故障診斷在汽車發動機機械系統中的應用

李夢仁，胡攀輝，顏士肖，高峰，黃勇波

（上海航天精密機械研究所，上海 201600）

汽車作為一種重要的交通工具，對于國民生產、物品運輸等方面都有重要的作用。汽車發動機作為汽車的核心，其安全、穩定的運行對于整個系統安全穩定運行意義重大。目前汽車發動機的故障診斷分析是在汽車發動機產生故障后，對發動機做出的診斷，幫助維修人員找到故障發生的位置以及故障產生的原因。這對維修人員的邏輯分析能力是一種很大的考驗，這要求維修人員不僅能準確找出故障的位置和原因，還要能夠對發動機的運行狀態進行定量化評價，并于標準值做對比，并根據不同部件之間的關聯性進行合理的分析，從而降低故障的診斷難度，減少診斷的時間。

1 汽車發動機機械系統故障

汽車的發明極大地促進了人類社會的發展進程，在汽車的發展過程中，集合了機械、電氣、控制等多個學科，因為其結構復雜，所以在運行過程中難免會出現各種故障。主要分為自然故障和人為故障兩種類型。自然故障是由外部的條件引起的的故障，例如，撞擊、零部件松動等。人為故障則是由于操作者的不正常操作或者技術生疏引起的。在汽車的使用過程中經常出現人為故障。

通常，汽車在運行的過程中，經常出現突發性故障，這些故障的發生通常是不可預知的。如果動力系統或者是剎車系統出現問題，對于駕駛人員的生命安全是一種莫大的威脅。常見的故障不會立刻使汽車停止工作，但是發動機的漸進性故障會慢慢地對發動機的運行產生不好的影響，例如，發動機怠速抖動、加速動力不足等，這種連續性的故障會對汽車的安全慢慢地造成很大的威脅，因此，借助一些發動機的在線檢測系統，能夠對發動機的故障進行更好的預防和診斷，并且對故障會對車輛以及駕駛人員的安全的影響做出合理性的評價。

根據故障發生的頻率，可以將故障分為周期性和間斷性兩種類型。周期性的故障因為其頻發性，因此診斷起來較為簡單。但是間斷性故障由于突發性，通常難以及時發現和維修。

對于故障的類型，也可以分為立即可消除和不可立即消除兩類，可立即消除的故障對于汽車的影響較小，經過維修即可立即投入使用；不可立即消除的故障會慢慢擴展，最后表現為更明顯的故障。圖1 所示為發動機的流程檢查步驟。

圖1 汽車發動機故障檢查流程

2 汽車發動機機械系統故障的典型表現

汽車發動機在發生不同的故障時候，發動機會出現不同的異常狀態。根據這些異常狀態的不同，我們可以分析出發動機故障發生的位置以及故障的原因和類型，從而指導維修人員更快速的排查問題，提高相關人員檢修和維修的效率。對于出現異味和異響的情況，可以主要檢測橡膠密封件的老化情況，發動機的高溫蒸發了由密封不足泄漏出來的機油，從而產生異味。對于發動機的異響會由多種因素引起，主要來源如圖2所示，具體的情況需要根據實際進一步判斷。對于發動機振動，可以對缸體和氣門等位置進行檢修和診斷。對于發動機溫度異常問題，應該主要對燃燒過程進行診斷。對于發動機的油液狀態發生異常時，應主要對活塞、氣缸等部位進行檢修和診斷。對于發動機運轉不平穩的問題，應主要對發動機的點火時刻進行檢查和診斷。

圖2 汽車常見部位異響發生概率

3 發動機機械系統故障診斷的思路與注意事項

當發動機的機械系統出現故障時，應該從最簡單、最常見的故障對相關部位進行檢查，然后使用相關設備對發動機的溫度、噪聲等問題進行檢查，檢查后在進行性能對比。通過分析收集的信號，判斷發動機的工作狀態，進而對發生機械故障的位置和原因進行分析。對于某些故障，使用情況識別的方法將故障的波形與正常的信號波形做對比，進而確定故障的位置和故障類型。

對于故障診斷，這是一個綜合性的過程，因此需要協調好各個環節之間的關系，需要根據不同的結構差異性，對不同的故障診斷做出合理判斷，進而指導維修工作。對于自身攜帶故障診斷系統的車輛，需要根據相關說明對自動化檢測的結果進行分析，發動機輸出的參數是一個動態性的參考指標，在整體狀況對其進行故障診斷難度很高，各個參數也會聯動產生反應，一個參數的變化就會引起其他狀態參數的改變，因此，需要全面考慮，采用最適合的診斷方法。

以電控燃油噴射裝置檢測為例，在相關檢測中需要不斷對各個元件進行檢查，一般噴油嘴主要核心部件為噴射元件，其常見故障和影響如表1所示。單從發動機抖動、不穩定癥狀來看，由電控燃油噴射系統引起的故障原因就不止一種，僅依靠單一的檢測儀器并不能準確診斷出其故障原因。

表1 電控燃油噴射常見故障與現象

本文以一個電控的噴油裝置的檢測做案例，其常見故障和影響見表1。如果只從發動機抖動和不穩定狀態來看，燃油電控系統的故障的原因就不只一種，其相互之間都有一定的關聯性。

4 汽車發動機機械故障的診斷方法

（1）發動機振動異常診斷。發動機的異常振動是汽車機械系統常見的故障之一，在發生異常振動時，應該先根據振動的產生的條件對故障進行原因判別，從而確定異常振動發生的方向。在發動機活塞運動中，由于油環結構的失效等原因，機油會進入發動機的氣缸中，從而造成燃燒異常，引起發動機的不正常振動。發動機的動力傳遞機構是活塞連桿裝置，連桿機構的不正常轉動會產生敲缸現象，從而造成發動機異常振動。另外，進氣管與排氣管的異常進氣也會對進排氣管道產生沖擊，從而產生不正常的振動。當汽車的發動機出現異常振動時，應該著重從以上3 個方面進行診斷，找到發動機產生故障的位置和原因。在發動機故障診斷時，通常是先收集相關系統產生的信號，然后利用頻譜分析等進行故障診斷，通過排除法，從而提高發動機不正常振動的診斷效率，減少故障診斷過程中的干擾因素，減少診斷成本。

（2）發動機噪聲異常的診斷。發動機運行噪聲是汽車噪聲的主要來源，發動機噪聲一般分為3 種：①由于發動機燃燒的過程時間很短，短時間內產生的大量高熱膨脹氣體對活塞產生嚴重的沖擊，這是燃燒噪聲的主要來源；②發動機活塞裝置通常是偏置安裝，因此，運行中會與氣缸產生一定的摩擦與敲擊，產生噪聲。③因為進氣和排氣過程中，發動機的零部件產生摩擦，發動機產生放射狀的氣動噪聲。發動機在故障時，一般都是機械噪聲和異常的啟動噪聲，點火噪聲在車速較慢時會比較明顯。一般噪聲的判斷都是依據發動機運行的波形圖和指標的值，從而找到噪聲的具體位置。

（3）過溫狀態發動機故障診斷。發動機溫度過高主要有3 種原因，可能是冷卻系統的問題、排氣管排氣問題或者傳動系統故障。溫度趨勢分析常常用來分析發動機的溫度異常，分析工作環境與運行情況，可以用來診斷發動機故障的位置，需要注意檢查發動機燃燒是否正常，排除發動機的異常燃燒造成的溫度過高。

（4）發動機點火異常診斷。發動機停缸現象也是※發動機常見故障之一。點火系統的異常工作常常會導致發動機的多缸異常工作。因此，根據發動機的異常工作狀態來分析停缸故障很重要。對于單缸停火的情況，應考慮更換系統的零件，對于雙缸停火時，應注意檢修高壓點火線路，對于三缸停火，則要檢查噴油器的故障，對于所有缸都停火的情況，則要考慮燃油供應系統是否存在問題。

（5）專家系統診斷法。汽車的種類和功能不斷進步，這也造成了故障的種類增多，因此故障診斷的方法也應不斷創新。人工診斷的方法通常對維修人員的水平是一種極大的考驗。相比傳統的診斷方式，專家系統診斷能夠為發動機的故障診斷提供更加人性化的接口，增加故障診斷的專業性和便利性，未來汽車發動機的故障診斷和專家系統的結合是一種必然的趨勢。

（6）基于計算機的遠程故障診斷。隨著互聯網技術的快速發展，故障診斷技術與互聯網相互結合的技術對于發動機的遠程故障診斷具有深遠的意義，通過在設備上設置檢測點，能夠將發動機的數據實時傳輸到具有故障診斷能力的企業或者維修單位，從而能夠及時地發現發動機的隱藏故障，實現早期的預防。

5 結語

在發動機的故障維修中，應該首先確定發動機的故障的類型，明確故障發生的原因和故障的表現形式，從而做出更有針對性的診斷和處理措施。未來用于發動機系統的故障診斷必然是結合了互聯網的產物，提高故障診斷的準確性，實現故障早期預防，提高維修人員維修的效率，及時對用戶做出預警，提高用戶的使用體驗。