汽車發動機的故障特征與現代檢測技術應用

李建興

(寧波城市職業技術學院，浙江 寧波 315000)

0 引言

近年來，我國的汽車產業實現了飛速發展，2021年中國汽車產出2 608.2萬輛，同比增長3.4%，銷售2 627.5萬輛，同比增長3.8%，汽車行業呈現蓬勃發展的態勢。在汽車產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了更好的融合，加之車聯網技術的廣泛應用，汽車逐漸成為電氣智能化的交通工具。發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動力的可靠供給。在電控和智控發動機的新時代，發動機功能提升的同時，故障特征也呈現多樣化趨勢，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，合理利用現代化的檢測技術，針對汽車發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 汽車發動機技術特征

1.1 技術現狀

發動機被稱為汽車的“心臟”，是燃油汽車一切能源的基礎來源，現代汽車使用的發動機主要以汽油發動機和柴油發動機兩大類為主，發動機技術的先進性直接關系到汽車的動力性、駕駛舒適性、經濟性和環保性等多項技術參數。現階段使用的汽車發動機采用活塞式內燃機技術，通過燃油燃燒產生的能量推動活塞做往復運動，實現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明了四沖程汽油機以來，到2022年，汽車發動機已經過146年研究與發展，現階段應用的電控汽油機能夠實現在高轉速下穩定、低振動的輸出動力；電控柴油機也能實現在更大的壓縮比下提供強勁動力。

隨著發動機技術的發展，發動機的產品體系進一步豐富，根據發動機動力輸出形式的不同，現階段的汽車發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，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，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動機的故障特性進行了大量研究，并利用故障規律指導和優化檢測技術，為汽車維修行業的技術升級創造了有利條件。田兆亮等[2]利用小波包分析與神經網絡理論相結合的方法分析了發動機的振動信號特征，總結了典型故障的振動信號規律，對收集到的發動機振動信號進行時域與頻域分析，并利用BP神經網絡進行測試診斷，為發動機故障自動化分析與診斷提供了新思路；張琦等[3]依托車聯網平臺，研究了一款汽車發動機遠程故障診斷系統，指出了現有汽車遠程故障診斷系統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]提出利用依賴關聯維數改進算法來改善汽車發動機故障特征選擇的新模式，使精化函數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動機故障特征分析與檢測過程中，通過采集到的發動機的機體表面振動加速度信號進行時域和頻譜分析，有效改善了發動機故障檢測與診斷效率。

3 發動機的故障特征

3.1 發動機的運轉特性

發動機作為精密的動力裝置，其運轉過程呈現明顯的規律性特征，這種規律表現為各個功能部件之間的相互配合和運轉過程的循環性機械動作。當發動機存在一定的故障，發動機原始的運動規律被破壞，而在發動機性能、運轉振幅、振動頻率、排放、溫度等很多方面出現異常現象，在傳統的人工檢測與維修過程中，維修人員利用發動機出現的異常振動、升溫、排放等問題分析發動機可能存在的故障，隨著現代化技術的快速發展，將傳統人工維修發動機過程中的經驗進行總結，結合現代化的電氣自動化故障檢測技術，有利于實現發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。從振動監測的角度出發，是判斷發動機運轉狀態的最有效手段之一，通過以往的工作經驗可知，發動機的大部分故障都會或多或少影響發動機的振動規律，發動機表現出的異常高溫、排放故障等也多與傳動零件故障相關，會在振動規律上出現相關的表征，因此，以故障問題造成的振動特征為例，說明名故障對發動機運轉特性產生的影響關系，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 故障對發動機振動特性的影響

3.2.1 傳動部件故障產生的影響

在發動機長期使用過程中，零部件會不可避免地出現磨損和損壞，使機械裝置的運行狀態逐漸變差，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磨損，會造成運動過程的沖擊力加大，活塞沖擊汽缸套則產生明顯的異常振幅，且振幅以爆發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、機油泵齒輪的嚙合狀態、發動機安裝可靠性、曲軸工作狀態、輪系與皮帶的配合關系都會在發動機運轉過程中通過振動狀態直觀地表現出來，當某一位置的傳動部件出現異常，用于振動監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 進氣系統故障產生的影響

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

3.2.3 排氣系統故障產生的影響

排氣系統的故障一部分與進氣系統類似，例如，排氣門密封不嚴造成的高頻振動等。此外，當發動機出現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，發動機排出的廢氣會對排氣管道產生強烈的沖擊，導致出現連續且振幅較大的沖擊振動，使發動機正常的運轉狀態遭受破壞。

3.3 故障對發動機其他特性的影響

除在汽車發動機運轉過程中能夠直觀表現出來的振動、噪音、高溫等特征，部分故障還會對發動機的功能造成其他方面的影響。例如，當啟動系統存在故障時，常會造成發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，當發動機的潤滑系統功能異常，發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，影響發動機使用壽命。

4 基于故障特征的現代檢測技術

隨著汽車發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動機的故障檢測過程中。為有效應對汽車發動機的故障問題，檢測技術也由傳統的人工檢測向自動監測與智能決策轉變。常用的現代檢測技術包括故障碼分析、振動監測分析、網絡數據庫分析等[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測設備相結合，實現汽車運行狀態的實時檢測。對于發動機而言，隨著電控發動機的普及，汽車故障檢測儀(圖1)也在汽車維修行業得到廣泛的應用，利用現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為基礎，汽車制造廠家將汽車發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 振動監測分析

汽車發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，對于發動機運轉過程的故障，常利用振動監測和數據分析實現故障位置的快速判斷。現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。常用的振動數據分析技術包括時域分析、頻域分析，以及小波包分析等。以汽車發動機汽缸故障為例，當汽車中某一個汽缸出現故障時，常規的人工檢測很難快速定位故障汽缸，通過振動監測與分析，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 網絡數據庫分析

網絡數據庫分析是基于故障碼及振動監測等技術基礎上的現代化新技術，主要是利用聯網的數據庫判斷汽車發動機的故障。網絡數據庫分析是利用大數據判斷發動機故障的一種形式，當傳統的檢測與分析難以實現故障定位時，可將故障數據傳輸至數據庫，并輸入或選擇故障的其他表征，數據庫利用大數據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

隨著汽車發動機性能的進一步提升，發動機結構也向復雜化和精密化發展，對發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動機故障特征，利用先進的狀態檢測與故障診斷技術提高汽車維修工作效率，是汽車維修行業向自動化和智能化發展的必由之路。

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