基于尾氣監(jiān)測的教學(xué)車輛發(fā)動機(jī)運行狀況動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

冒興峰，羅 鷹，姜于亮，于建鋒

（南通理工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 南通 226002）

基于尾氣監(jiān)測的教學(xué)車輛發(fā)動機(jī)運行狀況動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

冒興峰，羅 鷹，姜于亮，于建鋒

（南通理工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 南通 226002）

基于尾氣監(jiān)測的教學(xué)車輛發(fā)動機(jī)運行狀況動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主要通過在車輛運行過程中，實時監(jiān)測OBD檢測數(shù)據(jù)，判斷車輛尾氣排放是否異常，獲得車輛實際運行狀況信息，判斷故障位置，對于預(yù)防事故、保障設(shè)備技術(shù)狀況有著重要意義。文章對該系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了分析，并對技術(shù)指標(biāo)、尾氣監(jiān)測方案及系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了闡述。

尾氣；監(jiān)測；系統(tǒng)

在應(yīng)用型本科高校汽車專業(yè)的課內(nèi)實驗及實習(xí)等教學(xué)環(huán)節(jié)中，越來越多地使用到教學(xué)整車。這些整車運行工況復(fù)雜多變，且需要經(jīng)常模擬各種故障“帶病運行”，其技術(shù)狀況的好壞，將直接影響到參與實驗、實習(xí)師生的人身安全、獲得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及設(shè)備安全與使用壽命等。如何及時獲取教學(xué)車輛實際運行狀況信息，判斷車輛是否發(fā)生故障，以進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)與維修，保持車輛良好技術(shù)狀況，正成為教學(xué)、管理人員研究的課題。

1 可行性分析

汽車尾氣的成份較為復(fù)雜，主要包括CO、HC、NOX、CO2、H2O、O2及顆粒等。CO主要是由于發(fā)動機(jī)汽缸內(nèi)缺氧環(huán)境和低溫所引起的燃燒不完全所產(chǎn)生的，是汽油發(fā)動機(jī)尾氣中濃度含量最大的一種物質(zhì)。HC在不同的發(fā)動機(jī)中，產(chǎn)生原因有所不同。在汽油發(fā)動機(jī)中，其產(chǎn)生原因主要是由于燃料不完全燃燒以及火焰在壁面淬熄效應(yīng)及縫隙效應(yīng)所致；在柴油發(fā)動機(jī)中，其產(chǎn)生原因主要是由于燃料混合不均和燃燒不完全所產(chǎn)生的。NOX產(chǎn)生的主要原因是燃燒過程中的高溫所致，主要成份包括NO2、NO。CO2是發(fā)動機(jī)內(nèi)可燃混合氣燃燒的產(chǎn)物之一，其反映了燃燒進(jìn)行的充分程度。

影響尾氣成份的因素很多，包括空燃比、點火時刻、火花能量、噴油提前角、運轉(zhuǎn)工況、發(fā)動機(jī)類型、機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)等。當(dāng)發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障時，尾氣中成份含量，往往較正常范圍有所偏離，通過檢測發(fā)動機(jī)在不同工況下尾氣排放狀況，可判斷當(dāng)前發(fā)動機(jī)的工作狀況、性能的好壞，檢查發(fā)動機(jī)燃燒反應(yīng)的進(jìn)行情況、點火、噴油等信息，繼而判斷出發(fā)動機(jī)故障存在的部位，為實時監(jiān)測車輛發(fā)動機(jī)運行狀況提供參考依據(jù)。因此，該系統(tǒng)的設(shè)計思路是可行的。

2 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)分析

根據(jù)教學(xué)車輛的工作特點以及教學(xué)、管理人員的要求，該系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)包括：①能動態(tài)實時監(jiān)測車輛運行過程中的尾氣狀況；②能對所采集的排放數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析；③能將車輛當(dāng)前尾氣排放狀況進(jìn)行顯示，并進(jìn)行警告提醒；④可對運行過程中的尾氣排放數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄及存儲；⑤便于車輛安裝。

3 尾氣監(jiān)測方案

三元催化轉(zhuǎn)換器、氧傳感器與發(fā)動機(jī)的工作狀況及車輛尾氣排放密切相關(guān)，在發(fā)動機(jī)尾氣出現(xiàn)異常時，會出現(xiàn)指標(biāo)參數(shù)的異常，并在OBD系統(tǒng)中以數(shù)據(jù)體現(xiàn)。本課題的研究綜合參考車輛運行過程中OBD檢測數(shù)據(jù)所反映的數(shù)據(jù)流、故障碼來確定車輛尾氣排放是否異常。

（1）三元催化轉(zhuǎn)換器的監(jiān)測。三元催化轉(zhuǎn)換器狀況的監(jiān)測，通常使用對比前、后氧傳感器響應(yīng)電壓情況的方法來實現(xiàn)。在三元催化轉(zhuǎn)換器工作正常時，前后氧傳感器電壓波動差異較大。在三元催化轉(zhuǎn)換器失效后，后氧傳感器的電壓波動會逐漸減弱，直至與前氧傳感器趨近相同。通過電壓對比的監(jiān)測，可判斷三元催化轉(zhuǎn)換器的催化還原效果。

圖1 三元催化轉(zhuǎn)換器前后氧傳感器信號對比

（2）氧傳感器的監(jiān)測。氧傳感器的信號電壓隨著空燃比密切相關(guān)。當(dāng)空燃比偏小時，氧傳感器輸出高電平信號；當(dāng)空燃比偏大時，氧傳感器輸出低電平信號；當(dāng)混合氣空燃比在理論空燃比附近時，輸出電壓將在高、低電平信號間發(fā)生畸變。在監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)氧傳感器電壓超過某一閾值時，判定氧傳感器失效。

（3）故障碼的監(jiān)測。分析來自ECU的信號，并根據(jù)ECU通信數(shù)據(jù)幀協(xié)議的規(guī)定分解出相關(guān)故障信息。SAE J2012對于OBD-II系統(tǒng)故障代碼所應(yīng)遵循的編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)定。通過對相關(guān)故障碼進(jìn)行解讀，可獲取故障詳細(xì)信息。如P0136，表示氧傳感器電路故障（第1組，傳感器2），即汽缸列1中的下游氧傳感器2發(fā)生了故障。

（4）數(shù)據(jù)流的監(jiān)測。數(shù)據(jù)流主要分為狀態(tài)參數(shù)及數(shù)值參數(shù)。數(shù)值參數(shù)實時反映汽車運行過程中各傳感器、執(zhí)行器信息，如發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、噴油脈寬、氧傳感器電壓等。狀態(tài)信號反映各部件的運轉(zhuǎn)狀況，如空調(diào)開啟狀況等。分析來自E-CU的信號，根據(jù)ECU通信數(shù)據(jù)幀協(xié)議的規(guī)定及相應(yīng)PID的定義，分解出所需數(shù)據(jù)流信息，作為汽車運行狀況監(jiān)測的重要參數(shù)。

4 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)中主要由車載OBD接口、控制器模塊、協(xié)議解析模塊、串口通訊模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、電源模塊等部分組成。

（1）控制器模塊。選用LPC1765控制器，通過3個串口分別與協(xié)議解析模塊、串口通信模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊進(jìn)行通信。相關(guān)外圍電路需進(jìn)行設(shè)計以滿足模塊工作，構(gòu)成系統(tǒng)最小電路。

（2）協(xié)議解析模塊。采用速銳得EST 327主控芯片進(jìn)行開發(fā)，該芯片內(nèi)部集成了常見的車載通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，通過外圍接口電路的設(shè)計，可以實現(xiàn)與ECU通過車載OBD-II接口實現(xiàn)通信，并可與串口直接通信，對相關(guān)傳感器、執(zhí)行元件等進(jìn)行故障碼、數(shù)據(jù)流讀取等相關(guān)操作。對于K線通訊系統(tǒng)、CAN線通訊系統(tǒng)，該主控芯片需對其進(jìn)行相應(yīng)外圍電路設(shè)置。

（3）OBD接口電路。參照SAE J1962診斷接頭標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行OBD接口電路設(shè)計。

（4）串口通訊模塊。串口通訊模塊采用FT8U232BM，該芯片工作穩(wěn)定，兼容性好，外圍簡單，可設(shè)置不同的輸出電平。

（5）數(shù)據(jù)輸出模塊。采用LCD點陣液晶顯示屏，通過與模塊鏈接，可以實現(xiàn)對監(jiān)視值的顯示輸出。各項信息循環(huán)滾動，方便相關(guān)人員進(jìn)行實時觀察。

（6）電源模塊。課題中所選用的芯片模塊工作電壓各不相同，考慮到車輛電源系統(tǒng)的特殊性，進(jìn)行電源模塊的設(shè)計。由穩(wěn)壓芯片將車輛12V或24V電壓轉(zhuǎn)換為5V，為EST327、FT8U232BM等模塊供電，并通過穩(wěn)壓芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，為LPC1765供電。

5 結(jié)語

本課題所開發(fā)的系統(tǒng)，具有體積小、功耗低、工作穩(wěn)定等特點，實現(xiàn)了基于尾氣監(jiān)測檢測發(fā)動機(jī)工作狀況的目的，滿足了教學(xué)、管理的需求。

[1]馬英.基于車聯(lián)網(wǎng)的3G遠(yuǎn)程車載尾氣監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2014，（12）.

[2]張印強(qiáng)，程明霄.煙氣排放遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2011，（8）.

[3]閆旭普.基于OBD監(jiān)測數(shù)據(jù)的車輛尾氣排放遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2016.

冒興峰（1986-），男，江蘇南通人，講師，汽車維修高級技師，主要研究方向：汽車電控。