汽車發(fā)動機的故障特征與現(xiàn)代檢測技術應用

李建興

(寧波城市職業(yè)技術學院，浙江 寧波 315000)

0 引言

近年來，我國的汽車產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)了飛速發(fā)展，2021年中國汽車產(chǎn)出2 608.2萬輛，同比增長3.4%，銷售2 627.5萬輛，同比增長3.8%，汽車行業(yè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。在汽車產(chǎn)銷量不斷提升的同時，大量先進的電子技術與汽車機械技術實現(xiàn)了更好的融合，加之車聯(lián)網(wǎng)技術的廣泛應用，汽車逐漸成為電氣智能化的交通工具。發(fā)動機作為燃油汽車最重要的動力源，其具有零部件眾多、結構復雜精密、高溫高壓工作等特點，需要眾多功能部件相互配合才能實現(xiàn)動力的可靠供給。在電控和智控發(fā)動機的新時代，發(fā)動機功能提升的同時，故障特征也呈現(xiàn)多樣化趨勢，對故障的不合理判斷與維修會嚴重影響汽車的行駛品質與安全，因此，合理利用現(xiàn)代化的檢測技術，針對汽車發(fā)動機的故障特征進行檢測診斷，精確定位故障問題，能有效提高汽車的故障維修質量。

1 汽車發(fā)動機技術特征

1.1 技術現(xiàn)狀

發(fā)動機被稱為汽車的“心臟”，是燃油汽車一切能源的基礎來源，現(xiàn)代汽車使用的發(fā)動機主要以汽油發(fā)動機和柴油發(fā)動機兩大類為主，發(fā)動機技術的先進性直接關系到汽車的動力性、駕駛舒適性、經(jīng)濟性和環(huán)保性等多項技術參數(shù)。現(xiàn)階段使用的汽車發(fā)動機采用活塞式內燃機技術，通過燃油燃燒產(chǎn)生的能量推動活塞做往復運動，實現(xiàn)將化學能向動能的轉換過程。自1876年奧托利用往復式活塞結構發(fā)明了四沖程汽油機以來，到2022年，汽車發(fā)動機已經(jīng)過146年研究與發(fā)展，現(xiàn)階段應用的電控汽油機能夠實現(xiàn)在高轉速下穩(wěn)定、低振動的輸出動力；電控柴油機也能實現(xiàn)在更大的壓縮比下提供強勁動力。

隨著發(fā)動機技術的發(fā)展，發(fā)動機的產(chǎn)品體系進一步豐富，根據(jù)發(fā)動機動力輸出形式的不同，現(xiàn)階段的汽車發(fā)動機主要包括自然吸氣、渦輪增壓、機械增壓、雙增壓4大類，并以3缸、4缸、6缸、8缸機型為主，能適應不同車型的動力需求。

1.2 工作原理

下面以家用汽車應用廣泛的4沖程汽油機為例說明汽車發(fā)動機的運行過程與工作原理。4沖程汽油機的運轉主要包括4個過程，即進氣沖程、壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程[1]。

1.2.1 進氣沖程

進氣沖程主要是利用活塞運動向汽缸內輸入混合氣的過程。發(fā)動機啟動后，在起動機的帶動下，活塞由上止點移至下止點，在此過程中，活塞與汽缸壁的密封性能使汽缸內形成一定的真空度，在負壓力作用下，汽油和空氣的混合氣體被吸入汽缸。

1.2.2 壓縮沖程

壓縮沖程就是對汽缸內的油氣混合氣進行加壓增溫的過程。此過程進、排氣門均處于關閉狀態(tài)，活塞再由下止點向上止點移動過程中壓縮了汽缸內的混合氣，使內部溫度和壓力不斷升高。

1.2.3 做功沖程

做功沖程是燃料燃燒，使化學能轉換為動能的過程。當汽缸內氣體壓縮到預設狀態(tài)，火花塞將混合氣點燃，汽缸內部溫度與壓力快速提升，推動活塞快速由上向下運動，帶動曲柄連桿機構對外輸出扭矩。

1.2.4 排氣沖程

排氣沖程是將燃燒產(chǎn)生的廢氣排出的過程。此過程活塞由下止點向上止點運動，同時排氣門開啟，在活塞推力的作用下將廢氣推出汽缸，但由于汽缸與活塞的結構特征，仍存在部分廢氣殘留。

2 故障檢測技術研究情況

為進一步提高汽車檢測精確性與維修質量，我國汽車廠商及科研院所針對汽車發(fā)動機的故障特性進行了大量研究，并利用故障規(guī)律指導和優(yōu)化檢測技術，為汽車維修行業(yè)的技術升級創(chuàng)造了有利條件。田兆亮等[2]利用小波包分析與神經(jīng)網(wǎng)絡理論相結合的方法分析了發(fā)動機的振動信號特征，總結了典型故障的振動信號規(guī)律，對收集到的發(fā)動機振動信號進行時域與頻域分析，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行測試診斷，為發(fā)動機故障自動化分析與診斷提供了新思路；張琦等[3]依托車聯(lián)網(wǎng)平臺，研究了一款汽車發(fā)動機遠程故障診斷系統(tǒng)，指出了現(xiàn)有汽車遠程故障診斷系統(tǒng)的故障特征提取不足、故障處理效率低下等問題，利用小波閾值去噪提取發(fā)動機故障特征，有效提升了故障診斷效率；黃智勇[4]提出利用依賴關聯(lián)維數(shù)改進算法來改善汽車發(fā)動機故障特征選擇的新模式，使精化函數(shù)所需的收斂時間顯著縮短，使多路徑效應放大的消極影響得到有效消除，有利于提高故障特征選擇的準確性。喻菲菲等[5]將虛擬儀器和Matlab的振動信號測試應用到發(fā)動機故障特征分析與檢測過程中，通過采集到的發(fā)動機的機體表面振動加速度信號進行時域和頻譜分析，有效改善了發(fā)動機故障檢測與診斷效率。

3 發(fā)動機的故障特征

3.1 發(fā)動機的運轉特性

發(fā)動機作為精密的動力裝置，其運轉過程呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性特征，這種規(guī)律表現(xiàn)為各個功能部件之間的相互配合和運轉過程的循環(huán)性機械動作。當發(fā)動機存在一定的故障，發(fā)動機原始的運動規(guī)律被破壞，而在發(fā)動機性能、運轉振幅、振動頻率、排放、溫度等很多方面出現(xiàn)異常現(xiàn)象，在傳統(tǒng)的人工檢測與維修過程中，維修人員利用發(fā)動機出現(xiàn)的異常振動、升溫、排放等問題分析發(fā)動機可能存在的故障，隨著現(xiàn)代化技術的快速發(fā)展，將傳統(tǒng)人工維修發(fā)動機過程中的經(jīng)驗進行總結，結合現(xiàn)代化的電氣自動化故障檢測技術，有利于實現(xiàn)發(fā)動機故障的快速識別、分析與精準判斷，能更好地指導維修工作的實施。從振動監(jiān)測的角度出發(fā)，是判斷發(fā)動機運轉狀態(tài)的最有效手段之一，通過以往的工作經(jīng)驗可知，發(fā)動機的大部分故障都會或多或少影響發(fā)動機的振動規(guī)律，發(fā)動機表現(xiàn)出的異常高溫、排放故障等也多與傳動零件故障相關，會在振動規(guī)律上出現(xiàn)相關的表征，因此，以故障問題造成的振動特征為例，說明名故障對發(fā)動機運轉特性產(chǎn)生的影響關系，而在實際故障特性判斷時，常將振動檢測、溫度檢測、電路檢測等技術相結合。

3.2 故障對發(fā)動機振動特性的影響

3.2.1 傳動部件故障產(chǎn)生的影響

在發(fā)動機長期使用過程中，零部件會不可避免地出現(xiàn)磨損和損壞，使機械裝置的運行狀態(tài)逐漸變差，機械性能降低并伴隨性能異常。例如，當連桿與活塞之間的配合面出現(xiàn)磨損，會造成運動過程的沖擊力加大，活塞沖擊汽缸套則產(chǎn)生明顯的異常振幅，且振幅以爆發(fā)位置為中心向外擴散。此外，正時鏈條與鏈輪之間的配合狀態(tài)、機油泵齒輪的嚙合狀態(tài)、發(fā)動機安裝可靠性、曲軸工作狀態(tài)、輪系與皮帶的配合關系都會在發(fā)動機運轉過程中通過振動狀態(tài)直觀地表現(xiàn)出來，當某一位置的傳動部件出現(xiàn)異常，用于振動監(jiān)測的系列傳感器會將異常振動收集并傳輸給檢測分析裝置。

3.2.2 進氣系統(tǒng)故障產(chǎn)生的影響

進氣系統(tǒng)作為發(fā)動機的供氣裝置，其運行本身存在振動特性，例如，進氣口、殼體產(chǎn)生的振動等。但進氣系統(tǒng)也會因多種因素影響而造成進氣功能的下降，進氣系統(tǒng)的功能異常常伴隨發(fā)動機動力性能的降低，并影響排放質量。最常見的進氣系統(tǒng)故障表現(xiàn)為灰塵、水等雜質進入進氣系統(tǒng)內部后，造成進氣通暢性降低或堵塞問題，使進氣管位置出現(xiàn)振動異常。此外，進氣門間隙的變化也會對氣門的運動參數(shù)產(chǎn)生明顯影響，當進氣門出現(xiàn)漏氣，也會在漏氣位置產(chǎn)生明顯的漏氣噪音并伴隨高頻振動。此外，進氣系統(tǒng)消音器故障、柔性管老化等問題會導致進氣系統(tǒng)本身產(chǎn)生的振動過多地傳遞到發(fā)動機，使發(fā)動機振動復雜性提升，也屬于進氣系統(tǒng)故障的一大特征。

3.2.3 排氣系統(tǒng)故障產(chǎn)生的影響

排氣系統(tǒng)的故障一部分與進氣系統(tǒng)類似，例如，排氣門密封不嚴造成的高頻振動等。此外，當發(fā)動機出現(xiàn)燃燒不充分或燒機油問題時，可能造成排氣管道的光滑性降低，管壁表面積累的污垢造成排氣性能降低，發(fā)動機排出的廢氣會對排氣管道產(chǎn)生強烈的沖擊，導致出現(xiàn)連續(xù)且振幅較大的沖擊振動，使發(fā)動機正常的運轉狀態(tài)遭受破壞。

3.3 故障對發(fā)動機其他特性的影響

除在汽車發(fā)動機運轉過程中能夠直觀表現(xiàn)出來的振動、噪音、高溫等特征，部分故障還會對發(fā)動機的功能造成其他方面的影響。例如，當啟動系統(tǒng)存在故障時，常會造成發(fā)動機無法啟動或啟動困難，這可能是由于起動機、火花塞、霧化器、控制線路等位置的故障引起的；再如，當發(fā)動機的潤滑系統(tǒng)功能異常，發(fā)動機運轉中整體的潤滑性能、散熱性能均會降低，短時間內振動、溫度方面的故障表征不明顯，長期使用造成主要運動部件的磨損加劇，影響發(fā)動機使用壽命。

4 基于故障特征的現(xiàn)代檢測技術

隨著汽車發(fā)動機技術的不斷提升與汽車智能化技術的普及，汽車維修行業(yè)對于汽車的故障檢測與診斷也給予了足夠重視，很多先進的檢測診斷技術被應用于汽車發(fā)動機的故障檢測過程中。為有效應對汽車發(fā)動機的故障問題，檢測技術也由傳統(tǒng)的人工檢測向自動監(jiān)測與智能決策轉變。常用的現(xiàn)代檢測技術包括故障碼分析、振動監(jiān)測分析、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫分析等[6]。

4.1 故障碼分析

利用汽車車機提供的故障碼進行汽車故障的判斷與維修，在汽車維修行業(yè)應用了較長時間。故障碼是汽車廠家利用多年汽車制造與售后經(jīng)驗總結出的汽車常見故障特征，并將其與汽車中應用的傳感器等監(jiān)測設備相結合，實現(xiàn)汽車運行狀態(tài)的實時檢測。對于發(fā)動機而言，隨著電控發(fā)動機的普及，汽車故障檢測儀(圖1)也在汽車維修行業(yè)得到廣泛的應用，利用現(xiàn)代化的可移動故障檢測設備，能夠便捷讀取汽車ECU存儲的發(fā)動機故障信息，該檢測手段主要是以汽車配套的故障檢測系統(tǒng)為基礎，汽車制造廠家將汽車發(fā)動機常見的故障問題集中，并利用傳感器在重要工作部位進行檢測，從而獲取汽車發(fā)動機運行特征，再與常見故障特征進行對比，生成相應的故障碼。利用故障碼讀取設備查閱可能的故障問題，能有針對性地解決故障問題。

圖1 用于讀取故障碼的檢測儀

4.2 振動監(jiān)測分析

汽車發(fā)動機的結構十分復雜，面對存在的故障，單純依靠檢查判斷耗時費力，因此，對于發(fā)動機運轉過程的故障，常利用振動監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)故障位置的快速判斷。現(xiàn)階段常用的振動分析技術首先將多個振動傳感器分別布置于發(fā)動機的各個關鍵運動位置，通過計算機分析獲取的振動信號，從而判斷并定位故障位置。常用的振動數(shù)據(jù)分析技術包括時域分析、頻域分析，以及小波包分析等。以汽車發(fā)動機汽缸故障為例，當汽車中某一個汽缸出現(xiàn)故障時，常規(guī)的人工檢測很難快速定位故障汽缸，通過振動監(jiān)測與分析，能夠利用各個傳感器獲取的振幅變化快速確定故障汽缸位置[7]。

4.3 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫分析

網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫分析是基于故障碼及振動監(jiān)測等技術基礎上的現(xiàn)代化新技術，主要是利用聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫判斷汽車發(fā)動機的故障。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫分析是利用大數(shù)據(jù)判斷發(fā)動機故障的一種形式，當傳統(tǒng)的檢測與分析難以實現(xiàn)故障定位時，可將故障數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫，并輸入或選擇故障的其他表征，數(shù)據(jù)庫利用大數(shù)據(jù)對比確定故障的最可能原因，幫助提高故障檢測的準確性。

5 結語

隨著汽車發(fā)動機性能的進一步提升，發(fā)動機結構也向復雜化和精密化發(fā)展，對發(fā)動機故障檢測與維修工作提出了更高要求。通過總結和整理汽車發(fā)動機故障特征，利用先進的狀態(tài)檢測與故障診斷技術提高汽車維修工作效率，是汽車維修行業(yè)向自動化和智能化發(fā)展的必由之路。

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