汽油机“失火”原因及检测方法探析

徐为人

（浙江交通职业技术学院汽车学院，浙江杭州311112）

发动机“失火”，指发动机在工作过程中，由于各种原因造成的混合气在气缸内不正常燃烧的现象。当“失火”超过法规要求时，发动机的性能指标将明显下降。

中国《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》中要求，自2008年7月1日起，出厂的汽油车配备车载自动诊断系统（OBDⅡ）。OBDⅡ中主要诊断项目之一为发动机失火检测。法规中规定，只有2%以下的“失火”率，才是符合要求的，当超过此值排放污染物超标，尤其HC排放增加较快。

发动机“失火”是指由于火花塞缺火、燃油不足、气缸密封不良或其他原因造成的气缸内的燃烧不充分。简单的说，即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正常燃烧的现象。“失火”是多缸发动机的一种常见故障，发动机出现“失火”时，输出功率下降，燃油消耗量增加，废气排放中的HC成分急剧增加，大量未燃烧和燃烧不充分的产生的废气经过三元催化，导致其过热或中毒而损害，从而造成恶性循环。所以准确的“失火”检测和及时的故障处理，对于减少发动机的有害排放和提高发动机的使用寿命，具有重要意义。

1 原因分析

导致汽油机“失火”的原因很多，主要有点火系故障、燃料供给系故障、配气机构故障及气缸密封不良等。

（1）点火系故障。火花塞缺火或点火提前角不当，造成混合气在气缸内不能正常燃烧。导致故障的主要原因有：火花塞污损，电极间隙过大或过小，裙部绝缘不良；高压线断路或绝缘不良；分电器故障（带分电器的点火系）；点火线圈初级绕组、点火电子组件、电子控制器的相应部分发生故障，或相应的点火信号控制电路连接不良等。

（2）燃料供给系故障。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。造成这种现象的主要原因有：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，喷油器故障等。

（3）配气机构故障。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。其主要原因有：气门间隙调整不当或凸轮轴变形等。

（4）气缸密封不良。气缸密封不良，一方面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；另一方面造成气缸内的可燃混合气减少，降低了膨胀过程中的气缸压力。导致这种故障的主要原因有：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。

2 检测方法

（1）曲轴转速波动法。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。当内燃机稳定工作，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，不再输出扭矩，因此曲轴瞬时角速度下降。这样就产生了曲轴转速的波动。

发动机循环内的瞬时转速波动曲线，可有效地反映出发动机工作的平稳性和各缸工作的均匀性，而且可表征发动机的扭矩。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机的一个工作循环内，会有4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。曲轴转速波动法一般通过采集曲轴转角信号和上止点信号两个信号来实现。

该方法的突出优点在于，只需利用发动机原有的转速传感器，无需额外添加硬件设备，就能完成数据采集工作。另外，还可利用信号调理电路减轻计算负荷，同时通过利用统计分析的方法及改进信号处理的算法，来提高检测的准确性

（2）缸内压力法。缸内压力法是通过测量缸内压力，计算平均指示压力（IMEP），将此值与正常燃烧时的IMEP或直接与其他气缸的IMEP作比较，以确定燃烧状况，判断该气缸是否正常燃烧，有无失火。

由于发动机气缸内压力随着燃烧速率的不同而变化，在高速、大负荷条件下，失火时的气缸压力，与正常燃烧时的气缸压力有很大的差异；而在低速、小负荷时，这种差异可能就不明显。因此，不能直接应用气缸压力差异判断“失火”，而需要通过对气缸压力数据的测量分析，找出真正能反映可燃混合气在气缸内的燃烧质量、判断气缸有无“失火”的途径。应用平均指示压力就可以达到这个目的。

这种方法是最准确最直接的“失火”检测方法。但是要实现缸内压力的测量，需在各个气缸上打孔分别安装一个压力传感器，而压力传感器价格较高，其可靠性和使用寿命还不能很好地满足汽车的使用要求，以及发动机各种工况下正常工作时的IMEP数据不容易得到。因此，此种方法在实际中应用很少。

（3）离子电流检测法。离子流测量点火系统理论，支持来源于压力作用下会改变离子的分布这一物理现象。当汽油在气缸中燃烧时，产生了高热高压的化学反应，产生了带正负电荷的粒子，称之为离子。由于离子具有导电性，而导电性的高低主要取决于离子的分布密度及燃烧室的压力，压力越高，离子越多。

离子电流法以发动机的火花塞作为传感器，通过外加一个比点火电压低得多的偏置电压，利用火花塞点火时，发动机缸内可燃混合气在燃烧过程中生成的离子和自由电子，在偏置电压的作用下发生平移，由此在火花塞正负极之间形成持续的离子电流。离子电流随曲轴转角的不同，而有规律地变化，这种变化规律又与气缸内可燃混合气的燃烧情况有关。将被检气缸离子电流的变化规律，与气缸正常工作时的离子电流变化规律对比，以判断相应气缸是否失火。

离子电流检测法方法的研究，还没有真正的成熟，此种方法的准确性还有待进一步的实验研究。

（4）点火电压波形法。发动机的燃烧状况不同，火花塞放电电压波形之间，就会存在显著的差异。随着燃烧条件（混合气成分、压力、温度等）不同，火花塞放电电压的波形有很大差异。

通过对不同燃烧条件下，火花塞电压波形的对比分析发现，完全不能燃烧时，火花塞击穿电压比正常值高20%～50%，火花持续时间却短20%～30%，火花后期电压比正常燃烧时高2～5倍。因此，采用火花塞电压波形，可以确定混合气的燃烧质量。

此种方法仪器安装简便，适应性强。但由于火花塞电压波形除与燃烧条件有关外，还受火花塞间隙大小、火花塞绝缘性能等影响，因此检测的准确性不高。目前主要局限于检测点火系的工作情况，根据电压波形分析点火系各零部件工作是否正常

（5）EGO传感器法。在采用三元催化转换器的汽车上，排气管上安装了EGO传感器，以检测废气中氧的浓度、反映空燃比的高低，从而通过微电脑实现空燃比的闭环控制，为各气缸提供精确的喷油量和准确的喷油时刻。但由于EGO传感器有非线性的开关特性，它只能识别空燃比过大还是过小，即混合气过稀还是过浓，不能提供实际空燃比的精确值。EGO传感器在混合气偏浓时，输出高电压（约1V）；在混合气偏稀时，输出低电压（约0.1V）。当发生由于点火不良而引起的气缸失火时，即使缸内混合气为浓混合气，但由于燃烧不完全，使得废气中含有大量的氧，因而EGO传感器的输出电压，会下降到其0.1V左右的低限。这样在发生连续性失火时，氧传感器会始终输出低电压信号。EGO传感器法，就是通过检测氧传感器的输出信号是否为持续性低电压来实现的。

3 结束语

随着车辆技术指标的不断发展，对车辆的动力性、经济性和排放性提出了更高的要求，而发动机“失火”，将严重影响其各方面的性能。本文对发动机“失火”的原因进行了分析，并总结了数种检测“失火”的方法。然而在实际测试中，引起发动机“失火”的原因可能不尽相同，因此要针对具体情形，选择合适的方法进行分析，找到故障点，有效地排除故障，保证发动机良好的运行。

[1]国家环境保护总局，国家质量监督检验检疫总局.轻型汽车污染物排放限值及测量方法[Z].2005.

[2]徐晓杰，王京.发动机失火算法研究[J].微型计算机信息，2008，24.

[3]李清明.汽车发动机故障分析详解[M].北京：机械工业出版社，2007.