CN101251441B - 汽车发动机状态在线监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车发动机状态在线监测方法及系统。通过分析发动机排气系统内排气波动的形成和传播，研究排气波动信号，例如排气压力波动信号与发动机运行之间的关系；在记录和分析排气系统的波动的基础上，得出一种采用极少的检测项目便能够准确地实现汽车发动机的在线监测的汽车发动机状态在线监测方法及系统。系统能以较少的检测量获取较全面的发动机工况，检测和诊断汽车发动机的故障，从而实现汽车发动机的在线监测。该智能波动检测系统可以作为发动机优化控制的有力工具，在内燃机的故障诊断、优化控制和汽车发动机的噪音控制方面有长远的应用前景。

Description

汽车发动机状态在线监测方法及系统 

(一)技术领域：

本发明涉及一种发动机状态监测方法及系统，特别涉及一种汽车发动机状态在线监测方法及系统。 

(二)背景技术：

汽车发动机是一个十分复杂的机、电、液系统，由两大机构(曲柄连杆机构、配气机构)和五大系统(燃料供给系、冷却系、润滑系、点火系、启动系)组成，其故障也是种类繁多，故障现象与原因之间的关系也是纷繁复杂，可能是一对多、多对一或者多对多的关系。不同的故障以不同的方式表现出来，因此，选择什么样的检测对象，检测哪些参量，以及如何进行信号分析与数据处理是状态监测和故障诊断要解决的主要问题。 

传统的发动机性能检测是对发动机各系统的工作状态，如点火、喷油、电控系统和传感元件以及进排气系统和机械工作状态等的静态和动态参数进行分析，为发动机状态判断和故障诊断提供科学依据。 

随着汽车的普及，汽车电子技术的发展，利用电子设备实时监测汽车发动机的工作状态是一个必然趋势。因为汽车发动机工作状况的好坏直接关系到发动机的效率以及排气的污染程度问题；而且及时地监测发动机发生故障前的工况对发动机的合理保养维护乃至汽车安全行驶都有重要的意义。 

目前的发动机综合性能测试的测试点和监测量，一般选取缸体(缸盖)振动、高压油管压力波、汽缸压力和排气成分等，前人在这些方面做了不少研究也取得了不少成果。但是由于传感器安装麻烦，工作环境恶劣，系统通用性差等原因，难以获得实际的应用。同时由于现有发动机的检测、诊断系统，其信号源主要取自发动机起动过程参数、点火波形、进气歧管真空度波形、发动机转速、缸体振动、电控喷油过程参数以及排气成分等等，致使发动机综合性能测试需检测的参数多达70多项，使用传感器较多，系统比较庞大复杂，需配备计算机及其相关测评软件，只有专业的汽车检测站或大修理厂才使用，不适合于安装在汽车上进行在线监测。为了实现发动机的在线监测，如何以较少的检测项目实现准确的发动机监测和故障诊断是实现高效车载系统首先需要解决的问题。 

(三)发明内容：

本发明是为了解决现有的汽车发动机检测方法中测试点和监测量过多、传感器安装困难、无法实现车载在线监控等问题。通过分析发动机排气系统内排气波动的形成和传播，研究排气波动信号，例如排气压力波动信号与发动机运行之间的关系；在记录和分析排气系统的波动的基础上，得出一种采用极少的检测项目便能够准确地实现汽车发动机的在线监测的汽车发动机状态在线监测方法及系统。 

本发明所公开的汽车发动机状态在线监测方法，通过对发动机在正常状态的排气波动信号进行频谱成分处理、分离或提取出特征量作为判定参数记录在计算机中，用于建立一个正常状态的排气压力波动信号频谱库。在汽车运行时，在线采集发动机在工作过程中的排气波动信号，并将所采集到信号进行频谱成分处理、分离或提取出特征量作为特征参数输入计算机进行模式识别，即将特征参数与排气压力波动信号频谱库中的发动机正常状态的排气波动信号的判定参数进行比较。当特征参数与判定参数相符时，判定发动机工作正常；当特征参数与判定参数不相符时，判定发动机工作不正常。 

作为改进，本发明还包括对应于不同故障状态的发动机排气压力波动信号频谱库。预先对发动机在不同故障下的排气波动信号进频谱成分处理、分离或提取出特征量作为不同故障状态的判定参数，记录在故障状态的发动机排气压力波动信号频谱库中。当判定发动机工作不正常时，启动复杂模式识别过程，即将特征参数与排气压力波动信号频谱库中预存的不同故障下的判定参数进行逐个比较，当特征参数与排气压力波动信号频谱库中存储的某一故障的判定参数相符时，则判定发动机出现该故障。当特征参数与排气压力波动信号频谱库中存储的故障的判定参数均不相符时，则将该排气波动信号记录到计算机中以备排气压力波动信号频谱库扩展时用。 

管道气体的气体流的动力学性能可以直接地反映出流体经过的管道或者腔体的状况。发动机排出的废气的动力学特性受到混合气体燃烧过程及其流经的腔体和排气管道的边界条件的影响，它能直接反映发动机的喷油器、排气阀、火花塞等附件的工作状况。利用排气气流的动态特性去分析产生源的运动和故障，不仅信号的采集更为方便，而且能够以较少的检测量便可获取较为全面的发动机工作状况，从而使得发动机的监测从技术上更容易实现车载在线监控。 

合理选取信号源，经过一定的信号处理，分离或提取特征量，是实现准确的发动机故障诊断的关键。排气波动信号源取自汽车排气管道的内侧，可以大大减小了信号采集装置的安装难度、降低了对信号采集装置的要求。但是排气管道的前端距离发动机较近、温度相对较高、容易造成信号的干扰和器件损坏，因而排气波动信号源最好取自汽车排气管道内侧的中部或排气管道内侧的末端。 

汽车发动机的动力学特性可以由温度、或压力、或结合排气成分方便地提取。由于压力的提取相对容易，同时相比其它检测方式成本较低，因而作为优选。所述排气波动信号为排气压力波，该排气压力波包括随着发 动机工作状态而改变的频率和幅值。 

根据上述方法所设计的汽车发动机状态在线监测系统，包括如下模块构成： 

数据采集模块：包括用于发动机在工作过程中的采集排气波动信号的传感器； 

数据处理模块：与数据采集模块相连，对数据采集模块输出的信号进行频谱成分处理，分离或提取特征量作为特征参数或判定参数，输出到模式识别模块； 

排气压力波动信号频谱库：包括发动机在正常状态的排气波动频谱成分的判定参数； 

模式识别模块：分别与排气压力波动信号频谱库和数据处理模块的信号输出端相连，通过比较数据处理模块所得的特征参数和排气压力波动信号频谱库的判定参数，得出判定结果； 

控制模块：控制协调整个系统工作，并负责输出判定结果。 

作为改进，所述系统的模式识别模块还包括故障检测模块，与之对应的排气压力波动信号频谱库内还包括发动机在不同故障状态的排气波动信号的判定参数；故障检测模块用于判断发动机在故障状态的故障类型。 

作为进一步改进，所述系统的模式识别模块的输出端用于存储无法检测出故障类型的排气波动信号的存储模块，将无法检测的信号留待后期进行进一步的信号处理和分析，以作为系统升级之用。存储模块的输出端可与控制模块相连，将无法检测的信号直接输入控制系统中；或悬空，留待后期系统升级时进行信号提取。 

所述排气波动气体流的动力学性通过压力传感器进行采集。为了能够有效的采集发动机排气波动信号，所述传感器位于汽车排气管道的内侧。为进一步降低对传感器的要求，降低传感器安装和维护难度，使得选取的检测点能够获得更为准确的监测量，所述传感器设置于汽车排气管道内侧的中部或排气管道内侧的末端。排气管道的内侧设有消噪器，如为了提高传感器的检测能力，可将压力传感器位于消噪器之前；如为了降低成本、方便传感器的安装，可将压力传感器位于消噪器之后。 

所述压力传感器采集的排气波动信号为排气压力波，该排气压力波包括随着发动机工作状态在改变的频率和幅值。 

本发明汽车发动机状态在线监测系统所述控制模块的输出端还接有报警装置和/或扩展接口。报警装置在出现紧急故障时可以自动报警并且停车，在出现严重故障时报警，在出现需关注故障时提示并记录相关参数。 

所述扩展接口包括使系统与汽车内部控制系统相连的人机接口和/或与远程诊断中心通讯的总线接口。 

本发明与现有技术相比，其优点为： 

1、气体流的动力学性能可以方便地提取，相比其它检测方式更容易实现，成本也更低； 

2、传感器的安装更方便，同时有效解决了现有技术中传感器所处工 作环境恶劣而造成的系统稳定性差等问题； 

3、可以以较少的检测量获取较全面的发动机工况，紧凑的系统设计易于实现为车载系统； 

4、系统还通过总线技术与发动机集中控制器等其它汽车电子控制系统互连，成为汽车内部网的一个单元； 

5、系统不仅可以作为发动机优化控制的有力工具，还可适通过软件移植，用于其它类型的发动机和不同应用场合； 

6、系统接口类型可按需求设置，因而使得系统的通用性更强，在内燃机的故障诊断、优化控制和汽车发动机的噪音控制方面有长远的应用前景。 

(四)附图说明：

图1为本发明一种实施实施方式的系统组成图； 

图2为一种发动机正常状态的排气压力波示意图； 

图3为一种发动机3#汽缸缺火故障状态的排气压力波示意图； 

图4为一种发动机在运行过程中采集到的排气压力波示意图。 

(五)具体实施方式：

如图1所示为本发明汽车发动机状态在线监测系统一种实施实施方式的系统组成图。系统包括数据采集模块、数据处理模块、排气压力波动频谱库、模式识别模块、故障检测模块以及控制模块。 

下面对本发明汽车发动机状态在线监测系统一种实施实施方式的系统组成及工作原理进行详细说明： 

数据采集模块是一个由位于汽车排气管道的内侧的压力传感器。该压力传感器如位于消噪器和催化转换器的前端，可以灵敏的捕捉到压力波动的信号，有效提高系统的检测能力；如压力传感器位于消噪器和催化转换器等部件之后，可以方便安装，降低成本。本系统采取压力传感器位于消噪器和催化转换器之间的方式，这样即可以保证压力传感器的监测能力，使得系统能够判别较小的故障，同时对传感器的要求也相对较低，因而使得成本也相应降低、安装也相应容易。压力传感器将采集到的将排气压力波的初始信号转化为易于处理的信号输出到数据处理模块中进行信号处理。 

数据处理模块对数据采集模块送入信号的频谱成分处理，分离或提取出特征量作为判定参数或特征参数。 

在系统建立之初，预先在嵌入式系统中建立一个排气压力波动频谱库。其具体步骤通过分析发动机排气系统内压力波的形成和传播，研究排气压力波动频谱与发动机运行之间的关系。首先通过压力传感器采集发动机废气的排气压力波，通过数据采集模块的分析和信号处理将排气系统在正常状态的排气压力波动频谱以及发动机在气缸的失火、排气阀磨损等故 障状态的排气压力波动频谱，并将排气压力波动频谱输入数据处理模块。数据处理模块对频谱进行信号处理、分离或提取特征量作为判定参数后记录在嵌入式系统中。该判定参数包括发动机在正常状态和故障状态下的判定参数故障状态下的判定参数的判定参数。排气压力波动频谱库内的判定参数的建立的过程是一个逐渐积累过程，根据故障的严重程度，预先采集的频谱首先要包括发动机个别气缸失火，个别排气阀的工作序列和磨损等发动机常见故障时的判定参数。随着汽车的运行，逐渐增加判定参数，以扩充系统可判别的故障的类型。 

当汽车运行时，在线采集发动机在工作过程中的排气压力波，并将所采集到排气压力波在数据采集模块和数据处理模块进行信号处理，分离或提取出特征参数后输入模式识别模块进行模式识别。所述模式识别过程即通过比较特征参数与判定参数，判定发动机的工况。它包括简单模式识别过程和复杂模式识别过程。简单模式识别过程是判定发动机正常过不正常的过程，其具体步骤是将排气压力波的特征参数与排气压力波动频谱库中发动机正常状态的排气压力波动频谱的判定参数进行比较。通过比较，发现特征参数与判定参数不相符时，系统判定发动机工作不正常。接着将排气压力波送入到故障检测模块进行故障类型的判别，并同时启动复杂模式识别过程。复杂模式识别过程是判定发动机存在何种故障的过程，其具体步骤是将排气压力波进一步进行信号处理、分离或提取出特征量作为特征参数，并将再次处理后的特征参数与排气压力波动频谱库中预存的气缸的失火和排气阀磨损两种故障状态的判定参数进行逐个比较。当特征参数与排气压力波动频谱库中存储的某一故障的判定参数相符时，则判定发动机出现该故障；当特征参数与排气压力波动频谱库中存储的任何故障的判定参数均不相符时，则将该排气压力波记录到嵌入式系统的存储模块中，留待后期的进一步分析研究，以用于扩充排气压力波动频谱库中的故障类型。所述存储模块的输出端可以悬空或与控制模块的输出端相连。本实施方式的存储模块的输出端悬空，通过定期对存储模块中存储的无法判定的排气压力波进行进一步分析，分离或提取出判定参数后植入排气压力波动频谱库，使得排气压力波动频谱库所存储的可判定的故障类型逐步增多。 

数据处理模块的输出端还与控制模块相连。控制协调整个系统工作，并负责输出判定结果。系统的控制模块的输出端还接有报警装置和扩展接口。报警装置在出现紧急故障时可以自动报警并且停车，在出现严重故障时报警，在出现需关注故障时提示并记录相关参数。扩展接口包括人机接口和总线接口，使系统与汽车内部控制系统和远程诊断中心通讯相连，使之成为汽车内部网的一个单元。 

结合上述工作原理，下面对本发明汽车发动机状态在线监测系统一种实施实施方式的工作过程进行简要说明： 

本实施方式的系统建立初期，压力传感器分别采集发动机正常状态的 排气压力波，如图2，和各个汽缸缺火故障状态的排气压力波，如图3，用于建立排气压力波动频谱库。首先，将上述两排气压力波分别送入到数据采集模块中进行信号处理，将压力传感器采集到的初始压力电信号其转化为易于处理的电信号输出到数据处理模块中。其次，数据处理模块对信号的频谱成分进行处理，分离出特征量作为判定参数后存入嵌入式系统中，建立一个包含有发动机正常状态的排气压力波动频谱和各个汽缸缺火故障状态的排气压力波动频谱的排气压力波动频谱库。 

当发动机运行时，压力传感器采集发动机在运行过程中的排气压力波，如图4。首先，将排气压力波送入到数据采集模块中进行信号处理，将压力传感器采集到的初始压力电信号其转化为易于处理的电信号输出到数据处理模块中。其次，信号在数据处理模块中进行频谱成分处理，通过信号变换和采样后，提取出特征量作为特征参数，送入模式识别模块和故障检测模块。再次，通过比较特征参数和排气波动压力波动频谱库中的正常状态的判定参数，模式识别模块发现特征参数和判定参数不相符，因此判定发动机存在故障。此时启动复杂模式识别过程，即对运行过程中采集到的排气压力波进行进一步的信号频谱成分处理，提取出故障状态特征参数。然后，在故障检测模块中，将故障状态特征参数与排气压力波动频谱库中各个汽缸缺火故障状态的特征参数进行逐个比较，发现故障状态特征参数与3#汽缸缺火故障相符，此时判定发动机3#汽缸存在缺火故障。最后，将判定结果输出到控制模块中，该控制模块的输出端接有的报警装置发出报警，并通过与发动机控制模块的输出端接有的人机接口与汽车内部的控制系统，控制汽车停车。 

上述实施方式并非本发明汽车发动机状态在线监测系统的穷举。本发明还可以结合其它的排气检测传感器(比如氧传感器等)，通过检测排气成分的波动来检测发动机的燃烧情况，形成一个综合的发动机智能监控系统。 

Claims (11)

1.汽车发动机状态在线监测方法，其步骤包括如下：

通过对发动机在正常状态的排气波动信号进行频谱成分处理、分离或提取出特征量作为判定参数记录在计算机中，用于建立一个正常状态下的排气压力波动信号频谱库；

预先对发动机在不同故障状态的排气波动信号进行频谱成分处理、分离或提取出特征量作为不同故障状态的判定参数，记录在发动机故障时的排气压力波动信号频谱库中；

在汽车运行时，在线采集发动机在工作过程中的排气波动信号，并将所采集到信号进行频谱成分处理、分离或提取出特征量作为特征参数输入计算机进行模式识别，即将特征参数与排气压力波动信号频谱库中的发动机正常状态的排气波动信号的判定参数进行比较；当特征参数与判定参数相符时，判定发动机工作正常；当特征参数与判定参数不相符时，判定发动机工作不正常；

当判定发动机工作不正常时，启动复杂模式识别过程，即将特征参数与发动机故障状态的排气压力波动信号频谱库中预存的不同故障状态的判定参数进行逐个比较，当特征参数与排气压力波动信号频谱库中存储的某一故障的判定参数相符时，则判定发动机出现该故障；

其特征在于还包括有如下步骤：

当特征参数与发动机故障状态时的排气压力波动信号频谱库中存储的故障的判定参数均不相符时，则将该排气波动信号记录到计算机中以备排气压力波动信号频谱库扩展时用。

2.根据权利要求1所述的汽车发动机状态在线监测方法，其特征在于：所述排气波动信号取自汽车排气管道的内侧。

3.根据权利要求2所述的汽车发动机状态在线监测方法，其特征在于：所述排气波动信号取自汽车排气管道内侧的中部或排气管道内侧的末端。

4.根据权利要求1所述的汽车发动机状态在线监测方法，其特征在于：所述排气波动信号为排气压力波。

5.汽车发动机状态在线监测系统，包括

数据采集模块：包括用于发动机在工作过程中的采集排气波动信号的传感器；

数据处理模块：与数据采集模块相连，对数据采集模块输出信号进行频谱成分处理，分离或提取特征量作为特征参数或判定参数，输出到模式识别模块；

排气压力波动信号频谱库：包括发动机在正常状态的排气波动信号频谱成分的判定参数，以及发动机在不同故障状态的排气波动信号的判定参数；

模式识别模块：分别与排气压力波动信号频谱库和数据处理模块的信号输出端相连，通过比较特征参数和排气压力波动信号频谱库的判定参数，得出判定结果；该模式识别模块中还包括故障检测模块，故障检测模块与排气压力波动信号频谱库内的发动机在不同故障状态的排气波动信号的判定参数相比较，用于判断发动机的故障类型；

控制模块：控制协调整个系统工作，并负责输出判定结果；

其特征在于：

所述模式识别模块的输出端还接有用于存储无法检测出故障类型的排气波动信号数据的存储模块。

6.根据权利要求5所述的汽车发动机状态在线监测系统，其特征在于：所述传感器为压力传感器。

7.根据权利要求5或6所述的汽车发动机状态在线监测系统，其特征在于：所述传感器位于汽车排气管道的内侧。

8.根据权利要求7所述的汽车发动机状态在线监测系统，其特征在于：所述传感器设置于汽车排气管道内侧的中部或排气管道内侧的末端，该排气管道的内侧设有消噪器，压力传感器位于消噪器之前或之后。

9.根据权利要求6所述的汽车发动机状态在线监测系统，其特征在于：所述压力传感器采集的信号为排气压力波。

10.根据权利要求5所述的汽车发动机状态在线监测系统，其特征在于：所述控制模块的输出端还接有报警装置和/或扩展接口。

11.根据权利要求10所述的汽车发动机状态在线监测系统，其特征在于：所述扩展接口包括使系统与汽车内部控制系统相连的人机接口和/或与远程诊断中心通讯的总线接口。 

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