汽车发动机典型故障及诊断方法

槐元辉 杨京萍

摘要：对于汽车发动机故障诊断而言，最关键的一点在于信号故障特征的提取，直接决定汽车发动机故障诊断的准确度。汽车发动机内部结构非常复杂，且影响因素众多，导致目前尚无足够成熟和准确的故障诊断办法。鉴于上述理由，笔者将通过提取发动机的故障信号频率特征来对汽车发动机的故障及原因进行诊断，希望进一步提升汽车发动机诊断能力。

关键词：汽车发动机;故障;信号频率特征;诊断

0  引言

汽车发动机故障诊断属于机械故障诊断的重要内容。随着经济的发展和社会的进步，现代化设备日趋精密化、复杂化、自动化和连续化，设备一旦发生故障，对人类的生命财产和社会安全等方面的影响是不可估量的[1]。因此，需要我们加强对机械的了解和研究，尤其是对机械故障类型、故障常发部位和对应的诊断维修方法等内容的掌握和探索。

1  汽车发动机典型故障

1.1 曲柄连杆机构故障

长时间的低速重载运行，让曲柄连杆处于高负荷状态就容易导致连杆出现扭曲或弯曲的现象。连杆螺栓损坏的形式是多样的，主要有部分螺纹松动或粘接、出现断裂或裂纹、出现永久性拉伸变形。损坏原因错综复杂，比如装配操作违反规定，用力不均;螺纹中心线、螺栓、螺母支撑表面三者未成垂直状，导致后期容易出现歪扭现象;螺纹表面清洁度不够，加之螺纹之间配合不是太紧就是太松，容易出现连接咬死或者松脱的情况等等。

1.2 配气机构故障

气门严密性差，这主要是因为气门和气门座在烧蚀、磨损和积碳的作用下导致接触面粘合度降低，除此以外气门间隙调整不合理、气门杆部扭曲、气门弹簧弹力不足或者弹簧折断都有可能导致气门严密性降低;气门间隙过大，通常情况下出现这种情况都是由于气门间隙调整过度，其次还有气门挺杆、凸輪等零件磨损或者气门间隙调节螺钉松动的原因;气门杆被卡，引起这种故障的原因有气门杆弯曲、没有合理设置气门杆与气门导管的配合间隙、或者导管内积碳过多等;气门断裂，这种故障通常出现在杆部环槽处、头部和过渡区域等三个部位。出现气门断裂一般都是因为内燃机在短时间内从极高温冷却下来，整个气门上温度不均而出现热应力作用，再或者就是因为装错了进气门和排气门，在后期使用过程中由变形引起的断裂。

1.3 气缸故障

拉缸，有若干深浅不一的轴向沟纹出现在气缸套工作面上，影响气缸的密封性。造成拉缸故障的原因主要是跑合问题，其余还有发动机过热、活塞环间隙太大、多次低温状态下启动发动机等;气缸套裂纹，通常情况下气缸套出现裂纹都是因使用不当的行为引起的，操作中没有考虑机器的高温直接加入冷水，进而导致缸套骤冷收缩出现裂纹。

1.4 活塞故障

发动机活塞销故障的主要表现就是活塞销与销座孔衬套之间的磨损空隙越来越大，这主要因为发动机在长期的使用过程中过度摩擦，加之后期安装、维修的不合理综合导致的[2]。连杆铜套与活塞之间的间隙会随着连杆小端铜套的磨损增大，连杆与活塞销在内燃机运转过程中产生的冲击力增加，冲击力的变化会导致活塞横向撞击气缸套，对机体内的振动响应产生波动。

2  汽车发动机典型故障定性分析

2.1 曲柄连杆机构典型故障定性分析

连杆与活塞之间的冲击作用会随着连杆小头铜套磨损加剧而增大，冲击力的变化会导致活塞横向冲击气缸套，对机体内的振动响应产生波动，因此连杆铜套与活塞销之间间隙变化的情况可从缸体上适宜的位置测量。当总振级与连杆铜套间隙的关系变化曲线呈现单调递增趋势时，因活塞撞击产生振动响应的滞后时间就会越来越长。以振动功率谱为依据分析，振动能量随着间隙的增大会呈现出逐渐向高频带集中的趋势，连杆大头端轴瓦出现磨损或者连杆螺栓出现松动，可利用轴瓦间隙的变化在曲轴箱上测量振动响应功率谱。

2.2 配气机构典型故障定性分析

气门运动参数很容易受到气门间隙变化的影响，从而强有力改变气缸盖对气门落座冲击的响应信号。气门落座响应的能力和幅值与气门间隙成正比，即气门间隙越大，气门落座响应的能量和幅值就越大，同时振动总能量和气缸盖加速度总振级也随之增大。通过频谱分析就能快速分析排气门漏气情况，一旦出现漏气，振动能量就会迅速转向高频。

2.3 气缸典型故障定性分析

发动机工况与表情振动有着密不可分、相互影响的联系。在同样的间隙条件下，气缸内的爆发压力和表面冲击振动会随着转速的上升而增大、增强;在间隙组间扩大的条件下，表面振动会明显增强，尤其是膨胀冲程上的撞击出振动强度。频域信号强度与时域信号强度成正比，在磨损量逐渐增加的过程中，气缸套外表面的响应功率谱峰值直线上升，振动响应总能量也随之升高。

2.4 活塞典型故障定性分析

通常情况下，活塞频域内一个能量区内有两个能量峰波，这两个峰波会随着转速的升高往高频方向移动，最终合为一体形成更为大型的能量峰波，因此可以将活塞销响的特征频带选定在这样的频带中[3]。活塞销响频带的频率比活塞敲缸的特征频率要高，但频率信号略弱。大量实验结果表明，转速与表面信号振动强度有着直接的联系，气缸内爆发压力与转速成正比，即转速越高，气缸内爆发压力和表面振动信号就越大、越强，与此同时振动信号高频成分也大幅上升。

3  汽车发动机故障诊断方法

3.1 诊断流程

发动机在运行的过程中会出现较大的异常震动，但是并无明显的噪音，假如采用传统的听声诊断就很难断定，再加之引发震动的因素较多，如果对其10个气缸进行逐一排查，耗时耗力，诊断不及时容易造成维修效率降低。针对该种情况，本文采用以下诊断流程，见图1。

从图1我们可以看出，首先是对发动机气缸的振动信号以及机体振动信号进行相关性分析，从多个气缸中找出故障气缸，这样缩短诊断流程，节约时效，提高了诊断效率。接着对故障气缸进行时域分析、频域分析以及小波包分析，得出相应的时域特征、频域特征以及小波包特征，最后直接根据这些特征进行故障诊断。

3.2 发动机故障诊断

采取振动信号的相关分析，可以反映两个不同信号之间在不同瞬时幅值之间相互依存的关系，也反映出了两个振动信号波形随着采样点数移动时相互关联紧密型的一种分析。以标准信号为切入点，根据相关分析来判定信号内频率的大小是具有较大现实意义的。1缸以及3缸与机体振动的相关性最大，这两个气缸内的低频振动成分比例很重，能够反映出气缸正常的工况信息。2缸与机体振动的相关性最小，与其他气缸相比，量值存在较大的差异，也就是说2缸中高频振动成分的比例较重，可以判定该气缸内存在故障。因此，选用1缸作为气缸正常工况信息的参照对象，2缸作为故障分析研究对象，来体现出发动机故障诊断的方法[4]。

3.3 发动机故障诊断时域特征分析

正常气缸与故障气缸的振动信号与机体表面振动信号的时域参数，随着转速的不断提升，均方值、偏态度变动不大。但是，发动机正常状态下的峭度要明显低于故障状态下的峭度，但是随着转速的升高，两种状态下的峭度差异逐渐缩短，同时，故障峭度消减速度快，所以，峭度可以作为发动机故障诊断的时域识别参数。因此，发动机振动信号的时域参数能够侧面反应出发动机的运行状态，但是由于振动信号的循环波动性使得各阶段时域分析参数存在着不稳定的因素，在同一狀态下变化范围较大，而且除峭度在不同状态下的变动较大，对故障的诊断具有一定的意义，其他时域参数在不同状态下的变动较小，也就是说峭度值可以作为发动机故障诊断的依据，而其他时域参数仅仅只能作为诊断的辅助参数。

3.4 发动机故障频域特征分析

在发动机故障诊断中，频域分析法是当前应用最广，最成熟的一种方法。对振动信号进行频谱分析，与正常状态下的频率分布进行对比，就可以判定是否存在故障。正常气缸与故障气缸的振动信号随转速升高时的频谱图，其中正常气缸的振动信号的频率成分主要集中在低频区域，也就是反映发动机曲轴、连杆等运动机构的正常振动工作频率，随着转速的增加，虽然高频区域的幅值在不断增加，但是与低频区域一样，增长幅度较为平均。而故障气缸中，随着转速的增加，高频区域的能量不断增加，特别是当转速达到1500r/min时，高频区域的幅值增长明显加剧，当转速达到2200r/min时，高频区域的能量最大，约在5000Hz左右。根据发动机故障气缸振动信号的频谱图变化趋势来看，可以作为判定故障的依据。

3.5 发动机故障小波包分析

发动机是一种振源多、频带宽、振动形态较为复杂的一种大型机械，其振动信号具有波动时变的特点。当发生故障时，与正常状态下相比，某些频率能量会增加，而某些频率能量却会减少。所以，信号频率成分包含了很多的信息，对这些信息进行统计分析，找出规律就能够对故障进行判定。当某个或多个频率能量的改变反应出一定的故障状态，利用这些特征对各频带能量与故障状态之间的关系进行振动信号的建立，通过频率成分能量的变化来反应出故障状态。利用小波包分析就能够很好的实现这一目的，也就是说对信号信息进行正交小波包的分解，从而得到全频带均匀划分的各子频带的小波包分解系数，再对小波包分解系数进行重组，就可以获得该频带的信号信息，然后对信号信息能量进行提取，就可以得出小波包特征向量。

4  结语

总的来讲，对汽车所使用的柴油发动机进行经常性出现的典型故障汇总和分析，通过对发动机在使用过程中所产生的振动信号的时域、频域和小波包等数据进行搜集、分析和判断，是汽车发动机故障诊断的新型方法，有助于提升汽车发动机诊断的精准性。

参考文献：

[1]王景海.汽车发动机常见故障维修技术[J].南方农机，2020，51（03）：113.

[2]王奇迹，徐向东.电子诊断新技术在现代汽车维修中的应用[J].南方农机，2020，51（03）：233.

[3]袁永超，陈绍南.基于波形分析的发动机运转不良故障诊断研究[J].汽车维修，2020（01）：16-17.

[4]郭刚.柴油发动机燃油供给系统故障检测及诊断研究[J].南方农机，2020，51（02）：39.

作者简介：槐元辉（1963-），男，云南昆明人，本科，高级工程师，研究方向为汽车维修与机动车检测。