振动异响振动案例 | 本田思域怠速时发动机异响

虽然未来可能是“电动”的，但内燃机（ICE）在永远消失之前还有很多年。但是，我确信它永远不会。从目前的立法来看，到2030年，传统的汽油和柴油汽车/货车将被禁止销售，插电式混合动力车将延长到2035年。（二手车将不受禁令的影响）。

 

如果我们对上述内容进行数学计算，到2035年，ICE将继续出现在各种车辆中，以及可以追溯到1886年的众多车辆。不用说，这是很多具有诊断和故障潜力的引擎。以下案例研究着眼于PicoScope和NVH软件在处理典型发动机噪音和间接故障时的应用。

---

顾客描述

客户报告说，燃油油位低时车辆无法启动！呼叫了故障服务，添加了燃料并启动了发动机。第二天，发动机无法再次启动，因此车辆被迅速到车库进行诊断。

---

技术描述

验证客户投诉是诊断过程中必不可少的步骤，但这通常是一项耗时的任务，但没有成功。在这种情况下，我们验证了客户的投诉，因为发动机会启动，但即使仪表板上显示足够的燃油油位也无法启动。

 

随着全开油门的持续启动，发动机最终会启动。它在怠速下运行不均匀，并伴有嘎嘎声、排气中的硫磺味以及超过2100rpm的自由转速失败。使发动机达到2100rpm需要踩下油门踏板。然而，发动机发出的嘎嘎声会在1500rpm以上得到改善。注意：在起动过程中，发动机正时会显得过于超前，瞬间费力起动并通过进气口“爆裂”。

---

诊断

在核实客户的投诉后，我们确认了车辆的ID和规格。在诊断方面，确认规格至关重要。客户经常倾向于使用时尚配件来改装他们的车辆，这些配件缺乏针对车辆的基本质量控制和工程设计。客户确认未安装此类附件。

 

客户访谈遵循四个有针对性的开放问题原则，从虚构中确定事实：

1.问题明显多久了？

 在最初调用故障服务之前，以前没有非启动事件或发动机运行问题的经验。

 2.您是什么时候第一次注意到这个问题的？

 症状在两天内发生了两次，使车辆无法动弹，第二次需要恢复到车库。

 3.最近是否对车辆进行了任何工作？

 不。这辆车是最近购买的，没有以前的历史。

 4.您什么时候遇到问题？

 尝试启动车辆时，一旦启动，发动机将继续运行。

 

很多时候，客户访谈会导致“可能”的诊断，而我在这里的想法是机械发动机正时问题，基于缺乏车辆历史、高里程数以及发动机在怠速时发出的嘎嘎声伴随着通过进气口弹出。

在基本检查中，我们确认没有液体泄漏，软管、连接和线束没有明显的损坏迹象，也没有发现最喜欢的迹象;事故修复。

对所有车载控制单元的车辆扫描显示，空调ECU中仅存储了三个故障代码，并且与发动机性能无关！然而，怠速下的实时发动机数据确实揭示了0.53bar（绝对）的进气歧管压力波动，考虑到不稳定的怠速和进气爆裂，这并不奇怪。

在深入研究之前，我们退后一步，检查了技术公告（召回和活动等）。这是最重要的。鉴定是否存在“已知问题和修复”等的最有效途径是使用制造商技术门户结合车辆底盘编号。

虽然这看起来很明显，但有许多途径可以获得免费的技术公告和“已知修复”！我了解到，虽然此类获得的数据的整个描述与您遇到的确切症状相符，但获得的信息很可能适用于其他市场，即不适用于英国规格车辆。（请不要像我以前的车辆那样落入这个陷阱）。

---

可能的原因

燃油供应污染或不正确点火和燃油正时控制机械发动机正时错误气门机构控制错误。

---

行动计划

行动计划主要由可及性、概率和成本决定。通过在喷油器导轨上采集的燃油样本，可以迅速消除受污染或不正确的燃油。一切都在这里检查出来。根据获取的扫描数据，我倾向于避免点火和正时控制错误，因为发动机性能在1500rpm以上有所提高，并且没有存储相关的故障代码。气门机构控制错误是可能的，但需要入侵。因此，重点是发动机机械正时的完整性。

---

让我们回顾一下：

 1.启动发动机困难，起动费力

 2.怠速不稳定

 3.无法自由转速

4.通过进气口发出爆裂声

 5.发动机怠速时发出嘎嘎声

 

可以说，验证机械发动机正时侵入性最小的方法是进行凸轮和曲柄相关性测试，如此处所述。该测试将包括由凸轮轴传动带、惰轮和链条等磨损引起的动态正时误差。下面的波形非常复杂，有很多东西需要消化。这是因为我还介绍了使用WPS500X压力传感器进行压力脉冲分析。

 

 

分析的第一步需要关注曲轴（A通道）和凸轮轴（B通道）信号之间的相关性。在这里，我选择了曲轴传感器发动机位置参考信号的最终下降沿（两个齿彼此靠近）和凸轮轴传感器信号的第一个下降沿，这相当于曲轴旋转的59.88°。

 

下一步是访问波形库，以获得已知良好的相关性捕获，如此处所述。下面的波形是从波形库下载的已知良好的比较。

 

 

我们使用相同的测量点，可以清楚地看到曲轴旋转110.4°。由此，我们现在可以得出结论，我们的凸轮轴正时是提前的！

因为我在气缸1、进气歧管和排气排气管中加入了压力传感器，所以我们可以通过查看4冲程循环中的已知事件来验证上述结论。

 

 

上面的波形显示了气缸4表现出的1冲程循环，导致以下分析：

1.排气阀打开事件（EVO）从压缩冲程约155°ATDC的典型打开点提前

2.排气阀关闭事件（EVC）从压缩冲程的典型关闭点约365°ATDC提前

3.进气门打开事件（IVO）从压缩冲程约355°ATDC的典型打开点提前

4.进气门关闭事件（IVC）从压缩冲程约620°ATDC的典型关闭点提前（发动机设计和VVT而变化很大）

5.进气口的爆裂声是燃烧室中保持的1.5bar压力引起，这是因为提前关闭了排气阀。因此当进气阀打开时压力会逸回进气歧管

6.我们的故障情况影响了气缸1上的所有阀门

 

肯定有足够的证据来取下正时盖并检查这种单顶置凸轮轴链条驱动发动机的机械气门正时。但是，我们是否可以应用另一种非侵入式技术，使用NVH，将发动机发出的嘎嘎声与我们的气门正时误差联系起来？

 

在下图中，您可以看到我们使用NVH麦克风和加速度计在以大约1000rpm的速度启动和运行时捕获车辆的记录（发动机太不稳定而无法在怠速时运行）的设置。麦克风捕获发动机产生的空气传播噪声，而加速度计捕获来自正时盖内部的结构振动和噪声。

 

 

在上面的屏幕截图中，请注意信号历史记录中数据的“尖峰”形成。这表明瞬时高能峰值在很短的时间内出现。将这些尖峰视为归因于燃烧的瞬时“罢工”。注：本案例研究开始时的录音是使用此处讨论的音频导出功能从此NVH文件中获取的。

 

我们可以在下面的NVH时域视图中以更高的分辨率查看这些“罢工”事件。加速度计在18秒内捕获了大约1次周期性撞击，相当于E1（18Hzx60=1080rpm）处的一阶发动机振动。

 

 

在这个阶段，我们已经捕获了发动机的噪音和振动“特征”，以便在获得维修授权时进行任何改进。现在运气不好，在捕获上述NVH录音后不久，发动机被切断，气缸盖发出可怕的金属声！

  

下面的NVH捕获是当由于进气门和活塞之间的接触而无压缩地启动发动机时所期望的！

 

 

请注意，在318rpm（318/60=5.3Hz）和每秒11次撞击事件（11Hz）11x60=660rpm时，起动速度高于正常水平。这些周期性撞击事件是由部件之间以每发动机转两次（2x5.3Hz）的速度接触引起的，很可能是活塞和变形的进气阀之间的污垢情况或磨损的正时链条的“拍打”。

 

不用说，下面值得一看，以了解我们的阀门正时已经偏离了多远，造成了上述灾难性损坏。请注意，凸轮和曲柄的相关性现在已经从我们已知的11.23°的良好捕获上升到110.4°或实际上齿数为零，这相当于先进的气门正时110.4–11.23=99.17°（曲轴旋转）/2=49.6°凸轮轴偏差（我认为这解释了活塞与气门的碰撞）。注意，通道F上的气缸1也缺乏压缩！

 

 

向上和向上！我们获得了进一步调查的许可，并拆除了发动机，这证实了不可避免的情况。

 

 

注意正时链条张紧器的“行程”和链条滑动器/导轨的磨损：

 

 

另外，请注意凸轮轴正时齿轮和正时链条之间独特的磨损模式（接触）：

 

 

这些是通过显微镜看到的正时链节上的见证标记：

 

 

这些是凸轮轴正时齿轮齿上的见证标记：

 

 

最后，我们通过比较磨损的原始链条和下面的新替代品来查看我们的链条拉伸了多远。

 

 

如您所见，它已经伸展了大约1.2厘米。

 

---

维修确认

 

我们更换了所有相关部件，重新组装了发动机，然后我们进行了以下捕获以验证维修。

从怠速、加速和减速时的凸轮和曲柄相位开始。

在这里，我们通过比较相位值来评估曲轴对正时链组件的“推拉”效应。

 

 

在下面的屏幕截图中，我们捕获了曲轴加速期间3500rpm时的凸轮和曲柄相位。

 

相位差：116–109.7=6.3°（曲轴旋转）/2=凸轮轴偏差3.15°！

 

这肯定会引起人们的注意，因为基于这次讨论，这种偏差似乎过大，我们得出结论，凸轮轴的3°偏差足以生成相关代码！当然，这取决于车辆制造商和发动机设计。该发动机在正时齿轮和凸轮轴之间不使用凸轮轴相位器（关系是固定的），因此偏差应最小。

 

可变气门控制是通过使用油压来改变凸轮轴轮廓而不是凸轮和曲柄相位来进行的！再次值得深思，无疑值得进一步讨论。

 

 

在下面的屏幕截图中，我们在曲轴减速/超限期间捕获了3500rpm时的凸轮和曲柄相位。

 

相位差：111.4–109.7=1.7°°（曲轴旋转）/2=凸轮轴偏差的0.85°。

 

---

后缀缸内分析

 

下面我们捕获了启动后稳定怠速期间的气缸1。请注意典型的4冲程周期波形，其中明确定义的EVO位于压缩行程的大约140°ATDC（固定103°之前）和IVC在压缩冲程的大约562°ATDC（固定之前约为540°）。

虽然很难明确确定EVC和IVO（伴随着重叠期间活塞方向的变化），但我们可以看到这些典型事件发生在压缩冲程的360°ATDC周围（在修复之前，由于先进的气门正时，这些事件在360°之前清晰可见）。

 

 

---

NVH分析

 

下面我们提供了稳定空闲速度下的修复后数据（频率视图），由安装在与本例早期初始捕获相同位置的麦克风和加速度计捕获。

 

 

请注意，由于完全燃烧和链条张力已经恢复，加速度计不再检测到以前的振动阶次E0.5和E1。我们的正常E2振动阶现在通过加速度计测量为112mg（在固定238mg之前）。现在让我们看一下下面的时域。前置和后缀之间的差异就像黑夜和白天，几乎没有激烈的“罢工”事件。

 

 

在修复后分析的这个阶段，我想包括一个手机录音，正如我们在这里讨论的那样。

请收听以下两个录音，它们是同时拍摄的（在定时盖前面），一个使用NVH麦克风，另一个使用手机

以下音频文件是使用通道D上的麦克风从上述NVH捕获中获取的：

以下录音与上述录音相同，但使用手机拍摄

 

请注意，录音之间的感知清晰度存在明显差异，因为手机针对指定的频率范围进行了优化，具有一定程度的降噪功能，具有定向质量，并且在某些情况下使用多个麦克风。因此，手机捕获的噪音具有一定程度的“增强”，您可以在上面的手机录音中听到18-22秒，其中似乎有响亮的挺杆式噪音，对人耳或NVH录音来说并不那么突出。虽然手机非常有用且随时可用，但我不会仅根据智能手机记录进行诊断。

 

---

附加声音分析软件

用PicoDiagnosticsNVH软件时，您可能希望使用其他免费软件（例如我们在此处和此处讨论的Audacity或SonicVisualizer）扩展声音分析。

 

回顾我们在修复之前拍摄的初始NVH捕获，我们已经从通道A（连接到定时盖的加速度计）导出声音，并将这些数据导入到 SonicVisualizer中，在那里我们可以使用其他分析功能

 

下图包含从PicoScopeNVH（蓝色波形/发动机转速1080rpm）时域导出的数据，并添加了旋律内容优化的旋律频谱图（热图）。

 

请注意，现在Y轴上的频率，X轴上的时间以及声音的能级（振幅）都使用颜色显示。（更明亮的颜色=更高的能量/振幅）。

 

 

在上面的屏幕截图中，我们可以清楚地看到以每秒四拍（4Hz）的速度显示的鲜红色和黄色“罢工”使用明亮的颜色表明这些节拍包含足够的能量级，可以与录音中的所有其他声音区分开来（最主要的声音级）。

 

鉴于这些节拍是由连接到计时盖（类似于听诊器）的加速度计检测到的，我们有进一步的证据表明，这些强烈的、周期性的能量节拍是我怀疑是张紧器导轨和正时链的部件之间的撞击或接触的特征（见下文）。

 

 

在4rpm/1080Hz时，节拍频率（18Hz）与发动机频率的关系不容易定义，因为正时链条/张紧器将在发动机每转一圈时响应不完全燃烧事件。这将在链条中产生“鞭子”，这无疑将引入独特的振动特性。

 

下面我们有一个后缀捕获，其中结果不言自明，几乎没有声能显示，直到引擎在捕获结束时自由加速。

 

---

列出所有安装的零件 

 

正时链条套件、带有八个使用进气门的二手凸轮轴以及所有相关的垫圈/消耗品。

---

其他评论

 

对于所有诊断，都必须遵循一个逻辑程序，其中包括各种级别的诊断入侵以及成本。（入侵越多成本越高）毫无疑问，上面的案例研究非常独特，因为我们能够在发动机故障之前捕获数据，大多数人可以在不抬起引擎盖的情况下诊断出这些数据。话虽如此，上述所有技术中侵入性最小的是我们的NVH测量，可以在日常维修期间应用，以建立发动机/车辆NVH特征。这反过来又可以对这种灾难性故障进行早期预警。