張 夢

（長春職業(yè)技術(shù)學(xué)校，吉林 長春 130000）

1 研究背景與意義

作為最直接的動力來源，汽車發(fā)動機系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜并且各功能元器件的精密性較高，在設(shè)計、組裝和調(diào)試時對技術(shù)及工藝要求較高。只有經(jīng)過嚴謹且規(guī)范的模塊化處理和各部件的匹配聯(lián)調(diào)，才能確保發(fā)動機的整體性能，使它在后期的運轉(zhuǎn)中保證穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。在提升汽車行駛安全性的方面，發(fā)動機作為燃料的直接消耗者，在特定的極端天氣和環(huán)境中會存在一定的故障概率和安全隱患。例如，在夏季較高溫度下，發(fā)動機的故障發(fā)生率就會升高，由此引發(fā)的汽車間歇性拋錨等問題都會影響汽車使用者的駕駛感受。為了有效地解決這一問題，同時對汽車發(fā)動機的故障率進行合理控制，有必要通過發(fā)動機的機械故障表現(xiàn)來對汽車發(fā)動機的故障產(chǎn)生原因及規(guī)律進行總結(jié)。從而對汽車的整體運行狀態(tài)及發(fā)動機的機械運轉(zhuǎn)狀況進行實時監(jiān)測。這不僅對于發(fā)動機的研發(fā)技術(shù)水平提高有所幫助，也會改善現(xiàn)有的汽車駕駛安全及使用體驗。

2 發(fā)動機機械故障診斷的基本流程

從汽車發(fā)動機故障診斷及維修的實際需求出發(fā)，綜合實際使用場景中汽車發(fā)動機的常見故障原因和排除方式可以大致歸納總結(jié)出發(fā)動機故障診斷的基本流程。首先，通過對正在運行中發(fā)動機的運轉(zhuǎn)異常表現(xiàn)做出大致判斷。通過相應(yīng)的檢測儀器設(shè)備對于各種物理數(shù)字信號進行實時反饋，進而完成相應(yīng)診斷過程，最后給出一個故障原因的判斷。然而大多數(shù)時候還需要根據(jù)經(jīng)驗，結(jié)合發(fā)動機的異常噪聲和抖動等表現(xiàn)來大致判斷其故障原因。此外，通過大量檢修數(shù)據(jù)的積累和經(jīng)驗分析也能夠?qū)τ诎l(fā)動機的常見故障原因進行總結(jié)，并通過相應(yīng)的故障表征快速得出維修方式的反饋。這一流程也可作為后續(xù)發(fā)動機電氣化及信息化技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展的重點方向[1]。

3 發(fā)動機常見的機械損傷類型

3.1 摩擦損害

發(fā)動機的摩擦損害是較為常見的一類普發(fā)性故障。在汽車發(fā)動機長期運轉(zhuǎn)中，其內(nèi)部的部件隨著使用周期的延長會干擾金屬表面的原子穩(wěn)定狀態(tài)，進而降低原子間引力。久而久之，會誘發(fā)原子大范圍位移和脫落等現(xiàn)象。考慮到原子磨損產(chǎn)生的性能改變會間接增加汽車零件消耗磨損的程度并且會嚴重限制其性能發(fā)揮，因此必須在故障出現(xiàn)時盡快予以排除。在發(fā)動機不同部位的摩擦損害中，運動附件的磨損概率較高。這是由于活塞和汽缸在高溫高壓環(huán)境下運轉(zhuǎn)，直接是加劇了曲柄連桿機構(gòu)的碰撞導(dǎo)致的。此外，發(fā)動機汽缸間隙在組裝階段的配置合理性下降也會導(dǎo)致發(fā)動機漏氣，從而使發(fā)動機的綜合運轉(zhuǎn)性能受到嚴重影響。

3.2 化學(xué)腐蝕

受使用環(huán)境影響而導(dǎo)致的發(fā)動機故障類型中，較為常見的是化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。汽車發(fā)動機涉及的化學(xué)腐蝕對象主要是發(fā)動機零件，由于長時間處于腐蝕性環(huán)境而引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，最終導(dǎo)致發(fā)動機零件的損壞。發(fā)動機腐蝕可根據(jù)成因分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕2 種。其中，化學(xué)腐蝕是基于化學(xué)反應(yīng)層面的潛在反應(yīng)條件而出現(xiàn)的，它是發(fā)動機故障的主要誘因。常規(guī)原因是發(fā)動機機械部件材料與外部空氣或液體接觸后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。而電化學(xué)腐蝕是指不同金屬材料在導(dǎo)電溶液環(huán)境下產(chǎn)生的連鎖反應(yīng)，也會導(dǎo)致發(fā)動機金屬部件的性能異常，同時遭受不同程度的腐蝕。

3.3 應(yīng)力變形與斷裂損傷

在發(fā)動機故障的物理誘因方面，應(yīng)力變形與斷裂損傷是最為典型的故障產(chǎn)生原因之一。應(yīng)力變形與斷裂損傷的成因大多是由于發(fā)動機在使用過程中受到來自外部和內(nèi)部應(yīng)力共同作用疊加產(chǎn)生的超負荷壓力。其會改變原本的零件形狀和分布位置，當發(fā)動機長期處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)時，受異常承受力影響其核心機械構(gòu)件的強度將持續(xù)下降，最終導(dǎo)致零件發(fā)生變形或斷裂，帶來行車過程中嚴重的安全問題。作為常見的外力作用所導(dǎo)致的機械性能改變，發(fā)動機應(yīng)力變形與斷裂損傷會顯著縮短發(fā)動機的使用壽命，并帶來諸多安全隱患。

4 發(fā)動機機械故障的典型表現(xiàn)

汽車發(fā)動機的各種異常表現(xiàn)不僅能夠反映出發(fā)動機處于異常狀況，也能向使用者傳達故障的特征與類型信息。根據(jù)專業(yè)技術(shù)人員的判斷，能夠從發(fā)動機的故障表現(xiàn)中獲得關(guān)于故障類型的判斷依據(jù)，并借由一系列故障征兆得到更為細致而具體的故障位置信息。為后續(xù)的故障排除和發(fā)動機維修指明方向。表1 給出了汽車發(fā)動機機械故障的常見表現(xiàn)[2]。

表1 汽車發(fā)動機機械故障常見表現(xiàn)

5 結(jié)合不同表現(xiàn)的發(fā)動機機械故障診斷方法

5.1 振動信息

為了有效地進行區(qū)分可將被歸納為故障現(xiàn)象的異常振動大致分為3 個方向。1）由于發(fā)動機氣缸內(nèi)的燃料燃燒所產(chǎn)生的氣體對鋼壁施加壓力后，再經(jīng)過內(nèi)部的運動部件磨損形成的間隙，對其他機械裝置產(chǎn)生撞擊從而引發(fā)的振動。2）發(fā)動機工作過程中的曲柄連桿運轉(zhuǎn)會產(chǎn)生慣性震動。3）發(fā)動機進氣門和排氣門在工作中會產(chǎn)生機械沖擊振動。這3 類振動的成因需要由技術(shù)人員逐一進行排除，并最終確定發(fā)動機異常振動的產(chǎn)生原因。以上過程都需要依賴于振動信號的提取和分析而實現(xiàn)，相應(yīng)的信號處理過程需要經(jīng)過頻譜分析，時序模型建立等過程并且對于其中可能存在的關(guān)聯(lián)性故障也要進行充分考慮。這種故障現(xiàn)象的診斷過程相對簡便，完成效率較高，但是不排除會受到其他環(huán)境因素干擾的可能性。例如設(shè)備使用方式，環(huán)境溫濕度等都會無形中增加故障檢測的總體成本。

5.2 噪聲信息

汽車在行駛中的噪聲主要來自于發(fā)動機?？膳卸òl(fā)動機存在故障的噪聲類型主要有3 類，其中的燃燒噪聲是氣缸壓力對氣缸壁造成沖擊形成的；機械噪聲是受到壓力和慣性作用使發(fā)動機內(nèi)部的運動部件互相撞擊和振動發(fā)出的；空氣動力噪聲是發(fā)動機在進氣和排氣過程中因摩擦而產(chǎn)生的，在傳播路徑和擴散方式上基本呈輻射狀[3]。當高速行駛時，駕駛者所感受到的噪聲來自發(fā)動機中的機械噪聲和空氣摩擦噪聲，而低速行駛時主要的發(fā)動機噪聲為燃燒噪聲?？稍诎l(fā)動機運行中通過信號和波形的特定指標分析準確判定存在異響的部位，進而對特定的零件或部件進行更換維修。

5.3 溫度信息

氣缸壓力、排氣溫度、轉(zhuǎn)速、冷卻水進出口溫度等項目都會加劇內(nèi)燃機溫度的增加。故障檢測技術(shù)人員可通過對溫度變化規(guī)律的分析判斷內(nèi)燃機的整體工作環(huán)境，并根據(jù)其呈現(xiàn)的工作狀態(tài)確定故障所在點。發(fā)動機溫度過高可能是內(nèi)燃機燃燒不充分造成的，技術(shù)人員可在發(fā)動機故障診斷過程中重點關(guān)注內(nèi)燃機的熱力參數(shù)和燃燒效率，進而判斷其是否存在故障。

5.4 油液檢測

常規(guī)的故障特征提取算法是依據(jù)環(huán)繞波檢測理論為基礎(chǔ)而設(shè)計實現(xiàn)的。發(fā)動機在運轉(zhuǎn)過程中，燃料的油液表面波會因為鐵質(zhì)輸油導(dǎo)管表面的磁場而形成規(guī)則的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，這就是環(huán)繞波的初始形態(tài)。根據(jù)這種特殊環(huán)繞波的產(chǎn)生規(guī)律和分布特點可以更好地理解其信號方程：

在信號i的表達式中，u1m表示測定環(huán)境中高梯度磁場下測試儀上的液壓讀數(shù)，u2m代表汽車發(fā)動機活塞間隙對應(yīng)的震級，ω是衡量功率測試譜密度函數(shù)總體偏移量的指標，φ為發(fā)動機活塞表面鐵材質(zhì)譜線的整體寬度。掌握以上幾個核心物理量的意義和測量方式后就能間接獲得環(huán)繞波的物理特性。當汽車發(fā)動機出現(xiàn)異常故障時，隨著時間t的變化監(jiān)測信號中會出現(xiàn)一個不同程度削弱的環(huán)繞波形。

6 發(fā)動機故障診斷整體思路

在進行發(fā)動機故障診斷時，首先應(yīng)對故障信號進行檢測。技術(shù)人員要根據(jù)測試儀器的適用監(jiān)測對象選擇振動傳感器或噪聲傳感器來對發(fā)動機的溫度、振動和噪聲等進行測定，并將其與初始狀態(tài)下的信號數(shù)值進行對比。

接下來需要用計算機對采集到的特征信號進行預(yù)處理。經(jīng)過放大、壓縮轉(zhuǎn)換和噪聲消除等步驟還原真實的發(fā)動機故障信號。對其頻譜變化規(guī)律進行分析并按照發(fā)動機故障信息對照采樣表評估發(fā)動機可能出現(xiàn)的故障原因及故障點。狀態(tài)識別也是常用的發(fā)動機故障診斷方式之一，通過對故障波形與正常信號之間的區(qū)分來判斷發(fā)動機出現(xiàn)了何種故障并鎖定故障位置[4]。

7 結(jié)語

鑒于汽車發(fā)動機的組成結(jié)構(gòu)和功能設(shè)定較為復(fù)雜，相應(yīng)的發(fā)動機機械故障診斷流程也比較煩瑣，其中涉及的診斷要素也比較多。從汽車發(fā)動機的機械技術(shù)發(fā)展及故障維修與排除技術(shù)角度來看，發(fā)動機故障的快速故障點定位及排除對于發(fā)動機機械技術(shù)應(yīng)用效果提升有著重要意義，同時也能創(chuàng)新汽車行業(yè)的整體發(fā)展方向。為此，該文從發(fā)動機機械故障的典型表現(xiàn)與診斷方式入手，圍繞故障診斷與排除的機制與流程展開介紹。通過具有較強適用性和全面性的故障診斷與異常判別方式為發(fā)動機的機械故障診斷與維修提供了更加明確和高效的實施路徑。與此同時，技術(shù)人員也可嘗試將信息化手段應(yīng)用到發(fā)動機機械故障診斷流程中，從而促進發(fā)動機機械故障診斷過程的智能化發(fā)展。