基于瞬时转速的内燃机故障诊断及其方法分析

左莎莎

摘要：内燃机瞬时转速中包含了很多与内燃机燃烧和机械运行状态相关的信息，在其诊断和燃烧影响因素的研究中有重要作用，内燃机结构复杂，瞬时转速的信息提取难度较大，需要对故障诊断方法进行不断革新，才能确保内燃机的正常运行。文章主要就瞬时转速的内燃机故障诊断及方法进行了研究。

关键词：瞬时转速;内燃机;故障诊断;方法

中图分类号：TK42+8                                    文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）11-0176-02

0  引言

工业生产发展中，机械设备占据着重要的地位，其运行状态影响到企业的生产效率和产品质量，一些重要的設备关系到企业的命运，如果出现故障会带来巨大的经济损失和社会影响。经济社会的不断发展，机械设备的功能不断完善，设备结构越来越复杂化、自动化，零部件数量不断增多，机械发生故障的可能性和故障的种类更多。因机械设备故障带来严重后果的现象较多，对现代化设备来讲，通过结构设计的改善，工艺技术的提升，改善整体机械产品的质量，同时还需要借助现代科学技术对设备运行状态进行检测，做好故障预防工作，才能确保设备正常运行。常见的诊断方法中存在安装不便、价格较高等问题，内燃机瞬时转速能反映机械设备的平稳度，内燃机的扭矩等，在实际研究中具有重要意义。

1  瞬时转速法概述

工业生产发展中，内燃机故障诊断一直备受关注，国内外加大了研究力度，在内燃机状态检测、诊断技术和方法等方面做了大量的研究工作，且在合计应用中取得了良好的效果，当前内燃机故障诊断方法中，主要包括振动检测法、油液分析法、瞬时转速法等方法[1]。

内燃机属于往复式的机械，在运行状态下，瞬时转速存在规律性，对其分析可以了解内燃机的工作状态信息，对内燃机的故障诊断和运行维护有重要的作用，如应用于内燃机失火、不同缸燃烧差异、失火监测等方面的诊断监测中有重要作用，且在实践中得到了推广。瞬时转速分析法的应用中信号测取相对比较容易，且故障判断具有较强的通用性，在各缸不平衡表征的故障诊断中适用性较强。

近年来，电子技术、检测技术及计算机信息技术的发展，给内燃机监测、故障诊断等提供了新的技术，且技术不断完善发展，朝着智能化和自动化方向发展。瞬时转速测量操作简单，可靠性强，能实现非接触测量和成本较低，使用寿命较长等优势，能利用多缸机不同工作状态下的瞬时转速波动特征比较分析，对故障进行诊断，判断依据具有良好的可移植性，因此借助瞬时转速对内燃机的运行进行状态检测和故障诊断具有良好的应用前景[2]。

2  内燃机的故障分析及诊断标准选取的可行性

2.1 故障分析  实际运行中，内燃机的故障种类较多，主要集中在喷油设备及系统故障，燃油泄漏、调速器等故障，这些故障一旦发生，都会对内燃机的热力循环状态产生影响，大大降低内燃机的动力性能，导致内燃机无法正常运行。瞬时转速中蕴含丰富的信息，发动机瞬时转速波动和气缸一一对应，波动信息反映出气缸的工作状态，影响发动机热炉循环的故障能通过瞬时转速信号进行反映。

其一是喷油设备及系统故障。常见的如轴针和喷孔出现磨损，或者是针阀密封锥面和座面出现磨损，喷油嘴偶件阻塞，堵塞或者是腐蚀、损伤等问题出现，喷油设备出现问题，导致整喷油系统出现故障。其二是气阀机构故障。如果气阀和阀座的配合部件出现磨损，间隙超出合理范围，出现气阀杆弯曲变形等，容易出现故障。其三是调速器故障。如果各零部件出现损伤或者是间隙过大，会影响到整个调速器的灵敏度，导致转速出现波动，影响其整个性能。

2.2 诊断标准选取的可行性  内燃机的转速综合反映出的是机械的工作状态和工作质量，对内燃机瞬时转速的分析，主要是人们越来越重视内燃机过渡过程的研究，需要测量整个过程中内燃机转速的变化，同时，内燃机安全稳定运行时，其平均速度并非是不变的，但是瞬时速度仍然是多变的，内燃机每一转动中，转速是波动变化的，具有周期性波动的瞬时转速，包含了运转中多方面的信息，反映出各缸工作的细节，包括燃烧均匀性、充分性等，是检测气缸动力性、压缩性等重要参考。瞬时转速应用广泛，如发动机无外载加速测功，电控喷油、扭矩测量及发动机故障诊断等，其在内燃机故障诊断中的应用最突出[3]。

3  瞬时转速的测量分析

3.1 测量方法  内燃机是瞬时转速，主要是指某一微小时间间隔，或者是曲轴转角的平均转速，具体的测量方法有两种，一种是通过电涡流传感器、磁电传感器，对传感器和内燃机齿圈的位移信号进行测量，将位移信号转换为方波信号，并借助高频时钟计数器，获得方波周期;另一种是直接时域采样，借助软件计数，获得采用信号周期。利用高频时钟计数的瞬时转速测量，具体过程如图1所示，齿圈转动时，信号可以看做是正弦波，且不同的正弦波都会对应不同的齿，通过带通滤波对信号进行放大最终获得方波，利用高频时钟计数器，得到不同齿转动时间，将防波信号临近的脉冲之间技术值差设置为K，齿圈总齿数为Z，计数时钟周期T（s），瞬时转速w（rad/s）或n（r/min）的计算公式为：

第二种测量方法具体的过程与第一种类似，但是不需要整形电路、高频计数时钟，而是采用A/D板代替，如果直接采样齿位移信号与正弦波近似，且不同的正弦波分别有对应的齿，具体过程如图2所示，计算公式与第一种计算公式类似。

3.2 测量误差分析  在瞬时转速测量中，误差主要体现在计数值误差，齿误差和计数时钟误差三个方面，因此可知，测量误差和转速、齿数以及计数周期有很大关联，如果将转速看做是被测量值，可以采取减少齿数和时钟周期，提升测量的准确度，但是齿数的减少需要控制在合理的范围，如果减小过多，瞬时转速成为循环和平均转速，测量也就毫无价值[4]。研究显示，并不代表齿数越多越好，一般来讲，齿数相对较多的齿圈，在瞬时转速获取中会存在较大的噪声，可以选用没齿占2-3℃A为宜[5]。在实际运行中，轴扭振、齿圈安装的误差等都会影响误差。

4  瞬时转速在内燃机故障诊断中的应用分析

4.1 特征参数的选取  在不同的研究中，对瞬时转速波形特征参数选取和定义存在差异，借助瞬时转速，要求参数的选取与设备故障发生时有明显的差别，从而更好地判断设备的运行状态。故障特征参数的选取中，数据要尽量少，且采用相对简单的提取方法，能对不同类型的故障进行很好地区分。在故障特征参数的选取中，可以借助仿真计算方法，理论分析中得到气缸压力降低时的瞬时转速波形，并与正常波形进行对比分析，指导故障特征参数的建立[6]。通过内燃机的瞬时转速取代爆压表，对气缸内气体压力等故障进行检测是可行的，具有较高的灵敏性，瞬时转速的特征参数可以对漏油、气门漏气等故障进行判断，且利用瞬时转速也能比较容易判断内燃机的状态，在具体应用中还需要对漏气、漏油等更多故障类型加以研究，提升其状态检测和故障诊断技术。

其一是燃油系统漏油故障诊断。一般来讲，高负荷工作时，循环喷油量相对较大，且喷油时间段，故障缸与正常缸的扭矩差值相对较大，波形幅度变化大。具体操作是将漏油时瞬时转速信号频谱，与系统正常工作时的瞬时转速信号和频谱的波形加以比较，分别分析不同故障特征参数的变化。其优点主要是可进行横向比较，不需要积累正常运行状态下的原始数据，可移植性较好。

其二是漏气故障诊断。高温高压气体会加剧气门阀面的吹蚀，故障出现较多，借助瞬时转速，能尽早解决阀门轻微漏气问题，从而减少损失。为区分漏油故障和漏气故障的区别，可以对排气管支管的温度进行测量，如果喷油量不足，支管的温度相对较低，漏气情况下支管温度则相对更高[7]。

4.2 瞬时转速诊断模型法和瞬时转速波形分析法  其一是瞬时转速诊断模型法。根据曲轴飞轮系统的动力学理论，对内燃机进行瞬时转速诊断，得到对应的扭矩平衡方程式，获取对应的模型，并将模型当做信息系统，通过假设分析法获得不同气缸压力与瞬时转速的关系，通过低阶谐波分量，对不同气缸气体力扭矩不均匀度进行判断，从而诊断和识别内燃机失火、工作不均匀等故障。预制类似的还包括加速度搏动指数等，对内燃机工作状况进行判断。

其二是瞬时转速波形分析法。均匀发火的N缸机的一个循環中，其瞬时转速会有N次明显波动，在内燃机正常运行状态下，波动间隔和振幅差异不大，但是如果其中部分气缸出现故障，瞬时转速会受到影响，在波形上会得以体现，从这些波动定量中描述影响，是诊断的关键所在，这种方法是直接分析影响转速相关的瞬时波形信号，从而提取其中故障敏感的特征参数，对故障加以判断，其中包括瞬时转速、角速度和角加速度等。因内燃机的工作环境相对比较复杂，且为了实现在线诊断，一般选择故障特征相对比较明显的参数作为其特征参数，确保诊断精确度较高的前提下，减少特征参数的数量，多次进行仿真计算和实验，这种方法多应用于对气门漏气故障的诊断。

这两种方法在应用中各有优缺点，牵着可靠性相对较高，但是结构参数涉及到复杂的动力学模型，计算量较大，后者的计算量相对较小，通用性强，但是特征参数的敏感度不同，会影响到诊断的准确性。

5  结语

综上所述，基于瞬时转速的内燃机故障诊断方法有良好的应用前景，在实际应用中要重视对其研究。

参考文献：

[1]王江月.内燃机机械维修中常见问题及控制措施探讨[J].内燃机与配件，2021（04）：115-116.

[2]张波，韩光谱，冯丞科，龚伟，周仁.基于特征相关分析的内燃机故障诊断方法[J].机械工程与自动化，2020（05）：128-129，132.

[3]邱效果，刘永强.内燃机智能故障诊断系统的研究及应用刍议[J].内燃机与配件，2020（15）：53-54.

[4]蔡艳平，徐光华，张恒，范宇，李艾华.基于内燃机振动信号的可视化识别诊断[J].振动与冲击，2019，38（24）：150-157.

[5]杨波.内燃机高原排放质量评价及故障诊断研究[D].昆明理工大学，2019.

[6]王海澜.基于故障树的天然气发动机故障诊断专家系统设计[J].电子技术与软件工程，2019（05）：29-30.

[7]芦诗文，刘吉晨.内燃机车故障诊断专家系统的设计[J].内燃机与配件，2018（04）：165-166.