活塞式发动机是众多关键装备的核心动力机械,在车辆、船舶、电力和油气田勘探输运以及工程机械等国民经济重要领域有着广泛的应用。但恶劣的工作条件、复杂的机械机构、以及多变的工况状态使得活塞式发动机故障频发;部分机械故障的发生与发展较快,极易导致设备损毁。发动机恶性故障不仅会造成严重的经济损失,甚至导致人员伤亡,影响恶劣。目前普遍采用的活塞式发动机传统监测诊断方法已经越来越不能满足工业现场日益提升的实际诊断需求。因此,通过现代信号处理方法提取故障特征,并开展活塞式发动机监测诊断方法研究,进而在故障早期及时诊断故障,对提高活塞式发动机的运行安全性、可用性、及可靠性具有极其重要的意义和价值。本文以活塞式发动机为研究对象,以提高典型故障监测诊断水平及其工程应用效果为目标,从故障诊断机理特征的研究出发,通过动力学仿真计算及信号处理方法提取故障敏感特征,进而研究典型故障监测诊断方法及瞬变工况监测评估方法,并利用实验和工程实际故障数据进行方法验证。论文主要研究内容如下:首先,基于动力学建模仿真计算开展典型故障机理特征研究。分别针对气门间隙异常故障、连杆轴瓦敲击故障和传动轴系故障,建立三维实体模型和动力学仿真模型,通过模型参数调整和仿真参数设置进行故障仿真模拟,获取关键零部件动力学响应变化规律,捕捉故障机理特征,并通过实验实例和工程实例进行验证。其次,基于活塞式发动机信号特点开展信号处理及特征提取方法研究。提出了一种通过尺度参数控制包络线形状连续变化的振动信号包络方法,实现了振动包络线的平滑程度和紧致程度可连续调整,为振动信号的包络分析提供了新技术;同时将该信号包络方法引入到经验模态分解中,在信号筛选过程中优选包络线,提升了其自适应分解能力;此外,提出一种瞬时转速精确计算方法,为瞬时转速特征的准确提取和瞬变工况下角域精确重采样奠定基础。然后,基于典型故障动力学仿真研究结果,利用信号处理和特征提取方法,开展活塞式发动机典型故障监测诊断方法研究。分别提出了基于冲击起始相位精确提取的气门间隙异常故障诊断方法、基于变分模态分解的连杆小头轴瓦敲击故障诊断方法、以及基于多参数证据加权融合的失火故障诊断方法,并进行了实验验证。并对发动机典型故障在线监测与诊断系统的系统构架、测点布置和典型故障诊断算法进行了设计。最后,针对发动机非稳定工况,结合振动和瞬时转速在非稳定工况特点,基于瞬时转速角域精确重采样方法及特征提取方法,开展活塞式发动机非稳定工况监测评估方法研究。提取能够表征开机状态的角域振动冲击特征及瞬时转速敏感特征,提出基于灰色评价法的单缸做功能力监测评估方法和基于状态隶属度计算的整机启动性能监测评估方法,为发动机非稳定工况的监测评估提供了新途径。