浅析汽车发动机失火故障诊断方法

杨家印

摘要：本文论述了汽车发动机失火故障的相关概念，通过对其故障的定义、造成故障的原因以及故障带来的安全风险进行了叙述;在此基础上，整理当前的研究结论并结合自身的教育教学和实践经验，总结了目前我国汽车发动机失火故障的诊断方法以及诊断依据，在总结自身工作经验的基础上以期为相关工作人员处理失火故障提供可行的方法。

关键词：汽车发动机;失火故障;方法研究;故障诊断

中图分类号：TK40                                       文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）01-0104-02

1  汽车发动机失火故障相关概述

1.1 汽车发动机失火故障的概念

发动机一直是汽车最核心的部件之一，且当前发动机的种类和型号繁多。所有类型的汽车发动机在工作时都会产生混合性气体，这就会改变汽车气缸内的压力。通常情况下，汽车发动机的燃烧循环工作主要有这三种类型：即慢性燃烧循环、部分性燃烧循环以及失火性燃烧循环。相对于正常工作状态下，慢性燃烧循环时气缸压力大约在46～85%之间;部分性燃烧循环时气缸压力大约在46%以下;而失火性燃烧循环能够使气缸压力大大降低成为负压。为此，本文结合笔者教育教学和实践经验，针对发动机失火性燃烧循环进行讨论与研究。

1.2 汽车发动机失火原因

①导致汽车发动机失火的最常见的原因就是点火系统故障，常见于火花塞所受污损较大、电极间隙过度不均、高压线折断、绝缘性不合标准、电子控制部分障碍等。

②另一方面，电控部分的故障也能直接导致发动机失火，比如传感器出现故障、控制器自身存在问题、进气压力传感器存在故障。

③在供给方面，燃料供给系统发生故障也能直接使发动机失火。常见原因有：燃油泵或喷油器出现故障、汽车内空气滤清器发生堵塞。

1.3 汽车发动机失火的危害

发动机失火是较为严重的故障，这在一方面会带来严重的安全驾驶事故;同时会产生大量有毒有害的气体，与此同时，由于气缸内温度快速升高，发动机会因吸收过多的热量而承受更高的压力，进而会发生损坏。

2  失火故障因素分析

在發动机动力冲程的过程中，如果气缸内的油气不能正常供应或者燃烧，就会导致发动机出现失火故障。从实际的具体情况来看，引起发动机失火故障的因素有很多，比如油气供应、空气、燃料、火花等;另一方面，影响发动机工作循环的原因包括：油品质量差、粘度高、积炭、射频干扰、发动机机械问题等。

3  失火故障诊断依据

3.1 气缸外部诊断依据

①曲轴瞬时净扭矩。曲轴瞬时净扭矩是指发动机燃烧扭矩，取决于发动机气缸燃烧产生的动力，因此可以作为判断是否出现失火故障的依据，燃烧压力能够通过机构使得曲轴传递扭矩至旋转部件。然而该依据容易受影响，特别是在发动机高速转动时，旋转体的惯性会在很大程度上影响曲轴的旋转，导致扭矩降低，进而使得判断出现失误。

在正常工作状态下，对曲轴的扭矩进行理论分析，以四冲程单缸曲轴发动机为例，由发动机气缸内气体压力和往复运动的惯性力得到曲轴扭矩的数学表达式如下：

上式（2）中，Mg和Mj分别为缸体内的气体力所产生的力矩和惯性力矩;ω为曲轴的角速度;v为谐次，为0.5的整倍数，其倍数指数从1开始;？渍v为曲轴的初始相位角;mj为惯性质量;R为发动机曲轴的半径值;t为时间;λ为发动机曲轴的几何参数（R与连杆长度之比）。

②曲轴瞬时角速度。气缸在点火成功后，会给发动机输入功率，这就会使发动机的转速出现改变。如果不考虑惯性扭矩、摩擦扭矩等因素的影响，曲轴瞬时角速度就和燃烧功率是呈线性关系的。由此可见，曲轴的速度变化也可以作为诊断汽车发动机是否出现失火故障的一种方式。

③曲轴瞬时角加速度。通过近年来的进一步研究，发现曲轴瞬时角加速度在诊断发动机失火这一故障方面具有更加准确有效的意义。根据牛顿第二定律，旋转体的角加速度与作用力成正相关，并且气缸的点火顺序是有规律的。曲轴能够获得间断的能量和角加速度，一旦发动机出现失火，曲轴角加速度将会显示出十分明显的峰值，可作为诊断识别的有效输入。

在理论计算上，由公式（1）可以简单得出作用在多缸曲轴上的任意一缸（用i表示）曲拐上的v阶激励力矩可以表达为下式：

④曲轴转角。其不仅代表着曲轴所处的位置，也是对曲轴瞬时角速度进行积分所得到的值。虽然曲轴转角并不能直接判断是否失火，但通过间接的方式，其可以诊断失火故障。除此之外，经过大量的研究，根据曲柄角的离散动力学模型，使用滑动模式观测器和递推最小二乘法可以得到气缸压力，进而对失火故障进行有效诊断。

⑤废气压力、成分和温度。汽车气缸内混合气燃烧产生的物质是经过发动机所排出的。现阶段，能够对失火故障进行判断的废气指标包括：废气压力、废气成分和废气温度。根据废气压力诊断失火故障需要借助压力传感器和柔性连接器，通常情况下，压力传感器的安装位置是在排气歧管和催化剂之间，压力传感器膜片的最高温需小于或等于85℃，柔性连接器长度应不小于165mm。由此可见，废气压力诊断法存在的局限是比较多的，这也在很大程度上使其应用受到了限制。汽车发动机的气缸在循环燃烧的过程当中，排气阀会周期性开放，而这主要是根据排气产物和活塞运动的变化，进而使得排气管内的压力会发生不断的变化，据此，气缸的低压状态可以作为诊断发动机失火的一项标准。在大多数情况下，不点火时的排气压力相比正常降低了大约3～4倍，诊断准确度高于85%。除此之外，发动机失火还会使排气温度升高，因此，可以通过废气温度的波形变化，将失火时的温度和正常时的温度进行比较，去诊断汽车发动机气缸是否出现失火故障。

⑥发动机振动信号。其又分为车体振动信号和曲轴旋转振动信号。除了气缸盖和发动机表面能够测量出振动信号，还可以利用多个传感器在气缸盖的不同位置进行测量。发动机振动是由内部激振力所引起的，因此，通过监测发动机的振动信号，也可以对失火故障进行诊断。

将发动机看成整个系统，在发动机失火后曲轴的扭转振动表现为受迫振动，其振动的数学表达式可以表达为一个标准的二阶微分方程，如下式（4）所示：

其中，J为惯量矩阵;？椎为曲轴的角位移值;C为曲轴系统的阻尼矩阵;K为曲轴系统的刚度矩阵，其中刚度矩阵和阻尼矩阵均需要通过对曲轴系统进行抽象和简化后计算得到，当然也可以采用试验的方式测量获得。

⑦其他信号。主要包括：排气噪声和机体噪声信号、氧传感器信号、缸与缸之间段持续时间等等。

3.2 气缸内部依据

①离子电流信号。汽车发动机气缸内混合气的燃烧会产生离子电流信号，而该信号包含了燃烧情况的诸多参数，比如燃烧室压力、燃烧起始空燃比等。根据离子电流信号的强弱情况，能够判断发动机是否出现了失火故障。

②光学信号。利用光学原理，能够知晓发动机燃烧室的燃烧情况，该方法是基于视觉，对可见光和热辐射的电磁辐射进行记录，并做后续的评估。燃烧室中的燃料、燃烧过程等能够被直接的观测到，进而也就能够对发动机的燃烧情况进行判断。除此之外，还可以利用透镜呈现的光学图像，分析其所蕴含的信息，也可以对发动机气缸失火故障进行诊断。

③气缸压力。发动机在循环燃烧过程当中，室内的压力取决于燃烧质量，因此，燃烧室的压力对于诊断失火故障来说，也是一项十分重要的指标。

4  汽车发动机失火故障的检测方法

4.1 曲轴转速诊断方法

目前，我国汽车行业最常使用的一种诊断方法就是曲轴转速诊断法，应用该方法的原理是汽车发动机失火时会导致指示转矩下降，与此同时，曲轴输出角速度会发生改变，其中，能够显示出汽车发动机出现失火故障的一种现象就是瞬时转速的波动。不仅如此，汽油电控发动机工作时还必须对瞬时转速进行测量，因此，诊断汽车发动机是否出现失火故障的一个十分重要的依据就是瞬时转速，诊断工作人员可以根据汽车转速传感器或有关的设备，如汽车诊断仪图形分析、示波器、汽车软件等去获取其数据波形变化图。

4.2 缸内压力诊断方法

缸内压力诊断法与曲轴转速诊断法二者的本质是相似的。汽车发动机气缸内的燃烧情况直接决定了气缸内的压力情况，因此，可以根据气缸压力的变化情况去诊断汽车发动机是否出现失火故障。当发动机处于高速高压的条件下时，气缸压力和正常情况下相比会发生很大的变化，此时如果对压力进行实时的监测，便能够诊断出发动机发生失火。然而，该方法也有一定的不足与缺陷，那就是如果发动机处于低速低压的条件下时，通过对压力变化情况进行实时监测，是不能发现发动机是否出现失火故障的。并且，该方法所需成本较高，利用压力传感器对气缸压力进行监测，还具有着一定的不便性，因此，该方法主要是应用于汽车发动机的试验研究，在实际诊断时应用的比较少。

5  结束语

综上所述，目前存在着很多能够诊断汽车发动机失火故障的方法，但是，只有根据具体情况，采取合适的诊断方法，才能真正发挥出失火故障诊断方法具有的价值，进而及时有效的排除发动机失火故障，规避汽车发动机失火故障所造成的安全事故，降低其潜在的风险，最终推动我国汽车行业的健康长久发展。

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