四沖程發(fā)動機故障計算機輔助診斷技術(shù)應(yīng)用研究

李蓮花

(黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學院，哈爾濱 150088)

0 引言

在社會科技進步和人民經(jīng)濟水平穩(wěn)步提高的促進下，我國汽車產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，汽車產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)得到了明顯提升。隨著汽車使用頻率的提升，汽車發(fā)動機的故障維修工作量和技術(shù)難度不斷提高。發(fā)動機作為汽車的重要動力機械，是汽車中結(jié)構(gòu)最復雜的技術(shù)總成之一，其維修的質(zhì)量對于汽車的使用品質(zhì)與可靠性影響很大。四沖程發(fā)動機是現(xiàn)代汽車發(fā)動機的主要形式，盡管發(fā)動機技術(shù)在持續(xù)進步，但汽車的使用過程仍不能完全避免故障問題的發(fā)生，振動、異響、動力不足、油耗偏高等問題仍是四沖程發(fā)動機使用過程的常見問題。能否對發(fā)動機故障問題開展高效、快速的診斷已成為故障維修過程的重要影響因素。隨著現(xiàn)代化計算機、電子檢測等技術(shù)應(yīng)用，汽車故障診斷技術(shù)得到了快速提升，合理應(yīng)用計算機輔助診斷能有效提高故障診斷效率與準確性，有利于提升發(fā)動機故障維修整體質(zhì)量。

1 四沖程發(fā)動機技術(shù)及結(jié)構(gòu)

汽車中使用的四沖程發(fā)動機主體結(jié)構(gòu)包括配氣機構(gòu)、供油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、曲柄連桿機構(gòu)等幾大部分(圖1)，汽油發(fā)動機還包括點火系統(tǒng)。四沖程發(fā)動機的結(jié)構(gòu)十分復雜，其組成零件很多，重要工作部件包括：汽缸、活塞、火花塞、進氣門、排氣門、曲軸、化油器、飛輪等，柴油發(fā)動機沒有火花塞，在汽缸部位安裝有噴油器[1]。

1.啟動系統(tǒng)；2.冷卻系統(tǒng)；3.供油系統(tǒng)；4.曲柄連桿機構(gòu)；5.潤滑系統(tǒng)；6.配氣機構(gòu)

四沖程發(fā)動機的運轉(zhuǎn)主要包括四大行程，分別為進氣行程、壓縮行程、做功行程、排氣行程。以上四個行程按照順序循環(huán)且周而復始運轉(zhuǎn)，以保證持續(xù)輸出動力。進氣行程是空氣供給的過程，此時汽缸進氣門開啟，排氣門關(guān)閉，活塞向下止點運動，由于活塞與汽缸壁之間的密閉作用，汽缸內(nèi)被抽真空，形成吸力將外部空氣吸入汽缸內(nèi)；壓縮行程是為油氣混合器創(chuàng)造適當燃燒條件的過程，此時汽缸內(nèi)已經(jīng)吸入適量空氣，為保證燃燒的充分性，應(yīng)在燃燒前對其中氣體進行充分壓縮，壓縮過程進氣門、排氣門均關(guān)閉，活塞從下止點向上止點運動適當?shù)奈灰剖蛊變?nèi)的氣體壓力明顯增加，根據(jù)發(fā)動機技術(shù)的不同，壓縮壓力通常在0.7～1.2 MPa范圍，汽缸內(nèi)的溫度上升到350～450 ℃范圍，以便于燃燒過程釋放更多能量；做功行程是燃燒做功的過程，其是在汽缸壓縮行程終了、壓力適當情況下，汽油機通過火花塞點燃混合氣，柴油機將油霧噴入汽缸后，混合汽自燃，迅速燃燒的過程使汽缸內(nèi)壓力快速提升，推動活塞向下止點運動，活塞運動過程帶動連桿及曲軸旋轉(zhuǎn)，進而實現(xiàn)化學能向動能的轉(zhuǎn)換，并輸出轉(zhuǎn)矩；排氣行程是在做功行程結(jié)束后，汽缸內(nèi)壓力與溫度下降到指定范圍后，在進氣門保持關(guān)閉情況下，排氣門開啟依靠活塞運動將廢氣排出，排氣完成后發(fā)動機單個四沖程循環(huán)完成，進入下一個新的循環(huán)[2]。

2 計算機輔助檢測的技術(shù)特征

計算機輔助檢測是利用計算機代替人工進行檢測的技術(shù)，計算機輔助檢測的最主要技術(shù)是數(shù)據(jù)庫與傳感器的應(yīng)用，計算機輔助檢測是根據(jù)四沖程發(fā)動機產(chǎn)生的各項故障特征進行數(shù)據(jù)綜合比對，從而提供故障可能存在的指導性建議，輔助維修人員快速實現(xiàn)故障位置和發(fā)動機異常原因判斷[3]。計算機輔助檢測技術(shù)的主體流程如圖2所示。

圖2 計算機輔助檢測技術(shù)主體流程

計算機輔助檢測需要經(jīng)過：1)發(fā)動機型號數(shù)據(jù)輸入。不同發(fā)動機在故障特征的表現(xiàn)上存在較大差異，且很多發(fā)動機在出廠前已經(jīng)整合了大量的試驗數(shù)據(jù)用以輔助使用過程中的故障診斷，因此在開始計算機輔助故障診斷流程前必須將正確的發(fā)動機型號輸入診斷系統(tǒng)。2)故障監(jiān)測數(shù)據(jù)導入。電控發(fā)動機自身裝配有大量的故障監(jiān)測原件，能夠?qū)Πl(fā)動機的溫度、運轉(zhuǎn)情況進行實時數(shù)據(jù)獲取與傳輸，且專業(yè)的檢測儀器也能通過在發(fā)動機上安裝振動、溫度等傳感器獲取相應(yīng)的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)導入到計算機輔助診斷系統(tǒng)中，能夠豐富診斷依據(jù)。3)環(huán)境、溫度等數(shù)據(jù)整合。在一定條件下，發(fā)動機使用的周圍環(huán)境、溫度、粉塵情況、濕度、氣壓等數(shù)據(jù)也會對發(fā)動機造成一定影響。將這些數(shù)據(jù)輸入診斷系統(tǒng)，用于輔助和提高故障診斷準確性。4)濾波異常數(shù)據(jù)去除。利用濾波技術(shù)分析眾多的數(shù)據(jù)，將無用的、錯誤的、異常的數(shù)據(jù)去除，為故障檢測后期的計算機運算減輕負擔。5)運行算法、對比數(shù)據(jù)庫，利用計算機算法分析獲取的發(fā)動機故障特征，對比本地或網(wǎng)絡(luò)共享數(shù)據(jù)庫資源，尋找最可能的故障原因和故障位置，并生成診斷結(jié)果。6)技術(shù)人員根據(jù)診斷結(jié)果展開現(xiàn)場驗證與故障維修。

3 計算機輔助檢測的技術(shù)研究成果

四沖程發(fā)動機的計算機輔助檢測技術(shù)近年來得到了汽車企業(yè)和科研院所的高度重視，檢測技術(shù)也呈現(xiàn)多樣化發(fā)展。曹亞鵬[4]等根據(jù)汽車發(fā)動機環(huán)境、運行條件等多項因素，研究了一種利用信息融合技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動機的故障診斷技術(shù)體系，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、D-S證據(jù)理論、小波細節(jié)系數(shù)消噪等方法，實現(xiàn)了診斷效率和診斷精確性的優(yōu)化；陳文寶[5]等針對大眾帕薩特汽車的發(fā)動機故障進行了模擬系統(tǒng)的研究和試驗，整合了4S店維修過程的資料數(shù)據(jù)，針對電控系統(tǒng)元器件損壞、短路、斷路、接觸不良、信號缺失或偏差等故障進行模擬，使故障問題的模擬更加直觀，有利于深入了解故障原因，并可用于汽車故障維修的教學與培訓；李志浩[6]等針對軍用汽車的發(fā)動機研制了基于C/S模式車載遠程監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機故障遠程診斷，完成了車載終端的軟件設(shè)計與硬件設(shè)計，完成了無線通信模塊設(shè)計，建立了PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷、RBF神經(jīng)網(wǎng)路診斷等模型，使診斷正確率達到95.08%；陳鯤[7]等針對柴油發(fā)動機的異常故障開發(fā)了基于自編碼器深度特征提取的故障診斷技術(shù)，通過在自編碼器中引入和聲搜索算法，實現(xiàn)了模型超參數(shù)的自動優(yōu)化，有效提升了診斷過程的精確性，并總結(jié)了數(shù)據(jù)統(tǒng)計下氣門故障在振動信號上所表現(xiàn)的特征。

4 計算機輔助故障檢測的應(yīng)用

4.1 故障數(shù)據(jù)的共享

故障數(shù)據(jù)的獲取與共享是計算機輔助故障檢測精準性的基礎(chǔ)保障，只有獲取地足夠的發(fā)動機故障數(shù)據(jù)，并將其特征規(guī)范且正確的輸入計算機中進行共享，才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的有效擴大。故障數(shù)據(jù)獲取的最佳途徑就是維修工作的實踐實施過程，在維修人員日常工作中，接觸到的故障特征廣泛且全面，數(shù)據(jù)共享的目的是將維修人員日常工作過程中的寶貴經(jīng)驗集成起來，形成云端的龐大經(jīng)驗庫，用以比對發(fā)動機出現(xiàn)的各種異常和疑難問題，為計算機輔助故障診斷提供后臺支撐。

4.2 計算機結(jié)合信號數(shù)據(jù)診斷

信號數(shù)據(jù)是發(fā)動機故障診斷的基礎(chǔ)方法，信號的來源主要依靠發(fā)動機內(nèi)部的傳感器和維修人員利用現(xiàn)代化儀器進行專項測量。計算機結(jié)合信號數(shù)據(jù)診斷多依靠本地數(shù)據(jù)庫和數(shù)學運算模型實施，計算機利用傳感器傳輸?shù)男盘柡图夹g(shù)人員測量的數(shù)據(jù)信號，與故障信號數(shù)據(jù)進行比對，并在此過程中去除信號中的冗余數(shù)據(jù)，提取出關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行深入比對，實現(xiàn)簡單故障快速診斷和復雜故障輔助診斷，計算機結(jié)合信號數(shù)據(jù)診斷由于不利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫資源，對于復雜的綜合性故障診斷能力有限。

4.3 計算機模糊診斷技術(shù)

模糊診斷法是為提高發(fā)動機故障檢測效率而研究并應(yīng)用的一種新方法，利用計算機的快速運算能力和邏輯判斷能力，能夠?qū)碗s的故障數(shù)據(jù)進行模糊分析，從而粗略估算和定位故障的范圍，并逐步縮小故障范圍，實現(xiàn)多次診斷后的精確快速定位。現(xiàn)階段，模糊診斷技術(shù)的應(yīng)用還處于初級階段，其實際的診斷準確性受到發(fā)動機工作狀態(tài)判定準確性和人工輸入數(shù)據(jù)準確性的影響，不當?shù)臄?shù)據(jù)輸入和判定可能造成診斷結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。

4.4 知識系統(tǒng)診斷技術(shù)

由于現(xiàn)代汽車技術(shù)發(fā)展很快，單純依靠傳統(tǒng)故障檢測技術(shù)和一成不變的數(shù)據(jù)庫很難實現(xiàn)新型汽車發(fā)動機故障的有效診斷。因此，建立實時更新的知識系統(tǒng)，并將其以數(shù)據(jù)共享的形式應(yīng)用于計算機對汽車發(fā)動機的故障診斷過程，對于提高故障診斷效率作用很大。目前，知識系統(tǒng)應(yīng)用過程表明該系統(tǒng)應(yīng)用具有明顯的實際價值，實時更新的數(shù)據(jù)對于提升與優(yōu)化診斷過程能起到良好的幫助，且系統(tǒng)在維護過程中能及時去除不當?shù)闹R數(shù)據(jù)，確保知識系統(tǒng)的正確性，但是系統(tǒng)的運營需要大量的專業(yè)人才持續(xù)維護，實際應(yīng)用效果受到成本與普及率的影響很大。

5 結(jié)語

通過對計算機輔助診斷技術(shù)的應(yīng)用分析，可見利用計算機輔助檢測過程能有效提升故障維修的效率和檢測過程的準確性?？傮w上講，現(xiàn)階段計算機輔助檢測的技術(shù)應(yīng)用還不廣泛，大部分汽車維修企業(yè)針對四沖程汽車發(fā)動機的維修工作僅初步運用計算機技術(shù)進行輔助，如讀取故障碼、振動分析等，還沒有實現(xiàn)綜合分析與全方位診斷，對于故障診斷的提升與幫助還不充分。未來，應(yīng)進一步加強四沖程發(fā)動機故障計算機輔助診斷技術(shù)研究與應(yīng)用，以此促進汽車發(fā)動機故障診斷與檢測效率的提高。