故障诊断在汽车发动机机械系统中的应用

李梦仁，胡攀辉，颜士肖，高峰，黄勇波

（上海航天精密机械研究所，上海 201600）

汽车作为一种重要的交通工具，对于国民生产、物品运输等方面都有重要的作用。汽车发动机作为汽车的核心，其安全、稳定的运行对于整个系统安全稳定运行意义重大。目前汽车发动机的故障诊断分析是在汽车发动机产生故障后，对发动机做出的诊断，帮助维修人员找到故障发生的位置以及故障产生的原因。这对维修人员的逻辑分析能力是一种很大的考验，这要求维修人员不仅能准确找出故障的位置和原因，还要能够对发动机的运行状态进行定量化评价，并于标准值做对比，并根据不同部件之间的关联性进行合理的分析，从而降低故障的诊断难度，减少诊断的时间。

1 汽车发动机机械系统故障

汽车的发明极大地促进了人类社会的发展进程，在汽车的发展过程中，集合了机械、电气、控制等多个学科，因为其结构复杂，所以在运行过程中难免会出现各种故障。主要分为自然故障和人为故障两种类型。自然故障是由外部的条件引起的的故障，例如，撞击、零部件松动等。人为故障则是由于操作者的不正常操作或者技术生疏引起的。在汽车的使用过程中经常出现人为故障。

通常，汽车在运行的过程中，经常出现突发性故障，这些故障的发生通常是不可预知的。如果动力系统或者是刹车系统出现问题，对于驾驶人员的生命安全是一种莫大的威胁。常见的故障不会立刻使汽车停止工作，但是发动机的渐进性故障会慢慢地对发动机的运行产生不好的影响，例如，发动机怠速抖动、加速动力不足等，这种连续性的故障会对汽车的安全慢慢地造成很大的威胁，因此，借助一些发动机的在线检测系统，能够对发动机的故障进行更好的预防和诊断，并且对故障会对车辆以及驾驶人员的安全的影响做出合理性的评价。

根据故障发生的频率，可以将故障分为周期性和间断性两种类型。周期性的故障因为其频发性，因此诊断起来较为简单。但是间断性故障由于突发性，通常难以及时发现和维修。

对于故障的类型，也可以分为立即可消除和不可立即消除两类，可立即消除的故障对于汽车的影响较小，经过维修即可立即投入使用；不可立即消除的故障会慢慢扩展，最后表现为更明显的故障。图1 所示为发动机的流程检查步骤。

图1 汽车发动机故障检查流程

2 汽车发动机机械系统故障的典型表现

汽车发动机在发生不同的故障时候，发动机会出现不同的异常状态。根据这些异常状态的不同，我们可以分析出发动机故障发生的位置以及故障的原因和类型，从而指导维修人员更快速的排查问题，提高相关人员检修和维修的效率。对于出现异味和异响的情况，可以主要检测橡胶密封件的老化情况，发动机的高温蒸发了由密封不足泄漏出来的机油，从而产生异味。对于发动机的异响会由多种因素引起，主要来源如图2所示，具体的情况需要根据实际进一步判断。对于发动机振动，可以对缸体和气门等位置进行检修和诊断。对于发动机温度异常问题，应该主要对燃烧过程进行诊断。对于发动机的油液状态发生异常时，应主要对活塞、气缸等部位进行检修和诊断。对于发动机运转不平稳的问题，应主要对发动机的点火时刻进行检查和诊断。

图2 汽车常见部位异响发生概率

3 发动机机械系统故障诊断的思路与注意事项

当发动机的机械系统出现故障时，应该从最简单、最常见的故障对相关部位进行检查，然后使用相关设备对发动机的温度、噪声等问题进行检查，检查后在进行性能对比。通过分析收集的信号，判断发动机的工作状态，进而对发生机械故障的位置和原因进行分析。对于某些故障，使用情况识别的方法将故障的波形与正常的信号波形做对比，进而确定故障的位置和故障类型。

对于故障诊断，这是一个综合性的过程，因此需要协调好各个环节之间的关系，需要根据不同的结构差异性，对不同的故障诊断做出合理判断，进而指导维修工作。对于自身携带故障诊断系统的车辆，需要根据相关说明对自动化检测的结果进行分析，发动机输出的参数是一个动态性的参考指标，在整体状况对其进行故障诊断难度很高，各个参数也会联动产生反应，一个参数的变化就会引起其他状态参数的改变，因此，需要全面考虑，采用最适合的诊断方法。

以电控燃油喷射装置检测为例，在相关检测中需要不断对各个元件进行检查，一般喷油嘴主要核心部件为喷射元件，其常见故障和影响如表1所示。单从发动机抖动、不稳定症状来看，由电控燃油喷射系统引起的故障原因就不止一种，仅依靠单一的检测仪器并不能准确诊断出其故障原因。

表1 电控燃油喷射常见故障与现象

本文以一个电控的喷油装置的检测做案例，其常见故障和影响见表1。如果只从发动机抖动和不稳定状态来看，燃油电控系统的故障的原因就不只一种，其相互之间都有一定的关联性。

4 汽车发动机机械故障的诊断方法

（1）发动机振动异常诊断。发动机的异常振动是汽车机械系统常见的故障之一，在发生异常振动时，应该先根据振动的产生的条件对故障进行原因判别，从而确定异常振动发生的方向。在发动机活塞运动中，由于油环结构的失效等原因，机油会进入发动机的气缸中，从而造成燃烧异常，引起发动机的不正常振动。发动机的动力传递机构是活塞连杆装置，连杆机构的不正常转动会产生敲缸现象，从而造成发动机异常振动。另外，进气管与排气管的异常进气也会对进排气管道产生冲击，从而产生不正常的振动。当汽车的发动机出现异常振动时，应该着重从以上3 个方面进行诊断，找到发动机产生故障的位置和原因。在发动机故障诊断时，通常是先收集相关系统产生的信号，然后利用频谱分析等进行故障诊断，通过排除法，从而提高发动机不正常振动的诊断效率，减少故障诊断过程中的干扰因素，减少诊断成本。

（2）发动机噪声异常的诊断。发动机运行噪声是汽车噪声的主要来源，发动机噪声一般分为3 种：①由于发动机燃烧的过程时间很短，短时间内产生的大量高热膨胀气体对活塞产生严重的冲击，这是燃烧噪声的主要来源；②发动机活塞装置通常是偏置安装，因此，运行中会与气缸产生一定的摩擦与敲击，产生噪声。③因为进气和排气过程中，发动机的零部件产生摩擦，发动机产生放射状的气动噪声。发动机在故障时，一般都是机械噪声和异常的启动噪声，点火噪声在车速较慢时会比较明显。一般噪声的判断都是依据发动机运行的波形图和指标的值，从而找到噪声的具体位置。

（3）过温状态发动机故障诊断。发动机温度过高主要有3 种原因，可能是冷却系统的问题、排气管排气问题或者传动系统故障。温度趋势分析常常用来分析发动机的温度异常，分析工作环境与运行情况，可以用来诊断发动机故障的位置，需要注意检查发动机燃烧是否正常，排除发动机的异常燃烧造成的温度过高。

（4）发动机点火异常诊断。发动机停缸现象也是※发动机常见故障之一。点火系统的异常工作常常会导致发动机的多缸异常工作。因此，根据发动机的异常工作状态来分析停缸故障很重要。对于单缸停火的情况，应考虑更换系统的零件，对于双缸停火时，应注意检修高压点火线路，对于三缸停火，则要检查喷油器的故障，对于所有缸都停火的情况，则要考虑燃油供应系统是否存在问题。

（5）专家系统诊断法。汽车的种类和功能不断进步，这也造成了故障的种类增多，因此故障诊断的方法也应不断创新。人工诊断的方法通常对维修人员的水平是一种极大的考验。相比传统的诊断方式，专家系统诊断能够为发动机的故障诊断提供更加人性化的接口，增加故障诊断的专业性和便利性，未来汽车发动机的故障诊断和专家系统的结合是一种必然的趋势。

（6）基于计算机的远程故障诊断。随着互联网技术的快速发展，故障诊断技术与互联网相互结合的技术对于发动机的远程故障诊断具有深远的意义，通过在设备上设置检测点，能够将发动机的数据实时传输到具有故障诊断能力的企业或者维修单位，从而能够及时地发现发动机的隐藏故障，实现早期的预防。

5 结语

在发动机的故障维修中，应该首先确定发动机的故障的类型，明确故障发生的原因和故障的表现形式，从而做出更有针对性的诊断和处理措施。未来用于发动机系统的故障诊断必然是结合了互联网的产物，提高故障诊断的准确性，实现故障早期预防，提高维修人员维修的效率，及时对用户做出预警，提高用户的使用体验。