汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的故障特征與現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

李建興

(寧波城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315000)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了飛速發(fā)展，2021年中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)出2 608.2萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)3.4%，銷(xiāo)售2 627.5萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)3.8%，汽車(chē)行業(yè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)。在汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量不斷提升的同時(shí)，大量先進(jìn)的電子技術(shù)與汽車(chē)機(jī)械技術(shù)實(shí)現(xiàn)了更好的融合，加之車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，汽車(chē)逐漸成為電氣智能化的交通工具。發(fā)動(dòng)機(jī)作為燃油汽車(chē)最重要的動(dòng)力源，其具有零部件眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜精密、高溫高壓工作等特點(diǎn)，需要眾多功能部件相互配合才能實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的可靠供給。在電控和智控發(fā)動(dòng)機(jī)的新時(shí)代，發(fā)動(dòng)機(jī)功能提升的同時(shí)，故障特征也呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)，對(duì)故障的不合理判斷與維修會(huì)嚴(yán)重影響汽車(chē)的行駛品質(zhì)與安全，因此，合理利用現(xiàn)代化的檢測(cè)技術(shù)，針對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的故障特征進(jìn)行檢測(cè)診斷，精確定位故障問(wèn)題，能有效提高汽車(chē)的故障維修質(zhì)量。

1 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)特征

1.1 技術(shù)現(xiàn)狀

發(fā)動(dòng)機(jī)被稱為汽車(chē)的“心臟”，是燃油汽車(chē)一切能源的基礎(chǔ)來(lái)源，現(xiàn)代汽車(chē)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)主要以汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)兩大類(lèi)為主，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的先進(jìn)性直接關(guān)系到汽車(chē)的動(dòng)力性、駕駛舒適性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等多項(xiàng)技術(shù)參數(shù)?，F(xiàn)階段使用的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)采用活塞式內(nèi)燃機(jī)技術(shù)，通過(guò)燃油燃燒產(chǎn)生的能量推動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)將化學(xué)能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)換過(guò)程。自1876年奧托利用往復(fù)式活塞結(jié)構(gòu)發(fā)明了四沖程汽油機(jī)以來(lái)，到2022年，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)過(guò)146年研究與發(fā)展，現(xiàn)階段應(yīng)用的電控汽油機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)在高轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定、低振動(dòng)的輸出動(dòng)力；電控柴油機(jī)也能實(shí)現(xiàn)在更大的壓縮比下提供強(qiáng)勁動(dòng)力。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品體系進(jìn)一步豐富，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出形式的不同，現(xiàn)階段的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)主要包括自然吸氣、渦輪增壓、機(jī)械增壓、雙增壓4大類(lèi)，并以3缸、4缸、6缸、8缸機(jī)型為主，能適應(yīng)不同車(chē)型的動(dòng)力需求。

1.2 工作原理

下面以家用汽車(chē)應(yīng)用廣泛的4沖程汽油機(jī)為例說(shuō)明汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程與工作原理。4沖程汽油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)主要包括4個(gè)過(guò)程，即進(jìn)氣沖程、壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程[1]。

1.2.1 進(jìn)氣沖程

進(jìn)氣沖程主要是利用活塞運(yùn)動(dòng)向汽缸內(nèi)輸入混合氣的過(guò)程。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，在起動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，活塞由上止點(diǎn)移至下止點(diǎn)，在此過(guò)程中，活塞與汽缸壁的密封性能使汽缸內(nèi)形成一定的真空度，在負(fù)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(duì)汽缸內(nèi)的油氣混合氣進(jìn)行加壓增溫的過(guò)程。此過(guò)程進(jìn)、排氣門(mén)均處于關(guān)閉狀態(tài)，活塞再由下止點(diǎn)向上止點(diǎn)移動(dòng)過(guò)程中壓縮了汽缸內(nèi)的混合氣，使內(nèi)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(xué)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的過(guò)程。當(dāng)汽缸內(nèi)氣體壓縮到預(yù)設(shè)狀態(tài)，火花塞將混合氣點(diǎn)燃，汽缸內(nèi)部溫度與壓力快速提升，推動(dòng)活塞快速由上向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)對(duì)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(guò)程。此過(guò)程活塞由下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)排氣門(mén)開(kāi)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(jié)構(gòu)特征，仍存在部分廢氣殘留。

2 故障檢測(cè)技術(shù)研究情況

為進(jìn)一步提高汽車(chē)檢測(cè)精確性與維修質(zhì)量，我國(guó)汽車(chē)廠商及科研院所針對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的故障特性進(jìn)行了大量研究，并利用故障規(guī)律指導(dǎo)和優(yōu)化檢測(cè)技術(shù)，為汽車(chē)維修行業(yè)的技術(shù)升級(jí)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(luò)理論相結(jié)合的方法分析了發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)特征，總結(jié)了典型故障的振動(dòng)信號(hào)規(guī)律，對(duì)收集到的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域與頻域分析，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試診斷，為發(fā)動(dòng)機(jī)故障自動(dòng)化分析與診斷提供了新思路；張琦等[3]依托車(chē)聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，研究了一款汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)，指出了現(xiàn)有汽車(chē)遠(yuǎn)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(wèn)題，利用小波閾值去噪提取發(fā)動(dòng)機(jī)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(guān)聯(lián)維數(shù)改進(jìn)算法來(lái)改善汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)故障特征選擇的新模式，使精化函數(shù)所需的收斂時(shí)間顯著縮短，使多路徑效應(yīng)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(zhǔn)確性。喻菲菲等[5]將虛擬儀器和Matlab的振動(dòng)信號(hào)測(cè)試應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)故障特征分析與檢測(cè)過(guò)程中，通過(guò)采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體表面振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻譜分析，有效改善了發(fā)動(dòng)機(jī)故障檢測(cè)與診斷效率。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)的故障特征

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性

發(fā)動(dòng)機(jī)作為精密的動(dòng)力裝置，其運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性特征，這種規(guī)律表現(xiàn)為各個(gè)功能部件之間的相互配合和運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的循環(huán)性機(jī)械動(dòng)作。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)存在一定的故障，發(fā)動(dòng)機(jī)原始的運(yùn)動(dòng)規(guī)律被破壞，而在發(fā)動(dòng)機(jī)性能、運(yùn)轉(zhuǎn)振幅、振動(dòng)頻率、排放、溫度等很多方面出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，在傳統(tǒng)的人工檢測(cè)與維修過(guò)程中，維修人員利用發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的異常振動(dòng)、升溫、排放等問(wèn)題分析發(fā)動(dòng)機(jī)可能存在的故障，隨著現(xiàn)代化技術(shù)的快速發(fā)展，將傳統(tǒng)人工維修發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，結(jié)合現(xiàn)代化的電氣自動(dòng)化故障檢測(cè)技術(shù)，有利于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)故障的快速識(shí)別、分析與精準(zhǔn)判斷，能更好地指導(dǎo)維修工作的實(shí)施。從振動(dòng)監(jiān)測(cè)的角度出發(fā)，是判斷發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的最有效手段之一，通過(guò)以往的工作經(jīng)驗(yàn)可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分故障都會(huì)或多或少影響發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)規(guī)律，發(fā)動(dòng)機(jī)表現(xiàn)出的異常高溫、排放故障等也多與傳動(dòng)零件故障相關(guān)，會(huì)在振動(dòng)規(guī)律上出現(xiàn)相關(guān)的表征，因此，以故障問(wèn)題造成的振動(dòng)特征為例，說(shuō)明名故障對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性產(chǎn)生的影響關(guān)系，而在實(shí)際故障特性判斷時(shí)，常將振動(dòng)檢測(cè)、溫度檢測(cè)、電路檢測(cè)等技術(shù)相結(jié)合。

3.2 故障對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)特性的影響

3.2.1 傳動(dòng)部件故障產(chǎn)生的影響

在發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期使用過(guò)程中，零部件會(huì)不可避免地出現(xiàn)磨損和損壞，使機(jī)械裝置的運(yùn)行狀態(tài)逐漸變差，機(jī)械性能降低并伴隨性能異常。例如，當(dāng)連桿與活塞之間的配合面出現(xiàn)磨損，會(huì)造成運(yùn)動(dòng)過(guò)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(kuò)散。此外，正時(shí)鏈條與鏈輪之間的配合狀態(tài)、機(jī)油泵齒輪的嚙合狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝可靠性、曲軸工作狀態(tài)、輪系與皮帶的配合關(guān)系都會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中通過(guò)振動(dòng)狀態(tài)直觀地表現(xiàn)出來(lái)，當(dāng)某一位置的傳動(dòng)部件出現(xiàn)異常，用于振動(dòng)監(jiān)測(cè)的系列傳感器會(huì)將異常振動(dòng)收集并傳輸給檢測(cè)分析裝置。

3.2.2 進(jìn)氣系統(tǒng)故障產(chǎn)生的影響

進(jìn)氣系統(tǒng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的供氣裝置，其運(yùn)行本身存在振動(dòng)特性，例如，進(jìn)氣口、殼體產(chǎn)生的振動(dòng)等。但進(jìn)氣系統(tǒng)也會(huì)因多種因素影響而造成進(jìn)氣功能的下降，進(jìn)氣系統(tǒng)的功能異常常伴隨發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的降低，并影響排放質(zhì)量。最常見(jiàn)的進(jìn)氣系統(tǒng)故障表現(xiàn)為灰塵、水等雜質(zhì)進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)部后，造成進(jìn)氣通暢性降低或堵塞問(wèn)題，使進(jìn)氣管位置出現(xiàn)振動(dòng)異常。此外，進(jìn)氣門(mén)間隙的變化也會(huì)對(duì)氣門(mén)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)產(chǎn)生明顯影響，當(dāng)進(jìn)氣門(mén)出現(xiàn)漏氣，也會(huì)在漏氣位置產(chǎn)生明顯的漏氣噪音并伴隨高頻振動(dòng)。此外，進(jìn)氣系統(tǒng)消音器故障、柔性管老化等問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣系統(tǒng)本身產(chǎn)生的振動(dòng)過(guò)多地傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)復(fù)雜性提升，也屬于進(jìn)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(jìn)氣系統(tǒng)類(lèi)似，例如，排氣門(mén)密封不嚴(yán)造成的高頻振動(dòng)等。此外，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)燃燒不充分或燒機(jī)油問(wèn)題時(shí)，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(dòng)機(jī)排出的廢氣會(huì)對(duì)排氣管道產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，導(dǎo)致出現(xiàn)連續(xù)且振幅較大的沖擊振動(dòng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)正常的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)遭受破壞。

3.3 故障對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)其他特性的影響

除在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中能夠直觀表現(xiàn)出來(lái)的振動(dòng)、噪音、高溫等特征，部分故障還會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功能造成其他方面的影響。例如，當(dāng)啟動(dòng)系統(tǒng)存在故障時(shí)，常會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法啟動(dòng)或啟動(dòng)困難，這可能是由于起動(dòng)機(jī)、火花塞、霧化器、控制線路等位置的故障引起的；再如，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)功能異常，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中整體的潤(rùn)滑性能、散熱性能均會(huì)降低，短時(shí)間內(nèi)振動(dòng)、溫度方面的故障表征不明顯，長(zhǎng)期使用造成主要運(yùn)動(dòng)部件的磨損加劇，影響發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。

4 基于故障特征的現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)

隨著汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷提升與汽車(chē)智能化技術(shù)的普及，汽車(chē)維修行業(yè)對(duì)于汽車(chē)的故障檢測(cè)與診斷也給予了足夠重視，很多先進(jìn)的檢測(cè)診斷技術(shù)被應(yīng)用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的故障檢測(cè)過(guò)程中。為有效應(yīng)對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的故障問(wèn)題，檢測(cè)技術(shù)也由傳統(tǒng)的人工檢測(cè)向自動(dòng)監(jiān)測(cè)與智能決策轉(zhuǎn)變。常用的現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)包括故障碼分析、振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)分析等[6]。

4.1 故障碼分析

利用汽車(chē)車(chē)機(jī)提供的故障碼進(jìn)行汽車(chē)故障的判斷與維修，在汽車(chē)維修行業(yè)應(yīng)用了較長(zhǎng)時(shí)間。故障碼是汽車(chē)廠家利用多年汽車(chē)制造與售后經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出的汽車(chē)常見(jiàn)故障特征，并將其與汽車(chē)中應(yīng)用的傳感器等監(jiān)測(cè)設(shè)備相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)而言，隨著電控發(fā)動(dòng)機(jī)的普及，汽車(chē)故障檢測(cè)儀(圖1)也在汽車(chē)維修行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，利用現(xiàn)代化的可移動(dòng)故障檢測(cè)設(shè)備，能夠便捷讀取汽車(chē)ECU存儲(chǔ)的發(fā)動(dòng)機(jī)故障信息，該檢測(cè)手段主要是以汽車(chē)配套的故障檢測(cè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，汽車(chē)制造廠家將汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的故障問(wèn)題集中，并利用傳感器在重要工作部位進(jìn)行檢測(cè)，從而獲取汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特征，再與常見(jiàn)故障特征進(jìn)行對(duì)比，生成相應(yīng)的故障碼。利用故障碼讀取設(shè)備查閱可能的故障問(wèn)題，能有針對(duì)性地解決故障問(wèn)題。

圖1 用于讀取故障碼的檢測(cè)儀

4.2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，面對(duì)存在的故障，單純依靠檢查判斷耗時(shí)費(fèi)力，因此，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的故障，常利用振動(dòng)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)故障位置的快速判斷?，F(xiàn)階段常用的振動(dòng)分析技術(shù)首先將多個(gè)振動(dòng)傳感器分別布置于發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)位置，通過(guò)計(jì)算機(jī)分析獲取的振動(dòng)信號(hào)，從而判斷并定位故障位置。常用的振動(dòng)數(shù)據(jù)分析技術(shù)包括時(shí)域分析、頻域分析，以及小波包分析等。以汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸故障為例，當(dāng)汽車(chē)中某一個(gè)汽缸出現(xiàn)故障時(shí)，常規(guī)的人工檢測(cè)很難快速定位故障汽缸，通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析，能夠利用各個(gè)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(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)分析

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)分析是基于故障碼及振動(dòng)監(jiān)測(cè)等技術(shù)基礎(chǔ)上的現(xiàn)代化新技術(shù)，主要是利用聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫(kù)判斷汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的故障。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)分析是利用大數(shù)據(jù)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)故障的一種形式，當(dāng)傳統(tǒng)的檢測(cè)與分析難以實(shí)現(xiàn)故障定位時(shí)，可將故障數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)，并輸入或選擇故障的其他表征，數(shù)據(jù)庫(kù)利用大數(shù)據(jù)對(duì)比確定故障的最可能原因，幫助提高故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的進(jìn)一步提升，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)也向復(fù)雜化和精密化發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障檢測(cè)與維修工作提出了更高要求。通過(guò)總結(jié)和整理汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)故障特征，利用先進(jìn)的狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷技術(shù)提高汽車(chē)維修工作效率，是汽車(chē)維修行業(yè)向自動(dòng)化和智能化發(fā)展的必由之路。

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