基于故障树分析法的电控发动机故障检修

黎永键，关 伟

(广东农工商职业技术学院，广州 510507)



基于故障树分析法的电控发动机故障检修

黎永键，关 伟

(广东农工商职业技术学院，广州 510507)

故障树分析法是实现“绿色维修”的重要技术途径，在汽车故障诊断与维修中有广泛应用。本文介绍了故障树分析方法的基本原理和模型，阐述了采用该方法构建汽车诊断专家系统的可行性。通过以一辆本田雅阁轿车发动机启动后出现间歇性熄火现象为例，介绍了故障树构建与维修的过程，分析了检测数据，最终排除了故障，并总结了维修经验。

绿色维修；故障树分析法；发动机故障；诊断；检修

0 引 言

绿色发展是当今世界发展的方向，坚持节约能源和保护环境以实现可持续发展。科学合理的汽车维修是保护生态环境、促进可持续发展的重要技术途径[1]。研究表明，汽车维修领域的维修技术经历了事后维修、预防维修、主动维修三个阶段，未来发展方向则是“绿色维修”。“绿色维修”的核心在于降低产品寿命费用提高经济效益、使环境污染最小化、合理提高资源利用率[2]。当前，“绿色维修”在汽车维修中有以下几方面的应用：①绿色诊断技术；②快速维修技术；③绿色清洗技术；④热喷涂技术。汽车“绿色维修”的标准是：选择合适的故障诊断方法、制定高效率的维修方案并准确使用工具检测故障点以排除故障。大量的汽车检修案例表明，故障树分析法具有形式简单、成本低而有效提高维修效率的特点，是绿色维修中有效的维修方式[3]。

本文利用故障树分析法基本原理，结合汽车电控发动机故障的检修实例，分析故障树建立的过程和故障检修的步骤。以期提供汽车“绿色维修”的方法和经验。

1 故障树分析法原理和特点

1.1 故障树分析法的原理

故障树分析法以图形的形式表示各种故障原因之间的逻辑关系，按照整体到部分、系统到元件的顺序，列出故障症状与故障原因的相互关系[4]。

(1)在故障树中，将要分析的系统故障事件称为顶端事件；将不能分解的事件称为底端事件；在顶端事件和底端事件之间的称为中间事件。在汽车维修中，故障症状对应顶端事件，最小的故障点对应底端事件，各子系统的故障原因则是中间事件。

(2)分析顶端事件、中间事件和底端事件的逻辑关系，以逻辑符号连接，如图1所示。逻辑关系包括“与”和“或”，分别用“+”、“*”表示。

图1 故障树的一般形式

(3)对故障树进行定性分析。主要目的是找出导致顶端事件的全部事件，通常采用数学集合上的最小割集表示。最小割集可按照下面方法描述：设故障树底端事件的集合{e1，e2，Λ，en}，若有一个子集{ei1，ei2，Λ，ein}，i=1,2,Λ，k。在{ei1，ei2，Λ，ein}⊂{e1，e2，Λ，en}子集中，全部底端事件必然发生。在汽车故障诊断中，最小割集指示了要消除故障症状，最少要注意的那些故障原因。

(4)对故障树进行定量分析。根据故障树的结构函数和底端事件出现的概率，通过概率的计算公式，定量地计算出底端事件的失效概率、顶端事件发生的概率值。

1.2 故障树分析法的模型

(1)最小割集。故障树的结构函数φ如下定义：

φ(x)=φ(δ1,δ2,Λ,δn)

式中，δ1,δ2,Λ,δn分别表示各个部分发生失效或者故障的程度。将结构函数进行多项式展开,各项系数为最小项数,每一项乘积就是一个最小割集[5]。

(2)底端事件发生概率的计算方法。各部件发生故障的概率根据以下公式计算：

q(t)=1-e-λt≈λt

(1)

式中，λt为各底端事件的失效率,且λt≈0。

(3)顶端事件发生概率计算

对于任意结构的模糊故障树，如果找出该树的全部最小割集E1，E2，…，ENk，并假设在很短时间间隔内不考虑同时发生两个以上零部件的故障，而各最小割集又没有重复出现的底端事件。在此条件下，顶端事件发生的概率g(t)按下式计算：

(2)

(3)

(4)

式中：qi(t)为t时刻第j个最小割集的发生概率；Nk为最小割集数。

1.3 以故障树分析法构建专家系统

汽车故障诊断专家系统(Automotive Fault Diagnostics Expert System)是一种在汽车领域中具有专家水平解题能力的智能程序系统，其组成包括：知识库、推理库、知识获取、人机接口以及解释机制。系统的水平基本取决于知识库的完整性和真实性，而知识库构建是基于相关领域专家的知识和经验。目前，构建专家系统的常用方法包括：BP神经网络算法和故障树分析法。

研究表明，BP神经网络算法存在收敛速度慢的问题，原因如下：BP神经网络算法本质属于梯度下降法，其优化的目标函数非常复杂，使得算法低效。另一方面，由于目标函数的复杂性，在神经元接近0或1的情况下，出现一些平坦区。在这些区域内，权值误差很小，使训练过程几乎停顿[6]。

故障树的建立过程，正是一种知识获取，通过维护模块，对知识库不断加以扩充和修改。故障树分析法特别适用于专家知识库的建造，原因如下：

(1)故障树可真实描述各事件的逻辑关系，这些描述包含的知识和专家系统要用到的知识库之间提供联系。

(2)故障树的构建可以手工完成，也可以借助与计算机完成。故障树的构建过程通常较为简单且有效，只需输入部件系统的性能，即可准确描述部件间的关联和系统故障模式。

综上，构建系统的故障树并分析，然后用于专家知识库的建立，既能解决诊断知识的难题，又使得知识库尽可能简化。

2 雅阁发动机间歇熄火故障维修实例

2.1 故障现象

一辆2011款本田雅阁3.0L轿车，行驶里程为50000km，其发动机型号为J30A1。车主反映车辆启动后出现间歇性熄火的现象，如果立即重新启动，出现启动困难的故障现象。

2.2 故障诊断与检测过程

(1)问诊。询问车主关于故障发生的时间、条件、地点；进一步了解故障症状和发生频率等。找出故障的依据，以作为验收参考。

(2)试车。启动发动机，运行后发现发动机自动熄火，马上再次启动发动机，则出现启动困难的现象。

(3)定性分析。本田雅阁的J30A1型发动机使用电控燃油喷射系统，工作过程如下：通过控制系统不断检测各传感器输入信号，按程序中设定的算法进行运算，计算出最佳喷油量、最佳初级电路导通时间，并转变为控制信号，控制喷油器、点火线圈等执行器工作，以控制喷油量和点火提前角。由电控发动机原理可知，必须同时满足以下条件：①根据发动机工况，燃油喷射系统提供浓度合适的油气混合气；②确保各气缸压缩压力和喷油压力符合规定值；③点火系统产生能量足够的电火花以点燃混合气，并控制点火提前角。因此，发动机间歇熄火故障的可能事件包括：①燃油系统故障；②进气系统故障；③控制系统故障；④机械故障。以上四个事件作为中间事件。进一步分析各中间事件，参考故障症状原因对照表，直到得出各底端事件，最终建立完整的故障树，如图2所示。

图2 发动机启动后熄火故障的故障树模型

注：x1-空气滤清器堵塞,x2-空气流量计故障,x3-节气门连接件故障,x4-怠速电机故障,x5-进气管漏气,x6-油泵电路故障,x7-喷油器故障,x8-燃油压力调节器损坏,x9-燃油泵故障,x10-燃油喷射系统控制电路故障,x11-控制单元ECU故障,x12-点火模块故障。

(4)定量分析。建立顶端事件(T)与各底端事件(x1，x2，……，x12)的布尔函数，可表示为：

T=x1+x2+x3+x4+x5+x6+x7+x8+x9+x10+x11+x12

① 参考美国对运输工程的事故风险分析报告(WASH-1400)及有关资料提供的数据，各底端事件的失效率λ1(单位是1/h)如表1所示[7]。由公式(1)可求得汽车行驶250h时的各部件故障概率,即

q(t)=1-e-λt≈λt=λ1×250

② 由公式(4)计算顶端事件的发生概率。由于各底端事件相互独立，因此可按下式计算：

g(t)=1-(1-q1)(1-q2)(1-q3)··· (1-q12)=1-0.64=36%

③ 计算各底端事件的重要度。在时刻t，最小割集发生概率与顶端事件发生概率之比，称为最小割集重要度，记为Iin。反映最小割集的发生对于顶事件发生的贡献，其计算方法如下：

(5)

(6)

通过顶端事件概率的计算,制定如表1所示故障症状原因对照表。

表1 发动机行驶250h各部件故障概率表

(5)基于故障树的流程设计。

根据底端事件发生概率以及重要度，制定电控发动机故障诊断流程图，如图3所示。

图3 发动机间歇熄火故障的诊断流程图

(6)测试确认。根据上述的分析进行如下的检测。

1)使用故障诊断仪进行自诊断，结果没有故障码。怀疑点火线圈有故障，故检查点火系统。首先测量初级回路的供电电压，如图4所示。测量值为12.21V，电压值正常。

图4 点火系统的电压测量

测量点火线圈的电阻，初级线圈为340Ω。对照该车型维修手册资料，测量值在规定范围内。启动时进行火花塞跳火试验，火花正常。因此，点火系统正常。

2)检查燃油系统。确认燃油管路连接牢固，接口处无燃油泄漏。断开油泵继电器并卸压，拔下真空管，在燃油管中安装燃油压力表。如图5所示，燃油压力测量值为0.34MPa。检查维修手册，标准值为0.32～0.37MPa，符合标准；重新连接真空管，检测燃油压力为0.29MPa，标准值为0.26～0.31MPa，符合标准。进行路试，启动发动机，检查发现当故障出现时燃油压力表读数迅速下降，远低于标准值，直至发动机熄火。

图5 油压测量结果

从油压测试值可知，故障原因可能是油泵电路故障或者燃油泵出了问题。为确认是否电路故障，将一个试灯接入油泵电路中，发动机启动后试灯先亮后熄灭，证明故障原因在于燃油泵控制线路。

3)燃油泵控制线路检测。

图6为本田雅阁J30A1型发动机的燃油泵控制电路。

图6 PGM-FI主继电器控制电路

PGM-FI主继电器各端子的功用如表2所示。工作原理如下：点火开关接通后，有电流通过线圈L1，由电产生的磁场力将常开触点S1吸合，电流经过线圈L2向ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)供电，ECU即可控制燃油喷射过程。同时，线圈L2的电磁力吸合常开触点S2，蓄电池向燃油泵供电，使燃油泵运转。

表2 PGM-FI主继电器各端子的作用

按照以下方法检测燃油泵控制线路。

①万用表检查线路故障，无断路、短路现象；检查电路保险，正常。检查PGM-FI主继电器插接口，如图7所示，无烧毁现象。

图7 PGM-FI主继电器无烧蚀

②如图8所示，用万用表检测PGM-FI主继电器接口的3号端子搭铁情况，搭铁良好。测量7号端子与车身搭铁的电压，测量值为12V，说明BAT线路正常导通。点火开关接通后，测量5号端子与车身搭铁的电压，测量值值为12V，说明IG1线路正常导通。

③接通点火开关，将主继电器1号端子直接搭铁，发现燃油泵不运转；启动后，测量2号端子电压，结果为10.5V； 4号端子电压测量值为0，证明主继电器触点有故障。

图8 PGM-FI主继电器端口测试

(7)最终原因判断。根据检测结果，可判断故障原因：由于PGM-FI主继电器常开触点S2不能吸合，燃油泵在无供电的情况下无法继续供油，发动机启动后在残余油压作用下运转一段时间，直到熄火。再次启动时，由于燃油压力不足导致无法正常供油，发动机启动困难。

2.3 故障修复

基于检测结果的分析，判断故障原因为PGM

-FI主继电器触点损坏，更换新的PGM-FI主继电器。多次试车，发动机均能正常启动，且行驶过程中无间歇熄火，故障排除。此次维修后，该轿车行驶时没有出现间歇熄火故障现象，证明故障维修是成功的。

3 结 语

利用故障树分析法排除了典型的电控发动机故障，维修效果良好。从故障诊断与检修的过程可知，维修人员必须熟悉系统的结构和原理，通过定性和定量分析确定故障可能原因，并计算出发生概率高且重要度高的底端事件，进而设计检修的流程。从维修的质量考虑，故障树分析法逻辑性强、构建过程较简单且效率较高。因此，在科学地判断故障原因的基础上制定维修方案，可靠性较高，有助于快速排除汽车故障，从而实现“绿色维修”。

[1]甘茂治,周红.绿色维修理论与技术体系框架研究[J].中国表面工程,2006,(Z1):43-46.

[2] 郭彬.汽车绿色维修评价指标体系的构建研究[J].科学致富向导, 2015，(8):277-278.

[3] 朱军.汽车故障诊断方法[M].北京：人民交通出版社，2008.

[4] 施云.模糊故障树在汽车发动机故障诊断中的应用[J].桂林电子科技大学学报，2008,28(3):222-224.

[5] 张胜宾，孟国强，李国杰.基于故障树的电控汽油发动机无法启动故障诊断分析[J].农业装备与车辆工程，2012，(2):43-46.

[6] 周瑾，肖兴明.基于故障树和神经网络模型的提升机故障诊断专家系统[J].矿山机械，2004，32(5):39-41.

[7] 魏春源.BOSCH汽车工程手册(中文第三版)[M].北京：北京理工大学出版社，2009.

Trouble Shooting for Electric-controlled Engine Fault Based on Fault Tree Analysis

LI Yong-jian，GUAN Wei

(Guangdong AIB Polytechnic College，Guangzhou 510507，China)

Fault Tree Analysis is an important technical approach to realize “green maintenance”, which has wide application in automobile fault diagnosis and maintenance. This paper first introduces the basic principle of Fault Tree Analysis and presents the feasibility to build Automotive Fault Diagnostics Expert System by using the method. Then the paper introduced a typical example about an Accord sedan in which an engine intermittent flameout fault occurred. The Fault Tree Analysis and repair procedure were introduced and the test data was analyzed. Finally, the problem was resolved and a summary was given for such engine fault.

green maintenance; Fault Tree Analysis; engine fault; diagnostics; trouble shooting

2016-09-09

广东农工商职业技术学院2013年度课题(xyzc1309)；中国高等职业教育研究会2015年度立项课题(zjyjh2015-11)

黎永键(1983-)，男，广东清远人，讲师，硕士，E-mail：leeeyong@qq.com。

U463.212

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2016.03.009

1671-234X(2016)03-0040-06

浙江交通职业技术学院学报，第17卷第3期，2016年9月

Journal of Zhejiang Institute of Communications

Vol.17 No.3,Sep.2016