汽车发动机的故障特征与现代检测技术应用

2022-03-17李建兴

农机使用与维修 2022年3期

李建兴

(宁波城市职业技术学院，浙江宁波 315000)

0 引言

近年来，我国的汽车产业实现了飞速发展，2021年中国汽车产出2 608.2万辆，同比增长3.4%，销售2 627.5万辆，同比增长3.8%，汽车行业呈现蓬勃发展的态势。在汽车产销量不断提升的同时，大量先进的电子技术与汽车机械技术实现了更好的融合，加之车联网技术的广泛应用，汽车逐渐成为电气智能化的交通工具。发动机作为燃油汽车最重要的动力源，其具有零部件众多、结构复杂精密、高温高压工作等特点，需要众多功能部件相互配合才能实现动力的可靠供给。在电控和智控发动机的新时代，发动机功能提升的同时，故障特征也呈现多样化趋势，对故障的不合理判断与维修会严重影响汽车的行驶品质与安全，因此，合理利用现代化的检测技术，针对汽车发动机的故障特征进行检测诊断，精确定位故障问题，能有效提高汽车的故障维修质量。

1 汽车发动机技术特征

1.1 技术现状

发动机被称为汽车的“心脏”，是燃油汽车一切能源的基础来源，现代汽车使用的发动机主要以汽油发动机和柴油发动机两大类为主，发动机技术的先进性直接关系到汽车的动力性、驾驶舒适性、经济性和环保性等多项技术参数。现阶段使用的汽车发动机采用活塞式内燃机技术，通过燃油燃烧产生的能量推动活塞做往复运动，实现将化学能向动能的转换过程。自1876年奥托利用往复式活塞结构发明了四冲程汽油机以来，到2022年，汽车发动机已经过146年研究与发展，现阶段应用的电控汽油机能够实现在高转速下稳定、低振动的输出动力；电控柴油机也能实现在更大的压缩比下提供强劲动力。

随着发动机技术的发展，发动机的产品体系进一步丰富，根据发动机动力输出形式的不同，现阶段的汽车发动机主要包括自然吸气、涡轮增压、机械增压、双增压4大类，并以3缸、4缸、6缸、8缸机型为主，能适应不同车型的动力需求。

1.2 工作原理

下面以家用汽车应用广泛的4冲程汽油机为例说明汽车发动机的运行过程与工作原理。4冲程汽油机的运转主要包括4个过程，即进气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程[1]。

1.2.1 进气冲程

进气冲程主要是利用活塞运动向汽缸内输入混合气的过程。发动机启动后，在起动机的带动下，活塞由上止点移至下止点，在此过程中，活塞与汽缸壁的密封性能使汽缸内形成一定的真空度，在负压力作用下，汽油和空气的混合气体被吸入汽缸。

1.2.2 压缩冲程

压缩冲程就是对汽缸内的油气混合气进行加压增温的过程。此过程进、排气门均处于关闭状态，活塞再由下止点向上止点移动过程中压缩了汽缸内的混合气，使内部温度和压力不断升高。

1.2.3 做功冲程

做功冲程是燃料燃烧，使化学能转换为动能的过程。当汽缸内气体压缩到预设状态，火花塞将混合气点燃，汽缸内部温度与压力快速提升，推动活塞快速由上向下运动，带动曲柄连杆机构对外输出扭矩。

1.2.4 排气冲程

排气冲程是将燃烧产生的废气排出的过程。此过程活塞由下止点向上止点运动，同时排气门开启，在活塞推力的作用下将废气推出汽缸，但由于汽缸与活塞的结构特征，仍存在部分废气残留。

2 故障检测技术研究情况

为进一步提高汽车检测精确性与维修质量，我国汽车厂商及科研院所针对汽车发动机的故障特性进行了大量研究，并利用故障规律指导和优化检测技术，为汽车维修行业的技术升级创造了有利条件。田兆亮等[2]利用小波包分析与神经网络理论相结合的方法分析了发动机的振动信号特征，总结了典型故障的振动信号规律，对收集到的发动机振动信号进行时域与频域分析，并利用BP神经网络进行测试诊断，为发动机故障自动化分析与诊断提供了新思路；张琦等[3]依托车联网平台，研究了一款汽车发动机远程故障诊断系统，指出了现有汽车远程故障诊断系统的故障特征提取不足、故障处理效率低下等问题，利用小波阈值去噪提取发动机故障特征，有效提升了故障诊断效率；黄智勇[4]提出利用依赖关联维数改进算法来改善汽车发动机故障特征选择的新模式，使精化函数所需的收敛时间显著缩短，使多路径效应放大的消极影响得到有效消除，有利于提高故障特征选择的准确性。喻菲菲等[5]将虚拟仪器和Matlab的振动信号测试应用到发动机故障特征分析与检测过程中，通过采集到的发动机的机体表面振动加速度信号进行时域和频谱分析，有效改善了发动机故障检测与诊断效率。

3 发动机的故障特征

3.1 发动机的运转特性

发动机作为精密的动力装置，其运转过程呈现明显的规律性特征，这种规律表现为各个功能部件之间的相互配合和运转过程的循环性机械动作。当发动机存在一定的故障，发动机原始的运动规律被破坏，而在发动机性能、运转振幅、振动频率、排放、温度等很多方面出现异常现象，在传统的人工检测与维修过程中，维修人员利用发动机出现的异常振动、升温、排放等问题分析发动机可能存在的故障，随着现代化技术的快速发展，将传统人工维修发动机过程中的经验进行总结，结合现代化的电气自动化故障检测技术，有利于实现发动机故障的快速识别、分析与精准判断，能更好地指导维修工作的实施。从振动监测的角度出发，是判断发动机运转状态的最有效手段之一，通过以往的工作经验可知，发动机的大部分故障都会或多或少影响发动机的振动规律，发动机表现出的异常高温、排放故障等也多与传动零件故障相关，会在振动规律上出现相关的表征，因此，以故障问题造成的振动特征为例，说明名故障对发动机运转特性产生的影响关系，而在实际故障特性判断时，常将振动检测、温度检测、电路检测等技术相结合。

3.2 故障对发动机振动特性的影响

3.2.1 传动部件故障产生的影响

在发动机长期使用过程中，零部件会不可避免地出现磨损和损坏，使机械装置的运行状态逐渐变差，机械性能降低并伴随性能异常。例如，当连杆与活塞之间的配合面出现磨损，会造成运动过程的冲击力加大，活塞冲击汽缸套则产生明显的异常振幅，且振幅以爆发位置为中心向外扩散。此外，正时链条与链轮之间的配合状态、机油泵齿轮的啮合状态、发动机安装可靠性、曲轴工作状态、轮系与皮带的配合关系都会在发动机运转过程中通过振动状态直观地表现出来，当某一位置的传动部件出现异常，用于振动监测的系列传感器会将异常振动收集并传输给检测分析装置。

3.2.2 进气系统故障产生的影响

进气系统作为发动机的供气装置，其运行本身存在振动特性，例如，进气口、壳体产生的振动等。但进气系统也会因多种因素影响而造成进气功能的下降，进气系统的功能异常常伴随发动机动力性能的降低，并影响排放质量。最常见的进气系统故障表现为灰尘、水等杂质进入进气系统内部后，造成进气通畅性降低或堵塞问题，使进气管位置出现振动异常。此外，进气门间隙的变化也会对气门的运动参数产生明显影响，当进气门出现漏气，也会在漏气位置产生明显的漏气噪音并伴随高频振动。此外，进气系统消音器故障、柔性管老化等问题会导致进气系统本身产生的振动过多地传递到发动机，使发动机振动复杂性提升，也属于进气系统故障的一大特征。

3.2.3 排气系统故障产生的影响

排气系统的故障一部分与进气系统类似，例如，排气门密封不严造成的高频振动等。此外，当发动机出现燃烧不充分或烧机油问题时，可能造成排气管道的光滑性降低，管壁表面积累的污垢造成排气性能降低，发动机排出的废气会对排气管道产生强烈的冲击，导致出现连续且振幅较大的冲击振动，使发动机正常的运转状态遭受破坏。

3.3 故障对发动机其他特性的影响

除在汽车发动机运转过程中能够直观表现出来的振动、噪音、高温等特征，部分故障还会对发动机的功能造成其他方面的影响。例如，当启动系统存在故障时，常会造成发动机无法启动或启动困难，这可能是由于起动机、火花塞、雾化器、控制线路等位置的故障引起的；再如，当发动机的润滑系统功能异常，发动机运转中整体的润滑性能、散热性能均会降低，短时间内振动、温度方面的故障表征不明显，长期使用造成主要运动部件的磨损加剧，影响发动机使用寿命。

4 基于故障特征的现代检测技术

随着汽车发动机技术的不断提升与汽车智能化技术的普及，汽车维修行业对于汽车的故障检测与诊断也给予了足够重视，很多先进的检测诊断技术被应用于汽车发动机的故障检测过程中。为有效应对汽车发动机的故障问题，检测技术也由传统的人工检测向自动监测与智能决策转变。常用的现代检测技术包括故障码分析、振动监测分析、网络数据库分析等[6]。

4.1 故障码分析

利用汽车车机提供的故障码进行汽车故障的判断与维修，在汽车维修行业应用了较长时间。故障码是汽车厂家利用多年汽车制造与售后经验总结出的汽车常见故障特征，并将其与汽车中应用的传感器等监测设备相结合，实现汽车运行状态的实时检测。对于发动机而言，随着电控发动机的普及，汽车故障检测仪(图1)也在汽车维修行业得到广泛的应用，利用现代化的可移动故障检测设备，能够便捷读取汽车ECU存储的发动机故障信息，该检测手段主要是以汽车配套的故障检测系统为基础，汽车制造厂家将汽车发动机常见的故障问题集中，并利用传感器在重要工作部位进行检测，从而获取汽车发动机运行特征，再与常见故障特征进行对比，生成相应的故障码。利用故障码读取设备查阅可能的故障问题，能有针对性地解决故障问题。

图1 用于读取故障码的检测仪

4.2 振动监测分析

汽车发动机的结构十分复杂，面对存在的故障，单纯依靠检查判断耗时费力，因此，对于发动机运转过程的故障，常利用振动监测和数据分析实现故障位置的快速判断。现阶段常用的振动分析技术首先将多个振动传感器分别布置于发动机的各个关键运动位置，通过计算机分析获取的振动信号，从而判断并定位故障位置。常用的振动数据分析技术包括时域分析、频域分析，以及小波包分析等。以汽车发动机汽缸故障为例，当汽车中某一个汽缸出现故障时，常规的人工检测很难快速定位故障汽缸，通过振动监测与分析，能够利用各个传感器获取的振幅变化快速确定故障汽缸位置[7]。

4.3 网络数据库分析

网络数据库分析是基于故障码及振动监测等技术基础上的现代化新技术，主要是利用联网的数据库判断汽车发动机的故障。网络数据库分析是利用大数据判断发动机故障的一种形式，当传统的检测与分析难以实现故障定位时，可将故障数据传输至数据库，并输入或选择故障的其他表征，数据库利用大数据对比确定故障的最可能原因，帮助提高故障检测的准确性。