快速诊断发动机燃烧室积碳程度的方法与流程

本发明涉及汽车发动机零部件维修诊断领域，特别涉及一种快速诊断发动机燃烧室积碳程度的方法。
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气缸内，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。构成燃烧室的气缸壁、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，气门表面积碳的话往往很难看到，而且内窥镜伸入后，发动机是禁止运转的，由于各缸中活塞上行位置不一样，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。技术实现要素：针对上述问题，本发明目的是提供一种使用方便的快速诊断发动机燃烧室积碳程度的方法。为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：1.快速诊断发动机燃烧室积碳程度的诊断方法，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表面、气缸体内侧壁、活塞上表面没有积碳，均为正常状态，发动机可以正常启动；试验发动机正常安装在相应型号的汽车上；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；更换完毕后故障发动机正常安装在相应型号的汽车上；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；其特征在于：所述的快速诊断方法为：先将安装了试验发动机的汽车变速器置于空挡位；拆除试验发动机缸盖上的所有火花塞，并在其中一个火花塞座上安装一个光电接收组件，在剩余的一个或多个火花塞上安装相应数量的光源组件；未安装光电接收组件或光源组件的火花塞座上安装与火花塞螺纹规格一致的螺栓；然后顺次进行以下步骤：a.光源组件中的led灯开启；使用汽车钥匙或一键启动按钮点火并持续一段时间，此时火花塞已被拆除，发动机由启动电机带动低速旋转；燃烧室内的活塞上下运动、进气门、排气门周期性的开启或关闭，位于燃烧室内的led灯的光线在燃烧室内通过反射或漫射方式传至光电接收组件附近；当发动机转速r超过一定值r1时，光电接收组件中的光电传感器开始接收光线照度形成电流信号，电流信号经a/d转换模块发送给微型计算机，一定时间t后停止接收信号；b.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；c.将故障发动机更换为待测发动机，重复步骤a；d.将步骤c中得到的数据与步骤a、步骤b中得到的数据进行对比，将对比结果最接近的发动机状态定义为待测发动机的状态。优选的，所述的步骤a中，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；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；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；所述的步骤b中，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；所述的步骤c中，待测发动机得到的数据s1-[imax-x，imin-x]、s2-[imax-x，imin-x]......sm-[imax-x，imin-x]；所述的步骤d中，将[imax-x，imin-x]分别与[imax-0，imin-0]......[imax-n，imin-n]进行对比。优选的，所述的步骤d中，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；将步骤f中得到的δ1-δm按下式计算：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对应的发动机的状态标记为待测发动机的状态。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；电流信号对比时采用双限制误差对比的效果，即最大值和最小值分别对比并将两个对比结果采用数学方法处理，使得对比结果的正确率高，采用多段对比并将对比误差进行适当的合并处理后，数据结果仍然正确，因此诊断的正确率也较高。附图说明图1为光源组件安装在火花塞座上的结构示意图；图2为光电接收组件安装在火花塞座上的结构示意图；图3诊断装置进行诊断流程图。具体实施方式如图3所示的快速诊断发动机燃烧室积碳程度的方法，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，发动机可以正常启动；试验发动机正常安装在相应型号的汽车上；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；例如故障位置可以分别是气门积碳、气缸壁积碳、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，故障状态分为轻度、中度、重度；更换完毕后故障发动机正常安装在相应型号的汽车上；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；所述的快速诊断方法为：先将安装了试验发动机的汽车变速器置于空挡位；拆除试验发动机缸盖上的所有火花塞，并在其中一个火花塞座上安装一个光电接收组件，在剩余的一个或多个火花塞上安装相应数量的光源组件；未安装光电接收组件或光源组件的火花塞座上安装与火花塞螺纹规格一致的螺栓；然后顺次进行以下步骤：a.光源组件中的led灯开启；使用汽车钥匙或一键启动按钮点火并持续一段时间，推荐的点火持续时间范围为2s-4s，此时火花塞已被拆除，发动机由启动电机带动低速旋转；燃烧室内的活塞上下运动、进气门、排气门周期性的开启或关闭，位于燃烧室内的led灯的光线在燃烧室内通过反射或漫射方式传至光电接收组件附近；微型计算机还通过obd专用数据线与汽车上安装的obd诊断接口通信连接并实时读取发动机转速；当发动机转速r超过一定值r1时，光电接收组件中的光电传感器开始接收光线照度形成电流信号，电流信号经a/d转换模块发送给微型计算机，一定时间t后停止接收信号；微型计算机与汽车obd接口之间的连接也可以是直接在汽车obd接口上安装无线信号式obd数据诊断仪，数据诊断仪发动的无线数据信号传递给微型计算机上加装的无线信号接收模块，这样的obd无线信号发送/接收模块均是成熟产品，可在市场中直接购买，例如优驾车载智能盒子高级版obd行车电脑汽车故障检测仪，该检测仪可以通过蓝牙方式传输汽车行车电脑的所有诊断数据，包括发动机转速信号。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；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；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；b.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；c.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]；d.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：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；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2016款自动挡轿车，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，点火持续时间为4s；0.5时发动机的转速r为120/min，因此启动0.5s后开始采集数据，数据采集时间为3s，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，则电流信号的总时长为3s，每段信号的时长为0.6s；得到s1-s5段的[imax-0，imin-0]；步骤b：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，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，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，得到s1-s5段的[imax-3，imin-3]；进行步骤c：重新更换一辆发动机型号及车辆型号一致的汽车，该汽车行驶里程2.5万公里，未出现过发动机故障；将该车辆发动机作为待测发动机，得到s1-s5段的[imax-x，imin-x]；数据结果如表1所示。表1s1-s5段中分别对应不同故障下的imax，imin[imax-0，imin-0][imax-1，imin-1][imax-2，imin-2][imax-3，imin-3][imax-x，imin-x]s1[27.85，8.44][24.05，7.25][23.02，6.86][21.05，5.45][26.88，7.05]s2[25.65，8.41][25.15，7.11][23.14，6.98][21.54，5.87][26.45，7.03]s3[27.15，8.01][23.78，7.55][23.20，6.87][21.87，5.45][29.01，7.85]s4[26.58，7.97][25.85，7.02][22.74，6.76][21.64，5.34][25.45，6.97]s5[24.38，6.96][24.82，7.14][23.05，7.05][21.12，5.45][26.36，7.15]然后根据表1中得到的数据，进行步骤d；得到参数如表2所示。表2u值结果μ0μ1μ2μ30.7621.1201.5622.344根据表2可知，μ0最小，因此待测汽车[imax-x，imin-x]的故障程度与[imax-1，imin-1]对应的发动机状态一致，即发动机正常，没有积碳情况诊断后将该车发动机拆解，该车发动机燃烧室中的气门和气缸体表面较为光亮，1缸和3缸的活塞顶端周边有轻微的积碳，也可以解释该本次诊断数据中μ0与μ1较为接近，同时说明计算结果与实际情况一致。根据上述过程可知，提前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；只要数据库中的故障模型数量够多，则诊断效率高，电流信号进行对比前进行了emd降噪处理，信号精度更好，电流信号对比时采用双限制误差对比的效果，即最大值和最小值分别对比并将两个对比结果采用数学方法处理，使得对比结果的正确率高，即使某一个sm时段测量的结果不够准确，例如本次实验中的s3-[imax-x，imin-x]数据最大值相比于其他时段稍微偏大，但是采用多段对比并将对比误差进行适当的合并处理后，数据结果仍然正确，因此诊断的正确率也较高。实际诊断过程中，数据采集时间段中发动机的转速会有波动，且每次测试时的转速不可能完全相等，但是本诊断方法是将数据分段，在每个分段内测量电路最大值和最小值的方法来检测，因此转速的波动只会影响分段内的电流波动频率，而对电流的波峰和波谷值的影响几乎没有，可以忽略不计，因此本诊断方法具有较好的实际应用价值，诊断时只要点火持续时间够长，就可以使得计算结果正确率较高；对诊断人员的要求不高，普通维修人员甚至汽车驾驶员都可以轻松掌握使用方法。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。根据上述快速诊断发动机燃烧室积碳程度的方法，相对应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中空的圆柱体形支座21，支座21的外侧设置与火花塞座相匹配的螺纹；支座21的中间通孔内放置光电传感器22，可以是粘接或者卡扣连接；光电传感器22的端头伸出支座21进入燃烧室中；光电传感器22的信号线从支座21中伸出通过a/d转换模块与微型计算机24通信连接；微型计算机24还分别与电动推杆12、led灯13的控制线通信连接；微型计算机还通过obd专用数据线与汽车上安装的obd诊断接口通信连接并实时读取发动机转速；微型计算机24、电动推杆12、led灯13的电源线分别与电池14连接。电池14为长条型锂电池或圆柱体型锂电池，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telesky1206led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；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，a/d转换模块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；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。当前第1页12