四沖程發動機故障計算機輔助診斷技術應用研究

李蓮花

(黑龍江農業工程職業學院，哈爾濱 150088)

0 引言

在社會科技進步和人民經濟水平穩步提高的促進下，我國汽車產業得到了快速發展，汽車產品產量和品質得到了明顯提升。隨著汽車使用頻率的提升，汽車發動機的故障維修工作量和技術難度不斷提高。發動機作為汽車的重要動力機械，是汽車中結構最復雜的技術總成之一，其維修的質量對于汽車的使用品質與可靠性影響很大。四沖程發動機是現代汽車發動機的主要形式，盡管發動機技術在持續進步，但汽車的使用過程仍不能完全避免故障問題的發生，振動、異響、動力不足、油耗偏高等問題仍是四沖程發動機使用過程的常見問題。能否對發動機故障問題開展高效、快速的診斷已成為故障維修過程的重要影響因素。隨著現代化計算機、電子檢測等技術應用，汽車故障診斷技術得到了快速提升，合理應用計算機輔助診斷能有效提高故障診斷效率與準確性，有利于提升發動機故障維修整體質量。

1 四沖程發動機技術及結構

汽車中使用的四沖程發動機主體結構包括配氣機構、供油系統、冷卻系統、啟動系統、潤滑系統、曲柄連桿機構等幾大部分(圖1)，汽油發動機還包括點火系統。四沖程發動機的結構十分復雜，其組成零件很多，重要工作部件包括：汽缸、活塞、火花塞、進氣門、排氣門、曲軸、化油器、飛輪等，柴油發動機沒有火花塞，在汽缸部位安裝有噴油器[1]。

1.啟動系統；2.冷卻系統；3.供油系統；4.曲柄連桿機構；5.潤滑系統；6.配氣機構

四沖程發動機的運轉主要包括四大行程，分別為進氣行程、壓縮行程、做功行程、排氣行程。以上四個行程按照順序循環且周而復始運轉，以保證持續輸出動力。進氣行程是空氣供給的過程，此時汽缸進氣門開啟，排氣門關閉，活塞向下止點運動，由于活塞與汽缸壁之間的密閉作用，汽缸內被抽真空，形成吸力將外部空氣吸入汽缸內；壓縮行程是為油氣混合器創造適當燃燒條件的過程，此時汽缸內已經吸入適量空氣，為保證燃燒的充分性，應在燃燒前對其中氣體進行充分壓縮，壓縮過程進氣門、排氣門均關閉，活塞從下止點向上止點運動適當的位移使汽缸內的氣體壓力明顯增加，根據發動機技術的不同，壓縮壓力通常在0.7～1.2 MPa范圍，汽缸內的溫度上升到350～450 ℃范圍，以便于燃燒過程釋放更多能量；做功行程是燃燒做功的過程，其是在汽缸壓縮行程終了、壓力適當情況下，汽油機通過火花塞點燃混合氣，柴油機將油霧噴入汽缸后，混合汽自燃，迅速燃燒的過程使汽缸內壓力快速提升，推動活塞向下止點運動，活塞運動過程帶動連桿及曲軸旋轉，進而實現化學能向動能的轉換，并輸出轉矩；排氣行程是在做功行程結束后，汽缸內壓力與溫度下降到指定范圍后，在進氣門保持關閉情況下，排氣門開啟依靠活塞運動將廢氣排出，排氣完成后發動機單個四沖程循環完成，進入下一個新的循環[2]。

2 計算機輔助檢測的技術特征

計算機輔助檢測是利用計算機代替人工進行檢測的技術，計算機輔助檢測的最主要技術是數據庫與傳感器的應用，計算機輔助檢測是根據四沖程發動機產生的各項故障特征進行數據綜合比對，從而提供故障可能存在的指導性建議，輔助維修人員快速實現故障位置和發動機異常原因判斷[3]。計算機輔助檢測技術的主體流程如圖2所示。

圖2 計算機輔助檢測技術主體流程

計算機輔助檢測需要經過：1)發動機型號數據輸入。不同發動機在故障特征的表現上存在較大差異，且很多發動機在出廠前已經整合了大量的試驗數據用以輔助使用過程中的故障診斷，因此在開始計算機輔助故障診斷流程前必須將正確的發動機型號輸入診斷系統。2)故障監測數據導入。電控發動機自身裝配有大量的故障監測原件，能夠對發動機的溫度、運轉情況進行實時數據獲取與傳輸，且專業的檢測儀器也能通過在發動機上安裝振動、溫度等傳感器獲取相應的運行狀態數據，將這些數據導入到計算機輔助診斷系統中，能夠豐富診斷依據。3)環境、溫度等數據整合。在一定條件下，發動機使用的周圍環境、溫度、粉塵情況、濕度、氣壓等數據也會對發動機造成一定影響。將這些數據輸入診斷系統，用于輔助和提高故障診斷準確性。4)濾波異常數據去除。利用濾波技術分析眾多的數據，將無用的、錯誤的、異常的數據去除，為故障檢測后期的計算機運算減輕負擔。5)運行算法、對比數據庫，利用計算機算法分析獲取的發動機故障特征，對比本地或網絡共享數據庫資源，尋找最可能的故障原因和故障位置，并生成診斷結果。6)技術人員根據診斷結果展開現場驗證與故障維修。

3 計算機輔助檢測的技術研究成果

四沖程發動機的計算機輔助檢測技術近年來得到了汽車企業和科研院所的高度重視，檢測技術也呈現多樣化發展。曹亞鵬[4]等根據汽車發動機環境、運行條件等多項因素，研究了一種利用信息融合技術應用于發動機的故障診斷技術體系，結合人工神經網絡、D-S證據理論、小波細節系數消噪等方法，實現了診斷效率和診斷精確性的優化；陳文寶[5]等針對大眾帕薩特汽車的發動機故障進行了模擬系統的研究和試驗，整合了4S店維修過程的資料數據，針對電控系統元器件損壞、短路、斷路、接觸不良、信號缺失或偏差等故障進行模擬，使故障問題的模擬更加直觀，有利于深入了解故障原因，并可用于汽車故障維修的教學與培訓；李志浩[6]等針對軍用汽車的發動機研制了基于C/S模式車載遠程監控系統，能夠實現發動機故障遠程診斷，完成了車載終端的軟件設計與硬件設計，完成了無線通信模塊設計，建立了PSO-BP神經網絡診斷、RBF神經網路診斷等模型，使診斷正確率達到95.08%；陳鯤[7]等針對柴油發動機的異常故障開發了基于自編碼器深度特征提取的故障診斷技術，通過在自編碼器中引入和聲搜索算法，實現了模型超參數的自動優化，有效提升了診斷過程的精確性，并總結了數據統計下氣門故障在振動信號上所表現的特征。

4 計算機輔助故障檢測的應用

4.1 故障數據的共享

故障數據的獲取與共享是計算機輔助故障檢測精準性的基礎保障，只有獲取地足夠的發動機故障數據，并將其特征規范且正確的輸入計算機中進行共享，才能實現數據庫的有效擴大。故障數據獲取的最佳途徑就是維修工作的實踐實施過程，在維修人員日常工作中，接觸到的故障特征廣泛且全面，數據共享的目的是將維修人員日常工作過程中的寶貴經驗集成起來，形成云端的龐大經驗庫，用以比對發動機出現的各種異常和疑難問題，為計算機輔助故障診斷提供后臺支撐。

4.2 計算機結合信號數據診斷

信號數據是發動機故障診斷的基礎方法，信號的來源主要依靠發動機內部的傳感器和維修人員利用現代化儀器進行專項測量。計算機結合信號數據診斷多依靠本地數據庫和數學運算模型實施，計算機利用傳感器傳輸的信號和技術人員測量的數據信號，與故障信號數據進行比對，并在此過程中去除信號中的冗余數據，提取出關鍵數據進行深入比對，實現簡單故障快速診斷和復雜故障輔助診斷，計算機結合信號數據診斷由于不利用網絡數據庫資源，對于復雜的綜合性故障診斷能力有限。

4.3 計算機模糊診斷技術

模糊診斷法是為提高發動機故障檢測效率而研究并應用的一種新方法，利用計算機的快速運算能力和邏輯判斷能力，能夠對復雜的故障數據進行模糊分析，從而粗略估算和定位故障的范圍，并逐步縮小故障范圍，實現多次診斷后的精確快速定位。現階段，模糊診斷技術的應用還處于初級階段，其實際的診斷準確性受到發動機工作狀態判定準確性和人工輸入數據準確性的影響，不當的數據輸入和判定可能造成診斷結果出現較大偏差。

4.4 知識系統診斷技術

由于現代汽車技術發展很快，單純依靠傳統故障檢測技術和一成不變的數據庫很難實現新型汽車發動機故障的有效診斷。因此，建立實時更新的知識系統，并將其以數據共享的形式應用于計算機對汽車發動機的故障診斷過程，對于提高故障診斷效率作用很大。目前，知識系統應用過程表明該系統應用具有明顯的實際價值，實時更新的數據對于提升與優化診斷過程能起到良好的幫助，且系統在維護過程中能及時去除不當的知識數據，確保知識系統的正確性，但是系統的運營需要大量的專業人才持續維護，實際應用效果受到成本與普及率的影響很大。

5 結語

通過對計算機輔助診斷技術的應用分析，可見利用計算機輔助檢測過程能有效提升故障維修的效率和檢測過程的準確性。總體上講，現階段計算機輔助檢測的技術應用還不廣泛，大部分汽車維修企業針對四沖程汽車發動機的維修工作僅初步運用計算機技術進行輔助，如讀取故障碼、振動分析等，還沒有實現綜合分析與全方位診斷，對于故障診斷的提升與幫助還不充分。未來，應進一步加強四沖程發動機故障計算機輔助診斷技術研究與應用，以此促進汽車發動機故障診斷與檢測效率的提高。