汽车发动机机械系统故障诊断分析

张 梦

（长春职业技术学校，吉林 长春 130000）

1 研究背景与意义

作为最直接的动力来源，汽车发动机系统的组成结构较为复杂并且各功能元器件的精密性较高，在设计、组装和调试时对技术及工艺要求较高。只有经过严谨且规范的模块化处理和各部件的匹配联调，才能确保发动机的整体性能，使它在后期的运转中保证稳定性和经济性。在提升汽车行驶安全性的方面，发动机作为燃料的直接消耗者，在特定的极端天气和环境中会存在一定的故障概率和安全隐患。例如，在夏季较高温度下，发动机的故障发生率就会升高，由此引发的汽车间歇性抛锚等问题都会影响汽车使用者的驾驶感受。为了有效地解决这一问题，同时对汽车发动机的故障率进行合理控制，有必要通过发动机的机械故障表现来对汽车发动机的故障产生原因及规律进行总结。从而对汽车的整体运行状态及发动机的机械运转状况进行实时监测。这不仅对于发动机的研发技术水平提高有所帮助，也会改善现有的汽车驾驶安全及使用体验。

2 发动机机械故障诊断的基本流程

从汽车发动机故障诊断及维修的实际需求出发，综合实际使用场景中汽车发动机的常见故障原因和排除方式可以大致归纳总结出发动机故障诊断的基本流程。首先，通过对正在运行中发动机的运转异常表现做出大致判断。通过相应的检测仪器设备对于各种物理数字信号进行实时反馈，进而完成相应诊断过程，最后给出一个故障原因的判断。然而大多数时候还需要根据经验，结合发动机的异常噪声和抖动等表现来大致判断其故障原因。此外，通过大量检修数据的积累和经验分析也能够对于发动机的常见故障原因进行总结，并通过相应的故障表征快速得出维修方式的反馈。这一流程也可作为后续发动机电气化及信息化技术创新与发展的重点方向[1]。

3 发动机常见的机械损伤类型

3.1 摩擦损害

发动机的摩擦损害是较为常见的一类普发性故障。在汽车发动机长期运转中，其内部的部件随着使用周期的延长会干扰金属表面的原子稳定状态，进而降低原子间引力。久而久之，会诱发原子大范围位移和脱落等现象。考虑到原子磨损产生的性能改变会间接增加汽车零件消耗磨损的程度并且会严重限制其性能发挥，因此必须在故障出现时尽快予以排除。在发动机不同部位的摩擦损害中，运动附件的磨损概率较高。这是由于活塞和汽缸在高温高压环境下运转，直接是加剧了曲柄连杆机构的碰撞导致的。此外，发动机汽缸间隙在组装阶段的配置合理性下降也会导致发动机漏气，从而使发动机的综合运转性能受到严重影响。

3.2 化学腐蚀

受使用环境影响而导致的发动机故障类型中，较为常见的是化学腐蚀现象。汽车发动机涉及的化学腐蚀对象主要是发动机零件，由于长时间处于腐蚀性环境而引发化学反应，最终导致发动机零件的损坏。发动机腐蚀可根据成因分为化学腐蚀和电化学腐蚀2 种。其中，化学腐蚀是基于化学反应层面的潜在反应条件而出现的，它是发动机故障的主要诱因。常规原因是发动机机械部件材料与外部空气或液体接触后发生化学反应。而电化学腐蚀是指不同金属材料在导电溶液环境下产生的连锁反应，也会导致发动机金属部件的性能异常，同时遭受不同程度的腐蚀。

3.3 应力变形与断裂损伤

在发动机故障的物理诱因方面，应力变形与断裂损伤是最为典型的故障产生原因之一。应力变形与断裂损伤的成因大多是由于发动机在使用过程中受到来自外部和内部应力共同作用叠加产生的超负荷压力。其会改变原本的零件形状和分布位置，当发动机长期处于运转状态时，受异常承受力影响其核心机械构件的强度将持续下降，最终导致零件发生变形或断裂，带来行车过程中严重的安全问题。作为常见的外力作用所导致的机械性能改变，发动机应力变形与断裂损伤会显著缩短发动机的使用寿命，并带来诸多安全隐患。

4 发动机机械故障的典型表现

汽车发动机的各种异常表现不仅能够反映出发动机处于异常状况，也能向使用者传达故障的特征与类型信息。根据专业技术人员的判断，能够从发动机的故障表现中获得关于故障类型的判断依据，并借由一系列故障征兆得到更为细致而具体的故障位置信息。为后续的故障排除和发动机维修指明方向。表1 给出了汽车发动机机械故障的常见表现[2]。

表1 汽车发动机机械故障常见表现

5 结合不同表现的发动机机械故障诊断方法

5.1 振动信息

为了有效地进行区分可将被归纳为故障现象的异常振动大致分为3 个方向。1）由于发动机气缸内的燃料燃烧所产生的气体对钢壁施加压力后，再经过内部的运动部件磨损形成的间隙，对其他机械装置产生撞击从而引发的振动。2）发动机工作过程中的曲柄连杆运转会产生惯性震动。3）发动机进气门和排气门在工作中会产生机械冲击振动。这3 类振动的成因需要由技术人员逐一进行排除，并最终确定发动机异常振动的产生原因。以上过程都需要依赖于振动信号的提取和分析而实现，相应的信号处理过程需要经过频谱分析，时序模型建立等过程并且对于其中可能存在的关联性故障也要进行充分考虑。这种故障现象的诊断过程相对简便，完成效率较高，但是不排除会受到其他环境因素干扰的可能性。例如设备使用方式，环境温湿度等都会无形中增加故障检测的总体成本。

5.2 噪声信息

汽车在行驶中的噪声主要来自于发动机。可判定发动机存在故障的噪声类型主要有3 类，其中的燃烧噪声是气缸压力对气缸壁造成冲击形成的；机械噪声是受到压力和惯性作用使发动机内部的运动部件互相撞击和振动发出的；空气动力噪声是发动机在进气和排气过程中因摩擦而产生的，在传播路径和扩散方式上基本呈辐射状[3]。当高速行驶时，驾驶者所感受到的噪声来自发动机中的机械噪声和空气摩擦噪声，而低速行驶时主要的发动机噪声为燃烧噪声。可在发动机运行中通过信号和波形的特定指标分析准确判定存在异响的部位，进而对特定的零件或部件进行更换维修。

5.3 温度信息

气缸压力、排气温度、转速、冷却水进出口温度等项目都会加剧内燃机温度的增加。故障检测技术人员可通过对温度变化规律的分析判断内燃机的整体工作环境，并根据其呈现的工作状态确定故障所在点。发动机温度过高可能是内燃机燃烧不充分造成的，技术人员可在发动机故障诊断过程中重点关注内燃机的热力参数和燃烧效率，进而判断其是否存在故障。

5.4 油液检测

常规的故障特征提取算法是依据环绕波检测理论为基础而设计实现的。发动机在运转过程中，燃料的油液表面波会因为铁质输油导管表面的磁场而形成规则的环状结构，这就是环绕波的初始形态。根据这种特殊环绕波的产生规律和分布特点可以更好地理解其信号方程：

在信号i的表达式中，u1m表示测定环境中高梯度磁场下测试仪上的液压读数，u2m代表汽车发动机活塞间隙对应的震级，ω是衡量功率测试谱密度函数总体偏移量的指标，φ为发动机活塞表面铁材质谱线的整体宽度。掌握以上几个核心物理量的意义和测量方式后就能间接获得环绕波的物理特性。当汽车发动机出现异常故障时，随着时间t的变化监测信号中会出现一个不同程度削弱的环绕波形。

6 发动机故障诊断整体思路

在进行发动机故障诊断时，首先应对故障信号进行检测。技术人员要根据测试仪器的适用监测对象选择振动传感器或噪声传感器来对发动机的温度、振动和噪声等进行测定，并将其与初始状态下的信号数值进行对比。

接下来需要用计算机对采集到的特征信号进行预处理。经过放大、压缩转换和噪声消除等步骤还原真实的发动机故障信号。对其频谱变化规律进行分析并按照发动机故障信息对照采样表评估发动机可能出现的故障原因及故障点。状态识别也是常用的发动机故障诊断方式之一，通过对故障波形与正常信号之间的区分来判断发动机出现了何种故障并锁定故障位置[4]。

7 结语

鉴于汽车发动机的组成结构和功能设定较为复杂，相应的发动机机械故障诊断流程也比较烦琐，其中涉及的诊断要素也比较多。从汽车发动机的机械技术发展及故障维修与排除技术角度来看，发动机故障的快速故障点定位及排除对于发动机机械技术应用效果提升有着重要意义，同时也能创新汽车行业的整体发展方向。为此，该文从发动机机械故障的典型表现与诊断方式入手，围绕故障诊断与排除的机制与流程展开介绍。通过具有较强适用性和全面性的故障诊断与异常判别方式为发动机的机械故障诊断与维修提供了更加明确和高效的实施路径。与此同时，技术人员也可尝试将信息化手段应用到发动机机械故障诊断流程中，从而促进发动机机械故障诊断过程的智能化发展。