柴油机故障诊断技术综述

摘要：本文首先讲述了柴油机故障诊断系统的构成，其次介绍了柴油机的故障诊断方法，最后总结了柴油机常见故障的诊断及排除方法。

关键词：柴油机；故障诊断；技术综述

中图分类号： X703 文献标识码： A

前言：柴油机在正常工作时，会出现很多状况，我们要避免这些问题的出现，就要正确使用。于是，本文针对柴油机故障的诊断技术进行了详细地介绍。

一、柴油机的综合诊断系统：

对于现代柴油机故障诊断系统而言，多参数和多方法的综合诊断系统是其发展趋势之一。柴油机综合诊断系统是将热力参数法、瞬时转速法、气缸压力示功图、声发射法、活塞环监测法、轴系振动法、轴功率法及船舶运行性能监测法进行集成，实现包括柴油机在内的动力装置综合监测诊断。该系统主要由以下几个模块组成：

（一）热力参数监测模块：测量滑油、燃油、冷却、进排气和增压等系统运行状态情况，直接或间接的以工作温度、压力、功率和效率指数来反映。通过提取和挖掘柴油机部位和工作过程中的热力参数可以判断某些组件和系统的运行情况。

（二）瞬时转速监测模块：完成柴油机一个工作循环内的瞬时转速计算，实现柴油机的动力半衡性监测和诊断。

（三）气缸压力示功图监测模块：通过测量到的气缸压力数据，计算P一α中和P―V示功图及各缸主要性能指标(指示压力、最高燃烧压力、最高燃烧压力角、膨胀压力、压缩压力、压力升高值和转速)，在此基础上进行柴油机性能的监测与诊断。

（四）声发射监测模块：测量缸盖的声发射信号，经处理与分析，可实现柴油机气阀漏气故障的监测与诊断。

（五）轴系振动监测模块：由数据采集模块得到的数字信号，经一系列数学计算和处理，得到瞬时转速波形、扭振时域波形和扭振频域波形，监测柴油机的一阶和二阶扭转振动的幅值。

（六）轴功率监测模块：通过相位差式轴功率测试系统计算出轴功率、半均转速和输出扭矩值，进行柴油机性能的监测与诊断。

（七）船舶运行性能监测模块：利用流量传感器测得单位时间动力装置燃油消耗量。

二、柴油机的故障诊断的办法

（一）基于瞬时转速的柴油机监测诊断技术

当柴油机正常运行时，瞬时转速会在一个不大的范围内变化，且会呈现规律性的波动。然而，当柴油机某缸发生故障时，瞬时转速这种规律性的波动会遭到破坏，且容易被测量出来，由此可监测柴油机的运行状态。

研究中小型柴油机瞬时转速的波动规律，可以将轴系简化为一个刚体，根据各缸的总切向力矩对刚体的作用进行分析。大型的柴油机，由于结构尺寸大，轴系激励复杂，柴油机瞬时转速的波动受到轴系扭转振动的影响较大，因此需要将轴系看作柔性体进行分析。图1是以MAN B&W 6L16／24型柴油机为主动力、长轴系动力装置为对象，应用基于柔性体模型，第2、4缸在正常工况、做功能力下降l0％和20％时柴油机瞬时转速波动率计算分析结果。可以看出各缸瞬时转速波动率峰值的变化与柴油机各缸工作的平衡性相关，可用于监测柴油机各缸的工作状态。瞬时转速监测法一般分为三类：波形分析法，转矩估计法和多特征综合法。

（二）柴油机热力参数监测诊断技术

热力参数分析法是利用柴油机工作时热力参数的变化来判断其工作状态。这些参数包括气缸压力示功图、排气温度、转速、滑油湍度、冷却水进出口温度及排放等。热力参数分析法着重对柴油机性能好坏做出判断，其中示功图包含的信息量最多，根据示功图可以计算指示功、压力升高率和压缩压力，可以判断燃烧质量的好坏及各缸功率是否平衡。一般从示功图中提取平均指示压力、最高燃烧压力、最高燃烧压力相位、压缩压力、膨胀压力等故障特征参数监测柴油机性能。

（三）振动监测诊断技术

振动分析法就是利用柴油机在工作时产生的振动信号，经测试、数据分析及处理，对主要运动件的状态进行诊断的方法。该方法具有诊断速度快，能实现存线诊断等特点。振动分析法诊断船舶柴油机的技术难点有：

1、激励力众多、且频率范围广，难以识别；

2、运动件多且形状各异，造成激励力的传播途径及其对机体表面振动的贡献不一；

3、敏感测点的选择、各种激励力和运动件之间的振动相互耦合和干扰；

4、柴油机的振动还受到工况、油黏度和温度以及其它随机振动的影响。

因此，要利用振动分析法监测柴油工况，首先要掌握柴油机各种激励源信号的识别技术；其次，要掌握信号的抗干扰滤波与半均处理技术；最后要完成状态特征参数的提取及判据的建立。本文以柴油机活塞――缸套磨损诊断和柴油机气阀漏气诊断为例，简述振动分析法的应用。

（1）活塞――缸套磨损诊断

柴油机活塞―气缸套磨损振动诊断机理为：小同间隙(磨损状态)状态下，侧推力将引起活塞横向撞击气缸套的撞击能量和活塞的横向运动相应变化，使得撞击点位置等随之发生变化；激励源的变化使得机身振动的总振级、振动信号功率谱分布及振动总能量等参数均发生变化；根据机身表面振动响应特征的变化反过来可以诊断活塞―缸套的磨损状态。

（2）柴油机气阀漏气诊断

柴油机工作时，缸盖系统承受的主要激励力有五个：进、排气门开启和关闭的四个冲击力以及缸内气体压力，因此缸盖振动信号能有效反应气阀工作状态。大量研究表明，缸盖系统可以看成一个频不变系统，其内外表面具有非常接近的频率特性，并且认为上述各激励力彼此之间是线性无关的。

（四）声发射诊断技术

声发射是指材料受外力或内力作用产生变形或断裂时，以弹性波的形式释放山应变能的现象。固体在内部发生缺陷或即将发生缺陷状态下，如果外部作用发生改变时会产生声发射。所以，声发射信号包含着丰富的材料内部缺陷或损伤的信息。声发射监测法就是利用信号处理技术分析声发射信号，判断材料内部的状态。由于材料产生的声发射信号具有很宽的频率带宽，信号频率可以达到数MHz，因此声发射信号蕴含着丰富的信息，已被广泛地应用于机械设备监测中。

（五）磁传感监测诊断技术

磁性传感监测法是目前比较常用的、先进的柴油机监测诊断技术。目前该方法主要应用于活塞环磨损监测，该法主要通过检测磁场的存在和大小，来间接判断活塞环的磨损状态。磁阻传感器是实现磁传感监测最重要的环节，它由四个铁磁合金带组成惠斯顿电桥，电源端通电后在电桥中有电流流过，同时存电桥上施加一个垂直电流方向的外加磁场，这会使二个相对放置的电阻器阻值增加，另外二个电阻器的阻值减小，这样就输出与磁场变化一致的电信号。将磁阻传感器安装在缸套上后，传感器内部的永久磁铁会磁化活塞环，随着活塞环的往复运动，传感器与活塞环之间磁场强度会呈现规律性的波动。当活塞环被磨损后，体积减小，其被磁化后产生的磁场会相应减少，这一变化会使外加磁场发生变化，从而被传感器感测，进而实现活塞环磨损识别。

三、常见故障诊断及排除原则

柴油机的故障通常是经过一部分现象体现出来的，直接影响到柴油机的正常运行，破坏柴油机的经济性、动力性与可靠性。为了很好地恢复柴油机自身的性能，延长其使用年限，一定要正确地进行诊断，并灵活地掌握有效的检查和处理办法来排除故障。柴油机经常见到的故障的检查和处理的原则：

（一）掌握柴油机的工作原理，熟悉机器机构的组成及部件的分布及作用，按照系统推理分析及诊断查找原因。

（二）检查的原则：从简单到困难，从容易到繁琐，先外面后里面，渐渐地深入。

（三）处理的原则：掌握数据，严格地控制零部件的质量，遵守操作技术规范，严格依照装配工艺要求进行零部件的装配，逐一排除故障。

所有现象通常是因为柴油在气缸里燃烧不正常带来的。影响柴油燃烧过程的因素有：柴油含水量、喷油提前角、机油牌号、转速、冷却强度、负荷、压缩比、喷油规律、喷油压力、空气涡流及其配气相位等多种因素，所以需要依据这些影响因素结合故障特点逐一的排查，找出故障的原因，将它排除。

四、结束语：综上所述，在实际的工作中，我们要熟练掌握柴油机故障的诊断技术，才能在柴油机突遇故障时，使用合理有效的方法进行故障的诊断工作，以便更好地来查出问题，并解决问题。我相信，只要我们在柴油机的故障诊断方面不断地进行研究，发现新的问题并及时解决，一定会将柴油机的故障发生频率降到最低。

参考文献：

[1]由丽媛.基于信息整合的柴油机故障诊断技术研究[J]. 大连海事大学,2012,05.

[2]柴艳有.基于核学习理论的船舶柴油机故障诊断研究[J]. 哈尔滨工程大学,2012,04.

[3]陈杰.基于支持向量机的柴油机故障诊断技术研究[D].武汉：武汉理工大学,2011.

[4]杨建国,周轶尘.内燃机振动监测与故障诊断[M].大连,大连海运学院出版社,1994.