基于尾气监测的教学车辆发动机运行状况动态监控系统的设计

冒兴峰，罗 鹰，姜于亮，于建锋

（南通理工学院汽车工程学院，江苏 南通 226002）

基于尾气监测的教学车辆发动机运行状况动态监控系统的设计

冒兴峰，罗 鹰，姜于亮，于建锋

（南通理工学院汽车工程学院，江苏 南通 226002）

基于尾气监测的教学车辆发动机运行状况动态监控系统主要通过在车辆运行过程中，实时监测OBD检测数据，判断车辆尾气排放是否异常，获得车辆实际运行状况信息，判断故障位置，对于预防事故、保障设备技术状况有着重要意义。文章对该系统的可行性进行了分析，并对技术指标、尾气监测方案及系统设计进行了阐述。

尾气；监测；系统

在应用型本科高校汽车专业的课内实验及实习等教学环节中，越来越多地使用到教学整车。这些整车运行工况复杂多变，且需要经常模拟各种故障“带病运行”，其技术状况的好坏，将直接影响到参与实验、实习师生的人身安全、获得数据的准确性及设备安全与使用寿命等。如何及时获取教学车辆实际运行状况信息，判断车辆是否发生故障，以进行相应的维护与维修，保持车辆良好技术状况，正成为教学、管理人员研究的课题。

1 可行性分析

汽车尾气的成份较为复杂，主要包括CO、HC、NOX、CO2、H2O、O2及颗粒等。CO主要是由于发动机汽缸内缺氧环境和低温所引起的燃烧不完全所产生的，是汽油发动机尾气中浓度含量最大的一种物质。HC在不同的发动机中，产生原因有所不同。在汽油发动机中，其产生原因主要是由于燃料不完全燃烧以及火焰在壁面淬熄效应及缝隙效应所致；在柴油发动机中，其产生原因主要是由于燃料混合不均和燃烧不完全所产生的。NOX产生的主要原因是燃烧过程中的高温所致，主要成份包括NO2、NO。CO2是发动机内可燃混合气燃烧的产物之一，其反映了燃烧进行的充分程度。

影响尾气成份的因素很多，包括空燃比、点火时刻、火花能量、喷油提前角、运转工况、发动机类型、机内结构等。当发动机出现故障时，尾气中成份含量，往往较正常范围有所偏离，通过检测发动机在不同工况下尾气排放状况，可判断当前发动机的工作状况、性能的好坏，检查发动机燃烧反应的进行情况、点火、喷油等信息，继而判断出发动机故障存在的部位，为实时监测车辆发动机运行状况提供参考依据。因此，该系统的设计思路是可行的。

2 系统技术指标分析

根据教学车辆的工作特点以及教学、管理人员的要求，该系统的技术指标应包括：①能动态实时监测车辆运行过程中的尾气状况；②能对所采集的排放数据进行处理分析；③能将车辆当前尾气排放状况进行显示，并进行警告提醒；④可对运行过程中的尾气排放数据进行记录及存储；⑤便于车辆安装。

3 尾气监测方案

三元催化转换器、氧传感器与发动机的工作状况及车辆尾气排放密切相关，在发动机尾气出现异常时，会出现指标参数的异常，并在OBD系统中以数据体现。本课题的研究综合参考车辆运行过程中OBD检测数据所反映的数据流、故障码来确定车辆尾气排放是否异常。

（1）三元催化转换器的监测。三元催化转换器状况的监测，通常使用对比前、后氧传感器响应电压情况的方法来实现。在三元催化转换器工作正常时，前后氧传感器电压波动差异较大。在三元催化转换器失效后，后氧传感器的电压波动会逐渐减弱，直至与前氧传感器趋近相同。通过电压对比的监测，可判断三元催化转换器的催化还原效果。

图1 三元催化转换器前后氧传感器信号对比

（2）氧传感器的监测。氧传感器的信号电压随着空燃比密切相关。当空燃比偏小时，氧传感器输出高电平信号；当空燃比偏大时，氧传感器输出低电平信号；当混合气空燃比在理论空燃比附近时，输出电压将在高、低电平信号间发生畸变。在监测过程中发现氧传感器电压超过某一阈值时，判定氧传感器失效。

（3）故障码的监测。分析来自ECU的信号，并根据ECU通信数据帧协议的规定分解出相关故障信息。SAE J2012对于OBD-II系统故障代码所应遵循的编码标准进行了规定。通过对相关故障码进行解读，可获取故障详细信息。如P0136，表示氧传感器电路故障（第1组，传感器2），即汽缸列1中的下游氧传感器2发生了故障。

（4）数据流的监测。数据流主要分为状态参数及数值参数。数值参数实时反映汽车运行过程中各传感器、执行器信息，如发动机转速、车速、喷油脉宽、氧传感器电压等。状态信号反映各部件的运转状况，如空调开启状况等。分析来自E-CU的信号，根据ECU通信数据帧协议的规定及相应PID的定义，分解出所需数据流信息，作为汽车运行状况监测的重要参数。

4 系统设计

本系统中主要由车载OBD接口、控制器模块、协议解析模块、串口通讯模块、数据输出模块、电源模块等部分组成。

（1）控制器模块。选用LPC1765控制器，通过3个串口分别与协议解析模块、串口通信模块、数据输出模块进行通信。相关外围电路需进行设计以满足模块工作，构成系统最小电路。

（2）协议解析模块。采用速锐得EST 327主控芯片进行开发，该芯片内部集成了常见的车载通讯协议标准，通过外围接口电路的设计，可以实现与ECU通过车载OBD-II接口实现通信，并可与串口直接通信，对相关传感器、执行元件等进行故障码、数据流读取等相关操作。对于K线通讯系统、CAN线通讯系统，该主控芯片需对其进行相应外围电路设置。

（3）OBD接口电路。参照SAE J1962诊断接头标准，进行OBD接口电路设计。

（4）串口通讯模块。串口通讯模块采用FT8U232BM，该芯片工作稳定，兼容性好，外围简单，可设置不同的输出电平。

（5）数据输出模块。采用LCD点阵液晶显示屏，通过与模块链接，可以实现对监视值的显示输出。各项信息循环滚动，方便相关人员进行实时观察。

（6）电源模块。课题中所选用的芯片模块工作电压各不相同，考虑到车辆电源系统的特殊性，进行电源模块的设计。由稳压芯片将车辆12V或24V电压转换为5V，为EST327、FT8U232BM等模块供电，并通过稳压芯片将5V电压转换为3.3V，为LPC1765供电。

5 结语

本课题所开发的系统，具有体积小、功耗低、工作稳定等特点，实现了基于尾气监测检测发动机工作状况的目的，满足了教学、管理的需求。

[1]马英.基于车联网的3G远程车载尾气监测系统的设计与实现[J].郑州轻工业学院学报，2014，（12）.

[2]张印强，程明霄.烟气排放远程监控及故障诊断系统的设计[J].制造业自动化，2011，（8）.

[3]闫旭普.基于OBD监测数据的车辆尾气排放远程监测系统设计[D].北京：北京工业大学，2016.

冒兴峰（1986-），男，江苏南通人，讲师，汽车维修高级技师，主要研究方向：汽车电控。