汽车发动机点火系统故障诊断专家系统的开发

XIAOZHONGMING

2017-1-13  来源：长城汽车股份有限公司  作者：左正村 李 光 赵金龙

      摘 要：汽车发动机点火系统的作用就是将汽车电池中的低压直流电转化为高压，并根据发动各气缸的工况适时的提供高压电火花。随着电子信息技术运用到汽车诊断中，汽车故障诊断的科技含量不断增加，也对故障诊断方法提出了很大挑战。发动机点火系统是汽车故障经常出现的地方，所以该文对发动机点火系统故障诊断的研究有着很大意义。


      关键词：汽车发动机；点火系统；故障诊断


      电子点火系包括半导体辅助点火系统和电子点火系。半导体辅助点火系统的初级电流由断电器触点控制半导体三级管的导通和截止进行。电子点火系统由内含信号发生器和点火提前装置的分电器、点火控制器、点火线圈和火花塞等组成。分电器内装的信号发生器与点火控制器中末端大功率三极管的配合相当于传统点火系统中分电器触点的作用。点火线圈为专用高能点火线圈，初级绕组的电阻和电感较小，低压电流大，点火能量高。信号发生器转动时，周围磁场发生变化，传感器中产生电压信号，经点火控制器的放大、整形来控制末级大功率三极管的导通与截止，使点火线圈中初级电流发生变化，次级绕组中感应出高压电。点火控制器中的闭合角（指末级大功率三极管导通期间分电器转过的角度。


      1.汽车的故障诊断技术


      故障自诊断模块检测的对象是电控汽车上的各科-传感器。故障自诊断模块共用汽车电子控制系统的信号输入电路，在汽车运行过程中检测上述三种对象的输入信息，当某一信号超出了预设的范围值，并且这一现象在一定的时间内不会消失，故障自渗断模块便判断为这一信号对应的电路或元件出现故障。并把这一故障以代码的形式存入内部存储器，同时点亮仪表盘上的故障指示灯，现代汽车已不是简单的机械产品，也不是最初的交通工具，而是由原始汽车进化到一个高科技的结晶体。特别是电子技术、电脑技术的飞速发展，使汽车的科技化程度不断得到提高。


      电子燃油喷射系统发动机（EFIE）、ABS防抱死制动系统、SRS安全气囊系统、电子控制自动变速箱系统（AT）、加速滑动调整系统（ASR）、自动空调系统（A/C）、电子悬挂系统（ECS）、动力转向系统、自动巡航系统、中控门锁及防盗系统、TCS动力牵引系统及自我诊断系统等，这些总成均由电控单元件（ECU）全面控制，电控单元具有自诊断功能，能记录出现的故障，并以代码形式存储在电控单元存储器中，运用数据流进行电控发动机故障的诊断，首先要打好理论基础，有了这些理论基础，在查找故障时就会找出问题的主要根源进行电控系统故障诊断的体会，诊断不仅可以读取故障码，还能实现下线配置及检测、程序下载两项重要功能。自动化的下线配置及检测功能可以快速和全面地配置和检测控制器的功能（例如车窗零位配置和防夹检测），从而确保汽车出厂质量，加快生产线节拍。通过程序下载功能，整车厂可以在4S店刷新控制器的软件，从而减少因软件缺陷造成的召回成本。


      2.发动机点火系统的常见故障分析


      发动机点火系统是汽车电子控制中非常重要的组成部分，随着汽车制造大量引进科学技术，点火器也日趋向集成化、轻型化、小型化、低成本化的方向发展，目前点火系统存在的主要故障包括：


      （1）火花塞故障。这一故障主要是因为火花塞的间隙太大或者太小，导致点火电压值在此过程中受到了影响，如图1所示，火花塞就是因为积碳导致的故障。


      （2）高压线故障。这一故障主要是因为高压线受到长期磨损而破裂、老化的现象，导致电线绝缘体的性能受到影响，最终致使点火电压值出现了异常现象。


      （3）分电器故障。这一故障主要是分电器的外壳受到破损或者分电器的触电间隙存在不合理。


      （4）混合气体浓度故障。这一故障主要是受到混合气浓度的影响，如图2所示，由于混合气体浓度过高或者过低，次级点火电压的燃烧时间受到了严重影响，而次级点火的波形对这一现象进行了显示。


      3.汽车发动机点火系统故障诊断方法

      3.1数字万用表


      目前很多汽车都是采用无触点电子点火，该文主要分析这种点火系统的车型，其组成部分主要包括：电器组成、高压线、火花塞、点火控制器以及火线圈，每个部分出现故障都会对整个点火系统造成很大影响，所以需要加大对其零部件故障的排查，可以先从甄别故障线路入手，判断点火系统是因为高压线路还是点火系统线路导致的问题。


      3.2点火示波器


      点火示波器是一种诊断结果更为精确的技术，主要利用电信号参数来描述汽车故障的特征，并且描述比较精确形象，主要波形包括：第一，多缸平列波，主要根据点火顺序首尾连接起来，可以对点火系统的各个零部件和线路进行诊断；第二，多缸并列波，主要是根据点火顺序按照上下的次序排列，可以实现对火花线长度和一次电路闭合区间的长度进行比较；第三，多缸重叠波，主要是将各缸点火过程的曲线在同一图形中重叠，可以区分各缸点火周期、闭合断开缺件之间的差异；第四，单缸点火波，主要是分析火花线和低频振荡阶段。


      3.3人工智能诊断法


      人工智能诊断法在使用时需要借助数学建模，主要操作原理在于人工神经网络具有自组织性、自学性、并行性以及联想记忆功能，并且可以处理其他方法无法诊断的地方，所以在诊断过程中有着很大作用。


      4.发动机故障诊断专家系统的实现

      4.1知识库的获取和建立


      知识库是整个专家系统的数据源。其目的在于大量的专家经验表示成知识，使专家系统程序能够利用这些知识进行正确的推理和决策，较快地解决问题。发动机故障诊断所需要的专业知识可以从相关资料中得到，还可以同长期从事该专业领域的专家们的经验以及专家们以往处理问题的实例中抽取专家知识，从而选择合适的形式把整理好的专家知识存入知识库中。


     4.2微机控制点火系统


      微机控制点火系统主要由电子控制单元（ECU）、各类传感器和点火执行器三部分组成。在发动机运行过程中，传感器将采集到的转速、负荷、水温、进气温度、启动、怠速等各类数据，不断地传递给电子控制单元（ECU），它将这些与发动机运行有关的信号与微机内存中的最佳控制参数进行比较，进而得到最佳控制点火提前角和最佳导通时间，并以此为根据向点火控制模块发送指令，点火控制模块根据电子控制单元（ECU）的指令对点火线圈的初级绕组实行导通和截止控制操作。当回路导通时，电流流过点火线圈的初级线圈，并将电能存储于磁场中，闭合回路被切断时，次级线圈中将产生高压电动势，然后送至工作气缸的火花塞，形成电火花，能量瞬间被释放，将气缸中的混合气点燃，让发动机完成一次做功过程。若是在带有爆震传感器的闭合回路中，电子控制单元（ECU）则可以根据爆震传感器的信号来判断发动机的爆震程度，并将点火提前角控制在爆震的范围内。


      4.3建立故障树


      故障诊断的树状流程图是故障因果逻辑关系的图形表示，它由顶端事件、中间事件和底端事件等组成。用相应的符号代表这些事件，再用适当的逻辑门把顶端事件、中间事件和底端事件连成树形图。该图形是对专家真实诊断过程的抽象模拟，体现了故障现象和故障原因之间的因果逻辑关系。实际上就是把所研究系统得最不希望发生的故障状态作为故障分析的目标，然后寻找直接导致这一故障发生的全部因素，再找出造成下一级事件发生的全部直接因素，以致追查到那些原始的、勿须再深究的因素为止。


      4.4推理诊断模块设计


      推理诊断模块在进行推理时，利用数据库中的信息和知识库中的知识，按照专家诊断发动机故障的推理策略去解决遇到的问题。本系统通过人机界面获取故障现象并将其读入寄存器中，系统采用问诊的方式询问规则中的条件，通过这些故障现象和满足的条件搜索出相关的故障树进行推理。根据故障树从树根到树叶的确定性选择推理过程，直到不能再运算为止。逐步引导用户完成故障诊断。


      5.结论


      现代汽车的故障诊断工作显得非常迫切。发动机的故障诊断和维修在汽车修理中占有极为重要的地位。统计数字表明，45％左右的发动机故障发生在点火系统，可见，点火系统工作质量的好坏直接影响到发动机的技术状况，其故障诊断具有重要意义。