 基于神经网络的电控发动机故障诊断应用研究 用车总排放量减少5 0 以上，这是目前任何一种所谓的净化器所望尘莫及的。 ( 2 ) i m 制度治理在用车排放使在用车发挥自身的净化能力，并结合二级 维护工艺进行，无需进行大量匹配研究，因此是最快速、最实效的方法。 ( 3 ) 随着汽车技术水平不断提高，各种新型车不断出现，需根据生产厂家 的要求，制定不同的i m 检测方法与维修工艺。因此i m 制度治理汽车排放是不 会过时的，它是非常有效、及时的措施。 ( 4 ) i m 制度的检测法规中，根据不同车型制定不同的排放限值，制定不 同的工况测试方法，对控制在用车排放和减少在用车总的排放量比目前怠速法和 双怠速法好的多，因此，特别对我国而言是一种非常有效的控制在用车排放的制 度。 ( 5 ) i m 制度主要是利用目前现有的检测设施和维护体制进行治理在用车 排放，因此投资少。不像采用净化器那样，用户增加费用大，净化效果又不好。 ( 6 ) i m 制度的管理体制中，十分重要的就是i m 检测站与i m 管理部门 联网，定期向公众报告车主参与i m 制度的情况及i m 制度对清洁城市大气的贡 献，使车主直接了解、参与i m 制度，从而减少在用车的污染物的排放量。 1 4 2 i m 制度主要内容及要求 我国的在用车维护制度是根据汽车的安全性、动力性、经济性、可靠性和寿 命来强制维护检测的，因此它的维护周期不一定与排放控制要求吻合，同时维护 和检测的内容比i m 制度广泛得多，但是其中很多内容与控制汽车排污的维护内 容是一致的，例如点火系统维护、燃油系统维护、配气系统维护、e g r 和p c v 阀的检测等。 国外i m 制度涉及的内容有所不同，欧洲、日本的汽车检n 维修体系包括 汽车安全性和排放，实施方式与我国汽车年检相似。美国、加拿大的i m 制度只 是针对汽车排放的检n 维修制度，是一套独立的体系，制定了相应的法律、法 规，例如美国的清洁空气法明确规定在用车实施i m 制度控制污染物排放。 此外，还有详细的i m 制度的技术法规和标准，明确了i m 制度的各项技术内容。 i m 制度的实施由各州政府负责，环保局只是审查州执行计划，采用特定的模型 评价各州的执行计划是否能取得预期的效果。如美国加州法规条例中规定了加州 江苏大学工程硕士学位论文 汽车维修管理局负责实施在用车的排放检n 维修工作。 无论是针对排放的i m 制度，还是针对汽车行驶性能的i m 制度，基木上包 含2 部分内容：其一是管理支持，包括法律法规依据、质量控制和质量保证体系 以及宣传教育等；其二是技术支持，包括检测方法、维修诊断规范、检n 诊断 维修设备供应、数据自动传输及人员的培训。 i m 制度是一项十分严格而完善的制度，通常实施i m 制度应满足以下基本 要求。 ( 1 ) 立法。立法是实施i m 制度的根本保障，通过立法能够明确：在用车 排放治理的主管部门；建立在用车的i m 管理体制；确定检测标准、方法和应采 用的检测设备；制定科学合理的在用车排放控制质量保证期；规定检测站、维修 站的认证条件；规定在用车必须进行定期检测、强制维护、明确车主、检测站和 维修站的责任、义务，以及与机动车辆排放治理有关的处罚条款等。 ( 2 ) 建立检测、维修和监督评价的管理体系。 ( 3 ) 建立完善的i m 网络。 ( 4 ) 人员培训。对从事汽车排放治理的检测、维修及监督评价体系的人员 必须经过严格的培训，并考核合格，取得资格证书后方可上岗。 ( 5 ) 主管部门对检测、维修企业和其所使用的检测设备进行资格认定。 ( 6 ) 建立完善的质量保证体系。 1 5 本文研究的意义及主要内容 从上世纪6 0 年代起，世界汽车的保有量剧增，1 9 9 6 年世界汽车的保有量已 达到7 1 亿辆，目前世界年产汽车6 千多万辆，且世界汽车保有量平均年增长率 约为3 ；我国汽车工业近几十年来有了长足的发展，截至2 0 0 7 年3 月，全国汽 车保有量超过1 4 亿辆。随着汽车保有量的增加，消耗了大量能源，加剧了能源 危机，发动机燃烧后排出的尾气严重污染了大气环境。据统计，一辆技术状况良 好的汽车在运行中，每天向大气中排放3 k g 左右的c o ，0 2 加4 k g 的h c 和 0 0 5 加1 5 k g 的n o x 。若汽车的技术状况不良，其污染物的排放量将会比技术状 况良好的汽车高出两倍多，所以尾气排放不达标的汽车严重污染着大气。 根据我国大气污染防治法的规定：汽车维修单位应当按照防治大气污染 基于神经网络的电控发动机故障诊断应用研究 的要求和国家有关规范进行维修，使在用车达到规定的污染物排放标准；同时， 汽车维修单位要严格执行国家制定的机动车排放污染防治技术政策，使在用 车排放控制应以强化执行检查维护制度为主，加强对在用车排放性能进行检测， 严禁排放不达标车辆上路，并责令其维修保养，从而保证在用车排放处于正常状 态。今后，随着机动车保有量增加，我国将执行更加严格的在用车检查维护管 理制度。 现代汽车的微机控制系统都具有故障自诊断功能，当系统出现故障时，仪表 板上指示灯闪亮，同时电脑e c u 将故障信息储存。通过一定的程序可将故障码 从电脑e c u 中调出，查阅故障码的含义，就能迅速准确地确定故障的性质和部 位，有针对地去检查有关部件、元件、线路，将故障排除。因此，调取故障码诊 断电控汽车的故障是检修现代汽车的基本方法。 当电控汽车正常运行时，微机控制系统的输入、输出信号的电压值都有一定 的变化范围。当某一电路信号的电压值超出了规定范围或送入微机不能识别的信 号，并且这一信号在一段时间内不会消失时，微机便判断这一部分信号电路有故 障，并把这一故障以代码形式存入其内部的随机存储器r a m 中，同时点亮仪表 板上的故障指示灯，这就是微机故障自诊断系统的基本原理。 由上述基本原理可知，自诊断系统一般只能检测电控系统的电路信号，并且 只能检测信号的范围，并不能检测传感器特性的变化。例如线性节气门位置传感 器要输出与节起门开度成比例的电压信号，控制系统根据其输入的电压信号来判 断节气门的开度即负荷的大小，从而决定喷油量等其他控制。如果传感器的特性 发生了变化，传感器输出的电压信号虽然在规定的范围内，但并不与节气门的开 度成规定的比例变化，这时就会出现发动机工作不良，而故障指示灯却并不亮， 当然也不会有故障码。事实上，各种传感器出现的例如工作不稳定、偏差严重等 故障是无法靠这项功能检测出来的，因此，在诊断故障时不能完全依赖此项功能， 而是把它作分析故障时的参考。同时，上述方法只能对汽车的一般故障或电控系 统的大致范围进行提示，因为一个故障码的出现，可能是因为某一元件的故障引 起，也可能是由于该元件的配线、电脑本身的故障所造成，也可能是由于其他有 关系统的故障所引起。最终诊断与排除故障，还必须通过相关仪器读取有关资料