淺談發動機的失火故障

張華，賈連超

淺談發動機的失火故障

張華，賈連超

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

主要介紹了目前汽車廠商較為常用的幾種失火監測方法，根據現代汽油發動機失火控制理論，即基于曲軸角速度波動法來監測失火故障的診斷和控制原理分析了發動機失火故障的產生原因，由此提出了診斷發動機失火故障的分析樹，闡述在市場服務過程中怎樣根據失火的實際現象科學的應用故障分析、診斷思路與方法。

失火故障；正常燃燒；分析；診斷；思路與方法

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

引言

隨著電子技術應用于發動機管理系統，車載診斷（OBD）功能也逐漸被大家了解。當系統出現故障時，故障指示燈（MIL）或檢查發動機警告燈亮，同時動力總成控制單元（ECU）將故障信息存入存儲器，通過一定的程序可以將故障碼從ECU中讀出，這就是車載自動診斷系統。近年來OBD-II標準逐漸的被許多汽車生產廠家所采用，此標準中主要增加了多種鑒測功能，失火監測就是其中功能之一[1]。

失火是內燃機最常見的一種故障，發動機失火故障是指在發動機工作過程中，由于各種原因造成的混合氣在氣缸內不能正常燃燒的現象。隨著國內外對汽車排放物的嚴格限制，促進對電控燃油噴射技術和三元催化轉換器的普及應用，也使得失火故障對內燃機造成的危害越來越嚴重。失火不但降低了汽車發動機的動力性和經濟性，而且也加速了催化轉換器的失效，使排放污染加劇。本論文中首先介紹了目前普遍應用的失火監測原理和方法，闡述在市場服務過程中如何根據失火的實際現象進行故障分析，根據市場需求以及發動機的結構特點和控制原理總結了引起發動機失火故障的原因，并由此提出了診斷發動機失火故障的思路與方法，整理出排查失火故障的診斷分析樹。

1 汽油發動機失火故障的理論分析

1.1 汽油發動機失火故障的定義

在給出發動機失火故障的定義之前我們先介紹一下發動機工作循環的種類，根據發動機工作可燃混合氣燃燒時，氣缸內的平均指示壓力與正常燃燒時氣缸內的指示壓力比（IMEP）的不同，有人將發動機的工作循環分為3類：慢燃燒循環，IMEP為平均值的85%-46%；部分燃燒循環，IMEP小于平均值的46%；失火循環，IMEP＜0，還有人將發動機的工作循環分為另外3類：正常工作循環；IMEP正常；IMEP波動很大的循環；完全失火循環，即IMEP≤0。

依據美國加里福尼亞州大氣資源局（CARB）法規的有關規定中指出，失火是指由于火花塞缺火、燃油不足、氣缸密封不良或其它原因造成的氣缸內的燃燒不充分。因此，失火可以定義為：在發動機工作過程中，由于各種原因造成的混合氣在氣缸內不能正常燃燒的現象。根據不正常燃燒的程度，失火分為部分失火和完全失火。部分失火指混合氣在氣缸內燃燒不完全，造成IMEP達不到正常值的現象；完全失火是指混合氣在氣缸內燃燒不足或基本沒有燃燒，造成IMEP≤ 0的現象[2]。

1.2 汽油發動機失火故障的理論分析

通過前面的敘述我們可以知道失火故障對于整車的動力性、經濟性以及環境影響都很嚴重，那么哪些因素可以引起發動機失火呢？下面我們就通過了解火花塞的點火過程從理論方面對引起發動機失火的原因進行詳細的分析。

1.2.1 汽油發動機失火故障的理論分析

通過對汽油發動機點火過程的各階段分析，從理論上我們可以得到引起汽油發動機失火故障有兩種可能：

（1）點火系統（如火花塞等）的故障將會導致失火的發生

1）點火能量是火花塞必須提供給混合氣用以引燃混合氣的能量。點火能量依賴于混合氣成分，火花塞電極間的距離和紊流的程度。火花塞整個工作生命中都經歷著電流放電產生火花的過程，隨著火花塞距離的增加需要能量也增加。圖1為點火需要的電壓，隨著行駛距離的增加火花塞的間距也相應的增加，點火需要的能量也跟著增加，所以當車輛行駛一定距離后就容易發生失火[2]。

圖1 點火電壓

2）發動機工況不同時，火花塞的擊穿電壓將隨發動機轉速、負荷、壓縮比、點火提前角以及混合氣的濃度而變化。起動時的擊穿電壓最高。因為起動時的氣缸壁、活塞以及火花塞的電極都處于冷態，吸入的混合氣溫度低、霧化不良，壓縮時混合氣的溫度升高不大，加之火花塞電極間可能積有汽油或潤滑油，因此擊穿電壓最高。此外，汽車加速時，由于大量冷的混合氣被突然吸入氣缸內，也需要較高的擊穿電壓。

3）當點燃混合氣需要的能量超過了系統提供的能量時，就容易發生失火。電極的擊穿使得電極上一定量的金屬被移除，結果就造成燃燒室中的火花塞被腐蝕。火花的放電導致火花塞溫度升高，再加上燃燒了的氣體有一定腐蝕性導致火花塞電極上有細小的區域被氧化或者與燃燒氣體的某些元素反應，結果造成火花塞電極上一部分金屬被移除，因此增加了火花塞電極間的間隙，故而需要的點火電壓也就相應的增加了。電極的溫度越高腐蝕發展的程度越快，電極損耗的程度依賴于電極的材料。

4）由于堆積物的積累火花塞電極間的間隙也能減小，這樣越來越多的點火能量的需要也可能導致失火。隨著火花塞間距的增加點火能量越來越小，到達一定程度后雖然點火能量有所增加，但是增加的幅度很小。由于點火能量越來越小就有可能在某些情況下發生失火。

（2）不正常燃燒也會引起發動機失火

供油系統故障（如燃油壓力低、噴油嘴故障等）會導致混合氣不正常，即不能正常燃燒以致發動機出現失火故障。混合氣在一個特定的空燃比范圍內才能被點燃，如果混合氣過濃或過稀，那么火花塞正常跳火混合氣也不能燃燒。如圖2所示，火花點火發動機輸出功率Pe隨λ（過量空氣系數）的變化，混合氣過濃或過稀時都會造成失火，導致輸出功率極大的降低[3]。

圖2 混合氣可燃范圍

2 發動機失火故障的系統監測及分析

2.1 失火故障的系統監測方法概述

目前，發動機失火監測的方法有很多，有曲軸角速度波動法、離子電流法和寬域氧傳感器法等。比較常用的是曲軸角速度波動法，該方法是利用曲軸飛輪信號來評估發動機轉速波動檢測失火情況。對于發動機一個氣缸只有在做功行程向外輸出機械功，其他行程則消耗機械功。當其穩定工作，在某氣缸處于做功行程時，發動機輸出的扭矩為正值且大于負荷，因此造成曲軸瞬時角速度上升。而在某一氣缸完成做功行程后，其他氣缸進入做功行程前，輸出扭矩變為負值，因此曲軸瞬時角速度下降，這樣就產生了曲軸轉速的波動。若發動機存在失火，則失火氣缸發出的扭矩必然減小，扭矩的變化會引起曲軸角速度產生不正常的波動。如正常工作四沖程四缸發動機的一個工作循環內會有四次曲軸瞬時角速度先升后降的波動，當其中一缸或多缸失火時，曲軸瞬時角速度的波動就會少一次或多次。曲軸轉速波動法正是通過測量曲軸轉速的波動，根據轉速信號的異常波動來判斷失火現象及發生失火的具體缸號[3]。

這種車都有一個曲軸位置傳感器和一個凸輪軸位置傳感器，曲軸位置傳感器可以精確的測量曲軸的轉速。每個氣缸工作時對曲軸產生的推力（角加速度）也可以檢測到，當某一缸工作不正常時，應有的角加速度不會產生，曲軸位置傳感器就會檢測到這個異常，發動機電腦會根據凸輪軸位置傳感器的一缸上止點信號，可以確定哪一缸工作不良，如果這個不良出現的次數達到設定條件時，發動機電腦就設定這個故障碼。因為這個故障碼需多次認定，所以清除后不會馬上出現。要達到故障再次設定條件時，此故障會再次出現，故障燈會馬上點亮，此時確定發動機的失火故障產生。

3 汽油發動機失火故障的原因分析與診斷方法總結

目前較為常見的處理方法就是多次更換發動機控制單元（ECU）或點火線圈等，雖然暫時解決了故障，但是過了一定周期后故障又重復出現，通過對市場專營店提供的典型發動機失火故障案例的分析，從發動機的機械系統及電控系統等全面對汽油發動機失火故障的原因進行分析，并總結處理此類故障的診斷方法。

3.1 失火故障產生的原因分析及診斷方法總結

通過前面的分析，我們可以得到只要發動機氣缸中的可燃混合氣燃燒不良或者沒有燃燒，都會導致發動機發生失火故障。點火系統的元件損壞，肯定會導致氣缸中的可燃混合氣燃燒不良或者沒有燃燒，但是除了點火系統之外，汽油壓力低、噴油器堵塞或霧化不良、噴油器線路及機械故障導致的氣缸壓力不足、廢氣再循環泄漏等原因，均會導致氣缸中的可燃混合氣燃燒不良或者沒有燃燒。

3.1.1 汽油發動機失火故障產生的原因分析

產生失火故障的原因有多種，如點火系統（火花塞積炭、點火能量降低）故障，因漏氣而難于建立壓縮壓力等，歸納起來主要有以下幾個方面：

1）點火系故障導致失火，由于火花塞未跳火或點火提前角不當造成混合氣在氣缸內不能正常燃燒。主要原因有：火花塞污損、電極間隙過大或過小；高壓線斷路或絕緣不良；分電器故障等。

2）配氣機構故障可能導致失火，是由于可燃混合氣進氣不暢或廢氣排氣不徹底造成混合氣在氣缸內不能正常燃燒。主要原因有氣門間隙調整不當或凸輪軸變形等。

3）燃油供給系統故障導致失火，即可燃混合氣過濃或過稀造成混合氣在氣缸內不能正常燃燒。主要原因有：空氣濾清器堵塞、進氣管漏氣、燃油油路不暢或油壓過高或過低等。

4）氣缸密封不良導致失火，是由于氣缸密封不良引起壓縮過程和壓縮終了可燃混合氣的溫度和壓力降低，影響可燃混合氣的著火性能。主要原因有：活塞、活塞環與氣缸壁之間密封不良、氣門與氣門座之間密封不良、氣缸墊損壞等。

5）傳感器故障導致失火，電控系統中與點火相關的傳感器不能及時采集相關的啟動數據，導致水溫傳感器失效，空氣流量計失效，曲軸位置傳感器失效，脈沖齒輪失效。

6）其它方面：催化器或排氣管路堵塞，氣門控制系統失效，進氣系統堵塞，進排氣門積碳，凸輪軸失效，氣缸壓力不足，正時帶錯位等。

3.1.2 失火故障的判定及診斷方法總結

失火故障是目前各種車輛普遍存在的一種故障現象，又因為產生失火故障的原因很多，嚴重影響了營銷技術支持人員在市場服務過程中的工作效率，同時也在一定程度上影響生產廠家的品牌效益。針對此種情況我們分析了失火故障產生的原因，并總結了一套排除發動機失火故障的方法，總結成分析故障樹，如圖3所示。

圖3 失火故障分析診斷樹

[1] 趙海豐.基于曲軸轉速的發動機失火故障診斷研究.2015.

[2] 陳家瑞.汽車構造（上冊）.[M]機械工業出版社. 2005.1.

[3] 陳家瑞.汽車構造（下冊）.[M]機械工業出版社. 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

張華，（1984）女，工程師，本科，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司，主要分析和處理汽車發動機的售后故障。