基于紅外溫度傳感器的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缺缸故障診斷

摘 要：發(fā)動(dòng)機(jī)缺缸作為常見(jiàn)故障之一，嚴(yán)重影響汽車(chē)的動(dòng)力性能、燃油經(jīng)濟(jì)性以及駕駛安全。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)缺缸故障診斷方法存在操作繁瑣、耗時(shí)較長(zhǎng)且準(zhǔn)確性有限等問(wèn)題。文章深入探討了紅外溫度傳感器在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缺缸故障診斷中的應(yīng)用。詳細(xì)闡述了紅外溫度傳感器的原理、選型要點(diǎn)、基于其的缺缸故障診斷方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。為提升發(fā)動(dòng)機(jī)缺缸故障診斷的效率和準(zhǔn)確性提供了新的思路和技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：紅外溫度傳感器 發(fā)動(dòng)機(jī) 缺缸 故障診斷 非接觸式測(cè)溫

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車(chē)的核心部件，其正常運(yùn)行對(duì)于汽車(chē)的性能和安全至關(guān)重要。在實(shí)際使用中，發(fā)動(dòng)機(jī)可能因多種原因出現(xiàn)缺缸故障，導(dǎo)致動(dòng)力下降、油耗增加、排放惡化等問(wèn)題。及時(shí)準(zhǔn)確地診斷出發(fā)動(dòng)機(jī)缺缸故障，是保障汽車(chē)正常運(yùn)行和駕駛安全的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)缺缸故障診斷方法主要包括人工聽(tīng)音法、觀察排氣顏色法、測(cè)量氣缸壓力法等。這些方法大多依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，操作復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)，難以在實(shí)時(shí)工況下快速準(zhǔn)確地診斷出故障。隨著汽車(chē)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)故障診斷的效率和準(zhǔn)確性要求越來(lái)越高，探索新的故障診斷技術(shù)成為汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域的重要課題。

紅外溫度傳感器作為一種非接觸式測(cè)溫設(shè)備，具有測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)測(cè)溫、醫(yī)療檢測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，紅外溫度傳感器在汽車(chē)故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸受到關(guān)注。文章旨在深入探討紅外溫度傳感器在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缺缸故障診斷中的應(yīng)用，為相關(guān)領(lǐng)域的研究和實(shí)踐提供參考。

1 紅外溫度傳感器原理

1.1 紅外輻射與溫度的關(guān)系

任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)向周?chē)臻g輻射紅外線，其輻射強(qiáng)度與物體的溫度成正比。根據(jù)普朗克定律，黑體的輻射出射度與溫度和波長(zhǎng)之間存在如下關(guān)系：

其中M（λ，T）為黑體在波長(zhǎng)為λ、溫度為T(mén)時(shí)的輻射出射度，C1和C2為常數(shù)。對(duì)于實(shí)際物體，其輻射出射度與黑體輻射出射度之間存在一個(gè)發(fā)射率ε，即：

發(fā)射率是一個(gè)小于等于1的數(shù)值，它取決于物體的材料、表面狀態(tài)等因素。

1.2 紅外溫度傳感器的工作原理

紅外溫度傳感器通過(guò)接收被測(cè)物體發(fā)出的紅外輻射，利用熱電效應(yīng)或光電效應(yīng)將紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)而計(jì)算出物體的溫度。

熱電紅外溫度傳感器利用熱電偶或熱電堆等熱電元件將接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)換為溫差電勢(shì)或電流信號(hào)，進(jìn)而計(jì)算出溫度。熱電堆是由多個(gè)熱電偶串聯(lián)而成的，它可以提高傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度。

當(dāng)紅外輻射照射到熱電堆上時(shí)，熱電堆的熱端溫度升高，冷端溫度保持不變，從而產(chǎn)生溫差電勢(shì)。根據(jù)塞貝克效應(yīng)，溫差電勢(shì)與熱端和冷端的溫度差成正比，即：E=α（T1－T0），其中，E為溫差電勢(shì)，α為塞貝克系數(shù)，T1為熱端溫度，T0為冷端溫度。通過(guò)測(cè)量溫差電勢(shì)，可以計(jì)算出熱端溫度，即被測(cè)物體的溫度。

2 紅外溫度傳感器在發(fā)動(dòng)機(jī)缺缸故障診斷中的應(yīng)用原理

在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缺缸故障診斷中，紅外溫度傳感器主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)各氣缸的溫度變化。由于氣缸在正常工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，而缺缸時(shí)由于燃燒不充分或未燃燒，其溫度會(huì)顯著低于其他正常氣缸。因此，通過(guò)紅外溫度傳感器可以直觀地反映出發(fā)動(dòng)機(jī)各氣缸的工作狀態(tài)，為故障診斷提供有力支持。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，各氣缸的燃燒過(guò)程基本一致，產(chǎn)生的熱量也相近，因此各氣缸的溫度也較為接近。如果某個(gè)氣缸出現(xiàn)缺缸故障，該氣缸的燃燒不充分或未燃燒，產(chǎn)生的熱量會(huì)明顯減少，導(dǎo)致該氣缸的溫度顯著低于正常氣缸。通過(guò)紅外溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)各氣缸的溫度變化，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度異常的氣缸，從而判斷該氣缸是否存在缺缸故障。

3 基于紅外溫度傳感器的缺缸故障診斷方法

3.1 紅外溫度傳感器的選擇

在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缺缸故障診斷中，選紅外溫度傳感器需綜合考量：測(cè)溫范圍要覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)－40℃至300℃的工作溫度，范圍不當(dāng)會(huì)影響測(cè)量，測(cè)量精度越高診斷越準(zhǔn)，但成本也高，響應(yīng)時(shí)間需快，保障數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性，要適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)艙惡劣環(huán)境。在性能滿足時(shí)選成本低的，對(duì)比品牌型號(hào)挑性價(jià)比高的。

3.2 傳感器布置與安裝

3.2.1 確定布置位置

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和故障診斷需求，確定紅外溫度傳感器的布置位置和數(shù)量。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)在每個(gè)氣缸的排氣門(mén)附近或火花塞附近安裝一個(gè)紅外溫度傳感器，以監(jiān)測(cè)該氣缸的溫度變化。同時(shí)，需要注意傳感器的安裝位置應(yīng)避免受到其他熱源或反射光的干擾，以確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2.2 安裝方法

紅外溫度傳感器的安裝方法應(yīng)根據(jù)傳感器的類(lèi)型和發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行選擇。一般來(lái)說(shuō)，可以采用螺紋連接、磁吸連接或粘貼連接等方式進(jìn)行安裝。在安裝過(guò)程中，應(yīng)確保傳感器與被測(cè)物體之間的距離合適，以保證測(cè)量精度。同時(shí)，應(yīng)注意傳感器的安裝位置應(yīng)便于維護(hù)和更換。

3.3 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

3.3.1 數(shù)據(jù)采集

啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并使其在一定工況下穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，開(kāi)始采集溫度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集的頻率應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和故障診斷的要求進(jìn)行確定。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)采集的頻率越高，故障診斷的準(zhǔn)確性也越高。但是，過(guò)高的數(shù)據(jù)采集頻率會(huì)增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。

3.3.2 預(yù)處理

為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理包括濾波去噪、異常值剔除等步驟，以消除噪聲和干擾因素的影響。濾波去噪可以采用數(shù)字濾波器或模擬濾波器等方法實(shí)現(xiàn)。異常值剔除可以采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法或人工智能算法等方法實(shí)現(xiàn)。

3.4 數(shù)據(jù)分析與診斷

3.4.1 溫度差異比較

對(duì)預(yù)處理后的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理，首先可以比較各氣缸之間的溫度差異。正常情況下，各氣缸的溫度應(yīng)該較為接近。如果某個(gè)氣缸的溫度顯著低于其他氣缸，則可以初步判斷該氣缸存在缺缸故障。

3.4.2 變化趨勢(shì)和幅度分析

除了比較溫度差異外，還可以分析溫度數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)和幅度。如果某個(gè)氣缸的溫度變化趨勢(shì)與其他氣缸明顯不同，或者溫度變化幅度較大，則可能存在缺缸故障。

3.4.3 綜合判斷

結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合判斷，如發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、油耗、排放等參數(shù)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)動(dòng)力下降、油耗增加、排放惡化等問(wèn)題，同時(shí)某個(gè)氣缸的溫度異常，則可以更加確定該氣缸存在缺缸故障。

3.5 故障診斷結(jié)果驗(yàn)證與反饋

為了驗(yàn)證故障診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以采用其他診斷方法（如氣缸壓力測(cè)量法）進(jìn)行驗(yàn)證。如果驗(yàn)證結(jié)果與紅外溫度傳感器的診斷結(jié)果一致，則可以確認(rèn)該氣缸存在缺缸故障，并采取相應(yīng)的維修措施。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

為了驗(yàn)證紅外溫度傳感器在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缺缸故障診斷中的有效性和準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

4.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

（1）一臺(tái)具有缺缸故障且確定缺缸點(diǎn)的汽車(chē)作為測(cè)試對(duì)象：2016款豐田卡羅拉，該汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為1ZR-FE，排量為1.6T，1號(hào)缸缺缸。

（2）一臺(tái)有缺缸故障但未確定缺點(diǎn)的汽車(chē)做對(duì)比測(cè)試對(duì)象：2020款豐田榮放（RAV4），該車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為M20D-FKS，排量為2.0L。

4.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

4.3.1 紅外溫度傳感器陣列

選用了山東奧博賽德（ABSD-01AF）的紅外溫度傳感器陣列，該傳感器陣列具有測(cè)溫范圍廣（0℃-300℃）、測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

4.3.2 數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)

搭建了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理單元和顯示報(bào)警模塊等部分。

4.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

4.4.1 傳感器安裝

在發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝紅外溫度傳感器陣列，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和故障診斷需求，確定傳感器的布置位置和數(shù)量。該實(shí)驗(yàn)將紅外溫度傳感器安裝在每個(gè)氣缸的排氣門(mén)附近的排氣歧管上，選擇的發(fā)動(dòng)機(jī)為都為四缸，所以共安裝了4個(gè)傳感器。

4.4.2 系統(tǒng)調(diào)試

對(duì)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，確保系統(tǒng)能夠正常工作。調(diào)試過(guò)程包括硬件連接檢查、軟件參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集和顯示等步驟。

4.4.3 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置

設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)工況，包括轉(zhuǎn)速、負(fù)載等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分別在怠速和小、中、大三種負(fù)荷的工況下進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證紅外溫度傳感器在不同工況下的診斷效果。

4.4.4 數(shù)據(jù)采集和處理結(jié)果

啟動(dòng)車(chē)輛并使其在設(shè)定的工況下穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，開(kāi)始采集溫度數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳輸給數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行處理和分析。處理過(guò)程包括濾波去噪、異常值剔除、溫度差異比較、變化趨勢(shì)和幅度分析等步驟，這里給出各缸不同工況下溫度數(shù)據(jù)如下表1。

4.4.5 故障診斷結(jié)果驗(yàn)證

通過(guò)上述數(shù)據(jù)，已明確1號(hào)缸缺缸的發(fā)動(dòng)機(jī)1ZR-FE，1號(hào)缸測(cè)量溫度較其他三缸低很多，與實(shí)驗(yàn)設(shè)定的已知結(jié)果保持一致。未明確幾號(hào)缸缺缸的發(fā)動(dòng)機(jī)M20D-FKS，通過(guò)檢測(cè)，判斷3號(hào)缸，存在缺缸。為了驗(yàn)證結(jié)論是否正確，采用氣缸壓力測(cè)量法對(duì)故障診斷結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)M20D-FKS怠速狀態(tài)下4個(gè)氣缸缸壓為1缸13.4bar、2缸13.3bar、3缸9.9bar、4缸13.4bar。比較各氣缸之間的壓力差異，明確3號(hào)氣缸的壓力明顯低于其他氣缸，確認(rèn)該發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸3號(hào)缸存在缺缸故障，并和紅外溫度傳感器系統(tǒng)測(cè)量判斷結(jié)果一致。

4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.5.1 溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，紅外溫度傳感器能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)各氣缸的溫度變化。在正常工況下，各氣缸的溫度較為接近，溫度波動(dòng)范圍較小。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)缺缸故障時(shí)，故障氣缸的溫度會(huì)顯著低于正常氣缸，溫度差異明顯。

4.5.2 故障診斷準(zhǔn)確性

通過(guò)與氣缸壓力測(cè)量法的驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比，紅外溫度傳感器的診斷結(jié)果準(zhǔn)確可靠。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，紅外溫度傳感器能夠及時(shí)準(zhǔn)確地診斷出發(fā)動(dòng)機(jī)的缺缸故障，診斷速度快、準(zhǔn)確性高。

4.5.3 操作簡(jiǎn)便性

與傳統(tǒng)的診斷方法相比，紅外溫度傳感器的操作簡(jiǎn)便無(wú)需拆卸發(fā)動(dòng)機(jī)部件即可實(shí)現(xiàn)非接觸式實(shí)時(shí)測(cè)溫。這大大提高了故障診斷的效率，減少了維修時(shí)間和成本。

4.5.4 抗干擾能力和可靠性

實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，紅外溫度傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，傳感器能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作，不受高壓、振動(dòng)、油污等因素的影響。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

文章深入探討了紅外溫度傳感器在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缺缸故障診斷中的應(yīng)用，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性和準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，紅外溫度傳感器具有非接觸式實(shí)時(shí)測(cè)溫、測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地診斷出發(fā)動(dòng)機(jī)缺缸故障，為汽車(chē)維修人員提供了有力的技術(shù)支持。

5.2 展望

文章研究雖有成果，但存在局限，未來(lái)可從三方面拓展：一是多傳感器融合，將紅外溫度傳感器與振動(dòng)、聲音等傳感器結(jié)合，借機(jī)器學(xué)習(xí)算法挖掘數(shù)據(jù)，提升診斷智能化；二是提升測(cè)量精度與穩(wěn)定性，優(yōu)化結(jié)構(gòu)、算法，探索新型材料技術(shù)；三是拓展應(yīng)用范圍，用于汽車(chē)其他系統(tǒng)及新能源汽車(chē)故障診斷，助力汽車(chē)行業(yè)發(fā)展。

基金項(xiàng)目：2024年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缺缸報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究》（2024KY1510）。

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