非接觸式檢測技術在汽車發動機故障檢測中的應用研究

【摘" 要】當發動機出現故障時，對其進行故障診斷選用常規的接觸檢測方式可排除故障，但操作復雜、精度低、易引起附加損傷。文章對汽車發動機的機械故障進行非接觸采集相關數據，將采集的數據進行深入研究和分析，通過與標準數據進行對比，可提高故障檢測的準確度以及工作效率，再對數據進行整理分析，為進一步提升汽車發動機的故障診斷技術提供依據。

【關鍵詞】汽車發動機；非接觸檢測技術；發動機故障

中圖分類號：U463.631" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）04-0074-03

Research on Application of Non-contact Detection Technology in Automotive Engine Fault Detection

GAO Xiaoyong，ZHAO Xiangming

（Xi'an Vocational University of Automobile，Xi'an 710600，China）

【Abstract】When the engine fails，the conventional contact detection method can be used for fault diagnosis to eliminate the fault，but the operation is complicated，the accuracy is low，and the additional damage is easy to cause. Non-contact collection of relevant data on mechanical faults of automotive engines，in-depth research and analysis of the collected data lines，comparison with standard data，can improve the accuracy of fault detection and improve work efficiency，and then collate and analyze the data，providing a basis for further improving the fault diagnosis technology of automotive engines.

【Key words】automobile engine；non-contact detection technology；engine failure

非接觸式檢測技術在汽車發動機故障檢測領域的應用是當今汽車工業發展中備受關注的研究方向之一。隨著汽車技術的不斷進步和發展，發動機作為汽車的心臟，其可靠性和性能成為車輛安全和運行的關鍵[1]。因此，快速、準確地檢測和診斷發動機故障對于保障汽車性能和安全至關重要。

傳統的發動機故障檢測方法通常需要拆卸或使用接觸式檢測設備，這些方法不僅耗時費力，還可能會對發動機造成額外的損傷。而非接觸式檢測技術的興起為解決這些問題提供了全新的途徑[2]，通過使用激光測量、紅外熱像技術、聲波檢測等無需直接接觸發動機表面的技術手段，可以實現對發動機狀態的實時監測和故障診斷，同時避免了對發動機的影響和損傷[3]。

當前汽車工業中，在接觸式發動機故障檢測技術中引入非接觸式檢測技術，可以提高檢測精度，有利于提高工作效率，該非接觸檢測技術已被廣泛應用。其中，激光測量技術能夠精確測量發動機內部零部件的尺寸和形狀，進而檢測出任何異常或磨損情況[4]；紅外熱像技術則可以實時監測發動機運行時的溫度分布情況，發現可能存在的故障點或熱量異常區域；聲波檢測則能捕捉到發動機運行時產生的聲音頻率和振動情況，從而判斷發動機內部是否存在異常運行或部件故障。

1" 非接觸式檢測技術的原理和方法

1.1" 激光檢測技術

激光檢測技術通過激光傳感器可以實現對發動機內部零部件的三維形狀和尺寸的精確測量。這種高精度的測量能力使得在發動機運行過程中可能出現的微小形變、磨損或變形等問題能夠被及時發現。通過實時監測發動機內部的零部件狀態，可以更早地識別潛在故障，從而提高汽車發動機的可靠性和壽命[5]。

激光檢測技術還可以用于檢測發動機內部的溫度分布。通過測量激光在材料表面反射或透射時的光譜特性，可以推斷出不同區域的溫度。這對于發動機的熱管理和熱平衡至關重要，因為異常的溫度分布可能暗示著冷卻系統故障或燃燒不均勻等問題。

激光檢測技術還可以用于檢測發動機內部的振動和聲音。激光檢測儀如圖1所示。通過監測激光光束在振動或聲波作用下的變化，可以獲取有關發動機工作狀態和部件運行狀況的信息。這種無接觸的檢測方式不僅避免了傳統接觸式傳感器可能帶來的干擾，而且可以在發動機高速運轉時實現精準測量。

1.2" 超聲波檢測技術

超聲波檢測是一種非接觸式檢測技術，該技術基于超聲波在管道中的傳輸特性，利用超聲波與構件間的彼此影響進行非接觸式的檢測方法。當汽車發動機發生機械故障時，可通過該檢測技術進行診斷：通過傳感器發出超聲波，在發動機內部傳輸，超聲波經發動機內部構件反射以及散射后再返回，接收器接收超聲波信號并對該超聲波信號進行數據分析，通過數據分析結果，對發動機內部構件故障進行診斷。超聲波在發動機中的傳輸速率及振幅與被測物體的密度、彈性模量、損耗等因素有關，而不同的結構與材質對超聲波的影響也不盡相同，因此，通過對超聲波信號的變化進行分析，能夠準確地判斷出發動機的故障部位與類型[6]。

目前，脈沖回波技術、聲譜分析技術等超聲波檢測技術是常見非接觸檢測技術。超聲波脈沖檢測儀（圖2）向被檢測物體發送超聲波，超聲波被反射后并被檢測儀接收回波信號，通過對被測物的時延和振幅的改變，判斷被測物的內部結構是否完整以及是否發生改變超聲波。本文介紹一種基于語音特征的語音識別方法。聲發射檢測方法指通過超聲波作用于被測物質內部的聲發射，從而對被測對象的缺陷、裂紋等進行檢測，并通過其頻譜、幅值等信息進行診斷。

1.3" 紅外檢測技術

紅外檢測是一種基于目標熱輻射特征的檢測方法。在汽車發動機機械故障診斷過程中，由于各機械零件發生故障，會產生摩擦、磨損、溫升過高等現象，使失效零件的表面溫度發生不正常的改變，進而會改變紅外輻射的強度和光譜。通過分析發動機表面紅外輻射的相關數據，對發生故障的位置進行精準定位，進而確定故障種類，利于開展精準故障診斷與維修。

紅外檢測技術是利用紅外成像、紅外光譜分析等技術進行檢測的一種非接觸檢測技術。圖3為紅外熱成像儀的一種類型，該檢測裝置應用范圍廣泛，通過采集數據并記錄發動機表面產生的紅外輻射圖象，對數據進行觀測與分析，再采集數據結論與數據庫正常數據信號進行組合分析，精準判斷出故障點所處位置、故障種類以及故障程度，實現故障快速診斷。

2" 汽車發動機常見故障

2.1" 啟停故障

啟停故障是汽車發動機普遍存在的一種故障，它使發動機難以啟動，并使起動時的振動頻率升高，這種振動會保持很長一段時間，只有車輛在高速行駛的時候，這種振動才會消失。因此，如果車輛的油壓沒有下降，那么停止就會出現發動機減速，導致發動機運轉不正常。此外，若不能及時完成車輛發動機換檔，就會產生危險，危及駕駛人的生命安全。因此，對車輛的維修與故障診斷應給予足夠的重視。

2.2" 異常噪聲故障

車輛發動機正常運轉時無噪聲，穩定性能好。車輛在行駛過程中出現噪聲或其它異常情況，或者換擋不順暢，屬于常見故障。這主要是由于汽車發動機中的燃油不能充分燃燒所引起的，所以要對其進行合理檢測和診斷，以便對其進行有效的維修和修復，將其負面影響降到最低。

2.3" 放炮爆震故障

當汽車排放氣體濃度較高時，會導致汽車發動機引起爆震的故障，這是由于車輛的燃油消耗增加，從而降低了車輛的使用壽命。由此可見，發動機的正常工作，對車輛來說是非常重要的。液壓缸是汽車發動機活塞不可缺少的推力設備，若汽缸出了故障，整輛車的燃油消耗就會增加。在更嚴重的條件下，汽缸的失效可能會造成發動機產生更大的故障。因此，要對汽缸的故障問題給予高度關注，以便進行有效處理。

3" 發動機機械故障的非接觸式檢測技術

3.1" 應用流程

利用LMS聲學傳感器建立聲學信息處理平臺，采集車輛發動機的異常噪聲數據，從而提高發動機非接觸機械故障診斷的效率。采集過程中，搭建試驗系統的硬件設備，將支持的數據、數據線設備與傳感器連接起來，以便提高診斷效率。在診斷過程中，通過設定異常噪聲參數，校正所采集的信號，修正測量靈敏度，結合故障信號進行數據分析，確認故障所在。

3.2" 發動機機械故障分析

奔騰B50排量為1.5L，設定了發動機的異常聲音的種類，形成了聲音信號和電子信號，表1顯示了發動機的異常聲音。通過采集并處理不正常的聲音信號，精準判斷故障所在。例如氣閥和前門，壞點噪聲頻率不同，音質不同，在分析發動機異常現象時，將異常噪聲信號頻率與聲音強度進行組合分析，精準定位故障點，實現發動機故障的便捷診斷。在測試過程中，由于周圍有噪聲，會產生混音、噪聲等因素，從而影響測試結果，可以采用進場檢測法的方法來避免這個問題的發生。采用進場檢測法檢測發動機間距，在不影響發動機運行的情況下實現機械故障的動態檢測，確保信噪比的準確性。

3.3" 發動機信號收集

在進行發動機故障診斷工作過程中，首要工作是對信號進行采集，再利用頻譜分析、函數計算、小波變換等數據分析手段，對所采集的信號進行全面分析，將分析結果與數據庫預存儲的數據進行對比，提取信號參量，確認故障原因。在工作中，還應對發動機進行動態檢測，記錄各項性能指標數據。在進行動態測量時，使發動機處于空載、低速運轉，采集相關數據，再將油門打開，調整發動機動力輸出扭矩，采集發動機在不同工況下的運轉數據。采集更多數據，形成有效的數據鏈，借助計算機技術對發動機整個工作過程的數據進行全面計算并分析，為后續檢測工作做好鋪墊。

當發動機的啟動速度比空載速度高時，設定結束速度為標稱速度，慣性矩J是已知的。對發動機的實際動力輸出與加速度的時間成倒比關系，即加速時間相對較小。在較大的動力輸出下，發動機的表現也較好；反之，較小的動力輸出將導致發動機的表現更差。一般來說，如果發動機的實際動力輸出小于80%，那就說明這臺發動機有問題。

3.4" 非接觸式檢測分析

3.4.1" 操作流程

通過建立基于聲學信號的分析平臺，采集車輛發動機中的異常信號，以提升無接觸診斷的準確性。對車間內不需要的儀器進行清理，以防止混音、噪聲等對測試結果產生干擾；搭建試驗裝置，并與相應的傳感器及系統相連，對其進行測試，以提高測試結果的可靠性；檢測工作時，通過設定發動機異聲數據信號的參數以及發動機生產工藝參數等數據，準確校準傳感器的數據信號，以達到數據測量準確的目的；再對檢測儀器的靈敏度進行調試，進一步提高檢測精度。以經驗為依據，設定了20250Hz、1.5s的音頻信號；如果想要測試發動機，就必須設定好儀器監控平臺，然后進行真正的冷啟動。由專門的機械維修中心對發動機進行維修，并根據實際情況進行仿真，采集總裝車間內的聲學信號，并對聲學信號進行定時反饋，對故障進行綜合分析。

3.4.2" 油底殼異常

發動機油底殼存在異響，但發動機油盤并無明顯的異聲，辨別起來較為困難。采用無接觸探測方法，分析所采集的數據，發現聲波信號具有明顯的周期性特征，找出聲波信號異常的位置，進而可以確定發動機油盤的故障點。經過對發動機油盤異常聲學信號噪聲的過濾監控（圖4），改善了噪聲信號的周期特征以及油底殼的聲音信號特征，有利于聲波信號數據分析。與無故障發動機相比較，油底殼異常噪聲較大。

3.4.3" 氣門挺柱異常

當發動機出現氣門挺柱不正常的情況時，在凸輪軸的一邊會發出咔噠聲，在發動機空轉的時候就更明顯了。出現這種故障現象的主要原因是導向孔偏離平衡位置太大，導致導向孔旋轉不靈活。通過將發動機氣門挺柱異常工作時的數據與標準數據進行對比，發現小波在過濾前后數據存在明顯差異，但與它存在故障的發動機工作時的數據也不相同，通過非接觸式檢測技術，采集相關信號并對數據進行分析，發現在子波之后，數據信號的周期性并沒有發生改變。

3.4.4" 前部異常

通過對比發動機異常濾波數據（圖4），時間域發動機信號相對平穩，而小波變換則有一定的起伏，通過基于小波變換的小波分解方法，對發動機前端異常信號數據進行分析，在細節系數尺度方面出現了周期性的波動，這種波動會加劇時間域信號本身的周期分量。

3.4.5" 噪聲故障

當汽車發動機在加速過程中發出砰砰的聲音，多半是由于發動機的潤滑不良，氣閥間隙不均衡所致。若汽車發動機發出噪聲，說明電子管破裂，造成真空泄漏，使車輛發動機運轉效率下降。在一些特定的情況下，發動機會產生積碳。出現這種現象，應及時檢查工作時間較長的火花塞，防止其發生泄漏等安全問題，確保火花塞能正確點燃。

4" 總結

汽車發動機機械故障檢測工作引入非接觸式檢測技術，利用智能和自動化技術，可以避開機械構件布局的空間緊湊不易檢測的弊端，利用非接觸檢測技術與被檢測對象不接觸，對故障發生的位置進行精準診斷，再利用其它相關非接觸診斷技術所獲取的數據，對數據進行綜合分析，精準判斷故障特性，進而設計故障維修方案。該檢測技術不會對被檢測對象造成負面影響，該技術具有普適性，進行推廣應用，利于促進汽車后服務業的快速發展。

參考文獻：

[1] 黃金記，孔寧寧. 汽車發動機機械故障非接觸式檢測技術研究[J]. 發動機與配件，2021（18）：174-175.

[2] 李文舉. 數字圖像相關檢測結構振動的研究及其應用[D]. 長沙：湖南大學，2021.

[3] 劉旭. 發動機機械故障非接觸式檢測技術分析[J]. 中國金屬通報，2020（10）：231-232.

[4] 石國珍. 對汽車發動機機械故障非接觸式檢測技術的幾點探討[J]. 時代汽車，2020（20）：168-169.

[5] 劉勇. 汽車發動機機械故障非接觸式檢測技術研究[J].農家參謀，2020（16）：251.

[6] 姜十萬. 汽車發動機機械故障非接觸式檢測技術分析[J]. 農機使用與維修，2020（5）：23-24.

（編輯" 凌" 波）