专利名称：一种发动机性能监测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发动机性能监测方法和装置，属于发动机工况控制技术领域。
虽然以上几种装置均对发动机几个关键性能指标进行了检测分析，但发动机工作性能并非仅与关键性能指标有关，诸如燃油雾化程度、燃油质量也是发动机的重要性能指标，同样影响着发动机的工作性能，这些指标无法较方便地在机械工作的时候检测出来，故上述采用检测发动机关键性能指标的方法并不能全面反映发动机的工作性能。
此外，上述检测仪器大部分是单独的检测仪器，不能随车安装，只能采用定期检测的方式，这不仅造成检测过剩，而且不能完全预防故障发生；现有技术中有一些可随车安装、不影响机械工作的发动机性能检测装置，也同样存在上述缺点。因此，实际工作中迫切需要一种能够在修理厂和随车都能使用的、能快速、准确、客观、全面反映发动机工作性能的发动机监测设备，以使驾驶员和修理人员能及时了解发动机的工作状态，对其进行维护和修理。
上述所称技术问题的技术解决方案是一种发动机监测方法A.信号采集和处理在发动机飞轮上方机体上装有磁电式转速传感器，当飞轮旋转时，齿的凸凹变化引起磁阻变化，在线圈中产生感应电动势，输出近似于正弦的信号，其频率等于飞轮的齿数和转速的乘积，本发明的特别之处是，通过信号采集处理电路将飞轮转过转速传感器一个齿所感应的一个正脉冲变为方波，以方波的脉宽作为基本要素进行处理，信号采集处理电路将连续的方波送入计算机处理电路；设定输出方波的低电平和高电平就可以得到相同高度的方波，方波的脉宽反映了脉冲周期长短，间接反映了转速的快慢；B.信号输入及处理计算转速送入计算机处理电路一个正脉冲的脉宽也就反映了飞轮一个齿转过转速传感器所用的时间，通过计算机中设定的计算公式，将转过一齿所用的时间转换成转速，就得到了发动机飞轮每一齿对应的转速；判断发动机工作状态发动机在n个工作循环中可以得到以下公式，n个工作循环内传感器感应脉冲总数＝飞轮齿数×一个工作循环飞轮转数×n(1)一个缸在一个工作循环中的脉冲数＝飞轮齿数×一个工作循环飞轮转数/缸数 (2)每缸作功最宽方波和最窄方波差值＝[∑(每缸作功对应最宽方波脉宽-最窄方波脉宽)]/工作循环数 (3)在进行数据分析以前，首先将本次发动机工作性能判定输入数据进行数字滤波，以消除异常数据。
在一个工作循环内发动机的每一个缸均作功一次，输入的脉冲是按照各缸的工作顺序依次排列，根据公式(2)可知对应每一个缸连续的脉冲数，通过计算一个缸作功产生的一组脉冲所对应的方波的两个极值(最宽方波和最窄方波)之差，则可知本缸作功引起脉宽变化的幅度，间接可知转速变化的幅度，通过对n个工作循环内本缸作功产生的方波的两个极值(最宽方波和最窄方波)之差求平均，作为本缸作功引起脉宽变化的幅度，以消除可能出现的少数工作循环内脉宽变化幅度的随机性；如有一缸作功时引起脉宽变化幅度与存储器中存储的该转速下脉宽变化幅度标准值不一致，可判定该缸工作性能不好；如各缸工作性能一致，通过与存储器中存储的该转速下脉宽变化幅度标准值比较，若实测值与标准值差距超出一定范围，可判定发动机的均匀磨损程度，通过选配的显示报警部分向司机报警，将检测结果输出在显示器上；C.标准值的设定选择与被监测发动机同型号的性能完全良好的多台新发动机进行实验，采集实验数据，得出在不同的转速下，一个缸作功时对转速提升的幅度的幅值，将它们存入程序存储器，作为该机型气缸作功时对转速提升幅度的标准；因实际使用中的性能良好的发动机也会有一定程度的损耗，故在一定范围内偏离标准值的实测值也属正常。
实现上述发动机性能监测方法的装置是它包括磁电式转速传感器、计算机处理电路、显示报警部分和键盘电路，计算机处理电路由单片机、译码器、地址锁存器、程序存储器、数据存储器等组成，显示报警部分和键盘电路分别与计算机处理电路相连接，它还有信号采集处理电路，转速传感器的输出端接信号采集处理电路，信号采集处理电路的输出端接计算机处理电路；信号采集处理电路由运算放大器IC41、电阻R41、R42、R43、R44、二极管D41组成，电阻R41和R43串联接在电源和地之间，其接点接在运算放大器IC41的同相端，电阻R44接在+5V电源与运算放大器IC41输出端之间，转速传感器输出电压信号通过电阻R42接运算放大器IC41的反相端，二极管D41接在IC41反相端与地之间，运算放大器IC41的输出端接计算机处理电路的输入端。
上述发动机性能监测装置的计算机处理电路的单片机采用80C196型CPU芯片，运算放大器IC41的输出端接80C196芯片的HIS.0口。
上述发动机性能监测装置的信号采集处理电路由取样电路、脉冲发生电路、耦合电路、分频展宽电路组成；取样电路由运算放大器IC41、电阻R41、R42、R43、R44、二极管D41组成，电阻R41和R43串联接在电源和地之间，其接点接在运算放大器IC41的同相端，电阻R44接在+5V电源与运算放大器IC41输出端之间，转速传感器输出电压信号通过电阻R42接运算放大器IC41的反相端，二极管D41接在IC41反相端与地之间，运算放大器IC41的输出端接计算机处理电路的输入端；脉冲发生电路由晶振Z41、电阻R45、R46、电容C41和两输入四与非门IC42组成，晶振的两端分别接IC42的1、2脚的接点和9、10脚的接点，电阻R45、R46分别接在IC42的1、3脚和4、9脚之间，电容C41接在IC42的3脚和4、5脚的接点之间，IC42的8脚为脉冲发生电路的输出端；耦合电路是两输入四与非门IC42的一组与非门输入端和输出端，即IC42的11、12、13脚，取样电路的输出端和脉冲发生电路输出端分别接到IC42的12、13脚，IC42的11脚是输出端接分频展宽电路；分频展宽电路由双单稳态触发器IC43、可预置数的16进制双向计数器IC44、电阻R47、R48、电容C42、C43组成，IC43采用74123芯片，IC44采用74193芯片，74123芯片的1～4脚、13～15脚和R47、C42构成第一组单稳触发器，5～7、9～12脚、R48、C43构成另一组单稳触发器，耦合电路输出端接74123芯片第一组单稳触发器的1脚，其2、3脚接高电平，4脚为输出，接至74193芯片的5脚，74193芯片的12脚输出再接至74123芯片的9脚，74123芯片的12脚接至CPU的T2CLK脚，电阻R47接在Vcc和74123芯片的15脚之间，电容C42接在15脚与14脚之间，14脚接地，74193芯片的1、9、10、13、15脚悬空，5、11脚接高电平，7、6、2、3脚分别接CPU的P0.3～P0.0接口，74193芯片的14脚接至CPU的P1.5接口，74123芯片的另一组单稳触发器的外围接线原理同第一组。
本发明采用采集精度很高的ns级采集和处理电路，可识别出发动机飞轮各个齿间的转速差距，通过分析各缸作功时转速波动脉冲的幅度，可以知道气缸的工作性能；对比各脉冲幅度，可知各缸作功一致性。本产品可以随车安装监测或单独使用，能够在机械不停车、不解体、不影响正常工作的情况下实时监测，一旦发现发动机性能超标，立即报警，防止重大事故发生，将故障损失降到最低。本产品反应灵敏、控制精度高、抗干扰能力强且体积较小。
以直列六缸四冲程内燃机为例说明。
1.六缸四冲程发动机，飞轮转两圈(720°)完成一个工作循环，各缸均作功一次，则各缸作功间隔角为720°÷6＝120°；2.作功冲程为四冲程的1/4，其所占飞轮转角为720°÷4＝180°由以上两点可知，作功顺序相邻的缸有60°曲轴转角的冲程重叠，如作功顺序为“1-5-3-6-2-4”，则第1缸作冲程完成2/3，即完成120°曲轴转角的时候，第5缸就已经开始作功。依次类推，可知，任一缸作功冲程的前1/3部分都和上一缸作功冲程的后1/3部分重叠，本缸作功冲程的后1/3部分都和下一缸作功冲程的前1/3部分重叠，一个缸作功冲程的中间1/3部分为单独的一个缸作功，如

图1所示。
图1中，深色部分为相邻缸作功重叠时间，空白部分为单缸作缸时间，作功重叠部分的转速比单缸作功部分转速要高的，如图2所示。如有一缸性能不好，则该缸作功时对转速的提升幅度必然减小。
在图2中，分析各缸作功时转速波动脉冲的幅度，可以知道气缸的工作性能；对比各脉冲幅度，可知各缸作功一致性。
在发动机飞轮上方机体上安装磁电式转速传感器，用以测得发动机的转速。当飞轮旋转时，齿的凸凹变化引起磁阻变化，在线圈中产生感应电动势，输出正弦信号，其频率等于飞轮的齿数和转速的乘积，发动机转速越高，正弦信号的频率越高，周期越短。
通过信号处理电路，将飞轮转过转速传感器一个齿所感应的一个正脉冲变为方波，以方波的脉宽作为基本要素进行处理，信号采集处理电路将连续的方波送入计算机处理电路。设定电压比较器的输出方波的低电平和高电平就可以得到相同高度的方波，而方波的宽度反映了脉冲的周期长短。这一脉宽也就反映了飞轮齿转过转速传感器所用的时间，如发动机转速高，飞轮转过转速传感器一个齿所用的时间就少，相应脉宽就窄，如发动机转速低，飞轮转过转速传感器一个齿所用的时间就长，相应脉宽就宽。通过计算公式，将转过一齿所用的时间转换成转速，就得到了发动机飞轮每一齿对应的转速。在进行数据分析前，首先对本次采取的数据进行数字滤波，以消除异常数据。前面已提到，发动机气缸作功与不作功时转速的差距是很小的，尤其是在高速时，差距更小，但当前电路采集精度很高，可到ns级，可识别出发动机飞轮各个齿间的转速差距。如被测发动机是6缸四冲程发动机，则飞轮转2圈发动机完成一个工作循环，如发动机飞轮有128齿，由于飞轮转过1齿，转速传感器输出一个脉冲，则发动机完成一个工作循环，转速传感器输出256个脉冲，单片机通过对256×n个脉冲的脉宽存入数据存储器，即可得到发动机n个工作循环内转速传感器感应脉冲的脉宽，通过计算一个缸作功产生的一组脉冲所对应的方波的两个极值(最宽方波和最窄方波)之差，则可知本缸作功引起脉宽变化的幅度，间接可知转速变化的幅度，通过对n个工作循环内本缸作功产生的方波的两个极值(最宽方波和最窄方波)之差求平均，作为本缸作功引起脉宽变化的幅度，以消除可能出现的少数工作循环内脉宽变化幅度的随机性；如有一缸作功时引起脉宽变化幅度与存储器中存储的该转速下脉宽变化幅度标准值不一致，则可得判定该缸工作性能不好；如各缸工作性能一致，则通过统计定时器规定时间内，输入的脉冲个数，测得当前发动机转速，通过该转速下一个缸作功提升转速的幅度与存储器中的标准值的对比，可判定发动机的均匀磨损程度，若实测值超标，则通过选配的显示报警部分向司机报警，将检测结果输出在显示器上。
下面结合附图对本发明的发动机监测装置的具体实施例进行详细描述图3是本发明的发动机性能监测装置的电路原理图，它由信号采集处理电路1、计算机处理电路2、显示报警部分3和键盘电路4组成。计算机处理电路2包括单片机、译码器、地址锁存器、程序存储器、数据存储器。显示报警部分3和键盘电路4分别与计算机处理电路2相连接，信号采集处理电路1的输出端接计算机处理电路2。
图中显示的计算机处理电路2中的IC31是CPU，采用80C196芯片。IC33是地址锁存器，为74HC573芯片，它的作用是产生独立的地址信号供程序存储器使用。IC34是程序存储器，为2764芯片，用来存储计算机程序和计算常数以及程序运行时的一些依据——不同型号发动机的一些参数(如不同发动机的转速计算公式、不同发动机各缸作功不一致到什么程度报警以及为哪一级报警等)都存于其中。IC35是数据存储器，为EEPROM28256芯片，用以存储程序运行时的中间数据和结果数据。IC32是译码器，为74LS138芯片，用来产生程序存储器2764、数据存储器28256及显示报警部分的选择信号。以上集成电路与CPU一起构成一个完整的工作系统。
图3显示的信号采集处理电路1具体由运算放大器IC41、电阻R41～R44、二极管D41组成。R41和R43串在电源和地之间，为运算放大器IC41提供比较基准电压；R44接在+5V电源与IC41输出端之间，用以将IC41的输出上拉。IC41的反相端接转速传感器输出电压信号，电阻R42接在输入信号与IC41反相端之间，防止输入电压低于-0.7V时，由地经二极管D41流向输入端的电流过大而损坏转速传感器。二极管D41接在IC41反相端与地之间，防止输入端输出至IC41反相端的电压过低。
图4所示的是另一种信号采集处理电路，它由取样电路、脉冲发生电路、耦合电路、分频展宽电路组成。取样电路用以将转速传感器输出的感应电动势转换为方波信号，脉冲发生电路用以产生高频脉冲，耦合电路用以将取样电路输出的方波信号和脉冲发生电路输出的高频脉冲相耦合，以提高计数精度，分频展宽电路是高频耦合信号和CPU之间的过渡电路，用以间接提高CPU性能，提高本装置的性能价格比。
信号采集处理电路的取样电路与图3所示的信号采集处理电路相同，不再赘述。
这种信号采集处理电路采用脉冲发生电路的原因是，当油门不变时，发动机转速变化很小，故需精确计出转速传感器感应信号的脉宽，因此通过采用向转速信号中耦合高频脉冲，通过计高频脉冲个数的方式来计转速信号的脉宽。晶振Z41、电阻R45、R46、电容C41和两输入四与非门IC42组成高频脉冲发生电路，IC42为脉冲发生电路提供反向器，通过将比较器输出端和脉冲发生电路输出端分别接到IC42的一组与非门输入端(IC42第12脚和第13脚)，使经取样电路IC41处理的转速信号和脉冲发生电路产生的高频脉冲相与非，实现信号耦合。再者，因本实施例采用的CPU芯片80C196支持主频不是很高，如系统用18Mhz晶振，则其最快计数速率下也只能计4.5Mhz脉冲，为提高计数精度，需提高频脉冲频率，为弥补CPU速度慢的缺陷，又现采用将高频脉冲分频展宽后输出给CPU的方式。
分频展宽电路由IC43和IC44组成，IC43现采用74123芯片，是一个双单稳态触发器，IC44现采用74193芯片，是一个可预置数的16进制双向计数器。如电路中所示，耦合信号经74123芯片的一组单稳态触发器后输出至74193芯片的向上计数5脚，74193芯片计数输出12脚至74123芯片的另一组单稳态触发器，经第二次单稳后输出接至CPU的T2CLK脚。对于74123芯片，第一组单稳态触发器的三个输入脚(1、2、3)，2、3脚均接高电平，1脚接高频耦合信号，由耦合信号的下降沿触发单稳态触发器，电阻R47接在Vcc和15脚之间，电容R42接在15脚与14脚之间，14脚接地，电阻R47和电容R42的连接确定了第一组单稳态触发器输出脉冲宽度，防止有过窄脉冲输出以至于74193芯片响应不了，而发生计数错误。74123芯片第一组单稳态触态器由脚4输出至74193有向上计数输入脚5，74193芯片的向下计数功能没有用到，故向下计数脉冲输入脚4接一恒定电平，本电路中始终接高，向下计数输出脚13悬空。因没有用到预置数功能，故预置数输入脚15、1、10、9悬空，预置数输入门控脚11接高电平。向上计数输出脚12输出脉冲频率为输入频率的1/16，计数不足16的数由脚7、6、2、3接BCD码格式输出分别接CPU的P0.3～P0.0。74193芯片计数结果清空脚14接至CPU的P1.5脚，使计完一个脉宽后清空计数输出，以准备下一计数。因74193芯片计数脉冲输出脚12输出脉冲宽度等于输入脉冲宽度，为防止CPU响应不了窄脉冲，故又经一组单稳态触发器后方经输出至CPU。74123芯片第二组单稳态触发器外围接线原理同第一组，不再赘述。
以上所叙述的脉冲分频展宽电路是在CPU支持主频不高的情况采用的一种弥补措施，如采用高性能、支持主频较高的CPU，则分频展宽电路可以省去。
耦合结果信号通过IC42第11脚输出至CPU，CPU现采用80C196芯片，其T2CLK脚接耦合结果信号输入，取样电路输出信号连接到80C196输入/输出口，本实例接到P1.4接口。当取样电路输出电压为高电平时，对应耦合结果信号的高频部分，则CPU检测到P1.4接口输入信号为高时，通过内部定时器2对T2CLK脚输入的高频脉冲计数，可得到取样电路输出信号高电平部分的脉宽。通过对各缸作功时感应脉冲脉宽变化幅度的对比，如有一缸变化幅度与标准值不一致，则可得判定该缸工作性能不好；如各缸工作性能一致，则通过统计定时器规定时间内，输入的脉冲个数，测得当前发动机转速，通过该转速下一个缸作功对提升转速幅度的实测值与存储器中的标准值的对比，可判定发动机的均匀磨损程度，若实测值超标，则通过选配的显示报警部分向司机报警，将检测结果输出在显示器上。标准值的设定是选择被监测发动机同型号的性能完全良好的新发动机进行实验，采集实验数据，得出在不同的转速下，一个缸作功时对转速提升的幅度的幅值，将它们存入程序存储器，作为该机型气缸作功时对转速提升幅值的标准。
在附图3所示键盘电路4由开关K31～K34、电阻R35～R38组成。开关K31～K34位于分别接在CPU输入/输出口P1.0～P1.3与地之间，电阻R35～R38分别位于开关K31～K34与+5V电源之间。四个开关分别实现“向上翻页”、“向下翻页”、“菜单”、“确认”功能。
显示报警部分3由液晶显示模块I和控制接口板组成，控制接口板现采用SED1330-II接口板，它是单片机系统与液晶显示模块之间的控制接口电路，接收来自单片机的指令与数据，并产生相应的时序及数据控制液晶显示模块的显示。当然，显示报警部分3也可由发光二极管来做到。
权利要求
1.一种发动机性能监测方法A.信号采集和处理在发动机飞轮上方机体上装有磁电式转速传感器，通过信号采集处理电路将飞轮转过转速传感器一个齿所感应的一个正脉冲变为方波，以方波的脉宽作为基本要素进行处理，信号采集处理电路将连续的脉冲方波送入计算机处理电路；B.信号输入及处理在计算机中设定的发动机在n个工作循环中脉冲对应转速计算公式，判断发动机工作状态n个工作循环内传感器感应脉冲总数＝飞轮齿数×一个工作循环飞轮转数×n(1)一个缸在一个工作循环中的脉冲数＝飞轮齿数×一个工作循环飞轮转数/缸数(2)每缸作功最宽方波和最窄方波差值＝[∑(每缸作功对应最宽方波脉宽-最窄方波脉宽)]/工作循环数 (3)C.标准值的设定采集同型号标准发动机实验数据，存入程序存储器，作为该机型气缸作功时对转速变化幅度值的比较标准。D.比较判断将气缸作功时产生的一组脉冲所对应的方波的两个极值(最宽方波和最窄方波)之差作为脉宽变化幅度与存储器中存储的该转速下脉宽变化幅度标准值比较，可以判断气缸工作性能，将检测结果输出在显示器上。
2.根据权利要求1所述的发动机性能监测方法，其特征在于一个缸作功引起脉宽变化的幅度是对n个工作循环内本缸作功产生的方波的两个极值(最宽方波和最窄方波)之差的平均值。
3.根据权利要求1所述的发动机性能监测方法，其特征在于各缸脉冲变化幅度与存储器中存储的该转速下脉宽变化幅度标准值比较，判定发动机的均匀磨损程度，通过选配的显示报警部分向司机报警。
4.根据权利要求1所述的发动机性能监测方法，其特征在于在进行数据分析以前，将本次发动机工作性能判定输入数据进行数字滤波。
5.一种发动机性能监测装置，它包括磁电式转速传感器、计算机处理电路[2]、显示报警部分[3]和键盘电路[4]，计算机处理电路[2]由单片机、译码器、地址锁存器、程序存储器、数据存储器等组成，显示报警部分[3]和键盘电路[4]分别与计算机处理电路[2]相连接，其特征在于它还有信号采集处理电路[1]，转速传感器的输出端接信号采集处理电路[1]，信号采集处理电路[1]的输出端接计算机处理电路[2]；信号采集处理电路[1]由运算放大器IC41、电阻R41、R42、R43、R44、二极管D41组成，电阻R41和R43串联接在电源和地之间，其接点接在运算放大器IC41的同相端，电阻R44接在+5V电源与运算放大器IC41输出端之间，转速传感器输出电压信号通过电阻R42接运算放大器IC41的反相端，二极管D41接在IC41反相端与地之间，运算放大器IC41的输出端接计算机处理电路的输入端。
6.根据权利要求5所述的发动机性能监测装置，其特征在于所述计算机处理电路[2]的单片机采用80C196型CPU芯片，运算放大器IC41的输出端接80C196芯片的HIS.0口。
7.根据权利要求5所述的发动机性能监测装置，其特征在于所述信号采集处理电路[1]由取样电路、脉冲发生电路、耦合电路、分频展宽电路组成；取样电路由运算放大器IC41、电阻R41、R42、R43、R44、二极管D41组成，电阻R41和R43串联接在电源和地之间，其接点接在运算放大器IC41的同相端，电阻R44接在+5V电源与运算放大器IC41输出端之间，转速传感器输出电压信号通过电阻R42接运算放大器IC41的反相端，二极管D41接在IC41反相端与地之间，运算放大器IC41的输出端接计算机处理电路的输入端；脉冲发生电路由晶振Z41、电阻R45、R46、电容C41和两输入四与非门IC42组成，晶振的两端分别接IC42的1、2脚的接点和9、10脚的接点，电阻R45、R46分别接在IC42的1、3脚和4、9脚之间，电容C41接在IC42的3脚和4、5脚的接点之间，IC42的8脚为脉冲发生电路的输出端；耦合电路是两输入四与非门IC42的一组与非门输入端和输出端，即IC42的11、12、13脚，取样电路的输出端和脉冲发生电路输出端分别接到IC42的12、13脚，IC42的11脚是输出端接分频展宽电路；分频展宽电路由双单稳态触发器IC43、可预置数的16进制双向计数器IC44、电阻R47、R48、电容C42、C43组成，IC43采用74123芯片，IC44采用74193芯片，74123芯片的1～4脚、13～15脚和R47、C42构成第一组单稳触发器，5～7、9～12脚、R48、C43构成另一组单稳触发器，耦合电路输出端接74123芯片第一组单稳触发器的1脚，其2、3脚接高电平，4脚为输出，接至74193芯片的5脚，74193芯片的12脚输出再接至74123芯片的9脚，74123芯片的12脚接至CPU的T2CLK脚，电阻R47接在Vcc和74123芯片的15脚之间，电容C42接在15脚与14脚之间，14脚接地，74193芯片的1、9、10、13、15脚悬空，5、11脚接高电平，7、6、2、3脚分别接CPU的P0.3～P0.0接口，74193芯片的14脚接至CPU的P1.5接口，74123芯片的另一组单稳触发器的外围接线原理同第一组。
8.根据权利要求5所述的发动机性能监测装置，其特征在于所述取样电路的运算放大器IC41的输出端接计算机处理电路[2]的80C196芯片的P1.4接口。
全文摘要
一种发动机性能监测方法及装置,属于发动机工况控制技术领域,所要解决的技术问题是提供一种通过分析发动机各缸作功时对转速提升的幅度来判定发动机的工作性能的发动机性能监测方法及装置。技术解决方案是本发明采用采集精度很高的ns级采集和处理电路,可识别出发动机飞轮各个齿间的转速差距,通过分析各缸作功时转速波动脉冲的幅度,可以知道气缸的工作性能;对比各脉冲幅度,可知各缸作功一致性。其装置包括转速传感器、计算机处理电路、信号采集处理电路,转速传感器的输出端接信号采集处理电路,信号采集处理电路的输出端接计算机处理电路。
文档编号G01M15/00GK1389717SQ02135260
公开日2003年1月8日 申请日期2002年7月10日 优先权日2002年7月10日
发明者韩晓明 申请人:韩晓明