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第2章 故障诊断理论以及方法

第2.1节 汽车故障诊断基本概念

利用各种检查和测试方法，发现系统和设备是否存在故障的过程是故障检测；而进一步确定故障所在大致部位的过程是故障定位。故障检测和故障定位同属网络生存性范畴。要求把故障定位到实施修理时可更换的产品层次（可更换单位）的过程成为故障隔离。故障诊断就是指故障检测和故障隔离的过程。

国标GB5624-85“汽车维修术语”中对汽车诊断常用术语做了如下规定： 汽车诊断——在不解体的条件下，确定汽车技术状况，查明故障部位以及原因的检查。

汽车故障——汽车部分或者完全丧失工作能力的现象。

根据上述定义有学者将汽车故障诊断定义为：汽车故障诊断就是一个通过状态检测信息对故障进行模式识别的过程。

第2.2节 故障诊断方法

故障诊断技术发展至今，已经产生了很多不同的分类方法。概括的讲：故障诊断方法可以划分成基于信号分析处理的故障诊断方法、基于解析模型的故障诊断方法和基于人工智能的故障诊断方法三种。

2.2.1专家系统故障诊断方法

1专家系统故障诊断方法，是指计算机在采集被诊断对象的信息后，综合运用各种规则，进行一系列的推理，必要时还可以随时调用各种应用程序，运行过程中向用户索取必要的信息后，就可快速地找到最终故障或最有可能的故障，再

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汽车电喷发动机故障诊断专家系统的开发研究

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由用户来证实。此种方法国内外已有不少应用。专家系统故障诊断方法可用图2．1所示的结构来说明，它由数据库、知识规则库、人机接口、推理机等组成。其各部分的功能如图2.1所示。

图2.1 专家系统故障诊断框图

知识规则库：存放的知识可以是系统的工作环境，系统知识；规则库则存放一组组规则，反映系统的因果关系，用于故障推理。知识库是专家领域知识的集 合。

数据库：对于在线监视或诊断系统，数据库的内容是实时检测到的工作状态数据；对于离线诊断，数据库内容可以是故障时检测数据的保存，也可以是人为 检测的一些特征数据，即存在推理过程中所需要和所产生的各种信息。 推理机：根据获取的信息综合运用各种规则，进行故障诊断，输出诊断结果。是专家系统的控制机构。

人机接口：人与专家系统打交道的桥梁和窗口，是人机信息的交接点。专家系统故障诊断其根本目的在于利用专家的知识、经验为故障诊断服务。目前在机械系统、电子设备等方面已有成功的应用。但专家系统的应用依赖于专家的领域知识获取。知识获取被公认为专家系统研究开发中的“瓶颈\问题，另外，在自适应能力、学习能力及实时性方面也都存在不同程度的局限。

2.2.2 模糊故障诊断方法

模糊故障诊断是通过研究故障与征兆之间的关系来判断设备状态。由于实 际因素的复杂性，故障与征兆之间的关系很难用精确的数学模型来表示，随着某 些故障状态模糊性的出现，就不能用“是或否有故障’’的简易诊断结果来表示， 而要求给出故障产生的可能性及故障位置和程度如何。此类问题用模糊逻辑能较 好地解决，这就产生了模糊故障诊断方法。其典型方法是模糊故障向量识别法， 诊断过程如图2．2所示。

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图2.2 模糊故障诊断示意图

1)根据经验、统计和试验数据，建立故障与征兆之间的模糊关系矩阵R(隶属度矩阵)。矩阵中的每个元素的大小表明它们之间的相互关系的密切程度。 2)根据待诊断对象的现场测试数据，提取特征参数向量X。

3)求取关系矩阵方程Y=X·R，得到待检状态的故障向量Y，再根据一定的判断准则，如最大隶属原则、阈值原则或择近原则等，得到诊断结果。模糊故障诊断方法是利用模糊集合论中的隶属函数和模糊关系矩阵的概念来解决故障与征兆之间的不确定关系，进而实现故障的检测与诊断。这种方法计算简单，应用方便，结论明确直观。在模糊故障诊断中，构造隶属函数是实现模糊故障诊断的前提，但由于隶属函数是人为构造的，含有一定的主观因素；另外，对特征元素的选择也有一定的要求，如选择的不合理，诊断结果的准确性会下降，甚至造成诊断失败。

2.2.3 故障树故障诊断方法

故障树模型是一个基于被诊断对象结构、功能特征的行为模型，是一种定性的因果模型，以系统最不希望事件为顶事件，以可能导致顶事件发生的其他事件为中间事件和底事件，并用逻辑门表示事件之间联系的一种倒树状结构畸。它反映了特征向量与故障向量(故障原因)之问的全部逻辑关系。在利用故障树进行故障搜寻与诊断时，根据搜寻方式不同，可分为逻辑推理诊断法和最小割集诊断法。具有同时兼顾基于规则和基于定量模型诊断的优点。随着图理论和信息论的发展和完善，出现了故障图理论，它的出现使得非线性复杂系统故障的自动搜索和分析变得更加准确和便捷，对故障诊断来说是一个很好的发展方向。

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第2.3节 汽车电喷发动机故障分析

2.3.1电喷系统的工作原理

（1）四冲程发动机工作原理

四行程汽油机经过进气、压缩、作功和排气行程完成一个工作循环。

A 进气行程

活塞从上止点向下止点运动，排气门关闭，进气门打开。可燃混合气通过进

气门被吸入气缸，直至活塞向下运动到下止点。

B 压缩行程

曲轴继续旋转，活塞从下止点向上止点运动，这时进气门和排气门都关闭，

气缸内成为封闭容积，可燃混合气受到压缩，压力和温度不断升高，当活塞到达上止点时压缩行程结束。

C 作功行程

作功行程，进气门和排气门仍然保持关闭。当活塞位于压缩行程接近上止点

(即点火提前角)位置时，火花塞产生电火花点燃可燃混合气，可燃混合气燃烧后放出大量的热使气缸内气体温度和压力急剧升高，推动活塞从上止点向下止点运动，通过连杆使曲轴旋转并输出机械功，除了用于维持发动机本身继续运转外，其余用于对外作功。随着活塞向下运动，气缸内容积增加，气体压力和温度降低，当活塞运动到下止点时，作功行程结束。

D 排气行程 当作功接近终了时，排气门开启，进气门仍然关闭，靠废气的

压力先进行自由排气，活塞到达下止点再向上止点运动时，继续把废气强制排出到大气中去，活塞越过上止点后，排气门关闭，排气行程结束。

曲轴继续旋转，活塞从上止点向下止点运动，又开始了下一个新的循环过程。

在每一个工作循环中，活塞在上、下止点往复运动了四个行程，相应地曲轴旋转了两圈。

（2）汽油喷射系统工作原理

电控汽油喷射系统是利用各种传感器检测发动机的各种状态，经电脑的判

断、计算，使发动机在不同工况下，均能获得合适浓度的可燃混合气。

电子控制喷油系统是通过空气流量计、歧管绝对压力传感器或节气门位置传

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感器来检测发动机进气量，电子控制单元根据各种传感器的信号进行判断、计算、修正控制喷油器喷油的持续时间，使发动机获得该工况下运行所需的最佳可燃混合气浓度。

电控汽油喷射系统由进气系统、燃油系统、点火系统和控制系统四部分组成

进气系统为发动机可燃混合气的形成提供必需的空气。空气经空气滤清器、空气流量计、节气门体、进气总管、进气歧管进入气缸。

在燃油系统中，油箱中的汽油从燃油泵泵出，流经汽油滤清器到喷油器，在

多点喷油系统中喷油压力在2巴以上一般为2～5.5巴范围内；单点喷油系统压力为0.7～1.2巴。多余的燃油经压力调节器流回油箱。喷油量由喷油器通电时间的长短来控制。

电子控制单元产生的点火定时信号送给点火器，接通、断开点火线圈的初级

电路，使火花塞跳火，与此同时点火器反馈给电子控制单元一个点火确认信号。

控制系统是由传感器、电子控制单元和执行器组成。其核心是电子控制单元。 电子控制单元通过进气歧管绝对压力传感器或空气流量计的信号计算进气

量，并根据进气量和发动机的转速获得基本喷油持续时间和基本点火提前角，然后通过冷动水温度、进气温度、节气门开启角度、电瓶电压等各种工作参数进行修正，得到发动机在这一工况下运行的最佳喷油持续时间或最佳点火提前角。

根据发动机的要求，电子控制单元还可控制怠速、排气再循环和其他系统。 机油散热器以及检视设备。机油泵的功用是提高机油压力，保证机油在润滑

系统内不断循环。为了保证输送到各运动零件表面的润滑油的清洁，在润滑系中还设有机油滤清器。

发动机工作时，机油泵通过吸油盘从油底壳内吸入机油，并提高机油压力，

通过机油滤清器滤清后，把干净的机油以一定的压力送到主油道，然后再通过各支油道送给各运动零件表面。

发动机主要润滑零件有曲柄连杆机构、配气机构和传动齿轮。 (4)冷却系的大小循环

通常利用节温器来控制通过散热器冷却水的流量。节温器装在冷却水循环的

通路中（一般装在气缸盖的出水口），根据发动机负荷大小和水温的高低自动改变水的循环流动路线，以达到调节冷却系的冷却强度。

当发动机在正常热状态下工作时，即水温高于80℃，节温器阀门打开了通往散热器的通道，同时关闭了通往水泵的旁通管，冷却水全部流经散热器，形成大循

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