基于故障树分析法诊断汽车发动机水温过高的故障.docx

基于故障树分析法诊断汽车发动机水温过高的故障.docx

《基于故障树分析法诊断汽车发动机水温过高的故障.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于故障树分析法诊断汽车发动机水温过高的故障.docx（29页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

基于故障树分析法诊断汽车发动机水温过高的故障

基于故障树分析法诊断汽车发动机水温过高的故障

摘要：

发动机作为汽车动力的来源，是汽车的核心部件，要想发动机能稳定的工作就需要给发动机提供一个良好的工作环境，而作为发动机五大系统中的冷却系统就是保障发动机在一个良好的温度环境中，是发动机能维持正常稳定的工作必不可少的。

一旦冷却系统出现故障将会导致发动机无法正常工作，甚至有可能会造成整个发动机报废，所以对发动机冷却系统故障的分析诊断是非常有必要的。

由于现在的发动机控制系统越来多，其结构也越来越复杂。

传统的故障检测方法对于发动机的检测已经显得有些力不从心了，而且效率低下费时费工。

随着故障树分析法的发展在汽车领域的运用已经相当广泛，特别针对像发动机这样的复杂系统是非常有效的。

因此本文将故障树分析法引入到发动机冷却系统故障中分析诊断与排除中。

本文基于故障树分析法的理论对可能造成发动机冷却液温度过高的故障进行分析研究，找出可能造成发动机冷却液温度过高的所有故障模式。

关键词：

冷却系统；故障树；故障分析诊断；最小割集

FaultDiagnosisBasedonFaultTreeAnalysisforExcessiveWaterTemperatureofAutomotiveEngines

Abstract:

Asthesourceofautomotivepower,theengineisthecorecomponentoftheautomobile.Tomaketheengineworkstably,itisnecessarytoprovideagoodworkingenvironmentfortheengine.Asthecoolingsysteminthefivemajorenginesoftheengine,theengineisguaranteedtobeinagoodtemperatureenvironment.Itisessentialfortheenginetomaintainnormalstability.Oncethecoolingsystemfails,theenginewillnotworkproperly,andeventhewholeenginewillbescrapped.Therefore,itisverynecessarytoanalyzeanddiagnosethefailureoftheenginecoolingsystem.Duetotheincreasingnumberofenginecontrolsystemsnowadays,theirstructureisbecomingmoreandmorecomplicated.Thetraditionalfaultdetectionmethodhasbecomesomewhatineffectiveforthedetectionoftheengine,andtheinefficiencyistime-consumingandlabor-consuming.Withthedevelopmentoffaulttreeanalysis,theapplicationintheautomotivefieldhasbecomequiteextensive,anditisparticularlyeffectiveforacomplexsystemsuchasanengine.Therefore,thefaulttreeanalysismethodisintroducedintotheanalysis,diagnosisandeliminationofenginecoolingsystemfaults.Basedonthetheoryoffaulttreeanalysis,thispaperanalyzesthefaultsthatmaycausetheenginecoolanttemperaturetobetoohigh,andfindoutallfaultmodesthatmaycausetheenginecoolanttemperaturetobetoohigh.

Keywords：

CoolingSystem;FaultTree;FaultAnalysisandDiagnosis;MinimalCutSet

1绪论

1.1研究的背景和意义

随着科技的发展和人们生活水平的提高，汽车如今已成为人们出行的一大重要交通工具，人们在不断追求汽车动力性、舒适性、经济性等性能的同时也推动了汽车工业的不断发展。

而发动机作为汽车的核心部件，它的好坏直接影响人们对整部车的主观评价。

但发动机能否正常运转也需要发动机上的各大系统的密切配合给发动机提供一个良好的工作环境使之能正常稳定的工作，而作为发动机五大系统之一的冷却系统就是为发动机能正常工作提供相应的温度环境，一旦发动机冷却系统出现故障将会导致发动机无法正常工作，甚至会给发动机带来灾难性的后果。

目前，据初步统计中国的汽车保有量已经达到2.17亿辆，如此庞大的数目还在不断的增长，这也使得汽车后市场工作量不断增加[1]。

为了提高发动机各方面的性能，各种高新科技技术在汽车发动机上的运用也越来越多，自动化程度越来越高，这也增加了发动机的复杂程度，使得发动机的维修工作日益复杂，对维修作业人员的技术要求也越来越高，维修人员也需要花更多的时间进行相关的培训，因此使得汽车后市场的保障越来越困难。

过去凭经验用眼观、耳听、手摸、鼻闻的方法已经不再适用于现在的汽车，要想快速有效的分析出故障原因，找到一种正确合理的故障分析方法是非常有必要的。

而故障树分析法是对复杂的系统进行安全性和可靠性进行分析的一种逻辑演绎方法，已经广泛在汽车、计算机、机械等领域运用。

故障树分析法能快速、准确、有效的分析出系统中可能造成故障的原因和对可能导致系统故障的原因进行预测，大幅度提高了人们对复杂系统进行故障分析的效率，也使得人么在分析故障时少走弯路提高工作效率[2]。

1.2故障树的发展与研究现状

故障树分析法在实际工作中对故障的分析已经日益成熟，且应用得比较广泛，随着计算机技术的发展和成熟，故障树分析法已经从实验室里走出来，结合计算机技术故障树分析法已经朝着专家系统、人工智能、商品化等方向发展，目前故障树分析法在汽车、计算机、机械等领域广泛应用，还具有更广阔的市场空间[3]。

1961-1962年，美国贝尔电话研究所的沃森（Watson）和默恩斯（Mearns）在民兵式导弹发射控制系统设计中，首先使用故障树分析法对导弹发射随机失效成功地作出了预测。

其后，波音公司哈斯尔（Hassl）、舒劳德（Schroder）、杰克森（Jackson）等人研制出故障树分析法计算机程序，使飞机的设计有了重要的改进。

故障树分析法进入了以波音公司为中心的宇航领域[4]。

1974年美国原子能委员会发表了麻省理工学院拉斯穆森（Rasmussen）为首的安全小组所写的“商用轻水堆核电站审核危险性评价”报告，该报告所采用的就是美国国家航空和管理部在六十年代发展起来的事件树（EventTree）和故障树分析法，分析了核电站可能发生的全部事故，肯定了核电站的安全性。

这一报告的发表在各方面引起了很大的反响，并使故障树分析法从宇航、核能推广到了电子、化工和机械等工业部门。

对于FTA的研究目前主要有四个方向：

故障树分析法的集成化、计算机辅助故障树分析、模糊故障树分析法、基于故障树分析的故障诊断专家系统[5]。

1.3本文研究的主要内容以及结构安排

本文主要用故障树分析法对发动机冷却系统故障进行分析，找出可能导致发动机冷却液温度过高的所有故障模式，并对其进行定性分析。

其具体的结构和内容安排如下：

第一章：

主要阐述了本文的研究背景和意义其次是故障树的发展与研究现状。

第二章：

对发动机冷却系统进行概述，主要包括冷却系统的作用、工作原理、组成部件及作用、冷却系统故障对发动机的危害，然后对常用的故障诊断分析方法进行简单介绍。

第三章：

对故障树分析方法理论概述，包括故障树的常用术语及符号、建造故障树的一般步骤，以及对故障树定性分析的阐述。

第四章：

针对发动机冷却液温度过高的故障进行故障树的建立与分析，计算最小割集与最小径集，找出可能导致冷却系统温度过高的基本原因和故障模式。

第五章：

发动机冷却系统水温过高的案例分析。

2发动机冷却系统故障分析诊断及排除理论概述

2.1发动机冷却系统

发动机由曲柄连杆机构、配气机构、润滑系统、点火系统、冷却系统、启动系统、燃料供给系统组成，对于汽油发动机来说这两大机构五大系统能否良好的工作直接影响着发动机的整体性能，其中任何一个机构或系统出现故障都会导致发动机无法正常工作。

作为汽车发动机五大系统之一的冷却系统就是为了保障发动机所有工况都在合适的温度范围内，既要防止发动机过热，也要避免发动机过冷，为发动机维持正常稳定的运转提供一个良好的温度环境。

在发动机刚启动时，由于发动机温度过低会对发动机造成一定的危害，这是就需要开启小循环对发动机进行升温。

当发动机正常工作时可燃混合气在气缸中燃烧，发动机的最高燃烧温度可以达到2500℃，此时发动机冷却系统开启大循环给发动机降温[6]。

一旦发动机冷却系统出现故障，将导致发动机无法正常运行，更严重甚至可能导致发动机报废。

发动机冷却系统由冷却液、散热器、副水箱、冷却风扇、水泵、节温器、大小循环水管、水温传感器，水套等组成。

冷却系统各组成部件作用如下表2-1所示。

表2-1冷却系统各部件作用

组成部件作用

冷却液水与防冻剂的混合物，是冷却系统中的冷却介质

散热器（主水箱）冷却经发动机流出的高温冷却液

副水箱（回水壶）储存冷却液、为冷却系统补给冷却液、消除气泡

冷却风扇置于散热器后面将空气经散热器吸入加快冷却液冷却速度

水泵把冷却液加压泵入缸体冷却发动机

节温器控制冷却系统大循环与小循环

大小循环水管输送冷却液

水温传感器检测冷却液温度

水套把发动机热量传递给冷却液，由冷却液带出

发动机的正常工作温度为80℃～95℃，当发动机刚启动时发动机温度较低，此时冷却系统需要提高发动机的温度使其达到的正常工作温度，冷却系统只进行小循环，节温器主阀门关闭，水泵在曲轴的带动下把冷却液加压泵入缸体经水套至气缸盖，然后从气缸盖的出水口流出经水温传感器由小循环水管导回水泵在重复循环。

当冷却水温度达到95℃，此时冷却系统进行大循环，节温器石蜡腔里面的石蜡受高温融化，节温器主阀门打开，水泵把主水箱里面的冷却液吸过来加压泵入缸体，经缸体水套流入气缸盖水道然后从气缸盖出水口流出，经水温传感器由大循环水管流回主水箱进行散热，此时散热风扇旋转。

工作原理如图2-1所示。

图2-1发动机冷却系统

2.2冷却系统故障对发动机的影响

冷却系统出现故障将不再保障发动机正常运转所需要的温度环境，将导致发动启动后温升过慢或是引起发动机温度过高。

发动机温度过高和过低的危害有以下几点：

2.2.1发动机温度过低的危害

1　如果发动机温度过低，润滑油的温度也会随之降低，润滑油的粘度会增加导致润滑油流动性变差，不能及时到达摩擦副表面，导致机械零件的磨损间隙增大。

2　由于发动机温度过低，可燃混合气在气缸中燃烧后产生的水蒸气便会凝结成液态，这些液态的水和燃烧过后废气中的NOX、HNX、SOX等发生化学反应形成腐蚀性液体，这些腐蚀性液体会粘附在汽缸壁上，从而腐蚀气缸壁。

3　发动机温度过低可燃混合气就不能很好的形成，也会导致混合气点燃困难或燃烧缓慢，使发动机的功率下降油耗增高。

4　由于温度过低燃油不能形成良好的雾化气，这些未雾化呈液滴状的燃油对气缸表面进行冲刷破坏油膜，使得机械零件磨损增加。

这些液状的燃油进入下曲轴稀释润滑油导致润滑油变质不易形成油膜。

5　温度过低还会导致一些零件不能膨胀到应有的尺寸比如活塞与活塞环，造成密封不良发动机启动困难。

2.2.2发动机温度过高的危害

1　温度过高使得润滑油粘度下降导致润滑油压力不足，加快机件的磨损。

由于润滑油粘度不足将会窜入燃烧室燃烧，导致润滑油被消耗和积碳的产生。

2　各机件由于高温而膨胀导致间隙变小，使得各机件磨损增加或是卡死不能正常工作。

3　由于温度过高使空气膨胀进入气缸的空气将会减少，使发动机的功率下降油耗增加，过高的温度还会导致发动机爆燃。

4　零件受到过高的问会使零部件的力学性能发生改变，导致零件变形或损坏。

2.3常见的故障诊断分析方法

由于发动机集机械与电子控制系统与一身，所以发动机是一种结构比较复杂的典型机电设备。

发动机在工作时需要承受高温、高压、摩擦、腐蚀等一系列恶劣的条件，导致发动机容易发生各类故障，据统计发动机故障占全车故障的40％以上，想要及时了解发动机的运行状态和运行参数，就需要借助发动机故障诊断分析技术或是各种诊断分析仪器。

故障诊断分析是在发动机不解体的前提下，依靠发动机上的各种传感器或仪器收集各种参数，然后对这些参数进行分析计算，找出发动机当前故障或潜在故障，并根据计算结果查明故障的原因的位置，并提出一些处理方法和预防措施。

专家系统诊断方法

专家系统诊断方法，先由发动机上的各类传感器收集各种参数，再把这些参数传递给计算机，计算机对其运用各种规则进行分析计算，然后对分析计算出的结果进行推理，必要时还可以借助其它应用程序，在分析故障过程中向客服索取一些重要的信息后，就能快速找到故障发生的原因或是最可能造成故障的原因，再由客服来验证。

这种方法目前在国内外已经运用得相当广泛[7]。

专家系统诊断方法过程如图2-2所示.

图2-2专家系统流程图

仪器检测诊断法

仪器检测诊断法就是利用各种检测仪器和设备测取发动机的各种运行参数，通过对这些参数的分析来判断发动机的运行状况。

目前用于汽车的检测仪器有：

万用表、压力表、真空表、油压表、流量计、示波器和气体分析仪等。

这些仪器为故障诊断提供了可靠的数据，可以进行定量的分析。

发动机自诊断系统

现在的汽车都装有发动机自诊断系统（OBD）,当发动机出现电路故障时传感器将检测到的信号传输给ECU，ECU将这些信号经过分析计算后以故障码的形式储存在电脑中或是控制仪表盘上相应的故障灯点亮，人们通过仪表盘上的故障灯能准确判断故障的原因。

当一些故障不能直观的通过仪表盘反应出来的时候，就需要人们通过解码仪连接ECU扫描当中储存的故障码，通过分析这些故障码就能知道是什么故障，可以进一步查找故障产生的原因。

但这种自诊断系统只能检测发动机电路故障，并不能对械故障进行检测。

3故障树分析法概述

故障树简称FTA（FaultTreeAnalysis），由美国贝尔电报公司的电话实验室于开发于1961开发，是一种把系统中的故障以图表的形式从上往下分层逐步展开，最后找出导致故障发生的各种因素，这种方法能把系统中内部或者外部可能造成故障的因素系统化的分析出来，包括硬件、软件、人为、环境等因素，故障树是从系统到部件再到零件逐步展开的演绎分析方法[8]。

故障树分析方法是一种有着严密逻辑的过程分析方法，它对系统故障既可以做出定性分析也可以做出定量分析，不仅可以分析由单一构件所引起的系统故障，而且也可以分析多个构件不同模式故障而产生的系统故障情况，它从系统开始，通过由逻辑符号绘制出的一个逐渐展开成树状的分枝图，来分析故障事件（又称顶端事件）发生的概率。

3.1故障树的逻辑符号及相关术语

故障树是一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图，它用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各种事件之间的因果关系。

逻辑门的输入事件是输出事件的"因"，逻辑门的输出事件是输入事件的"果"。

由于故障树分析法是一种图形演绎法，因而在建造故障树时需要一些事件符号和表示逻辑关系的门符号，用来表示事件之间的逻辑关系和因果关系[9]。

故障树中所用的基本符号有两类：

事件和逻辑门如表3-1和表3-2所示。

表3-1事件符号

名称

符号

说明

顶事件

在故障树顶端，顶事件是系统中人们最不希望发生的事。

中间事件

位于顶事件和底事件之间的结果事件，表示还需要进一步展开分析。

底事件或基本事件

在故障树最底端，表示引起系统中顶事件的最小因数，不需要再进一步展开分析的事件，作为逻辑门的输入。

未展开事件

表示一些有可能出现的故障，而出现这些故障几率很小或者对此系统而言不需要再进一步分析的故障事件。

条件事件

代表条件事件，表示施加于任何逻辑门的条件或限制。

表3-2逻辑符号

名称

符号

说明

与门

当输入事件都发生时，门的输出事件E才发生

或门

当输入事件至少有一个事件发生时，门的输出事件才发生

非门

输出事件是输入事件的对立事件

表决门

仅当n个输入事件中有K个以上事件发生时，门的输出事件才发生

异或门

仅当单个输入事件发生时，输出事件才发生

禁门

当禁门的条件事件存在时，输入禁门的事件同时发生才会导致禁门的输出事件发生

3.2故障树分析的一般步骤

故障树分析法是把系统中不希望发生的事件作为顶事件展开分析，找出可能导致这一事件所有的因素作为中间事件，并由这些可能导致顶端事件发生的中间事件进一步以逻辑关系图的形式展开分析，最终找到导致顶端事件发生的根本因数为止，这些可能导致顶端事件的最小因数被称为基本事件[10]。

故障树分析法的步骤如图3-1所示。

图3-1故障树分析流程图

在建立故障树之前应该对整个系统进行结构、工作原理、功能、故障现象、故障状态和可能导致故障的因素等进行全面深入的了解，并对该系统进行相关资料的收集整理，这是建立故障树的基础工作。

在收集分析系统故障时应尽量做到全面深入，这有助于我们对该系统故障树分析边界的确定，确定应分析到哪一层为止，以免遗漏可能导致顶端事件的基本事件[11]。

可能引起故障的因数是多种多样的，根据一个顶端事件编制一颗故障树的原则，我们在选取顶端事件时，应该确定对该系统的研究范围，并对该研究范围内的故障进行分类，然后可以根据分类标准建立不同的故障树。

确定了顶端事件之后，我们可以就顶端事件进行展开逐级分层分析，找出可能导致顶端事件的直接因素。

并用故障树的符号把每层事件和逻辑关系表达出来，直到分析到各类基本事件为止。

然后对所建的故障树进行简化，简化从故障树的基本事件开始，逐级写出相邻上下两级的逻辑关系式，直到顶端事件为止[12]。

把重合的事件进行合并，最后运用逻辑计算法进行分析运算，将不同的的事件用因果关系进行组合。

3.3故障树定性分析

故障树定性分析主要包括以下三点：

（1）首先找出导致系统最不希望发生的事件即顶端事件的最小因数，方便又针对性的提出防止顶端事件发生的措施。

（2）分析出哪些基本事件更容易造成顶端事件的发生。

（3）找出对系统故障影响更大的最小因数。

通过建造事故树，找出了导致系统故障的全部最小因数，然后通过计算分析出底端事件的最小割集和最小径集，最后通过分析确定底端事件的重要度[13]。

3.3.1最小割集

如果故障树中的底端事件全部发生，则系统故障就必然会发生。

但是很多时候系统故障的发生，并不代表底端事件一定就会发生，发生系统故障也有可能是几个底端事件同时发生造成的。

我们把这些同时发生的底端事件组合在一起，这个集合就叫故障树的割集[14]。

换而言之，就是如果割集中的底端事件发生，则系统故障必然会发生。

我们把割集中能导致系统故障的最小底端事件集合，即底端事件中任一一个事件不发生，则系统故障就不会发生的割集称为最小割集，顶端事件发生的路径可以用最小割集表示。

3.3.2最小径集

故障树中的所有底端事件都没有发生，则系统故障必然不会发生。

如果底端事件中的某些组合不发生，则系统故障也不会发生。

我们把这些不会导致系统故障发生的最小底端事件集合叫做径集[15]。

径集中任何一个底端事不发生，则系统故障就不会发生的径集称为最小径集。

最小径集可以使我们针对不同的底端事件采取相应的措施来避免系统故障的发生。

3.4布尔代数规则

故障树的建造是对故障树进行分析的基础，因为故障树中各事件之间是通过逻辑关系来连接的，要想把这些逻辑关系描述出来只能依靠布尔代数。

布尔代数中的逻辑运算主要有逻辑积运算及逻辑和运算，在故障树中与门对应的是逻辑积运算，或门对应的是逻辑和运算[16]。

利用布尔代数法则把故障树化简后，可以得到最小割集合，其表达式如表3-3所示。

表3-3布尔代数表达式

名称

数学符号

工程符号

交换律

结合律

分配律

幂等律

吸收律

3.5下行法

从故障树的底事件开始,自下而上逐层地进行事件集合运算,将“或门”输出事件用输入事件的布尔和代替,将“与门”输出事件用输入事件的布尔积代替[17]。

在逐层代入过程中,按照布尔代数吸收规律和等幂律来简化,最后将顶事件表示成底事件的积之和的最简形式,其中每一积项对应于故障树的一个最小割集,全部积项就是故障树的所有最小割集。

下行法根据故障树的实际结构,从顶事件开始,逐级向下寻查,找出割集。

规则是遇到“与门”增加割集阶数割集所含底事件数目,遇到“或门”增加割集个数[18]。

具体方法是由顶事件开始,由上到下,顺次把上级事件置换为下一级事件,遇到与门将输入事件横向并列写出,遇到或门将输入事件竖向串联写出,直到把全部的逻辑门都置换为底事件的集合组成的为止,此时最后一列的每一行都是故障树的割集,再通过割集之间的比较,进行合并消元,最终得到故障树的全部最小割集。

4发动机冷却水温度过高的故障树建立与分析

发动机冷却系统作为发动机五大系统中一个非常重要的系统，为发动机维持正常运转提供一个良好的工作环境，一旦冷却系统出了故障将会致使发动机温度过高而给发动机带来灾难性的后果。

我们以系统最不希望发生的发动机冷却液温度过高作为顶端事件，然后分析出造成冷却液温度过高的直接或间接因数作为中间事件，然后在对中间事件进行分析找出可能会造成发动机冷却液温度过高的最小因数作为基本事件。

经查找资料和经验分析出造成冷却液温度过高的中间事件主要包括冷却系统故障、发动机工作不良、发动机机械故障、长时间异常行驶，故障树如图4-1所示。

图4-1冷却水温过高

4.1冷却系统故障分析

导致发动机水温过高的冷却系统故障主要可能有冷却水因为温度过低而结冰、冷却水不足、冷却液在冷却系统中循环不良、冷却系统散热差、水温表出现故障，其中任何一个故障的出现都将会导致发动机冷却液温度过高，下面以故障树的形式具体来展开分析，如图4-2所示，找出导致故障的最小因数以及最小故障模式。

图4-2冷却系统故障

T.冷却水温过高M1.冷却水不足M2.冷却水循环不良M3.冷却系统散热差M4.水温表故障M5.冷却水被消耗M6.冷却水不循环M7.水道水垢过厚M8.散热器故障M9.风扇故障M10.水泵故障M11.水箱盖漏水X1.冷却水结冰不循环X2.冷却水未加够X3.散热器漏水X4.水管漏水X5.水封损坏X6.水泵轴间隙过大X7.水箱盖未拧紧X8