汽車發(fā)動機機械故障非接觸式檢測技術

摘要：隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，汽車發(fā)動機機械故障的檢測成為一項重要的研究課題。傳統(tǒng)的接觸式檢測方法雖然能夠起到一定的作用，但繁瑣且不夠準確，對發(fā)動機造成額外損害的風險也較高。因此，研究人員開始探索非接觸式檢測技術的應用。據(jù)此，介紹3種常用的非接觸式檢測技術，即激光檢測技術、超聲波檢測技術和紅外檢測技術，探討其應用的原理和方法，并以寶馬S58B30A發(fā)動機維修為例分析其在實踐中的運用，以期為汽車維修領域提供相關理論指導和借鑒。

關鍵詞：紅外檢測技術；發(fā)動機故障；非接觸式檢測；故障診斷

中圖分類號：U472" 收稿日期：2023-10-22

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.12.032

1 前言

隨著汽車發(fā)動機的日益復雜和性能要求的提高，機械故障的檢測和預防成為汽車制造業(yè)中的一個重要課題。傳統(tǒng)的接觸式檢測存在操作繁瑣、檢測準確度低等問題。為了解決這些問題，非接觸式檢測技術逐漸引起了研究人員的關注。該技術能夠通過激光、超聲波或紅外等非接觸手段對發(fā)動機進行檢測，不僅可以提高檢測精度和效率，還可以降低對發(fā)動機的二次損害風險。

2 非接觸式檢測技術的原理和方法

2.1 激光檢測技術

激光檢測技術的原理是利用激光束的穿透和反射特性檢測目標物體的表面形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在發(fā)動機機械故障檢測中，激光束可以通過光學系統(tǒng)和傳感器對發(fā)動機進行測量和分析。

a.激光束被聚焦在發(fā)動機的表面上，利用反射原理，測量出目標表面的形貌和紋理，通過比對與正常狀態(tài)的差異，判斷是否存在機械故障[2]。

b.激光束可以穿透表面，進一步檢測發(fā)動機內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和變形情況，包括缺陷、裂紋、異物等，準確判斷故障的類型和程度。

圖1所示為激光檢測儀，其檢測方法主要包括激光干涉、激光散斑和激光散射等。激光干涉是利用激光束的干涉現(xiàn)象測量目標表面的形貌和變形；激光散斑是利用激光束經(jīng)過目標表面后產(chǎn)生的散斑圖案，分析圖案的變化來判斷表面的光滑程度和缺陷情況；激光散射是利用激光束與表面的微小顆粒相互作用，分析散射的光線來檢測目標表面的顆粒、污染和磨損情況。

2.2 超聲波檢測技術

超聲波檢測技術的原理是利用超聲波的傳播性質(zhì)和相互作用特性進行故障檢測。在汽車發(fā)動機的機械故障檢測中，超聲波通常通過傳感器發(fā)射到被測物體，經(jīng)過物體內(nèi)部反射、散射等現(xiàn)象后被接收回來，通過分析接收到的超聲波信號來判斷發(fā)動機內(nèi)部的故障情況。超聲波的傳播速度和幅度受到物質(zhì)的密度、彈性模量、損耗等因素的影響，不同結(jié)構(gòu)和材料的故障會對超聲波造成不同的影響，通過分析超聲波信號的變化，可以確定發(fā)動機內(nèi)部的故障位置和類型。

超聲波檢測技術的方法主要包括脈沖回波法、聲調(diào)譜分析法和聲發(fā)射檢測法等。圖2所示為超聲脈沖檢測儀，其是最常用的超聲波檢測設備，它通過將超聲波發(fā)射到物體上并接收回波信號，根據(jù)接收信號的時間延遲和幅度變化來確定物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性和變化情況。聲調(diào)譜分析法是利用超聲波信號的頻譜特性，通過分析信號的頻率和幅度分布來判斷物體內(nèi)部的故障類型和程度。聲發(fā)射檢測法是利用超聲波在材料中產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象來檢測物體的缺陷和裂紋等，根據(jù)聲發(fā)射信號的頻率和振幅變化來判斷故障的類型和位置。

2.3 紅外檢測技術

紅外檢測技術的原理是利用物體的熱輻射特性進行故障檢測。每個物體都會產(chǎn)生一定范圍的紅外輻射，其強度和頻譜特性與物體的溫度和表面特性有關。在汽車發(fā)動機的機械故障檢測中，當發(fā)動機內(nèi)部的機械部件出現(xiàn)故障時，會產(chǎn)生摩擦、磨損和過度熱等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會引起故障部件表面的溫度異常變化，進而導致紅外輻射的強度和頻譜發(fā)生變化。通過對發(fā)動機表面紅外輻射的分析，可以判斷故障位置和類型，并及時采取修復措施[3]。

紅外檢測技術的方法主要包括紅外熱像儀檢測和紅外光譜分析等。圖3所示為紅外熱像儀，它是最常用的紅外檢測設備，能夠?qū)崟r采集和記錄發(fā)動機表面的紅外輻射圖像，通過觀察和分析圖像中的溫度分布和變化來識別機械故障。紅外光譜分析則是通過分析發(fā)動機表面的紅外輻射頻譜變化來確定故障類型和程度，通過比對故障輻射和正常輻射的差異，可以快速識別故障部件。

3 非接觸式檢測技術的優(yōu)勢

3.1 高效的故障檢測和預警能力

非接觸式檢測技術，通過無需拆卸汽車零部件的方式，實時獲取發(fā)動機的溫度分布、振動頻率等信息，它能快速、準確地發(fā)現(xiàn)和預警機械故障，提高車輛使用安全性和可靠性。

a.非接觸式檢測技術具有快速高效的特點，可以實時檢測發(fā)動機各個部位的溫度和振動信息。這有助于及早發(fā)現(xiàn)潛在的機械故障，避免出現(xiàn)更加嚴重的問題。相比之下，傳統(tǒng)的故障檢測方法可能需要進行繁瑣的拆卸和檢修，時間和費用成本更高。

b.非接觸式檢測技術具有較高的準確性和精度。利用紅外攝像技術可以實時觀察發(fā)動機內(nèi)部部件的溫度分布，通過對不同部位溫度的比較分析，可以確定是否存在異常情況[4]。振動傳感器技術可以監(jiān)測發(fā)動機的振動頻率和幅度，從而判斷是否存在機械故障。這種技術的準確性遠遠超過人工觀察和經(jīng)驗判斷。

c.非接觸式檢測技術還可以實現(xiàn)遠程監(jiān)測和數(shù)據(jù)記錄。通過遠程監(jiān)測，汽車制造商或維修人員可以隨時了解車輛的機械狀態(tài)，及時采取措施進行維護和修復。同時，數(shù)據(jù)記錄功能可以存儲發(fā)動機的故障歷史和狀態(tài)變化，為后續(xù)的維修工作提供有價值的參考。

3.2 提高汽車維修效率和降低成本

隨著非接觸式檢測技術的發(fā)展和應用，汽車發(fā)動機的機械故障檢測變得更加高效和經(jīng)濟，大大提高了汽車的維修效率并降低了維修成本。

a.非接觸式檢測技術大大提高了汽車維修的效率。傳統(tǒng)的檢修方法通常需要將發(fā)動機拆卸下來，以便進行詳細檢查和修復。而非接觸式檢測技術可以通過實時監(jiān)測發(fā)動機的溫度和振動信息，及時判斷是否存在機械故障，并根據(jù)故障程度確定是否需要進一步的拆卸和維修。這種無需拆卸的檢測方式免去了繁瑣的拆卸過程，大大節(jié)省了維修時間，提高了維修效率。

b.非接觸式檢測技術還能夠降低汽車維修的成本。傳統(tǒng)的維修方法需要對發(fā)動機進行拆卸和翻修，不僅需要花費大量的人力物力，還可能導致二次故障和安全隱患。而采用非接觸式檢測技術，則能夠準確地定位故障部位，并對故障進行及時的修復和調(diào)整，減少了不必要的維修工作，降低了維修成本。

c.非接觸式檢測技術還能夠避免人為因素帶來的誤判和誤操作。人工觀察和經(jīng)驗判斷往往會受到個體主觀因素的影響，而非接觸式檢測技術可以準確地獲取發(fā)動機的溫度和振動信息，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的數(shù)據(jù)進行分析和判斷，避免了主觀因素的干擾，提高了檢測的準確性和可靠性[5]。

4 實際應用案例分析

以某型號汽車的發(fā)動機機械故障為例進行分析。該款車型所搭載的是某型發(fā)動機，其是某汽車品牌為自家高性能汽車Mpower系列（M2、M3、M4等）專屬打造的3.0T雙渦輪增壓直列六缸汽油引擎，相關參數(shù)如圖4所示。

某型發(fā)動機是一款高性能發(fā)動機，它的設計顯著提高了汽車的動力性能和行駛效率。然而，這種復雜的設計也使其存在著較高的故障率。在維修過程中，考慮到發(fā)動機內(nèi)部的復雜性，常規(guī)的接觸式檢測方式往往難以找出發(fā)動機內(nèi)部的問題，并且接觸式測試在很大程度上依賴于維修人員的技術水平，這在一定程度上增大了故障診斷的難度。

相比之下，非接觸式檢測技術具有很多優(yōu)點。它主要通過收集發(fā)動機運行時產(chǎn)生的各種聲音、振動等信號，利用先進的數(shù)據(jù)分析技術進行故障診斷，從而迅速找出問題所在。

根據(jù)車主的描述：車輛在高速行駛中，發(fā)動機溫度升高，機油壓力沉降，導致發(fā)動機運轉(zhuǎn)不暢，并有明顯的熱力損耗。

針對這種情況，維修技師采用紅外檢測技術對發(fā)動機進行了深入的檢測和分析。如圖5所示，維修技師首先利用紅外熱像儀對發(fā)動機進行全面掃描，通過對目標區(qū)域的實時溫度分布進行觀察，可以發(fā)現(xiàn)故障點的位置。通過紅外熱像儀，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機水箱附近的溫度明顯偏高，排氣管的溫度也偏高，這意味著發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中可能存在故障，無法及時將發(fā)動機熱量導出。

繼續(xù)深入分析，以此為切入點，技師再通過進一步測試，確認水箱的冷卻液正常循環(huán)，并沒有漏液現(xiàn)象，這說明冷卻風扇可能有故障。通過更換冷卻風扇，故障并未得到解決，發(fā)動機溫度依然較高。再次利用紅外熱像儀進行檢測，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過換裝新風扇后的冷卻系統(tǒng)比之前有所改善，但是發(fā)動機溫度仍然偏高，冷卻液的溫度也處在偏高狀態(tài)。紅外熱像儀的數(shù)據(jù)顯示，疑似渦輪增壓器的效率下降導致發(fā)動機產(chǎn)熱過多，車主又提出最近行駛過程中有輕微的失火感。

綜合以上所有的診斷和客戶反饋，最終確定是由于渦輪增壓器工作不正常導致發(fā)動機過熱，從而導致機油壓力下降、發(fā)動機運轉(zhuǎn)困難。經(jīng)過更換新的渦輪增壓器后，發(fā)動機恢復正常運行。

通過以上的故障診斷流程，可以看到非接觸式檢測技術能最大程度地保證設備的原始狀態(tài)，避免了傳統(tǒng)方法中采用的打開、磨除等方式對設備的二次傷害。同時，這些技術檢測的敏感度和精確度較高，可以準確定位故障并提高維修效率和成功率。

5 結(jié)語

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展和技術的不斷進步，汽車發(fā)動機機械故障非接觸式檢測技術的應用前景非常廣闊。激光、超聲波和紅外等技術都在該領域展示了巨大的潛力。這些技術通過非接觸手段對發(fā)動機進行檢測，不僅可以實現(xiàn)實時監(jiān)測，還能提高檢測精度和效率，有效降低了人工操作的繁瑣性和人為誤差的風險。同時，這些技術還能夠?qū)Πl(fā)動機內(nèi)部的微小變形、磨損和故障進行精細的分析和診斷，為發(fā)動機維護和檢修提供了有力的支持。隨著相關設備的不斷完善，這些非接觸式檢測技術將會在汽車行業(yè)中得到更廣泛的應用，并為汽車發(fā)動機的可靠性和安全性帶來更為可觀的提升。

參考文獻：

[1]王廣逸，龔清陽.汽車發(fā)動機機械故障的非接觸式檢測技術研究[J].內(nèi)燃機與配件，2022（2）：137-139.

[2]黃金記，孔寧寧.汽車發(fā)動機機械故障非接觸式檢測技術研究[J].內(nèi)燃機與配件，2021（18）：174-175.

[3]劉旭.發(fā)動機機械故障非接觸式檢測技術分析[J].中國金屬通報，2020（10）：231-232.

[4]石國珍.對汽車發(fā)動機機械故障非接觸式檢測技術的幾點探討[J].時代汽車，2020（20）：168-169.

[5]劉勇.汽車發(fā)動機機械故障非接觸式檢測技術研究[J].農(nóng)家參謀，2020（16）：251.

作者簡介：

趙瑞杰，女，1996年生，助理工程師，研究方向為模具設計與制造。