汽車發動機機械系統故障診斷分析

張 夢

（長春職業技術學校，吉林 長春 130000）

1 研究背景與意義

作為最直接的動力來源，汽車發動機系統的組成結構較為復雜并且各功能元器件的精密性較高，在設計、組裝和調試時對技術及工藝要求較高。只有經過嚴謹且規范的模塊化處理和各部件的匹配聯調，才能確保發動機的整體性能，使它在后期的運轉中保證穩定性和經濟性。在提升汽車行駛安全性的方面，發動機作為燃料的直接消耗者，在特定的極端天氣和環境中會存在一定的故障概率和安全隱患。例如，在夏季較高溫度下，發動機的故障發生率就會升高，由此引發的汽車間歇性拋錨等問題都會影響汽車使用者的駕駛感受。為了有效地解決這一問題，同時對汽車發動機的故障率進行合理控制，有必要通過發動機的機械故障表現來對汽車發動機的故障產生原因及規律進行總結。從而對汽車的整體運行狀態及發動機的機械運轉狀況進行實時監測。這不僅對于發動機的研發技術水平提高有所幫助，也會改善現有的汽車駕駛安全及使用體驗。

2 發動機機械故障診斷的基本流程

從汽車發動機故障診斷及維修的實際需求出發，綜合實際使用場景中汽車發動機的常見故障原因和排除方式可以大致歸納總結出發動機故障診斷的基本流程。首先，通過對正在運行中發動機的運轉異常表現做出大致判斷。通過相應的檢測儀器設備對于各種物理數字信號進行實時反饋，進而完成相應診斷過程，最后給出一個故障原因的判斷。然而大多數時候還需要根據經驗，結合發動機的異常噪聲和抖動等表現來大致判斷其故障原因。此外，通過大量檢修數據的積累和經驗分析也能夠對于發動機的常見故障原因進行總結，并通過相應的故障表征快速得出維修方式的反饋。這一流程也可作為后續發動機電氣化及信息化技術創新與發展的重點方向[1]。

3 發動機常見的機械損傷類型

3.1 摩擦損害

發動機的摩擦損害是較為常見的一類普發性故障。在汽車發動機長期運轉中，其內部的部件隨著使用周期的延長會干擾金屬表面的原子穩定狀態，進而降低原子間引力。久而久之，會誘發原子大范圍位移和脫落等現象。考慮到原子磨損產生的性能改變會間接增加汽車零件消耗磨損的程度并且會嚴重限制其性能發揮，因此必須在故障出現時盡快予以排除。在發動機不同部位的摩擦損害中，運動附件的磨損概率較高。這是由于活塞和汽缸在高溫高壓環境下運轉，直接是加劇了曲柄連桿機構的碰撞導致的。此外，發動機汽缸間隙在組裝階段的配置合理性下降也會導致發動機漏氣，從而使發動機的綜合運轉性能受到嚴重影響。

3.2 化學腐蝕

受使用環境影響而導致的發動機故障類型中，較為常見的是化學腐蝕現象。汽車發動機涉及的化學腐蝕對象主要是發動機零件，由于長時間處于腐蝕性環境而引發化學反應，最終導致發動機零件的損壞。發動機腐蝕可根據成因分為化學腐蝕和電化學腐蝕2 種。其中，化學腐蝕是基于化學反應層面的潛在反應條件而出現的，它是發動機故障的主要誘因。常規原因是發動機機械部件材料與外部空氣或液體接觸后發生化學反應。而電化學腐蝕是指不同金屬材料在導電溶液環境下產生的連鎖反應，也會導致發動機金屬部件的性能異常，同時遭受不同程度的腐蝕。

3.3 應力變形與斷裂損傷

在發動機故障的物理誘因方面，應力變形與斷裂損傷是最為典型的故障產生原因之一。應力變形與斷裂損傷的成因大多是由于發動機在使用過程中受到來自外部和內部應力共同作用疊加產生的超負荷壓力。其會改變原本的零件形狀和分布位置，當發動機長期處于運轉狀態時，受異常承受力影響其核心機械構件的強度將持續下降，最終導致零件發生變形或斷裂，帶來行車過程中嚴重的安全問題。作為常見的外力作用所導致的機械性能改變，發動機應力變形與斷裂損傷會顯著縮短發動機的使用壽命，并帶來諸多安全隱患。

4 發動機機械故障的典型表現

汽車發動機的各種異常表現不僅能夠反映出發動機處于異常狀況，也能向使用者傳達故障的特征與類型信息。根據專業技術人員的判斷，能夠從發動機的故障表現中獲得關于故障類型的判斷依據，并借由一系列故障征兆得到更為細致而具體的故障位置信息。為后續的故障排除和發動機維修指明方向。表1 給出了汽車發動機機械故障的常見表現[2]。

表1 汽車發動機機械故障常見表現

5 結合不同表現的發動機機械故障診斷方法

5.1 振動信息

為了有效地進行區分可將被歸納為故障現象的異常振動大致分為3 個方向。1）由于發動機氣缸內的燃料燃燒所產生的氣體對鋼壁施加壓力后，再經過內部的運動部件磨損形成的間隙，對其他機械裝置產生撞擊從而引發的振動。2）發動機工作過程中的曲柄連桿運轉會產生慣性震動。3）發動機進氣門和排氣門在工作中會產生機械沖擊振動。這3 類振動的成因需要由技術人員逐一進行排除，并最終確定發動機異常振動的產生原因。以上過程都需要依賴于振動信號的提取和分析而實現，相應的信號處理過程需要經過頻譜分析，時序模型建立等過程并且對于其中可能存在的關聯性故障也要進行充分考慮。這種故障現象的診斷過程相對簡便，完成效率較高，但是不排除會受到其他環境因素干擾的可能性。例如設備使用方式，環境溫濕度等都會無形中增加故障檢測的總體成本。

5.2 噪聲信息

汽車在行駛中的噪聲主要來自于發動機。可判定發動機存在故障的噪聲類型主要有3 類，其中的燃燒噪聲是氣缸壓力對氣缸壁造成沖擊形成的；機械噪聲是受到壓力和慣性作用使發動機內部的運動部件互相撞擊和振動發出的；空氣動力噪聲是發動機在進氣和排氣過程中因摩擦而產生的，在傳播路徑和擴散方式上基本呈輻射狀[3]。當高速行駛時，駕駛者所感受到的噪聲來自發動機中的機械噪聲和空氣摩擦噪聲，而低速行駛時主要的發動機噪聲為燃燒噪聲。可在發動機運行中通過信號和波形的特定指標分析準確判定存在異響的部位，進而對特定的零件或部件進行更換維修。

5.3 溫度信息

氣缸壓力、排氣溫度、轉速、冷卻水進出口溫度等項目都會加劇內燃機溫度的增加。故障檢測技術人員可通過對溫度變化規律的分析判斷內燃機的整體工作環境，并根據其呈現的工作狀態確定故障所在點。發動機溫度過高可能是內燃機燃燒不充分造成的，技術人員可在發動機故障診斷過程中重點關注內燃機的熱力參數和燃燒效率，進而判斷其是否存在故障。

5.4 油液檢測

常規的故障特征提取算法是依據環繞波檢測理論為基礎而設計實現的。發動機在運轉過程中，燃料的油液表面波會因為鐵質輸油導管表面的磁場而形成規則的環狀結構，這就是環繞波的初始形態。根據這種特殊環繞波的產生規律和分布特點可以更好地理解其信號方程：

在信號i的表達式中，u1m表示測定環境中高梯度磁場下測試儀上的液壓讀數，u2m代表汽車發動機活塞間隙對應的震級，ω是衡量功率測試譜密度函數總體偏移量的指標，φ為發動機活塞表面鐵材質譜線的整體寬度。掌握以上幾個核心物理量的意義和測量方式后就能間接獲得環繞波的物理特性。當汽車發動機出現異常故障時，隨著時間t的變化監測信號中會出現一個不同程度削弱的環繞波形。

6 發動機故障診斷整體思路

在進行發動機故障診斷時，首先應對故障信號進行檢測。技術人員要根據測試儀器的適用監測對象選擇振動傳感器或噪聲傳感器來對發動機的溫度、振動和噪聲等進行測定，并將其與初始狀態下的信號數值進行對比。

接下來需要用計算機對采集到的特征信號進行預處理。經過放大、壓縮轉換和噪聲消除等步驟還原真實的發動機故障信號。對其頻譜變化規律進行分析并按照發動機故障信息對照采樣表評估發動機可能出現的故障原因及故障點。狀態識別也是常用的發動機故障診斷方式之一，通過對故障波形與正常信號之間的區分來判斷發動機出現了何種故障并鎖定故障位置[4]。

7 結語

鑒于汽車發動機的組成結構和功能設定較為復雜，相應的發動機機械故障診斷流程也比較煩瑣，其中涉及的診斷要素也比較多。從汽車發動機的機械技術發展及故障維修與排除技術角度來看，發動機故障的快速故障點定位及排除對于發動機機械技術應用效果提升有著重要意義，同時也能創新汽車行業的整體發展方向。為此，該文從發動機機械故障的典型表現與診斷方式入手，圍繞故障診斷與排除的機制與流程展開介紹。通過具有較強適用性和全面性的故障診斷與異常判別方式為發動機的機械故障診斷與維修提供了更加明確和高效的實施路徑。與此同時，技術人員也可嘗試將信息化手段應用到發動機機械故障診斷流程中，從而促進發動機機械故障診斷過程的智能化發展。