CN110159428A - 发动机缸内积碳诊断装置及诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种发动机缸内积碳诊断装置及诊断方法，将光源组件和光电接收组件安装在发动机相应位置后，利用发动机燃烧室内积碳程度不同时，光照在其内部后经反射和漫射的光线强度不一样，从而得到不同的电流信号来判断发动机燃烧室积碳程度，判断过程迅速，拆解零件少，诊断时间段，且流程简单；电流信号通过EMD方法的分解与重构，可以有效的对发动机启动时的噪声进行抑制，增强与突显信号中的有用成分；训练模型中的数据与待测数据进行对比提取时采用误差修正的算法，诊断效率高且正确率高。
Description
技术领域
本发明涉及汽车发动机零部件维修诊断领域，特别涉及一种发动机缸内积碳诊断装置及诊断方法。
背景技术
随着汽车产业的不断发展，汽车保修设备行业市场总量正呈现迅猛增加的趋势，人们对方便、通用性好的发动机诊断工具的需求日益增长；
发动机使用时间较长后，通常其燃烧室内都会出现积碳，这是由于发动机的动力来自于活塞向下移动时，将汽油与空气的混合气吸入汽缸内，然后向上移动的活塞再将这些油气压缩成高度可燃气体，最后火花塞点火将其引爆，活塞被这强大的爆炸力推动，发动机因而产生动力。动力的源头-混合气，必须经过进气门进入燃烧室；少部分的汽油便会附着于进气门上，遇上燃烧室的高温，汽油中无法燃烧完全的碳氢化合物、石蜡、胶质便会被烧成胶碳物，如果喷油嘴有积污的情形，喷出的汽油雾化状态不佳，汽油与空气混合不均匀，会增加凝聚于进气门的汽油的量。糟糕的是胶碳有吸纳汽油的特性，所以这层积碳会吸收汽油，被吸收的汽油再被烧成胶碳行成更厚的积碳，更厚的积碳再吸收更多的汽油，如此恶性循环到进气门因积碳过多，以致无法紧闭，使发动机无法运作为止。
因此构成燃烧室的汽缸壁、活塞上端面、缸盖内侧面，以及气门表面均会产生积碳，为了对积碳情况进行诊断，传统的做法只有将发动机整体从发动机舱拆除吊装，然后将缸盖与缸体分离，以查看燃烧室的情况，但是拆除过程极为耗时，且会影响缸盖与缸体的安装位置和两者之前的密封性能，可能在重新安装后导致发动机的性能下降，因此传统的积碳诊断方式较为落后。
目前出现的新的诊断技术是发动机内窥镜，其工作原理为不拆卸缸盖，而是将缸盖上端的火花塞拔出，然后将带有摄像头的内窥镜从火花塞座中插入燃烧室，然后根据图像或视频资料对燃烧室内的积碳情况进行诊断。但是诊断时较为依赖技术人员的经验来判断积碳的严重程度，且观察时受限于摄像头的可视范围，如果想要准确的诊断，需要将内窥镜慢慢移动且仔细观察，这样的诊断过程通常需要耗时三十分钟左右，如果发动机气缸数量较多，如V6或V8柴油机，这样的诊断过程耗时更长，因此内窥镜诊断方式常是在发动机无法工作或出现了较大的问题后才会进行，而日常的发动机维护中并没有该项目。
但是发动机的积碳根据驾驶员的使用习惯、环境、油品等因素影响其形成时间并不固定，因此在发动机使用到一定里程后都应该对燃烧室积碳情况进行诊断，而现有的拆卸式诊断或内窥镜诊断方式由于耗时较长，只能采取故障后诊断的方式，不满足现在汽车的使用要求。
发明内容
针对上述问题，本发明目的是提供一种使用方便、快速诊断的发动机缸内积碳诊断装置及诊断方法。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：发动机缸内积碳诊断装置，所述的诊断装置包括光源组件、光电接收组件，光源组件包括外形与发动机火花塞一致的塞杆，塞杆一端的外侧面设置外螺纹，使塞杆可以安装在发动机缸盖的火花塞座上，塞杆的另一端与电动推杆通过螺栓或卡扣连接，电动推杆的伸出杆穿入沿塞杆轴向设置的通孔中，电动推杆的伸出杆端头粘贴或焊接LED灯；所述的光电接收组件包括一个或多个支座，支座的外形尺寸根据设置位置的不同而不同；支座的一端端面上粘接或焊接光电传感器，支座的两个相对的侧面上设置用于穿出导线的通孔；支座通过螺栓或卡扣或海绵垫安装在节气门入口处或排气歧管出口处。
优选的，LED灯的导线穿出支座的通孔，然后穿过塞杆并与电池连接；或在电动推杆的端头处设置长条型锂电池或圆柱体型锂电池，锂电池与LED灯泡连接，或单独设置电池；LED灯是由多个LED灯珠安装排列在安装底板上形成圆形或正多边形的灯组，或一个LED灯珠，灯珠外侧设置圆形或正多边形灯罩。
优选的，支座为圆柱体或长方体形，其外侧面粘贴海绵层，海绵层与节气门入口管壁或排气歧管出口管壁贴紧。
优选的，支座为一端带有法兰盘的圆柱体或长方体，法兰盘上相应位置设置通孔，并通过紧定螺钉将法兰盘与发动机或节气门固定。
优选的，所述光电传感器为光电三极管或光电二极管；光电传感器通过A/D转换器与微型计算机的信号输入端连接，微型计算机的电源端与电池连接，电池还与电动推杆的导线连接；电动推杆的控制线与微型计算机的信号输出端连接，微型计算机的信号输出端还与发动机的启动电机的控制线通信连接，启动电机的电源线与电池连接或与汽车发动机舱的蓄电池连接。
优选的，首先将一台或多台可以正常使用且具有完整零部件的发动机定义为试验发动机，试验发动机中的气门、气缸体、活塞上表面没有积碳，均为正常状态，发动机可以正常使用；
然后将该试验发动机中一个或多个位置的正常状态的气门或气缸体或活塞更换为故障状态的气门或故障状态的气缸体或故障状态的活塞，该发动机定义为故障发动机；故障状态为气门或气缸体或活塞各自的表面粘连有积碳；根据积碳的粘连程度，故障状态分为轻度、中度、重度；
将需要进行诊断的状态未知的发动机定义为待测发动机，待测发动机直接安装在待诊断车辆上未拆卸，或拆解下来但发动机整体及其附件结构完整；
将试验发动机放置在带有发动机安装支座的平台上，或放置在在相应的发动机试验台架上，或将试验发动机安装在相应型号的汽车发动机舱中，并将汽车的变速器置于空挡位；
拆除缸盖上的所有火花塞，并在火花塞座上安装相应数量的光源组件；拆除节气门前方的进气导管，在节气门上放置一个光电接收组件，然后顺次进行以下步骤：
a.微型计算机控制试验发动机的启动电机启动，并使节气门处于全开状态；同时使试验发动机按照一定的转速r空转，同时光源组件中的 LED灯开启；发动机空转时燃烧室内部被LED灯照亮，燃烧室中的进气门随发动机的空转而周期性的开闭，进气门开启时，LED灯的光线通过反射或漫射方式通过进气门座与进气门之间的间隙传向进气道、并射至节气门入口处，光电传感器接收光线照度并形成电流信号，电流信号经 A/D转换器发送给微型计算机；
微型计算机将采集到的电流信号作为训练样本，对训练样本中的电流信号x(t)进行EMD自适应分解，分解方法如下：
上式中n为分解出的IMF分量的个数；Cj代表第j个IMF分量，j＝ 1，2，3...，n；rn为残余分量；
b.经过步骤a分解得到n个Cj分量后，分别计算每个Cj(j＝1，2，3...，n) 的峭度值，选取峭度值最大和峭度值次大的两个Cj进行线性叠加，得到经过EMD降噪后特征突显的电流信号，然后将获取的特征突显的电流信号按照时间长度平均分为m段，记为S1-Sm；每个m段的时间值不小于发动机循环工作一个周期的时间长度；
c.提取S1-Sm中的电流波峰值Imax和电流波谷值Imin，得到 S1-[Imax-0，Imin-0]、S2-[Imax-0，Imin-0]......Sm-[Imax-0，Imin-0]，将数据储存进数据库中；
d.将试验发动机更换为故障发动机，故障发动机中的故障数量、故障位置、故障程度按排列组合方式得到n种不同状态的需要测试的故障发动机；每个排列组合方式下的故障发动机重复步骤a至步骤c，第一个排列组合方式下的故障发动机得到数据S1-[Imax-1，Imin-1]、 S2-[Imax-1，Imin-1]......Sm-[Imax-1，Imin-1]，依次类推，第n个排列组合方式下的故障发动机得到数据S1-[Imax-n，Imin-n]、S2-[Imax-n， Imin-n]......Sm-[Imax-n，Imin-n]；并将数据储存进数据库中；
e.将故障发动机更换为待测发动机，重复步骤a至步骤c，得到 S1-[Imax-x，Imin-x]、S2-[Imax-x，Imin-x]......Sm-[Imax-x，Imin-x]；
f.将步骤e中得到的数据与步骤d中得到的数据库数据进行数据对比，将待测发动机中的第S1中的Imax-x与数据库中对应的第S1中的 Imax-0相减的绝对值定义为Δmax-0，待测发动机中的第S1中的Imin-x 与数据库中对应的第S1中的Imin-0相减的绝对值定义为Δmin-0；然后按下式计算：
将S1替换为S2……Sm，得到Δ2……Δm；
g.将步骤f中得到的Δ1-Δm按下式计算：
h.将步骤f中的[Imax-0，Imin-0]依次替换为[Imax-1， Imin-1]......[Imax-n，Imin-n]，重复步骤f至步骤g，得到μ1...…μn；取μ0-μn中的最小值μ-min，将μ-min对应的故障发动机的状态标记为待测发动机的状态；
i.诊断结束。
优选的，将节气门入口处放置的光电接收组件拆除，在排气歧管的出口处放置一个光电接收组件，步骤a至步骤i不变。
优选的，将节气门拆除，在节气门后方的进气歧管入口处放置一个光电接收组件，步骤a至步骤i不变。
优选的，所述发动机转速r的范围为120-1200r/min。
本发明具有以下有益效果：利用发动机燃烧室内积碳程度不同时，光照在其内部后经反射和漫射的光线强度不一样，从而得到不同的电流信号来判断发动机燃烧室积碳程度，判断过程迅速，拆解零件少，诊断时间段，且流程简单；电流信号通过EMD方法的分解与重构，可以有效的对发动机启动时的噪声进行抑制，增强与突显信号中的有用成分；训练模型中的数据与待测数据进行对比提取时采用特殊的算法，诊断效率高且正确率高。
附图说明
图1为支座安装在节气门的入口时诊断装置结构示意图；
图2为支座安装在发动机排气歧管出口时诊断装置结构示意图；
图3诊断装置进行诊断流程图。
具体实施方式
如图1-图2所示的发动机缸内积碳诊断装置，包括光源组件、光电接收组件，光源组件包括外形与发动机火花塞一致的塞杆(11)，塞杆 (11)一端的外侧面设置外螺纹，使塞杆(11)可以安装在发动机缸盖的火花塞座上，塞杆(11)的另一端与电动推杆(12)通过螺栓或卡扣连接，电动推杆(12)的伸出杆穿入沿塞杆(11)轴向设置的通孔中，电动推杆(12)的伸出杆端头粘贴或焊接LED灯(13)；
所述的光电接收组件包括一个或多个支座(21)，支座(21)的外形尺寸根据设置位置的不同而不同；支座(21)的一端端面上粘接或焊接光电传感器(22)，支座(21)的两个相对的侧面上设置用于穿出导线的通孔；
如图1所示的，支座(21)设置在节气门的入口处；如图2所示的，支座(21)设置在排气歧管的出口处；
LED灯(13)的导线穿出支座(21)的通孔，然后穿过塞杆(11) 并与电池(14)连接；或电动推杆(12)的端头处设置长条型锂电池或圆柱体型锂电池，锂电池与LED灯泡(13)连接；LED灯(13)是由多个LED灯珠安装排列在安装底板上形成圆形或正多边形的灯组，或一个LED灯珠，灯珠外侧设置圆形或正多边形灯罩；LED灯(13)可以是博明仕的BMS-G4G9LED灯珠，或TELESKY 1206 LED灯，也可以是其他型号的高亮度LED照明灯珠或灯柱；电动推杆(12)和LED灯(13)也可以与汽车自带的蓄电池或单独携带的蓄电池连接；
支座(21)为圆柱体或长方体形，其外侧面粘贴海绵层(25)，海绵层(25)与节气门入口的管壁或排气歧管的出口管壁贴紧。这样可以将支座21直接塞入，海绵层(25)可以起到定位的作用。
也可以设计成支座(21)为一端带有法兰盘(26)的圆柱体或长方体，法兰盘上相应位置设置通孔，通过紧定螺钉将法兰盘与节气门或排气歧管固定。也可以设计成支座(21)的一端带有连接卡箍，卡箍可以套在节气门外侧或排气歧管外侧起到固定作用。
所述光电传感器(22)为光电三极管或光电二极管，型号可以是E18-D80NK光电传感器模块，或ZH-E3K-DJ7M1直流10-30VDC光电传感器，也可以是其他型号；光电传感器(22)通过A/D转换器(23)与微型计算机(24)的信号输入端连接，微型计算机(24)的电源端与电池(14)连接，电池(14)还与电动推杆(12)的导线连接；电动推杆 (12)的控制线与微型计算机(24)的信号输出端连接，微型计算机(24) 的信号输出端还与发动机的启动电机的控制线通信连接，也可以是微型计算机(24)带有OBD接口，OBD接口与汽车行车电脑接口直接连接，也可以用于控制汽车发动机的启动电机；启动电机的电源线与电池(14) 连接或与汽车蓄电池连接。A/D转换器(23)可以是杰通D-150-M2型或世讯ADC0832CCNDIP-8/8位分辨率/双通道A/D模块，也可以是其他型号；微型计算机(24)可以是研凌IBOX-208型工业用小型电脑主机，也可以是西门子/PLC/6ES7288-1SR20主机，也可以是at89c51-24pi型单片机；所述电动推杆可以是CNXCI的直流电动推杆XC860，也可以是泰恒力的wxtg电动推杆，也可以是其他型号；
当传感器、电动推杆等电子设备选定，微型计算机选定后，即可根据相关产品的说明书或连接图进行通信连接。
如图3所示的，发动机缸内积碳诊断装置的诊断方法，其特征在于：首先将一台或多台可以正常使用且具有完整零部件的发动机定义为试验发动机，试验发动机中的气门、气缸体、活塞上表面没有积碳，均为正常状态，可以正常使用；
然后将该试验发动机中一个或多个位置的正常状态的气门或气缸体或活塞更换为故障状态的气门或故障状态的气缸体或故障状态的活塞的发动机定义为故障发动机；故障状态为气门或气缸体或活塞各自的表面粘连有积碳；所述的故障可以设置不同的故障位置和故障程度，例如故障位置可以分别是气门积碳、汽缸壁积碳、活塞顶端积碳，也可以是上述三个零件同时处于故障状态，也可以是其中任意两个零件处于故障状态；根据积碳的粘连程度，故障状态还可分为轻度、中度、重度；
将需要进行诊断的状态未知的发动机定义为待测发动机，待测发动机直接安装在待诊断车辆上未拆卸，或拆解下来但发动机整体及其附件结构完整；
将试验发动机放置在带有发动机安装支座的平台上，或放置在在相应的发动机试验台架上，或将试验发动机安装在相应型号的汽车发动机舱中，并将汽车的变速器置于空挡位；
拆除缸盖上的所有火花塞，并安装相应数量的光源组件；并拆除节气门前方的进气导管，在节气门上放置一个光电接收组件，然后顺次进行以下步骤：
a.微型计算机(24)控制试验发动机的启动电机启动，并使节气门处于全开状态；同时使试验发动机按照一定的转速r空转，同时光源组件中的LED灯开启；试验发动机位于发动机台架上时，由电池14对启动电机供电，节气门拉线可以手动或电动控制，当试验发动机安装在汽车上时，可以直接使用钥匙点火，此时火花塞已被拆除，发动机由启动电机带动；也可以是试验发动机安装在车辆上，启动电机的控制线与微型计算机24连接，启动电机的电源线与电池14连接，这样可以更精确的控制启动电机的转速，诊断效果更好。
发动机空转时气缸内部被LED灯照亮，气缸中的进气门随发动机的空转而周期性的开闭，进气门开启时，LED灯的光线通过反射或漫射方式通过进气门座与进气门之间的间隙传向进气道、并射至节气门入口处，光电传感器(22)接收光线照度并形成电流信号，电流信号经A/D 转换器发送给微型计算机(24)；
微型计算机(24)将采集到的电流信号作为训练样本，对训练样本中的电流信号x(t)进行EMD自适应分解，EMD方法是目前信号分析中经常使用的一种方法，在理论上可以应用于任何类型的时间序列(信号) 的分解，因而在处理非平稳及非线性数据上，比传统的平稳化方法更具有明显的优势。分解方法如下：
上式中n为分解出的IMF分量的个数；Cj代表第j个IMF分量，j＝ 1，2，3...，n；rn为残余分量；
上式中，x(t)的分解基本过程如下：
找出原数据序列x(t)所有的极大值点，并用三次样条插值函数拟合形成原数据的上包络线；
找出所有的极小值点，并将所有的极小值点通过三次样条插值函数拟合形成数据的下包络线；
上包络线和下包络线的均值记作c1，将x(t)减去该包络平均c1，得到一个新的数据序列r1；
x(t)-c1＝r1
由原数据减去包络平均后的新数据，若还存在负的局部极大值和正的局部极小值，说明这还不是一个本征模函数，需要继续进行“筛选”则对r1再次进行分解，使r1-c2＝r2，
此时x(t)＝c1+c2+r2
依次类推，即可得到
EMD自适应分解过程可以直接调用matlab软件中的EMD模块进行计算；
b.经过步骤a分解得到n个Cj分量后，分别计算每个Cj(j＝1，2，3...，n) 的峭度值，选取峭度值最大和峭度值次大的两个Cj进行线性叠加，得到经过EMD降噪后特征突显的电流信号，然后将获取的特征突显的电流信号按照时间长度平均分为m段，记为S1-Sm；每个m段的时间值不小于发动机循环工作一个周期的时间长度；
c.提取S1-Sm中的电流波峰值Imax和电流波谷值Imin，得到 S1-[Imax-0，Imin-0]、S2-[Imax-0，Imin-0]......Sm-[Imax-0，Imin-0]，并将数据储存进数据库中；
d.将试验发动机更换为故障发动机，故障发动机中的故障数量、故障位置、故障程度按排列组合方式得到n种需要测试的故障发动机；每个排列组合方式下的故障发动机重复步骤a至步骤c，第一个排列组合方式下的故障发动机得到数据S1-[Imax-1，Imin-1]、S2-[Imax-1， Imin-1]......Sm-[Imax-1，Imin-1]，依次类推，第n个排列组合方式下的故障发动机得到数据S1-[Imax-n，Imin-n]、S2-[Imax-n， Imin-n]......Sm-[Imax-n，Imin-n]；并将数据储存进数据库中；
e.将故障发动机更换为待测发动机，重复步骤a至步骤c，得到的 S1-[Imax-x，Imin-x]、S2-[Imax-x，Imin-x]......Sm-[Imax-x，Imin-x]；
f.将步骤e中得到的数据与步骤d中得到的数据库进行数据对比，将待测发动机中的第S1中的Imax-x与数据库中对应的第S1中的Imax-0 相减的绝对值定义为Δmax-0，待测发动机中的第S1中的Imin-x与数据库中对应的第S1中的Imin-0相减的绝对值定义为Δmin-0；然后按下式计算：
将S1替换为S2……Sm，得到Δ2……Δm；
g.将步骤f中得到的Δ1-Δm按下式计算：
h.将步骤f中的[Imax-0，Imin-0]依次替换为[Imax-1， Imin-1]......[Imax-n，Imin-n]，重复步骤f至步骤g，得到μ1……μn；取μ0-μn中的最小值μ-min，将μ-min对应的发动机状态标记为待测发动机的状态；
i.诊断结束。
根据上述诊断方法进行的实例如下：
实施例一
选择捷达2010款轿车，其发动机型号为EA113，发动机排量1.6L，直列四缸排列，该发动机内部零件均处于正常状态；拆除4个火花塞，将光源组件安装到节气门前的入口处，然后进行步骤a至步骤c，将该车的发动机启动电机电源线与电池14连接，启动电机的控制线与微型计算机24通信连接，由微信处理器24调整启动电机的转速，使发动机的转速r为120/min，启动2s后，转速稳定并开始采集数据，将光电传感器22获取的电流信号按照时间段平均分为5段，电流信号的总时长为5s，每段信号的时长为1s；得到S1-S5段的[Imax-0，Imin-0]；
进行步骤d：将试验发动机中的四个活塞更换为故障活塞，故障程度为积碳轻度，所有气门和气缸体正常；更换完毕的故障发动机装回原车，重新进行步骤a至步骤c；发动机的转速r为120/min，启动2s后，转速稳定并开始采集数据，将光电传感器22获取的电流信号按照时间段平均分为5段，电流信号的总时长为5s，每段信号的时长为1s；得到S1-S5段的[Imax-1，Imin-1]；
将试验发动机中的四个活塞更换为故障活塞，故障程度为积碳中度，所有气门和气缸体正常；更换完毕的故障发动机装回原车，重新进行步骤a至步骤c；发动机的转速r为120/min，启动2s后，转速稳定并开始采集数据，将光电传感器22获取的电流信号按照时间段平均分为5 段，电流信号的总时长为5s，每段信号的时长为1s；得到S1-S5段的 [Imax-2，Imin-2]；
将试验发动机中的四个活塞更换为故障活塞，故障程度为积碳中度，所有进气门更换为故障气门，故障程度为积碳中度；更换完毕的故障发动机装回原车，重新进行步骤a至步骤c；发动机的转速r为120/min，启动2s后，转速稳定并开始采集数据，将光电传感器22获取的电流信号按照时间段平均分为5段，电流信号的总时长为5s，每段信号的时长为1s；得到S1-S5段的[Imax-3，Imin-3]；
进行步骤e：重新更换一辆车，经提前检查，该车发动机中的四个活塞上表面有轻度积碳，气门和气缸体表面较为光亮；将该车辆发动机作为待测发动机，重新进行步骤a至步骤c；发动机的转速r为120/min，启动2s后，转速稳定并开始采集数据，将光电传感器22获取的电流信号按照时间段平均分为5段，电流信号的总时长为5s，每段信号的时长为1s；得到S1-S5段的[Imax-x，Imin-x]；数据结果如表1所示。
表1 S1-S5段中分别对应不同故障下的Imax-0.Imin
| [Imax-0，Imin-0] | [Imax-1，Imin-1] | [Imax-2，Imin-2] | [Imax-3，Imin-3] | [Imax-x，Imin-x] | |
| S1 | [14.23，2.75] | [13.92，2.02] | [12.14，1.75] | [11.87，1.66] | [13.75，1.98] |
| S2 | [14.78，2.36] | [14.13，2.11] | [12.24，1.73] | [11.75，1.70] | [13.88，1.89] |
| S3 | [15.02，2.95] | [13.82，1.95] | [12.05，1.72] | [11.35，1.53] | [13.71，1.95] |
| S4 | [14.45，2.35] | [13.76，2.01] | [12.33，1.81] | [11.54，1.72] | [13.52，1.96] |
| S5 | [14.32，2.67] | [14.01，1.89] | [12.21，1.77] | [11.65，1.64] | [13.78，1.91] |
然后根据表1中得到的数据，进行步骤f至步骤h；得到参数如表2 所示。
表2 u值
| μ0 | μ1 | μ2 | μ3 |
| 1.1023 | 0.2187 | 1.5451 | 2.1168 |
根据表2可知，μ1最小，因此待测汽车[Imax-x，Imin-x]的故障程度与[Imax-1，Imin-1]对应的发动机故障程度一致，该故障程度为发动机四个活塞积碳轻度，所有气门和气缸体正常，计算结果与实际情况一致。
根据上述过程可知，在试验发动机中根据活塞、气门和气缸体的故障数量，以及各零件的故障程度进行排列组合，并将每种组合下的故障发动机重复采集数据，则可以建立精确的发动机缸内积碳程度的数据库，后续使用时，只需要将待测发动机进行测量并与数据库数据进行对比，就可以精确的诊断出发动机各气缸燃烧室内的积碳情况，从而制定出相应的维修策略，例如轻度积碳和中度积碳可以使用添加剂燃烧的方式去除，而重度积碳则需要拆解发动机进行清洗修复工作。
利用发动机燃烧室内积碳程度不同时，光照在其内部后经反射和漫射的光线强度不一样，从而得到不同的电流信号来判断发动机燃烧室积碳程度，判断过程迅速，拆解零件少，诊断时间段，且流程简单；电流信号通过EMD方法的分解与重构，可以有效的对发动机启动时的噪声进行抑制，增强与突显信号中的有用成分；训练模型中的数据与待测数据进行对比提取时采用特殊的算法，诊断效率高且正确率高。
一般发动机正常行驶后由于里程数较多导致燃烧室内出现的积碳，则一个发动机的多个气缸内的积碳程度较为接近；对故障状态排列组合式，可以考虑多个气缸内各零件的积碳程度接近，这样可以减少前期数据库的训练次数；当然如果因为发动机故障导致的积碳，如一个气缸火花塞失效导致缺缸，或单个气缸内的活塞密封失效导致机油上窜从而产生的积碳，就会导致一个发动机的多个气缸内的积碳程度差别较大，因此较好的实施方式是一个发动机内的多个气缸内的零件均故障程度不同来进行训练可得到较好的结果。
另外需要注意的是，有的汽车发动机气缸体是可拆卸式的缸体内嵌套气缸套，更换较为方便，如发动机的气缸体为不可拆卸式，则需要在试验发动机中将气缸体先进行磨削，然后装入相应尺寸的气缸套进行训练，则两种类型的发动机都可以直接进行诊断。
另外，发动机转速r的范围为120-1200r/min，过低或过高都可能导致诊断数据不准确。诊断时可以使用两种方法，第一种是将启动电机控制线与微型计算机通信，主动控制启动电机转速，从而控制发动机转速r，第二种方法是将一辆正常车辆的发动机火花塞全部拔出后，直接点火启动，启动时间持续2-3s，间隔1-2s，多次启动，启动电机在汽车ECU的控制下其启动转速基本保持不变，经实测该方式下的启动电机转速误差不超过5％，可以满足本诊断装置的使用；因此在一般的故障诊断过程中，建议使用第二种方法，当然汽车厂家在建立数据库或进行实验时，为了得到更精确的数据，可以采用第一种方法。
另一种实施方式是：排气歧管的出口处放置一个光电接收组件，步骤a至步骤i不变。这是因为有的汽车发动机排气歧管较容易拆除，诊断更方便。
另一种实施方式是：将节气门拆除，在节气门后方的进气歧管入口处放置一个光电接收组件，步骤a至步骤i不变。这样可以增大光电传感器处的亮度，提高测量精度。
Claims (9)
1.发动机缸内积碳诊断装置，其特征在于：所述的诊断装置包括光源组件、光电接收组件，光源组件包括外形与发动机火花塞一致的塞杆(11)，塞杆(11)一端的外侧面设置外螺纹，使塞杆(11)可以安装在发动机缸盖的火花塞座上，塞杆(11)的另一端与电动推杆(12)通过螺栓或卡扣连接，电动推杆(12)的伸出杆穿入沿塞杆(11)轴向设置的通孔中，电动推杆(12)的伸出杆端头粘贴或焊接LED灯(13)；所述的光电接收组件包括一个或多个支座(21)，支座(21)的外形尺寸根据设置位置的不同而不同；支座(21)的一端端面上粘接或焊接光电传感器(22)，支座(21)的两个相对的侧面上设置用于穿出导线的通孔；支座(21)通过螺栓或卡扣或海绵垫安装在节气门入口处或排气歧管出口处。
2.根据权利要求1所述的发动机缸内积碳诊断装置，其特征在于：LED灯(13)的导线穿出支座(21)的通孔，然后穿过塞杆(11)并与电池(14)连接；或在电动推杆(12)的端头处设置长条型锂电池或圆柱体型锂电池，锂电池与LED灯泡(13)连接，或单独设置电池(14)；LED灯(13)是由多个LED灯珠安装排列在安装底板上形成圆形或正多边形的灯组，或一个LED灯珠，灯珠外侧设置圆形或正多边形灯罩。
3.根据权利要求1所述的发动机缸内积碳诊断装置，其特征在于：支座(21)为圆柱体或长方体形，其外侧面粘贴海绵层(25)，海绵层(25)与节气门入口管壁或排气歧管出口管壁贴紧。
4.根据权利要求1所述的发动机缸内积碳诊断装置，其特征在于：支座(21)为一端带有法兰盘(26)的圆柱体或长方体，法兰盘上相应位置设置通孔，并通过紧定螺钉将法兰盘与发动机或节气门固定。
5.根据权利要求1所述的发动机缸内积碳诊断装置，其特征在于：所述光电传感器(22)为光电三极管或光电二极管；光电传感器(22)通过A/D转换器(23)与微型计算机(24)的信号输入端连接，微型计算机(24)的电源端与电池(14)连接，电池(14)还与电动推杆(12)的导线连接；电动推杆(12)的控制线与微型计算机(24)的信号输出端连接，微型计算机(24)的信号输出端还与发动机的启动电机的控制线通信连接，启动电机的电源线与电池(14)连接或与汽车发动机舱的蓄电池连接。
6.根据权利要求1所述的发动机缸内积碳诊断装置的诊断方法，其特征在于：首先将一台或多台可以正常使用且具有完整零部件的发动机定义为试验发动机，试验发动机中的气门、气缸体、活塞上表面没有积碳，均为正常状态，发动机可以正常使用；
然后将该试验发动机中一个或多个位置的正常状态的气门或气缸体或活塞更换为故障状态的气门或故障状态的气缸体或故障状态的活塞，该发动机定义为故障发动机；故障状态为气门或气缸体或活塞各自的表面粘连有积碳；根据积碳的粘连程度，故障状态分为轻度、中度、重度；
将需要进行诊断的状态未知的发动机定义为待测发动机，待测发动机直接安装在待诊断车辆上未拆卸，或拆解下来但发动机整体及其附件结构完整；
将试验发动机放置在带有发动机安装支座的平台上，或放置在在相应的发动机试验台架上，或将试验发动机安装在相应型号的汽车发动机舱中，并将汽车的变速器置于空挡位；
拆除缸盖上的所有火花塞，并在火花塞座上安装相应数量的光源组件；拆除节气门前方的进气导管，在节气门上放置一个光电接收组件，然后顺次进行以下步骤：
a.微型计算机(24)控制试验发动机的启动电机启动，并使节气门处于全开状态；同时使试验发动机按照一定的转速r空转，同时光源组件中的LED灯开启；发动机空转时燃烧室内部被LED灯照亮，燃烧室中的进气门随发动机的空转而周期性的开闭，进气门开启时，LED灯的光线通过反射或漫射方式通过进气门座与进气门之间的间隙传向进气道、并射至节气门入口处，光电传感器(22)接收光线照度并形成电流信号，电流信号经A/D转换器发送给微型计算机(24)；
微型计算机(24)将采集到的电流信号作为训练样本，对训练样本中的电流信号x(t)进行EMD自适应分解，分解方法如下：
上式中n为分解出的IMF分量的个数；Cj代表第j个IMF分量，j＝1，2，3...，n；rn为残余分量；
b.经过步骤a分解得到n个Cj分量后，分别计算每个Cj(j＝1，2，3...，n)的峭度值，选取峭度值最大和峭度值次大的两个Cj进行线性叠加，得到经过EMD降噪后特征突显的电流信号，然后将获取的特征突显的电流信号按照时间长度平均分为m段，记为S1-Sm；每个m段的时间值不小于发动机循环工作一个周期的时间长度；
c.提取S1-Sm中的电流波峰值Imax和电流波谷值Imin，得到S1-[Imax-0，Imin-0]、S2-[Imax-0，Imin-0]......Sm-[Imax-0，Imin-0]，将数据储存进数据库中；
d.将试验发动机更换为故障发动机，故障发动机中的故障数量、故障位置、故障程度按排列组合方式得到n种不同状态的需要测试的故障发动机；每个排列组合方式下的故障发动机重复步骤a至步骤c，第一个排列组合方式下的故障发动机得到数据S1-[Imax-1，Imin-1]、S2-[Imax-1，Imin-1]......Sm-[Imax-1，Imin-1]，依次类推，第n个排列组合方式下的故障发动机得到数据S1-[Imax-n，Imin-n]、S2-[Imax-n，Imin-n]......Sm-[Imax-n，Imin-n]；并将数据储存进数据库中；
e.将故障发动机更换为待测发动机，重复步骤a至步骤c，得到S1-[Imax-x，Imin-x]、S2-[Imax-x，Imin-x]......Sm-[Imax-x，Imin-x]；
f.将步骤e中得到的数据与步骤d中得到的数据库数据进行数据对比，将待测发动机中的第S1中的Imax-x与数据库中对应的第S1中的Imax-0相减的绝对值定义为Δmax-0，待测发动机中的第S1中的Imin-x与数据库中对应的第S1中的Imin-0相减的绝对值定义为Δmin-0；然后按下式计算：
将S1替换为S2……Sm，得到Δ2……Δm；
g.将步骤f中得到的Δ1-Δm按下式计算：
h.将步骤f中的[Imax-0，Imin-0]依次替换为[Imax-1，Imin-1]......[Imax-n，Imin-n]，重复步骤f至步骤g，得到μ1……μn；取μ0-μn中的最小值μ-min，将μ-min对应的故障发动机的状态标记为待测发动机的状态；
i.诊断结束。
7.根据权利要求6所述的发动机缸内积碳诊断装置的诊断方法，其特征在于：将节气门入口处放置的光电接收组件拆除，在排气歧管的出口处放置一个光电接收组件，步骤a至步骤i不变。
8.根据权利要求6所述的发动机缸内积碳诊断装置的诊断方法，其特征在于：将节气门拆除，在节气门后方的进气歧管入口处放置一个光电接收组件，步骤a至步骤i不变。
9.根据权利要求6所述的发动机缸内积碳诊断装置的诊断方法，其特征在于：所述发动机转速r的范围为120-1200r/min。
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