摘要：發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車的心臟，其性能穩(wěn)定與否直接關(guān)系到汽車的安全和可靠性。隨著科技的不斷進(jìn)步，先進(jìn)傳感技術(shù)在汽車工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，為發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷與維修領(lǐng)域帶來了新的可能性。據(jù)此，基于先進(jìn)傳感技術(shù)深入研究了發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷與維修方法，以提高汽車維護(hù)效率、減少故障停車時(shí)間，并最終實(shí)現(xiàn)對汽車性能的優(yōu)化。研究結(jié)論可為提高汽車性能和維護(hù)效率，推動(dòng)汽車工業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展，以及構(gòu)建更加智能、可靠的汽車系統(tǒng)做貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：先進(jìn)傳感技術(shù)；發(fā)動(dòng)機(jī)；故障診斷；維修研究

中圖分類號：U467 收稿日期：2023-09-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.04.025

1 先進(jìn)傳感技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

先進(jìn)傳感技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用涵蓋了多個(gè)方面。先進(jìn)傳感技術(shù)用于監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，以確保最佳性能和燃油效率，傳感器可以檢測廢氣中的污染物，幫助確保車輛符合排放標(biāo)準(zhǔn)。先進(jìn)傳感技術(shù)與雷達(dá)、攝像頭等結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)巡航控制，根據(jù)前方交通狀況進(jìn)行速度調(diào)整，使用傳感器監(jiān)測車輛周圍，提供駕駛員在盲點(diǎn)區(qū)域的即時(shí)警告。利用雷達(dá)、攝像頭等傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛前方和周圍的交通狀況以避免碰撞，傳感器監(jiān)測車輛在車道內(nèi)的位置，提供警告或主動(dòng)干預(yù)，以保持車輛在正確的車道行駛激光雷達(dá)和攝像頭用于實(shí)時(shí)地圖構(gòu)建和環(huán)境感知，為自動(dòng)駕駛車輛提供對周圍環(huán)境的準(zhǔn)確認(rèn)知。慣性測量單元用于測量車輛的加速度、角速度等，提供精確的導(dǎo)航和定位信息。輕量化監(jiān)測利用傳感器監(jiān)測車輛結(jié)構(gòu)，幫助設(shè)計(jì)更輕量化的汽車結(jié)構(gòu)，提高燃油效率，智能能源管理通過傳感技術(shù)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)車輛的能源利用，降低能耗和排放［1］。

2 先進(jìn)傳感技術(shù)

2.1 傳感技術(shù)的特點(diǎn)

傳感技術(shù)是一種通過感知物理量或化學(xué)量，并將其轉(zhuǎn)換成可測量信號的技術(shù)，其主要作用是實(shí)現(xiàn)對環(huán)境、設(shè)備或系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測，為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、控制和決策提供支持。傳感技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中都有重要的應(yīng)用，如工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測、交通運(yùn)輸?shù)?，通過感知和反饋信息，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)的智能化管理。

先進(jìn)傳感技術(shù)具有高度的測量精度，能夠提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)反饋，傳感技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)感知環(huán)境或系統(tǒng)的變化，滿足對實(shí)時(shí)信息的需求。先進(jìn)傳感技術(shù)具備較強(qiáng)的抗干擾能力，能在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，傳感技術(shù)可以針對不同的應(yīng)用需求進(jìn)行定制，具有較強(qiáng)的多功能性［2］。

2.2 先進(jìn)傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢

先進(jìn)傳感技術(shù)是相對于傳統(tǒng)傳感技術(shù)而言的一種創(chuàng)新型技術(shù)，其主要特征包括更高的靈敏度、更廣泛的應(yīng)用范圍、更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理能力以及更強(qiáng)大的互聯(lián)性，這種技術(shù)不僅強(qiáng)調(diào)對物理量的高度準(zhǔn)確測量，還注重對數(shù)據(jù)的智能分析和實(shí)時(shí)應(yīng)用。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，新材料的引入對傳感技術(shù)的性能提升起到了關(guān)鍵作用，納米材料的應(yīng)用使得傳感器具有更高的敏感性和更小的尺寸，同時(shí)，柔性材料的采用使得傳感器能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境形態(tài)，進(jìn)一步擴(kuò)展了傳感技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

未來的先進(jìn)傳感技術(shù)將更加智能化和互聯(lián)，通過嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器將更加集成和智能，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的自適應(yīng)調(diào)整，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及將使得傳感技術(shù)不僅僅是數(shù)據(jù)的收集者，還能通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、共享和協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的智能監(jiān)控和控制。先進(jìn)傳感技術(shù)與大數(shù)據(jù)和人工智能的整合是未來的發(fā)展趨勢之一，通過將傳感器產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)與先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對大量信息的深度挖掘和智能分析。

人工智能算法的運(yùn)用使得系統(tǒng)能夠?qū)W習(xí)、適應(yīng)和優(yōu)化，為傳感技術(shù)的智能化水平提供了新的可能性，這種整合不僅能夠提高傳感技術(shù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，還能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供更高級別的自主決策能力。

2.3 先進(jìn)傳感技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測中的優(yōu)勢

a.實(shí)時(shí)監(jiān)測能力。實(shí)時(shí)監(jiān)測能力是先進(jìn)傳感技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測中的優(yōu)勢之一。通過高靈敏度和高頻率的數(shù)據(jù)采集，傳感器能夠即時(shí)捕捉到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的微小變化，這能使系統(tǒng)對發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)性能變化做出及時(shí)響應(yīng)，從而有效地預(yù)防可能的故障和損壞。

b.多參數(shù)測量。先進(jìn)傳感技術(shù)具備在同一時(shí)間內(nèi)對多個(gè)參數(shù)進(jìn)行精確測量的能力，傳感器的多功能性可以同時(shí)監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度、壓力、振動(dòng)等多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，為工程師提供了更全面的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)信息。

c.抗干擾性和穩(wěn)定性。先進(jìn)傳感技術(shù)在面對噪聲和環(huán)境干擾時(shí)具有更強(qiáng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。傳感器的設(shè)計(jì)和算法能夠有效地隔離和抵消來自外部環(huán)境的影響，確保監(jiān)測結(jié)果的可靠性，這樣就保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。

d.預(yù)測性維護(hù)的支持。通過對歷史數(shù)據(jù)的深度分析和對發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，先進(jìn)傳感技術(shù)能夠識別潛在問題的跡象，并提前發(fā)出警報(bào)。這種預(yù)測性維護(hù)支持使得工程師能夠采取及時(shí)的措施，最大程度地減少停機(jī)時(shí)間，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和效率。

3 基于先進(jìn)傳感技術(shù)的新型故障診斷方法

表1所示為發(fā)動(dòng)機(jī)性能數(shù)據(jù)。該表可以用于記錄不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)性能的變化，可依此分析發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，并進(jìn)行故障診斷和性能優(yōu)化［3］。

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理

在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位布置先進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，以全面監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。溫度傳感器部署在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等關(guān)鍵部位，實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度變化。壓力傳感器安裝在燃燒室、油路、氣道等位置，實(shí)時(shí)測量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部壓力。振動(dòng)傳感器放置在發(fā)動(dòng)機(jī)底座、軸承等區(qū)域，檢測機(jī)械振動(dòng)情況。流量傳感器用于監(jiān)測液體或氣體的流動(dòng)情況，安裝在燃油、冷卻液等管道上。通過傳感器網(wǎng)絡(luò)涵蓋了多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，為全面獲取發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行信息奠定基礎(chǔ)。利用先進(jìn)傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。高頻率數(shù)據(jù)采集以較高的頻率采集數(shù)據(jù)，確保對發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的快速響應(yīng)。多參數(shù)同時(shí)采集同時(shí)獲取溫度、壓力、振動(dòng)等多個(gè)參數(shù)，提供更全面的運(yùn)行狀態(tài)信息。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸利用高效的通信技術(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)處理單元。通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)能夠及時(shí)獲取發(fā)動(dòng)機(jī)各部分的運(yùn)行狀態(tài)，為后續(xù)故障診斷提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析之前，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理是至關(guān)重要的步驟。數(shù)據(jù)清洗可以剔除采集到的異常值或錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度。去噪處理通過應(yīng)用信號處理技術(shù)，去除因傳感器誤差、干擾或機(jī)械振動(dòng)引起的噪音。

3.2 特征提取與選擇

時(shí)頻特征提取是將時(shí)域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，通過提取頻譜信息，捕捉不同頻率下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的特征。小波變換用于同時(shí)獲得時(shí)域和頻域信息，能夠更好地捕捉信號的瞬時(shí)特性，適用于處理非平穩(wěn)信號，如發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的瞬變情況。均值、標(biāo)準(zhǔn)差通過描述數(shù)據(jù)集的中心位置和離散度，對于監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性具有重要意義。偏度、峰度通過提供關(guān)于數(shù)據(jù)分布形狀的信息，有助于發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的非正常模式或異常情況。

時(shí)序特征是基于時(shí)間序列數(shù)據(jù)提取趨勢、周期性等信息，用于檢測發(fā)動(dòng)機(jī)性能的長期演變。相關(guān)系數(shù)分析通過計(jì)算特征與目標(biāo)變量之間的相關(guān)性，篩選出與故障診斷有關(guān)的重要特征，用方差閾值法剔除方差較小的特征，減少冗余信息保留更具區(qū)分性的特征。遞歸特征消除采用逐步減少特征的方式，通過模型性能評估選擇最具有判別性的特征。利用決策樹、隨機(jī)森林等模型，評估各特征的重要性，保留對故障診斷有貢獻(xiàn)的特征。

3.3 故障診斷算法

支持向量機(jī)通過建立超平面來實(shí)現(xiàn)對不同類別的故障模式進(jìn)行分類，適用于小樣本、高維度數(shù)據(jù)的分類問題。決策樹利用樹狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，通過一系列的決策節(jié)點(diǎn)逐步判斷樣本所屬類別，易于解釋和理解。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是建立多層神經(jīng)元之間的連接，通過訓(xùn)練學(xué)習(xí)發(fā)動(dòng)機(jī)故障模式的復(fù)雜關(guān)系，對大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理。構(gòu)建多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過多個(gè)隱含層進(jìn)行非線性映射，適用于處理大規(guī)模、高度非線性的數(shù)據(jù)，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專注于處理空間關(guān)系，通過卷積層、池化層等提取數(shù)據(jù)的局部特征，對圖像類數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

集成學(xué)習(xí)結(jié)合多個(gè)獨(dú)立模型的決策，形成一個(gè)更具魯棒性和準(zhǔn)確性的整體模型，投票方法將多個(gè)模型的輸出進(jìn)行投票，最終輸出得票最多的類別，可降低單一模型的錯(cuò)誤率。增量學(xué)習(xí)是利用新獲取的數(shù)據(jù)不斷更新模型，使系統(tǒng)能夠適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化，保持診斷模型的實(shí)時(shí)性。自適應(yīng)學(xué)習(xí)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整模型參數(shù)，使系統(tǒng)能夠主動(dòng)適應(yīng)不斷變化的工況，提高長期監(jiān)測和診斷效果。

4 先進(jìn)傳感技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)維修中的應(yīng)用

表2所示為發(fā)動(dòng)機(jī)故障率統(tǒng)計(jì)。該表有助于發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)不同部分的故障分布情況，為維修和改進(jìn)提供指導(dǎo)［4］。

4.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測應(yīng)用

a.故障早期預(yù)警。通過先進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)故障早期預(yù)警。傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，并基于歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，分析參數(shù)的變化趨勢，判斷是否存在故障。當(dāng)監(jiān)測到異常情況或趨勢與歷史數(shù)據(jù)不符時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)發(fā)出告警通知。

b.運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，系統(tǒng)提供及時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)反饋。將實(shí)時(shí)采集到的各項(xiàng)參數(shù)以圖形化或數(shù)值化方式顯示給維修人員，使其能夠直觀地了解發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。利用先進(jìn)傳感技術(shù)，維修人員可以通過遠(yuǎn)程方式監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況，通過提供歷史運(yùn)行趨勢圖表，使維修人員能夠追蹤發(fā)動(dòng)機(jī)性能的演變，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題。

c.異常模式識別。利用先進(jìn)傳感技術(shù)采集的數(shù)據(jù)，通過故障診斷算法實(shí)時(shí)識別發(fā)動(dòng)機(jī)的異常模式，利用機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)算法，對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，識別與正常運(yùn)行模式不符的特征，從而判斷是否存在異常。當(dāng)系統(tǒng)檢測到異常模式時(shí)，自動(dòng)生成實(shí)時(shí)診斷報(bào)告，詳細(xì)描述發(fā)動(dòng)機(jī)可能存在的問題，輔助維修人員快速定位故障，同時(shí)為維修人員提供維修建議和決策支持。

4.2 預(yù)防性維護(hù)

a.壽命預(yù)測。通過先進(jìn)傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件壽命的預(yù)測。傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的工作狀態(tài)，收集大量歷史數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過分析這些數(shù)據(jù)來評估各部件的健康狀況。利用機(jī)器學(xué)習(xí)或統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建立壽命預(yù)測模型，通過關(guān)聯(lián)工作狀態(tài)和歷史壽命數(shù)據(jù)，預(yù)測各部件的剩余壽命。一旦系統(tǒng)檢測到某個(gè)部件的剩余壽命達(dá)到預(yù)定的閾值，即時(shí)發(fā)出提醒，通知維修人員計(jì)劃相關(guān)維護(hù)工作。

b.優(yōu)化維護(hù)計(jì)劃。通過傳感器數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)可以為發(fā)動(dòng)機(jī)制定更加個(gè)性化和精準(zhǔn)的維護(hù)計(jì)劃。根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境，以減緩部件的磨損速度，延長使用壽命?；诎l(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前狀況和工作負(fù)荷，系統(tǒng)制定個(gè)性化的維護(hù)策略，確保維護(hù)工作在最佳時(shí)機(jī)進(jìn)行，通過數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可以提前識別出可能故障的零部件，并在壽命末期之前進(jìn)行預(yù)防性更換，降低發(fā)生突發(fā)故障的風(fēng)險(xiǎn)。

c.資源優(yōu)化。實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析可以優(yōu)化零部件更替策略，通過分析傳感器數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以判斷零部件的實(shí)際磨損情況，避免不必要的更替，減少維修成本?；趯?shí)時(shí)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以進(jìn)行成本效益分析，優(yōu)化零部件更替計(jì)劃，確保在維護(hù)成本和系統(tǒng)性能之間取得平衡。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測，系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)零部件磨損的實(shí)際情況，采取措施延長零部件的使用壽命，減少更替頻率。

5 結(jié)語

本文通過綜合應(yīng)用先進(jìn)傳感技術(shù)，為發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、故障診斷和預(yù)防性維護(hù)提供了一種全面、智能的解決方案，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能、降低維護(hù)成本提供了新的思路和方法。然而，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，仍然存在一些挑戰(zhàn)和待解決的問題，需要進(jìn)一步深入研究和改進(jìn)。

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作者簡介：

張文瀚，男，1996年生，汽車維修助理講師，研究方向?yàn)槠嚢l(fā)動(dòng)機(jī)。