基于紅外溫度傳感器的汽車發動機缺缸故障診斷

摘 要：發動機缺缸作為常見故障之一，嚴重影響汽車的動力性能、燃油經濟性以及駕駛安全。傳統的發動機缺缸故障診斷方法存在操作繁瑣、耗時較長且準確性有限等問題。文章深入探討了紅外溫度傳感器在汽車發動機缺缸故障診斷中的應用。詳細闡述了紅外溫度傳感器的原理、選型要點、基于其的缺缸故障診斷方法，并通過實驗進行驗證。為提升發動機缺缸故障診斷的效率和準確性提供了新的思路和技術手段。

關鍵詞：紅外溫度傳感器 發動機 缺缸 故障診斷 非接觸式測溫

汽車發動機作為汽車的核心部件，其正常運行對于汽車的性能和安全至關重要。在實際使用中，發動機可能因多種原因出現缺缸故障，導致動力下降、油耗增加、排放惡化等問題。及時準確地診斷出發動機缺缸故障，是保障汽車正常運行和駕駛安全的關鍵。

傳統的發動機缺缸故障診斷方法主要包括人工聽音法、觀察排氣顏色法、測量氣缸壓力法等。這些方法大多依賴技術人員的經驗和主觀判斷，操作復雜、耗時較長，難以在實時工況下快速準確地診斷出故障。隨著汽車技術的不斷進步，對故障診斷的效率和準確性要求越來越高，探索新的故障診斷技術成為汽車工業領域的重要課題。

紅外溫度傳感器作為一種非接觸式測溫設備，具有測量精度高、響應速度快、不受電磁干擾等優點，在工業測溫、醫療檢測等領域得到了廣泛應用。近年來，紅外溫度傳感器在汽車故障診斷領域的應用也逐漸受到關注。文章旨在深入探討紅外溫度傳感器在汽車發動機缺缸故障診斷中的應用，為相關領域的研究和實踐提供參考。

1 紅外溫度傳感器原理

1.1 紅外輻射與溫度的關系

任何溫度高于絕對零度的物體都會向周圍空間輻射紅外線，其輻射強度與物體的溫度成正比。根據普朗克定律，黑體的輻射出射度與溫度和波長之間存在如下關系：

其中M（λ，T）為黑體在波長為λ、溫度為T時的輻射出射度，C1和C2為常數。對于實際物體，其輻射出射度與黑體輻射出射度之間存在一個發射率ε，即：

發射率是一個小于等于1的數值，它取決于物體的材料、表面狀態等因素。

1.2 紅外溫度傳感器的工作原理

紅外溫度傳感器通過接收被測物體發出的紅外輻射，利用熱電效應或光電效應將紅外輻射轉換為電信號，進而計算出物體的溫度。

熱電紅外溫度傳感器利用熱電偶或熱電堆等熱電元件將接收到的紅外輻射轉換為溫差電勢或電流信號，進而計算出溫度。熱電堆是由多個熱電偶串聯而成的，它可以提高傳感器的靈敏度和響應速度。

當紅外輻射照射到熱電堆上時，熱電堆的熱端溫度升高，冷端溫度保持不變，從而產生溫差電勢。根據塞貝克效應，溫差電勢與熱端和冷端的溫度差成正比，即：E=α（T1－T0），其中，E為溫差電勢，α為塞貝克系數，T1為熱端溫度，T0為冷端溫度。通過測量溫差電勢，可以計算出熱端溫度，即被測物體的溫度。

2 紅外溫度傳感器在發動機缺缸故障診斷中的應用原理

在汽車發動機缺缸故障診斷中，紅外溫度傳感器主要用于實時監測發動機各氣缸的溫度變化。由于氣缸在正常工作時會產生一定的熱量，而缺缸時由于燃燒不充分或未燃燒，其溫度會顯著低于其他正常氣缸。因此，通過紅外溫度傳感器可以直觀地反映出發動機各氣缸的工作狀態，為故障診斷提供有力支持。

當發動機正常工作時，各氣缸的燃燒過程基本一致，產生的熱量也相近，因此各氣缸的溫度也較為接近。如果某個氣缸出現缺缸故障，該氣缸的燃燒不充分或未燃燒，產生的熱量會明顯減少，導致該氣缸的溫度顯著低于正常氣缸。通過紅外溫度傳感器實時監測發動機各氣缸的溫度變化，可以及時發現溫度異常的氣缸，從而判斷該氣缸是否存在缺缸故障。

3 基于紅外溫度傳感器的缺缸故障診斷方法

3.1 紅外溫度傳感器的選擇

在汽車發動機缺缸故障診斷中，選紅外溫度傳感器需綜合考量：測溫范圍要覆蓋發動機－40℃至300℃的工作溫度，范圍不當會影響測量，測量精度越高診斷越準，但成本也高，響應時間需快，保障數據實時性，要適應發動機艙惡劣環境。在性能滿足時選成本低的，對比品牌型號挑性價比高的。

3.2 傳感器布置與安裝

3.2.1 確定布置位置

根據發動機的結構特點和故障診斷需求，確定紅外溫度傳感器的布置位置和數量。一般來說，應在每個氣缸的排氣門附近或火花塞附近安裝一個紅外溫度傳感器，以監測該氣缸的溫度變化。同時，需要注意傳感器的安裝位置應避免受到其他熱源或反射光的干擾，以確保測量數據的準確性。

3.2.2 安裝方法

紅外溫度傳感器的安裝方法應根據傳感器的類型和發動機的結構特點進行選擇。一般來說，可以采用螺紋連接、磁吸連接或粘貼連接等方式進行安裝。在安裝過程中，應確保傳感器與被測物體之間的距離合適，以保證測量精度。同時，應注意傳感器的安裝位置應便于維護和更換。

3.3 數據采集與預處理

3.3.1 數據采集

啟動發動機并使其在一定工況下穩定運行一段時間后，開始采集溫度數據。數據采集的頻率應根據發動機的轉速和故障診斷的要求進行確定。一般來說，數據采集的頻率越高，故障診斷的準確性也越高。但是，過高的數據采集頻率會增加系統的成本和復雜性。

3.3.2 預處理

為了保證數據的準確性和可靠性，需要對采集到的數據進行預處理。預處理包括濾波去噪、異常值剔除等步驟，以消除噪聲和干擾因素的影響。濾波去噪可以采用數字濾波器或模擬濾波器等方法實現。異常值剔除可以采用統計學方法或人工智能算法等方法實現。

3.4 數據分析與診斷

3.4.1 溫度差異比較

對預處理后的溫度數據進行進一步的分析和處理，首先可以比較各氣缸之間的溫度差異。正常情況下，各氣缸的溫度應該較為接近。如果某個氣缸的溫度顯著低于其他氣缸，則可以初步判斷該氣缸存在缺缸故障。

3.4.2 變化趨勢和幅度分析

除了比較溫度差異外，還可以分析溫度數據的變化趨勢和幅度。如果某個氣缸的溫度變化趨勢與其他氣缸明顯不同，或者溫度變化幅度較大，則可能存在缺缸故障。

3.4.3 綜合判斷

結合發動機的運行狀態進行綜合判斷，如發動機的轉速、油耗、排放等參數。如果發動機出現動力下降、油耗增加、排放惡化等問題，同時某個氣缸的溫度異常，則可以更加確定該氣缸存在缺缸故障。

3.5 故障診斷結果驗證與反饋

為了驗證故障診斷結果的準確性，可以采用其他診斷方法（如氣缸壓力測量法）進行驗證。如果驗證結果與紅外溫度傳感器的診斷結果一致，則可以確認該氣缸存在缺缸故障，并采取相應的維修措施。

4 實驗驗證

4.1 實驗目的

為了驗證紅外溫度傳感器在汽車發動機缺缸故障診斷中的有效性和準確性，設計了兩組實驗進行驗證。

4.2 實驗對象

（1）一臺具有缺缸故障且確定缺缸點的汽車作為測試對象：2016款豐田卡羅拉，該汽車的發動機型號為1ZR-FE，排量為1.6T，1號缸缺缸。

（2）一臺有缺缸故障但未確定缺點的汽車做對比測試對象：2020款豐田榮放（RAV4），該車發動機型號為M20D-FKS，排量為2.0L。

4.3 實驗設備

4.3.1 紅外溫度傳感器陣列

選用了山東奧博賽德（ABSD-01AF）的紅外溫度傳感器陣列，該傳感器陣列具有測溫范圍廣（0℃-300℃）、測量精度高、響應速度快等優點。

4.3.2 數據采集和處理系統

搭建了相應的數據采集和處理系統，該系統包括數據采集模塊、數據處理單元和顯示報警模塊等部分。

4.4 實驗過程

4.4.1 傳感器安裝

在發動機上安裝紅外溫度傳感器陣列，根據發動機的結構特點和故障診斷需求，確定傳感器的布置位置和數量。該實驗將紅外溫度傳感器安裝在每個氣缸的排氣門附近的排氣歧管上，選擇的發動機為都為四缸，所以共安裝了4個傳感器。

4.4.2 系統調試

對數據采集和處理系統進行調試，確保系統能夠正常工作。調試過程包括硬件連接檢查、軟件參數設置、數據采集和顯示等步驟。

4.4.3 實驗工況設置

設置發動機的實驗工況，包括轉速、負載等參數。實驗過程中，分別在怠速和小、中、大三種負荷的工況下進行測試，以驗證紅外溫度傳感器在不同工況下的診斷效果。

4.4.4 數據采集和處理結果

啟動車輛并使其在設定的工況下穩定運行一段時間后，開始采集溫度數據。采集到的數據通過數據采集模塊轉換為數字信號，并傳輸給數據處理單元進行處理和分析。處理過程包括濾波去噪、異常值剔除、溫度差異比較、變化趨勢和幅度分析等步驟，這里給出各缸不同工況下溫度數據如下表1。

4.4.5 故障診斷結果驗證

通過上述數據，已明確1號缸缺缸的發動機1ZR-FE，1號缸測量溫度較其他三缸低很多，與實驗設定的已知結果保持一致。未明確幾號缸缺缸的發動機M20D-FKS，通過檢測，判斷3號缸，存在缺缸。為了驗證結論是否正確，采用氣缸壓力測量法對故障診斷結果進行驗證，測量發動機M20D-FKS怠速狀態下4個氣缸缸壓為1缸13.4bar、2缸13.3bar、3缸9.9bar、4缸13.4bar。比較各氣缸之間的壓力差異，明確3號氣缸的壓力明顯低于其他氣缸，確認該發動機氣缸3號缸存在缺缸故障，并和紅外溫度傳感器系統測量判斷結果一致。

4.5 實驗結果與分析

4.5.1 溫度數據監測

實驗結果表明，紅外溫度傳感器能夠準確地監測出發動機各氣缸的溫度變化。在正常工況下，各氣缸的溫度較為接近，溫度波動范圍較小。當發動機出現缺缸故障時，故障氣缸的溫度會顯著低于正常氣缸，溫度差異明顯。

4.5.2 故障診斷準確性

通過與氣缸壓力測量法的驗證結果對比，紅外溫度傳感器的診斷結果準確可靠。在實驗過程中，紅外溫度傳感器能夠及時準確地診斷出發動機的缺缸故障，診斷速度快、準確性高。

4.5.3 操作簡便性

與傳統的診斷方法相比，紅外溫度傳感器的操作簡便無需拆卸發動機部件即可實現非接觸式實時測溫。這大大提高了故障診斷的效率，減少了維修時間和成本。

4.5.4 抗干擾能力和可靠性

實驗結果還表明，紅外溫度傳感器具有抗干擾能力強、可靠性高等優點。在實驗過程中，傳感器能夠在發動機艙內的惡劣環境下穩定工作，不受高壓、振動、油污等因素的影響。

5 結論與展望

5.1 結論

文章深入探討了紅外溫度傳感器在汽車發動機缺缸故障診斷中的應用，并通過實驗驗證了其有效性和準確性。結果表明，紅外溫度傳感器具有非接觸式實時測溫、測量精度高、響應速度快等優點，能夠有效地診斷出發動機缺缸故障，為汽車維修人員提供了有力的技術支持。

5.2 展望

文章研究雖有成果，但存在局限，未來可從三方面拓展：一是多傳感器融合，將紅外溫度傳感器與振動、聲音等傳感器結合，借機器學習算法挖掘數據，提升診斷智能化；二是提升測量精度與穩定性，優化結構、算法，探索新型材料技術；三是拓展應用范圍，用于汽車其他系統及新能源汽車故障診斷，助力汽車行業發展。

基金項目：2024年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目《汽車發動機缺缸報警系統設計與研究》（2024KY1510）。

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