汽车发动机在线监测与故障诊断系统设计

汽车发动机在线监测与故障诊断系统设计

张华

安徽江淮汽车集团股份有限公司安徽合肥230001

摘要：该系统以发动机的转速、机油压力、机油温度、冷却水温度、油耗及振动等参数作为监测对象，通过对这些参数的自动监测和工况分析，开发了汽车发动机状态实时监测系统，为发动机的状态趋势分析和故障诊断提供了测试平台。

关键词：发动机；状态监测；数据采集；故障诊断

汽车发动机出现故障，维修保养费用较高，早期的维修还需要将发动机解体，由工人检测发动机内部进行故障判断。传统的破坏性维修方法已经不能适社会发展需求，如何利用先进的智能技术，监测发动机的运行状态，从而分析发动机故障部位和原因，并发出预警，是各国学者研究的重点。

一、系统结构与硬件设计

本系统由信号调理于系统、数据采集子系统、微型计算机以及激励装置组成。

1．信号调理系统。该于系统主要用于对各种信号进行预处理，即进行衰减、

滤波、放大、整形、运算和数字化等处理，再将采集的信号转换成标准信号后送入数据采集子系统。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～5V，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人数据采集卡；而对于弱模拟信号，如氧传感器，其幅值仅为O～1v，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30kV．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200A以上．无法直接测量，系统利用电流与互感器转换成o～5V的电压信号再进行测量。对于数字信号，如发动机方向信号等，经过整形处理后可通过I／()口直接送入数据采集卡。

对于喷油脉冲信号，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40V左右的电压峰值，对此系统利用屯阻分压器分压，再经处理后送入数据采集卡。

2.数据采集系统。在信号调理系统将发动机相关信号进行处理后，数据采集

系统将这些信号进行采集J{f=由计算机读取。本系统数据采集卡选择一块A-812PGH数据采集卡。

3.计算机系统。该系统主要用于处理和显示数据采集板传过来的信号，并对各种信号进行分析，进行故障检测与诊断。该子系统将处理后的信号或判断结果记录下来并进行显示。记录和显示采用过程曲线显示与动态数值实时显示两种，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。激励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硅示出来，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卫便于榆铡，例如通过单缸断火来进行单缸功率的检查等。

二、状态监测系统

状态监测系统主要由传感器系统、信号处理系统和计算机系统组成。系统通过安装于发动机各测点的传感器获取发动机运行状态信号，由信号处理系统进行预处理，然后将处理后的稳定可靠的标准采集信号输入计算机系统进行采集。状态监测系统主要的监测参数：发动机的转速、机油压力、机油温度、冷却水温度、油耗及振动等。系统组成如图l所示。

1．传感器系统。传感器系统由CZl4型压电加速度传感器、霍尔元件式转速传感器、Prrl00铂热电阻传感器、OEMO．0．5MPa型电阻应变式压力传感器和CYG304投入式液位传感器组成。CZl4型压电加速度传感器安装在发动机缸盖上，利用发动机缸盖上缸压振动响应信号提取缸压特征量，测定工作过程故障特征．从而对发动机的动力性能进行监测。霍尔元件式转速传感器安装于飞轮壳上，当霍尔元件与粘贴在飞轮上的磁钢相对时，即产生电脉冲。水温、机油温度传感器采用原发动机的PTl00铂热电阻传感器，机油压力为OEMO一0．5MPa型电阻应变式压力传感器，燃油液位选用CYG304投入式液位传感器。

2.信号处理系统。信号处理系统对传感器系统测量到的信号进行放大、滤波、线性化、整形、电气隔离。在发动机监测系统中，振动信号经放大和低通滤波去除干扰信号后，得到发动机缸压振动响应信号，再经A，D转换后送人工控机处理。发动机试验过程中的机油压力经转换成电压信号并放大后，送到MD板的输入端进行采集，反应温度量的热电阻信号经过热电阻调理板后，再经隔离放大板，送到A／D板的输入端进行数据采集。系统采用AID和D／A都为12bit，系统的检测、控制精度均能满足发动机试验的要求，数据采集系统硬件框图如图2所示。

对于发动机的转速和油耗，不能由A／D转换直接得到。霍尔传感器测得的转速信号经隔离整形后接到工控机的输入端口，利用外部脉冲计数中断来计算发动机的转速，油耗则由工业控制机测出一定时间内燃油的消耗量，然后经计算得到。由工控机输出的控制信号都是数字信号，要驱动模拟执行器，数字信号要经过数模转换器，多路选择开关和采样保持器转换为模拟信号。对于数字信号控制的执行器，则由处理器输出接口直接控制执行器。

3.计算机系统。计算机系统采用嵌入式PC／104工业计算机作为控制核心，通过高速数据采集卡采集信号处理系统传来的信号，进行FFr频谱分析，一方面用于实时状态监测，另一方面用于故障诊断分析。状态监测和故障诊断包括以下几个方面：（1）实时监视：系统可对发动机的运行状态进行连续的数据采集，采集的数据经A／D转换器、微积分、数字滤波等信号处理后，以波形图方式动态

显示在屏幕上，操作人员可直观地了解发动机各个测点的运行状态。（2）报警：系统将采集的数据与报警标准进行比较，判断发动机是否处于正常状态，一旦发现某一通道的数据超标，就发出警报，并改变主界面示意图指示标号的颜色，提醒操作者发动机可能发生故障。（3）故障诊断：当发生报警后，系统对报警通道数据作频域变换，提取数据特征值，并做故障诊断。（4）故障预测：系统可根据当前己采集的数据分析其发展趋势，得出未来时刻该数据的可能变化，从而对发动机的寿命进行估计，并可预测在以后运行中可能发生的状态变化。（5）自学习功能：系统允许操作者通过人机对话用已确诊的故障数据对其标准故障库进行更新和补充，从而实现对汽车发动机故障库的不断完善，确保系统对该发动机故障诊断结果的准确性。（6）自动打印记录：系统根据需要，自动产生日记录，月记录。日记录用于记录发动机运行时各测点每小时振动烈度的平均值，月记录用于记录各测点每天振动烈度的平均值。系统保留日记录时间为一月，保留月记录时间为一年，保留时间一到，自动删除。当发动机出现异常情况时，自动打印报警事件、故障诊断结果和预测结果。

汽车发动机是一个精密而又复杂的系统，其故障诊断较为困难。在进行维修和维修前，首先应系统全面的掌握整个系统的结构、原理和电气线路，然后再找出每种故障可能的原因，逐一进行排除，直到最后确诊并修复。只有不断总结维修经验，提高技术水平，才能适应汽车技术日新月异的发展。

参考文献：

[1]罗健.论汽车电控发动机的故障及诊断.2014

[2]康奎.汽车电控发动机检测系统设计.2014

[3]韩多多.汽车发动机构造与维修.2014