浅谈发动机的失火故障

张华，贾连超

浅谈发动机的失火故障

张华，贾连超

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

主要介绍了目前汽车厂商较为常用的几种失火监测方法，根据现代汽油发动机失火控制理论，即基于曲轴角速度波动法来监测失火故障的诊断和控制原理分析了发动机失火故障的产生原因，由此提出了诊断发动机失火故障的分析树，阐述在市场服务过程中怎样根据失火的实际现象科学的应用故障分析、诊断思路与方法。

失火故障；正常燃烧；分析；诊断；思路与方法

CLC NO.: U472 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-218-03

引言

随着电子技术应用于发动机管理系统，车载诊断（OBD）功能也逐渐被大家了解。当系统出现故障时，故障指示灯（MIL）或检查发动机警告灯亮，同时动力总成控制单元（ECU）将故障信息存入存储器，通过一定的程序可以将故障码从ECU中读出，这就是车载自动诊断系统。近年来OBD-II标准逐渐的被许多汽车生产厂家所采用，此标准中主要增加了多种鉴测功能，失火监测就是其中功能之一[1]。

失火是内燃机最常见的一种故障，发动机失火故障是指在发动机工作过程中，由于各种原因造成的混合气在气缸内不能正常燃烧的现象。随着国内外对汽车排放物的严格限制，促进对电控燃油喷射技术和三元催化转换器的普及应用，也使得失火故障对内燃机造成的危害越来越严重。失火不但降低了汽车发动机的动力性和经济性，而且也加速了催化转换器的失效，使排放污染加剧。本论文中首先介绍了目前普遍应用的失火监测原理和方法，阐述在市场服务过程中如何根据失火的实际现象进行故障分析，根据市场需求以及发动机的结构特点和控制原理总结了引起发动机失火故障的原因，并由此提出了诊断发动机失火故障的思路与方法，整理出排查失火故障的诊断分析树。

1 汽油发动机失火故障的理论分析

1.1 汽油发动机失火故障的定义

在给出发动机失火故障的定义之前我们先介绍一下发动机工作循环的种类，根据发动机工作可燃混合气燃烧时，气缸内的平均指示压力与正常燃烧时气缸内的指示压力比（IMEP）的不同，有人将发动机的工作循环分为3类：慢燃烧循环，IMEP为平均值的85%-46%；部分燃烧循环，IMEP小于平均值的46%；失火循环，IMEP＜0，还有人将发动机的工作循环分为另外3类：正常工作循环；IMEP正常；IMEP波动很大的循环；完全失火循环，即IMEP≤0。

依据美国加里福尼亚州大气资源局（CARB）法规的有关规定中指出，失火是指由于火花塞缺火、燃油不足、气缸密封不良或其它原因造成的气缸内的燃烧不充分。因此，失火可以定义为：在发动机工作过程中，由于各种原因造成的混合气在气缸内不能正常燃烧的现象。根据不正常燃烧的程度，失火分为部分失火和完全失火。部分失火指混合气在气缸内燃烧不完全，造成IMEP达不到正常值的现象；完全失火是指混合气在气缸内燃烧不足或基本没有燃烧，造成IMEP≤ 0的现象[2]。

1.2 汽油发动机失火故障的理论分析

通过前面的叙述我们可以知道失火故障对于整车的动力性、经济性以及环境影响都很严重，那么哪些因素可以引起发动机失火呢？下面我们就通过了解火花塞的点火过程从理论方面对引起发动机失火的原因进行详细的分析。

1.2.1 汽油发动机失火故障的理论分析

通过对汽油发动机点火过程的各阶段分析，从理论上我们可以得到引起汽油发动机失火故障有两种可能：

（1）点火系统（如火花塞等）的故障将会导致失火的发生

1）点火能量是火花塞必须提供给混合气用以引燃混合气的能量。点火能量依赖于混合气成分，火花塞电极间的距离和紊流的程度。火花塞整个工作生命中都经历着电流放电产生火花的过程，随着火花塞距离的增加需要能量也增加。图1为点火需要的电压，随着行驶距离的增加火花塞的间距也相应的增加，点火需要的能量也跟着增加，所以当车辆行驶一定距离后就容易发生失火[2]。

图1 点火电压

2）发动机工况不同时，火花塞的击穿电压将随发动机转速、负荷、压缩比、点火提前角以及混合气的浓度而变化。起动时的击穿电压最高。因为起动时的气缸壁、活塞以及火花塞的电极都处于冷态，吸入的混合气温度低、雾化不良，压缩时混合气的温度升高不大，加之火花塞电极间可能积有汽油或润滑油，因此击穿电压最高。此外，汽车加速时，由于大量冷的混合气被突然吸入气缸内，也需要较高的击穿电压。

3）当点燃混合气需要的能量超过了系统提供的能量时，就容易发生失火。电极的击穿使得电极上一定量的金属被移除，结果就造成燃烧室中的火花塞被腐蚀。火花的放电导致火花塞温度升高，再加上燃烧了的气体有一定腐蚀性导致火花塞电极上有细小的区域被氧化或者与燃烧气体的某些元素反应，结果造成火花塞电极上一部分金属被移除，因此增加了火花塞电极间的间隙，故而需要的点火电压也就相应的增加了。电极的温度越高腐蚀发展的程度越快，电极损耗的程度依赖于电极的材料。

4）由于堆积物的积累火花塞电极间的间隙也能减小，这样越来越多的点火能量的需要也可能导致失火。随着火花塞间距的增加点火能量越来越小，到达一定程度后虽然点火能量有所增加，但是增加的幅度很小。由于点火能量越来越小就有可能在某些情况下发生失火。

（2）不正常燃烧也会引起发动机失火

供油系统故障（如燃油压力低、喷油嘴故障等）会导致混合气不正常，即不能正常燃烧以致发动机出现失火故障。混合气在一个特定的空燃比范围内才能被点燃，如果混合气过浓或过稀，那么火花塞正常跳火混合气也不能燃烧。如图2所示，火花点火发动机输出功率Pe随λ（过量空气系数）的变化，混合气过浓或过稀时都会造成失火，导致输出功率极大的降低[3]。

图2 混合气可燃范围

2 发动机失火故障的系统监测及分析

2.1 失火故障的系统监测方法概述

目前，发动机失火监测的方法有很多，有曲轴角速度波动法、离子电流法和宽域氧传感器法等。比较常用的是曲轴角速度波动法，该方法是利用曲轴飞轮信号来评估发动机转速波动检测失火情况。对于发动机一个气缸只有在做功行程向外输出机械功，其他行程则消耗机械功。当其稳定工作，在某气缸处于做功行程时，发动机输出的扭矩为正值且大于负荷，因此造成曲轴瞬时角速度上升。而在某一气缸完成做功行程后，其他气缸进入做功行程前，输出扭矩变为负值，因此曲轴瞬时角速度下降，这样就产生了曲轴转速的波动。若发动机存在失火，则失火气缸发出的扭矩必然减小，扭矩的变化会引起曲轴角速度产生不正常的波动。如正常工作四冲程四缸发动机的一个工作循环内会有四次曲轴瞬时角速度先升后降的波动，当其中一缸或多缸失火时，曲轴瞬时角速度的波动就会少一次或多次。曲轴转速波动法正是通过测量曲轴转速的波动，根据转速信号的异常波动来判断失火现象及发生失火的具体缸号[3]。

这种车都有一个曲轴位置传感器和一个凸轮轴位置传感器，曲轴位置传感器可以精确的测量曲轴的转速。每个气缸工作时对曲轴产生的推力（角加速度）也可以检测到，当某一缸工作不正常时，应有的角加速度不会产生，曲轴位置传感器就会检测到这个异常，发动机电脑会根据凸轮轴位置传感器的一缸上止点信号，可以确定哪一缸工作不良，如果这个不良出现的次数达到设定条件时，发动机电脑就设定这个故障码。因为这个故障码需多次认定，所以清除后不会马上出现。要达到故障再次设定条件时，此故障会再次出现，故障灯会马上点亮，此时确定发动机的失火故障产生。

3 汽油发动机失火故障的原因分析与诊断方法总结

目前较为常见的处理方法就是多次更换发动机控制单元（ECU）或点火线圈等，虽然暂时解决了故障，但是过了一定周期后故障又重复出现，通过对市场专营店提供的典型发动机失火故障案例的分析，从发动机的机械系统及电控系统等全面对汽油发动机失火故障的原因进行分析，并总结处理此类故障的诊断方法。

3.1 失火故障产生的原因分析及诊断方法总结

通过前面的分析，我们可以得到只要发动机气缸中的可燃混合气燃烧不良或者没有燃烧，都会导致发动机发生失火故障。点火系统的元件损坏，肯定会导致气缸中的可燃混合气燃烧不良或者没有燃烧，但是除了点火系统之外，汽油压力低、喷油器堵塞或雾化不良、喷油器线路及机械故障导致的气缸压力不足、废气再循环泄漏等原因，均会导致气缸中的可燃混合气燃烧不良或者没有燃烧。

3.1.1 汽油发动机失火故障产生的原因分析

产生失火故障的原因有多种，如点火系统（火花塞积炭、点火能量降低）故障，因漏气而难于建立压缩压力等，归纳起来主要有以下几个方面：

1）点火系故障导致失火，由于火花塞未跳火或点火提前角不当造成混合气在气缸内不能正常燃烧。主要原因有：火花塞污损、电极间隙过大或过小；高压线断路或绝缘不良；分电器故障等。

2）配气机构故障可能导致失火，是由于可燃混合气进气不畅或废气排气不彻底造成混合气在气缸内不能正常燃烧。主要原因有气门间隙调整不当或凸轮轴变形等。

3）燃油供给系统故障导致失火，即可燃混合气过浓或过稀造成混合气在气缸内不能正常燃烧。主要原因有：空气滤清器堵塞、进气管漏气、燃油油路不畅或油压过高或过低等。

4）气缸密封不良导致失火，是由于气缸密封不良引起压缩过程和压缩终了可燃混合气的温度和压力降低，影响可燃混合气的着火性能。主要原因有：活塞、活塞环与气缸壁之间密封不良、气门与气门座之间密封不良、气缸垫损坏等。

5）传感器故障导致失火，电控系统中与点火相关的传感器不能及时采集相关的启动数据，导致水温传感器失效，空气流量计失效，曲轴位置传感器失效，脉冲齿轮失效。

6）其它方面：催化器或排气管路堵塞，气门控制系统失效，进气系统堵塞，进排气门积碳，凸轮轴失效，气缸压力不足，正时带错位等。

3.1.2 失火故障的判定及诊断方法总结

失火故障是目前各种车辆普遍存在的一种故障现象，又因为产生失火故障的原因很多，严重影响了营销技术支持人员在市场服务过程中的工作效率，同时也在一定程度上影响生产厂家的品牌效益。针对此种情况我们分析了失火故障产生的原因，并总结了一套排除发动机失火故障的方法，总结成分析故障树，如图3所示。

图3 失火故障分析诊断树

[1] 赵海丰.基于曲轴转速的发动机失火故障诊断研究.2015.

[2] 陈家瑞.汽车构造（上册）.[M]机械工业出版社. 2005.1.

[3] 陈家瑞.汽车构造（下册）.[M]机械工业出版社. 2005.1.

Talk about engine failure

Zhang Hua, Jia Lianchao
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

This article introduces automobile manufacturer applied the detecting ways of the misfire at present. It is mainly based on the modern motor control theory. It analyses the causes of the Engine misfire malfunction, which is based on crankshaft angular velocity fluctuation method to monitor the misfire malfunction diagnosis and control principle, which made the diagnosis of misfire ideas and methods, and through the fault case describes how the service process in the market, the actual phenomenon under fire application of fault analysis, the ideas and methods of diagnosis.

Misfire malfunction of Engine; Normal burning; Analysis; Diagnosis; The ideas and methods

U472

A

1671-7988 (2017)16-218-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.077

张华，（1984）女，工程师，本科，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司，主要分析和处理汽车发动机的售后故障。