CN109532489B - 一种基于数字化监测重型车辆发动机的监测系统和监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字化监测重型车辆发动机的监测系统，包括：信息采集单元，其设置在车内，用于采集发动机的工况信息；数据存储单元，用于存储所述信息采集单元采集的数据；处理单元，其设置在车辆操作室内，用于分析处理所述数据存储单元内的数据；警报单元，其设置在车辆仪表盘内，用于发出警报信息；控制单元，其用于控制车辆的运行状态，进行紧急停车。提供了一种基于数字化监测重型车辆发动机的监测系统，可实现对发动机的自动检测和故障预警。本发明还提供了一种基于数字化监测重型车辆发动机的监测方法，其能根据检测到的数据进行分析计算，并作出判断，发出预警，保障发动机的正常运行。

Description

一种基于数字化监测重型车辆发动机的监测系统和监测方法

技术领域

本发明涉及智能交通方面领域，尤其涉及一种基于数字化监测重型车辆发动机的监测系统和监测方法。

背景技术

随着车辆发动机电控系统功能越来越复杂，导致发动机工作异常的原因也越来越多，在车辆使用过程中，可能是人为操作、零部件失效、控制系统失效或者外部干扰等原因造成发动机突然熄火或者动力消失或运行抖动等现象。以前针对发生的故障原因调查，需要投入大量人力和物力，调集各方面专家并使用专用设备和复杂的试验工况，很难记录故障发生时的详细数据信息，存在复现困难、无法取证、监测周期长，普通人员无能力处理等弊端。

发动机的冷却液温度是发动机正常工作时的重要指标，冷却液温度过高或过低都会对发动机的使用寿命产生很大的影响。例如，冷却液温度过低时，会造成气缸进气温度过低、燃烧不正常、油耗增加、润滑不良等现象，从而加剧发动机机械零件磨损；冷却液温度过高时，会使发动机热负荷急剧增大，内部零件膨胀过度，正常工作的油膜间隙被破坏，易产生“活塞咬死”和“拉缸”等危害；同时，温度过高还会使润滑油稀释和产生酸质，加速发动机磨损。

发动机尾气排放检测也是如今发展节能环保社会的一个重要问题，监测发动机尾气的组分获取，典型的燃烧效率分析仪能够直接测量出尾气中的氧气和碳氧化合物的浓度也是目前人们比较关心的内容。

对于小型汽车，检测往往比较方便，出现问题时维修也会比较容易些。然而对于重型车辆来说，本身检测就很难，出现故障时故障维修就更难。

发明内容

本发明为解决目前的技术不足之处，提供了一种基于数字化监测重型车辆发动机的监测系统，可实现对发动机的自动检测和故障预警。

本发明还提供了一种基于数字化监测重型车辆发动机的监测方法，其能根据检测到的数据进行分析计算，并作出判断，发出预警，保障发动机的正常运行。

本发明的另一目的是对发动机的尾气进行成分和含量的分析，降低污染物排放量。

本发明提供的技术方案为：一种基于数字化监测重型车辆发动机的监测系统，包括：

信息采集单元，其设置在车内，用于采集发动机的工况信息；

数据存储单元，用于存储所述信息采集单元采集的数据；

处理单元，其设置在车辆操作室内，用于分析处理所述数据存储单元内的数据；

警报单元，其设置在车辆仪表盘内，用于发出警报信息；

控制单元，其用于控制车辆的运行状态，进行紧急停车。

优选的是，还包括：

分流管，其设置在发动机排气管，一端与所述排气管连通；

流量阀，其设置在所述分流管与所述排气管的连接处；

冷凝器，其入口端与所述分流管另一端连通；

气体分析仪，其入口端与所述冷凝器的出口端连通；

所述气体分析仪包括碳氧仪表、二氧化硫仪表、一氧化氮仪表和氧气仪表。

优选的是，还包括：

所述数据存储单元内预存有故障匹配数据和警戒数据。

优选的是，

所述工况信息包括发动机转速、车速、加速踏板开度、档位、发动机冷却液温度等。

一种基于数字化监测重型车辆发动机的监测方法，包括：

按照采样监测周期，获取发动机转速n、车速v、加速踏板开度K、及发动机温度T；

计算发动机工作状态评估系数f：

判断出现f≥10f₀时，警报单元发出警报指令；其中，f₀为标准评估系数，且满足：

其中，n₀为发动机额定转速，K₀为最大开度，v₀为额定转速时的车速。

优选的是，还包括：

步骤a、模糊PID控制流量阀的开度，使尾气在气体分析仪内的检测时间t₁>标准时间t₀；

步骤b、气体分析仪对尾气进行成分和含量的检测，并将信息传输给数据存储单元和处理单元；

步骤c、检测到尾气含量超过预设标准时，警报单元进行警报。

优选的是，

标准时间满足：

其中，κ是校正系数，w是发动机排气流量，L是分流管的长度，R是分流管的半径，g是重力加速度。

优选的是，

尾气成分检测包括二氧化硫检测、一氧化氮检测。

优选的是，所述步骤a为：

模糊控制器和PID控制器串联；

模糊控制器输入第i个监测周期发动机排气流量和冷凝器的功率，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数；

PID控制器对第i个监测周期时流量阀的开度进行误差补偿控制。

优选的是，

发动机排气流量Q的论域为[100，1000]，对应的定量化因子为1；第i个监测周期冷凝器的功率W的论域为[100,200]，对应的定量化因子为1；

输出比例系数的论域为[-1,1]，对应的定量化因子为0.05；比例积分系数的论域为[-1,1]，对应的定量化因子为0.01；微分系数论域为[-1,1]，对应的定量化因子为0.0001

本发明所述的有益效果：在车辆运行过程中，实时获取发动机的工况信息，并根据其工况信息计算工作状态评估系数，进而根据评估系数的数值判断发动机的工作状态是否正常；同时利用模糊PID控制器智能控制排气处的流量阀开度，使尾气能够在分流管及气体分析仪内能够停留足够时间，保证测量的精准；对发动机的尾气进行成分和含量的分析，监测尾气排放是否合格，及时发出警报，降低污染物的排放

具体实施方式

下面对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明的一种基于数字化监测重型车辆发动机的监测系统，包括：信息采集单元、信息传输单元、数据存储单元、处理单元、警报单元、控制单元。信息采集单元设置在车内，用于采集发动机的工况信息；工况信息包括发动机转速、车速、加速踏板开度、档位、发动机冷却液温度等。信息传输单元用于个单元间的数据传输。数据存储单元，用于存储所述信息采集单元采集的数据。处理单元设置在车辆操作室内，用于分析处理所述数据存储单元内的数据；警报单元，其设置在车辆仪表盘内，用于发出警报信息(在仪表盘内显示并发出警报声)；控制单元用于控制车辆的运行状态，进行紧急停车。

在汽车的发动机排气管处设置有分流管，分流管的一端与所述排气管侧壁连通，并且在连接处设置有流量阀，可以将发动机的尾气部分引入至分流管内，同时也可以控制流量分流的比例。在分流管的出口处设置有冷凝器，分流管内引流的高温尾气进入冷凝器换热除湿气，以免影响尾气成分的测试分析，以及对后面测试仪器的高温损坏。

在冷凝器的出口处连通设置有气体分析仪。气体分析仪包括碳氧仪表、二氧化硫仪表、一氧化氮仪表和氧气仪表。可以对发动机排出的尾气进行成分和含量的分析。

在数据存储单元内预存有故障匹配数据和警戒数据。当检测分析到发动机的工作性能参数与故障数据相匹配时，可以发出警报信息。同时，当性能降低或者排出的尾气成分及含量明显超标时，也可发出警报信息。在保障驾驶安全的同时，降低了污染物的排放，驾驶员可以及时地进行车辆性能的检查。

提供了一种基于数字化监测重型车辆发动机的监测方法，包括：

按照采样监测周期，获取发动机的转速n(单位为r/min)、车速v(单位为km/h)、加速踏板开度K、及发动机温度T(单位为F)；

计算发动机工作状态评估系数f：

判断出现f≥10f₀时，则表明发动机的功能已经出现故障，发生偏离，警报单元发出警报指令；f＜10f₀时，则表示发动机运行正常。其中，f₀为标准评估系数，且满足：

其中，n₀为发动机额定转速，单位为r/min；K₀为加速踏板最大开度，v₀为额定转速时的理想车速，单位为km/h，此为车辆在光滑地面，发动机为额定转速时的车速、加速踏板最大开度。f₀为理想状态下发动机工作使的评估系数，此数据预存在数据存储单元。

本发明中还包括对于尾气成分和含量的分析，具体包括以下步骤：

步骤a、模糊PID控制流量阀的开度，使尾气在气体分析仪内的检测时间t₁>标准时间t₀；

步骤b、气体分析仪对尾气进行成分和含量的检测，并将信息传输给数据存储单元和处理单元；

步骤c、检测到尾气含量超过预设标准(按照国家规定的汽车尾气排放标准)时，警报单元进行警报。

所述步骤a中，标准时间满足：

其中，κ是校正系数，经验值为0.712m⁴·s^-2，w是发动机排气流量，单位为m³/s，L是分流管的长度，单位为cm，R是分流管的半径，单位为cm，g是重力加速度。

尾气成分检测包括二氧化硫检测、一氧化氮检测。

所述步骤a为：

模糊控制器和PID控制器串联；

模糊控制器输入第i个监测周期发动机排气流量和冷凝器的功率，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数；

PID控制器对第i个监测周期时流量阀的开度进行误差补偿控制。

发动机排气流量Q_i的论域为[100，1000]，对应的定量化因子为1；第i个监测周期冷凝器的功率W_i的论域为[100,200]，对应的定量化因子为1；

输出比例系数的论域为[-1,1]，对应的定量化因子为0.05；比例积分系数的论域为[-1,1]，对应的定量化因子为0.01；微分系数论域为[-1,1]，对应的定量化因子为0.0001。

在另一实施例中，所述步骤1中模糊PID控制器为模糊控制器和PID控制器串联；主板对第i个监测周期发动机排气流量Q_i和冷凝器的功率W_i控制过程如下：

模糊控制器输入发动机排气流量和冷凝器的功率，输出PID的比例系数K_p、比例积分系数K_i和微分系数K_d；PID控制器对第i个监测周期的流量阀的开度K(t)进行误差补偿控制。

将模糊控制器的输入第i个监测周期的发动机排气流量Q_i和冷凝器的功率W_i和输出比例系数K_p、比例积分系数K_i和微分系数K_d进行模糊处理。在无控制时，第i个监测周期发动机排气流量Q_i的模糊集上的论域为[100，1000]，定量化因子为1；冷凝器的功率W_i的模糊集上的论域为[100，200]，设定量化因子都为1；输出K_p的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为0.05；输出K_i的模糊论域为[-1，1]，定量化因子为0.01；输出K_d的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为0.0001。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，最终将输入第i个监测周期发动机排气流量Q_i和冷凝器的功率W_i分为9个等级，模糊集均为{NVB，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PVB}，隶属度函数均采用三角形隶属函数；所述比例系数K_p、比例积分系数K_i和微分系数K_d分为9个等级，模糊集为{NVB，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PVB}，隶属度函数均采用三角形隶属函。其中，所述比例系数K_p、比例积分系数K_i和微分系数K_d的模糊控制规则详见表1-3。

表1比例系数K_p的模糊控制表

表2比例积分系数K_i模糊控制表

表3微分系数K_d的模糊控制表

根据模糊控制器的输入第i个监测周期的发动机排气流量Q_i和冷凝器的功率W_i，用模糊控制规则表1、2和3得出模糊控制器的输出量，输出量用高度法进行解模糊化，即PID的比例系数K_p、比例积分系数K_i和微分系数K_d的三个系数。K_p、K_i、K_d分别为PID控制的比例、比例积分和微分的初始参数，经实验反复确定，初始参数的取值分别为0.78、0.51、0.0008；

模糊PID控制器将第i个监测周期的发动机排气流量Q_i和冷凝器的功率W_i输入模糊控制器，模糊控制器按照模糊控制规则输出PID控制器的三个系数K_p、K_i、K_d；PID控制器输出流量阀的开度K(t)，大大提高流量控制阀的精确度。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出。

Claims (6)

1.一种基于数字化监测重型车辆发动机的监测方法，

使用一种基于数字化监测重型车辆发动机的监测系统，包括：

信息采集单元，其设置在车内，用于采集发动机的工况信息；

数据存储单元，用于存储所述信息采集单元采集的数据；

处理单元，其设置在车辆操作室内，用于分析处理所述数据存储单元内的数据；

警报单元，其设置在车辆仪表盘内，用于发出警报信息；

控制单元，其用于控制车辆的运行状态，进行紧急停车；

其特征在于，包括：

按照采样监测周期，获取发动机转速n、车速v、加速踏板开度K、及发动机温度T；

计算发动机工作状态评估系数f：

判断出现f≥10f₀时，警报单元发出警报指令；其中，f₀为标准评估系数，且满足：

其中，n₀为发动机额定转速，K₀为最大开度，v₀为额定转速时的车速。

2.根据权利要求1所述的基于数字化监测重型车辆发动机的监测方法，其特征在于，还包括：

步骤a、模糊PID控制流量阀的开度，使尾气在气体分析仪内的检测时间t₁>标准时间t₀；

步骤b、气体分析仪对尾气进行成分和含量的检测，并将信息传输给数据存储单元和处理单元；

步骤c、检测到尾气含量超过预设标准时，警报单元进行警报。

3.根据权利要求2所述的基于数字化监测重型车辆发动机的监测方法，其特征在于，

标准时间满足：

其中，κ是校正系数，w是发动机排气流量，L是分流管的长度，R是分流管的半径，g是重力加速度。

4.根据权利要求2所述的基于数字化监测重型车辆发动机的监测方法，其特征在于，

尾气成分检测包括二氧化硫检测、一氧化氮检测。

5.根据权利要求2所述的基于数字化监测重型车辆发动机的监测方法，其特征在于，所述步骤a为：

模糊控制器和PID控制器串联；

模糊控制器输入第i个监测周期发动机排气流量和冷凝器的功率，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数；

PID控制器对第i个监测周期时流量阀的开度进行误差补偿控制。

6.根据权利要求5所述的基于数字化监测重型车辆发动机的监测方法，其特征在于，

发动机排气流量Q的论域为[100，1000]，对应的定量化因子为1；第i个监测周期冷凝器的功率W的论域为[100,200]，对应的定量化因子为1；

输出比例系数的论域为[-1,1]，对应的定量化因子为0.05；比例积分系数的论域为[-1,1]，对应的定量化因子为0.01；微分系数论域为[-1,1]，对应的定量化因子为0.0001。