大功率柴油机故障在线诊断系统的研究

文/武迎迎 曹石 秦涛 刘建飞 赵国强

大功率柴油机广泛应用于船舶、舰艇、电站、特种车辆等领域，对发动机的可靠性要求较高。柴油机故障直接影响到船机、电站及整车的正常运行，甚至危及生命。有资料显示，大功率发动机的维修及保养费用超过整车整机维护费用的50%。车辆运行不当，故障不能及时处理，甚至会造成发动机报废，导致严重后果。同时，随着国家排放法规的逐步升级，电控技术正逐步应用于大功率柴油机。电控部件及控制系统的增加，加大了发动机的维修保养难度。传统的基于人工经验的维修和保养已经不能适应发动机的需求。

电控技术的应用，对发动机的故障诊断及维修保养既是挑战，又是机遇。伴随着云技术和大数据技术的发展，开发基于数据采集及分析的发动机故障在线诊断系统成为解决这一难题的一大解决方案。

1 大功率柴油机的故障在线诊断系统架构设计

该系统旨在对大功率电控柴油机做运行参数监控、故障精确诊断及预诊断。同时，系统具备维修指引及保养提醒的功能。与终端用户的交互可利用发动机数据采集模块T-box实现无线传输。系统架构见图1。

基于数据采集及分析的故障在线诊断系统，对来自于发动机传感器的运行数据进行采集，发动机控制单元ECU对发动机故障做直接诊断和管理，通过仪表或移动设备等终端交互工具反馈给客户。同时，系统将采集的数据通过T-box上传至智云平台，智云平台的数据实时同步至存储服务器，服务器通过强大的数据分析工作对运行数据作趋势化、预警性分析，进而将信息再次传递至终端交互工具，提醒客户及时对发动机做维护保养。

2 故障在线诊断系统开发

故障在线诊断系统包含两个层次的诊断，即精确诊断和预诊断。系统中有关故障的分析和定位，采用故障树分析法。故障树分析法是一种基于图形演绎的分析方法，通过描述与故障相关的各事件的逻辑关系，确定检修事项的顺序，并以树状的形式构建故障形式及故障信息的流程图。故障树分析法的优点是：构建过程鉴定、执行效率高、可用计算机进行辅助分析。通过故障树分析方法，对系统报出的故障做清晰的分析定位，明确故障现象、故障失效形式及故障状态，定位故障点，实现发动机的精确诊断。

2.1 故障精确诊断

精确诊断主要是通过发动机控制器对发动机运行数据进行采集，发动机控制系统的故障诊断模块会对采集数据作分析比较，结合系统中对故障策略的开发，经过多层级系统分析，明确故障点或故障件。故障明确之后，发动机控制系统的故障管理机制对异常情况进行报警，通过无线或CAN通讯传递给终端交互模块（仪表或移动设备）。如图2所示。

本系统重点关注发动机较为致命或频繁的几类故障模式，包括发动机漏气量异常、进气管路漏气、喷油器故障、活塞穿孔、连杆瓦异常磨损或化瓦、主轴瓦异常磨损或化瓦、曲轴扭振超限报警等。

2.2 故障预诊断

预诊断是基于大数据的分析实现。系统通过发动机控制器采集发动机各运行数据，采集的数据通过云端传到服务器，服务器端采用数据的回归分析以及基于灰色预测的可靠性评估，分析指标劣化情况及趋势，从而预测发动机故障发生时刻，提前告知用户及时采取措施，避免发动机出现重大故障。

本系统的故障预诊断主要对发动机劣化指标作分析，包括基于漏气量劣化、基于机油耗指标劣化、基于燃油消耗指标劣化、基于增压器性能劣化、基于主轴承温度指标劣化。如图3所示。

2.3 保养提醒

传统的保养维护技术存在实车检测难度大，拆装困难等问题，尤其是大功率发动机，故障性维修的难度更大，这对发动机的使用提出更高要求，需要严格按照发动机的保养要求进行，避免因为保养不及时造成发动机故障。发动机控制系统针对该类需求做了专项开发，对于需要按照特定周期、特定要求及时更换的部件，开发了基于时间和检测指标的诊断及提醒。在接近运行时间或检测指标接近限值的情况下，系统会以故障的形式发出保养提醒的指令，建议用户在下一个开机循环之前做换件保养，否则在指标超过限值时系统会报出相应的故障，触发发动机限扭或不允许开机。保养提醒的主要发动机部件包括：空气滤清器、机油滤清器、燃油滤清器、机油及防冻液更换或添加提醒、呼吸器滤芯更换提醒等。

图1：系统架构

图2：精确诊断过程

2.4 维修指引

系统提供与客户交互的界面，目前支持手机、平板的APP安装使用。通过交互界面，客户可以查看系统的故障状态，单击相应的故障或提醒，有对故障或提醒的详细说明。继续点击，可以获取发动机维修或换件的指引说明。该服务将发动机的维护保养真正做到了便利快捷，进而保证了发动机高效高质量运行，避免重大故障的发生。

2.5 人机交互界面开发

图3：预诊断过程

系统为方便用户及时了解掌握发动机运行状况，提供更为人性化的人机交互界面，界面可为用户提供发动机运行状态、系统的故障、保养提醒、维修指引等信息。用户点击发动机运行状态，可以查看发动机运行时间、发动机当前转速、平均油耗等信息。在有故障或保养提醒报出时，点击相应的选项可进行该故障的精确定位及分析。在故障件或保养件明确之后，客户进入维修指引系统，根据换件或保养需求可查到具体的操作步骤及方法，完成系统的维护。

3 系统测试及验证

大缸径柴油机故障在线诊断系统开发完成后，在20台某型号柴油机上进行了功能验证：在历时一年的试运行期内，平均故障检出率提高20%，维修保养费用降低15%，应用效果良好。

4 结语

通过开发故障诊断系统，使用户可以实时了解发动机运行情况，故障的精确定位也极大提升了维修人员的维修效率，故障预诊断大幅降低了发动机的重大故障的发生。随着大数据分析技术的不断发展，发动机故障的诊断技术会进一步得到提升。