淺析汽車發動機失火故障診斷方法

楊家印

摘要：本文論述了汽車發動機失火故障的相關概念，通過對其故障的定義、造成故障的原因以及故障帶來的安全風險進行了敘述;在此基礎上，整理當前的研究結論并結合自身的教育教學和實踐經驗，總結了目前我國汽車發動機失火故障的診斷方法以及診斷依據，在總結自身工作經驗的基礎上以期為相關工作人員處理失火故障提供可行的方法。

關鍵詞：汽車發動機;失火故障;方法研究;故障診斷

中圖分類號：TK40? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0104-02

1? 汽車發動機失火故障相關概述

1.1 汽車發動機失火故障的概念

發動機一直是汽車最核心的部件之一，且當前發動機的種類和型號繁多。所有類型的汽車發動機在工作時都會產生混合性氣體，這就會改變汽車氣缸內的壓力。通常情況下，汽車發動機的燃燒循環工作主要有這三種類型：即慢性燃燒循環、部分性燃燒循環以及失火性燃燒循環。相對于正常工作狀態下，慢性燃燒循環時氣缸壓力大約在46～85%之間;部分性燃燒循環時氣缸壓力大約在46%以下;而失火性燃燒循環能夠使氣缸壓力大大降低成為負壓。為此，本文結合筆者教育教學和實踐經驗，針對發動機失火性燃燒循環進行討論與研究。

1.2 汽車發動機失火原因

①導致汽車發動機失火的最常見的原因就是點火系統故障，常見于火花塞所受污損較大、電極間隙過度不均、高壓線折斷、絕緣性不合標準、電子控制部分障礙等。

②另一方面，電控部分的故障也能直接導致發動機失火，比如傳感器出現故障、控制器自身存在問題、進氣壓力傳感器存在故障。

③在供給方面，燃料供給系統發生故障也能直接使發動機失火。常見原因有：燃油泵或噴油器出現故障、汽車內空氣濾清器發生堵塞。

1.3 汽車發動機失火的危害

發動機失火是較為嚴重的故障，這在一方面會帶來嚴重的安全駕駛事故;同時會產生大量有毒有害的氣體，與此同時，由于氣缸內溫度快速升高，發動機會因吸收過多的熱量而承受更高的壓力，進而會發生損壞。

2? 失火故障因素分析

在發動機動力沖程的過程中，如果氣缸內的油氣不能正常供應或者燃燒，就會導致發動機出現失火故障。從實際的具體情況來看，引起發動機失火故障的因素有很多，比如油氣供應、空氣、燃料、火花等;另一方面，影響發動機工作循環的原因包括：油品質量差、粘度高、積炭、射頻干擾、發動機機械問題等。

3? 失火故障診斷依據

3.1 氣缸外部診斷依據

①曲軸瞬時凈扭矩。曲軸瞬時凈扭矩是指發動機燃燒扭矩，取決于發動機氣缸燃燒產生的動力，因此可以作為判斷是否出現失火故障的依據，燃燒壓力能夠通過機構使得曲軸傳遞扭矩至旋轉部件。然而該依據容易受影響，特別是在發動機高速轉動時，旋轉體的慣性會在很大程度上影響曲軸的旋轉，導致扭矩降低，進而使得判斷出現失誤。

在正常工作狀態下，對曲軸的扭矩進行理論分析，以四沖程單缸曲軸發動機為例，由發動機氣缸內氣體壓力和往復運動的慣性力得到曲軸扭矩的數學表達式如下：

上式（2）中，Mg和Mj分別為缸體內的氣體力所產生的力矩和慣性力矩;ω為曲軸的角速度;v為諧次，為0.5的整倍數，其倍數指數從1開始;？漬v為曲軸的初始相位角;mj為慣性質量;R為發動機曲軸的半徑值;t為時間;λ為發動機曲軸的幾何參數（R與連桿長度之比）。

②曲軸瞬時角速度。氣缸在點火成功后，會給發動機輸入功率，這就會使發動機的轉速出現改變。如果不考慮慣性扭矩、摩擦扭矩等因素的影響，曲軸瞬時角速度就和燃燒功率是呈線性關系的。由此可見，曲軸的速度變化也可以作為診斷汽車發動機是否出現失火故障的一種方式。

③曲軸瞬時角加速度。通過近年來的進一步研究，發現曲軸瞬時角加速度在診斷發動機失火這一故障方面具有更加準確有效的意義。根據牛頓第二定律，旋轉體的角加速度與作用力成正相關，并且氣缸的點火順序是有規律的。曲軸能夠獲得間斷的能量和角加速度，一旦發動機出現失火，曲軸角加速度將會顯示出十分明顯的峰值，可作為診斷識別的有效輸入。

在理論計算上，由公式（1）可以簡單得出作用在多缸曲軸上的任意一缸（用i表示）曲拐上的v階激勵力矩可以表達為下式：

④曲軸轉角。其不僅代表著曲軸所處的位置，也是對曲軸瞬時角速度進行積分所得到的值。雖然曲軸轉角并不能直接判斷是否失火，但通過間接的方式，其可以診斷失火故障。除此之外，經過大量的研究，根據曲柄角的離散動力學模型，使用滑動模式觀測器和遞推最小二乘法可以得到氣缸壓力，進而對失火故障進行有效診斷。

⑤廢氣壓力、成分和溫度。汽車氣缸內混合氣燃燒產生的物質是經過發動機所排出的。現階段，能夠對失火故障進行判斷的廢氣指標包括：廢氣壓力、廢氣成分和廢氣溫度。根據廢氣壓力診斷失火故障需要借助壓力傳感器和柔性連接器，通常情況下，壓力傳感器的安裝位置是在排氣歧管和催化劑之間，壓力傳感器膜片的最高溫需小于或等于85℃，柔性連接器長度應不小于165mm。由此可見，廢氣壓力診斷法存在的局限是比較多的，這也在很大程度上使其應用受到了限制。汽車發動機的氣缸在循環燃燒的過程當中，排氣閥會周期性開放，而這主要是根據排氣產物和活塞運動的變化，進而使得排氣管內的壓力會發生不斷的變化，據此，氣缸的低壓狀態可以作為診斷發動機失火的一項標準。在大多數情況下，不點火時的排氣壓力相比正常降低了大約3～4倍，診斷準確度高于85%。除此之外，發動機失火還會使排氣溫度升高，因此，可以通過廢氣溫度的波形變化，將失火時的溫度和正常時的溫度進行比較，去診斷汽車發動機氣缸是否出現失火故障。

⑥發動機振動信號。其又分為車體振動信號和曲軸旋轉振動信號。除了氣缸蓋和發動機表面能夠測量出振動信號，還可以利用多個傳感器在氣缸蓋的不同位置進行測量。發動機振動是由內部激振力所引起的，因此，通過監測發動機的振動信號，也可以對失火故障進行診斷。

將發動機看成整個系統，在發動機失火后曲軸的扭轉振動表現為受迫振動，其振動的數學表達式可以表達為一個標準的二階微分方程，如下式（4）所示：

其中，J為慣量矩陣;？椎為曲軸的角位移值;C為曲軸系統的阻尼矩陣;K為曲軸系統的剛度矩陣，其中剛度矩陣和阻尼矩陣均需要通過對曲軸系統進行抽象和簡化后計算得到，當然也可以采用試驗的方式測量獲得。

⑦其他信號。主要包括：排氣噪聲和機體噪聲信號、氧傳感器信號、缸與缸之間段持續時間等等。

3.2 氣缸內部依據

①離子電流信號。汽車發動機氣缸內混合氣的燃燒會產生離子電流信號，而該信號包含了燃燒情況的諸多參數，比如燃燒室壓力、燃燒起始空燃比等。根據離子電流信號的強弱情況，能夠判斷發動機是否出現了失火故障。

②光學信號。利用光學原理，能夠知曉發動機燃燒室的燃燒情況，該方法是基于視覺，對可見光和熱輻射的電磁輻射進行記錄，并做后續的評估。燃燒室中的燃料、燃燒過程等能夠被直接的觀測到，進而也就能夠對發動機的燃燒情況進行判斷。除此之外，還可以利用透鏡呈現的光學圖像，分析其所蘊含的信息，也可以對發動機氣缸失火故障進行診斷。

③氣缸壓力。發動機在循環燃燒過程當中，室內的壓力取決于燃燒質量，因此，燃燒室的壓力對于診斷失火故障來說，也是一項十分重要的指標。

4? 汽車發動機失火故障的檢測方法

4.1 曲軸轉速診斷方法

目前，我國汽車行業最常使用的一種診斷方法就是曲軸轉速診斷法，應用該方法的原理是汽車發動機失火時會導致指示轉矩下降，與此同時，曲軸輸出角速度會發生改變，其中，能夠顯示出汽車發動機出現失火故障的一種現象就是瞬時轉速的波動。不僅如此，汽油電控發動機工作時還必須對瞬時轉速進行測量，因此，診斷汽車發動機是否出現失火故障的一個十分重要的依據就是瞬時轉速，診斷工作人員可以根據汽車轉速傳感器或有關的設備，如汽車診斷儀圖形分析、示波器、汽車軟件等去獲取其數據波形變化圖。

4.2 缸內壓力診斷方法

缸內壓力診斷法與曲軸轉速診斷法二者的本質是相似的。汽車發動機氣缸內的燃燒情況直接決定了氣缸內的壓力情況，因此，可以根據氣缸壓力的變化情況去診斷汽車發動機是否出現失火故障。當發動機處于高速高壓的條件下時，氣缸壓力和正常情況下相比會發生很大的變化，此時如果對壓力進行實時的監測，便能夠診斷出發動機發生失火。然而，該方法也有一定的不足與缺陷，那就是如果發動機處于低速低壓的條件下時，通過對壓力變化情況進行實時監測，是不能發現發動機是否出現失火故障的。并且，該方法所需成本較高，利用壓力傳感器對氣缸壓力進行監測，還具有著一定的不便性，因此，該方法主要是應用于汽車發動機的試驗研究，在實際診斷時應用的比較少。

5? 結束語

綜上所述，目前存在著很多能夠診斷汽車發動機失火故障的方法，但是，只有根據具體情況，采取合適的診斷方法，才能真正發揮出失火故障診斷方法具有的價值，進而及時有效的排除發動機失火故障，規避汽車發動機失火故障所造成的安全事故，降低其潛在的風險，最終推動我國汽車行業的健康長久發展。

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