内燃机作为广泛使用的动力源,对其运行状态进行监测是提高使用经济性的有效措施。传统内燃机故障诊断方法,耗时久、效率低,难以诊断结构复杂的机型,因此需要发展新的内燃机故障诊断技术。内燃机曲轴承受复杂交变的激振力矩并传递扭力,直接反映内燃机的运行情况,所以曲轴角振动包含着内燃机运行状态信息,具有较高的故障诊断应用价值。本文针对基于曲轴角振动的内燃机工作状态监测及故障诊断理论在工程应用存在的问题,提出了基于五点三次平滑滤波的快速畸点滤波算法;研究了基于角振动响应的状态监测系统中监测阈值对结果的影响;提出了基于曲轴角振动计算内燃机输出功率的新方法;并在以上研究基础上,开发了内燃机工作状态监测及故障诊断系统(Working States Monitoring and Fault Diagnosis—WSMFD)。为快速消除内燃机扭振信号中畸点带来的误差,在现有畸点滤波方法的基础上,提出快速畸点滤波算法。该方法根据五点三次平滑滤波的特性,识别出信号中畸点位置后,同时对多个畸点附近的数据进行平滑处理并替换畸点处幅值。这种算法减少了运算量,提高了畸点处理效率。对某天然气发动机进行仿真和实验研究,分析故障工况与正常工况下角振动特征谐次幅值分布规律,研究利用曲轴角振动监测内燃机运行状态的方法在天然气发动机上的适应性,并指导该机型状态监测系统阈值的选择,为同类机型的状态监测系统设计提供参考。不同转速下角振动第0.5次简谐幅值分布范围有较大差异,状态监测系统根据不同的转速选择合适的监测阈值。天然气发动机实验中,曲轴角振动第3.0谐次幅值曲线呈"V"型的现象,说明该机型往复惯性力矩对角振动的影响不可忽略。考虑往复惯性力对曲轴角振动幅值的影响,完善曲轴角振动与内燃机输出功率的关系式。比较柴油机和天然气发动机中,气体激振力和往复惯性力对曲轴测点处角振动幅值的影响,分析第1.5、3.0和6.0谐次幅值随功率变化曲线,指导基于曲轴角振动幅值计算内燃机输出功率方法的特征谐次幅值选择。仿真和实验研究结果,验证了工程中利用曲轴角振动谐次幅值反求内燃机输出功率的可行性。该方法应用在柴油机上最大误差为3.2%,在天然气发动机上最大误差为3.5%。在上述研究的基础上,为提高以上方法的工作效率而开发WSMFD软件。软件包含了基于快速畸点滤波法的信号处理程序,可滤除信号中畸点,并监测内燃机的运行状态、诊断故障缸号及计算输出功率。该软件专为内燃机工作状态监测及故障诊断设计,针对性强、兼容性好,可与现有软件信息交互;软件界面友好,使用便捷;程序计算速度快,占用计算机资源少,方便用户利用现有条件实现内燃机的状态监测及故障诊断,具有较高的工程应用价值。综上所述,论文提出了快速畸点滤波方法,完善了利用曲轴角振动监测内燃机运行状态及诊断故障缸的方法,并进行了大量的仿真研究和实验验证。开发了 WSMFD软件系统,丰富了内燃机状态监测和故障诊断技术。