楊家印

摘要：本文論述了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)失火故障的相關(guān)概念，通過對(duì)其故障的定義、造成故障的原因以及故障帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了敘述;在此基礎(chǔ)上，整理當(dāng)前的研究結(jié)論并結(jié)合自身的教育教學(xué)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了目前我國汽車發(fā)動(dòng)機(jī)失火故障的診斷方法以及診斷依據(jù)，在總結(jié)自身工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上以期為相關(guān)工作人員處理失火故障提供可行的方法。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī);失火故障;方法研究;故障診斷

中圖分類號(hào)：TK40? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）01-0104-02

1? 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)失火故障相關(guān)概述

1.1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)失火故障的概念

發(fā)動(dòng)機(jī)一直是汽車最核心的部件之一，且當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的種類和型號(hào)繁多。所有類型的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生混合性氣體，這就會(huì)改變汽車氣缸內(nèi)的壓力。通常情況下，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒循環(huán)工作主要有這三種類型：即慢性燃燒循環(huán)、部分性燃燒循環(huán)以及失火性燃燒循環(huán)。相對(duì)于正常工作狀態(tài)下，慢性燃燒循環(huán)時(shí)氣缸壓力大約在46～85%之間;部分性燃燒循環(huán)時(shí)氣缸壓力大約在46%以下;而失火性燃燒循環(huán)能夠使氣缸壓力大大降低成為負(fù)壓。為此，本文結(jié)合筆者教育教學(xué)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)失火性燃燒循環(huán)進(jìn)行討論與研究。

1.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)失火原因

①導(dǎo)致汽車發(fā)動(dòng)機(jī)失火的最常見的原因就是點(diǎn)火系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)、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(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)失火，比如傳感器出現(xiàn)故障、控制器自身存在問題、進(jìn)氣壓力傳感器存在故障。

③在供給方面，燃料供給系統(tǒng)發(fā)生故障也能直接使發(fā)動(dòng)機(jī)失火。常見原因有：燃油泵或噴油器出現(xiàn)故障、汽車內(nèi)空氣濾清器發(fā)生堵塞。

1.3 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)失火的危害

發(fā)動(dòng)機(jī)失火是較為嚴(yán)重的故障，這在一方面會(huì)帶來嚴(yán)重的安全駕駛事故;同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量有毒有害的氣體，與此同時(shí)，由于氣缸內(nèi)溫度快速升高，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)因吸收過多的熱量而承受更高的壓力，進(jìn)而會(huì)發(fā)生損壞。

2? 失火故障因素分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力沖程的過程中，如果氣缸內(nèi)的油氣不能正常供應(yīng)或者燃燒，就會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)失火故障。從實(shí)際的具體情況來看，引起發(fā)動(dòng)機(jī)失火故障的因素有很多，比如油氣供應(yīng)、空氣、燃料、火花等;另一方面，影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)的原因包括：油品質(zhì)量差、粘度高、積炭、射頻干擾、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械問題等。

3? 失火故障診斷依據(jù)

3.1 氣缸外部診斷依據(jù)

①曲軸瞬時(shí)凈扭矩。曲軸瞬時(shí)凈扭矩是指發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒扭矩，取決于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸燃燒產(chǎn)生的動(dòng)力，因此可以作為判斷是否出現(xiàn)失火故障的依據(jù)，燃燒壓力能夠通過機(jī)構(gòu)使得曲軸傳遞扭矩至旋轉(zhuǎn)部件。然而該依據(jù)容易受影響，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)體的慣性會(huì)在很大程度上影響曲軸的旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致扭矩降低，進(jìn)而使得判斷出現(xiàn)失誤。

在正常工作狀態(tài)下，對(duì)曲軸的扭矩進(jìn)行理論分析，以四沖程單缸曲軸發(fā)動(dòng)機(jī)為例，由發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)氣體壓力和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力得到曲軸扭矩的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

上式（2）中，Mg和Mj分別為缸體內(nèi)的氣體力所產(chǎn)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(shù)，其倍數(shù)指數(shù)從1開始;？漬v為曲軸的初始相位角;mj為慣性質(zhì)量;R為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的半徑值;t為時(shí)間;λ為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的幾何參數(shù)（R與連桿長度之比）。

②曲軸瞬時(shí)角速度。氣缸在點(diǎn)火成功后，會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)輸入功率，這就會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)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(shí)角速度就和燃燒功率是呈線性關(guān)系的。由此可見，曲軸的速度變化也可以作為診斷汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是否出現(xiàn)失火故障的一種方式。

③曲軸瞬時(shí)角加速度。通過近年來的進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)曲軸瞬時(shí)角加速度在診斷發(fā)動(dòng)機(jī)失火這一故障方面具有更加準(zhǔn)確有效的意義。根據(jù)牛頓第二定律，旋轉(zhuǎn)體的角加速度與作用力成正相關(guān)，并且氣缸的點(diǎn)火順序是有規(guī)律的。曲軸能夠獲得間斷的能量和角加速度，一旦發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)失火，曲軸角加速度將會(huì)顯示出十分明顯的峰值，可作為診斷識(shí)別的有效輸入。

在理論計(jì)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(lì)力矩可以表達(dá)為下式：

④曲軸轉(zhuǎn)角。其不僅代表著曲軸所處的位置，也是對(duì)曲軸瞬時(shí)角速度進(jìn)行積分所得到的值。雖然曲軸轉(zhuǎn)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(jīng)過大量的研究，根據(jù)曲柄角的離散動(dòng)力學(xué)模型，使用滑動(dòng)模式觀測器和遞推最小二乘法可以得到氣缸壓力，進(jìn)而對(duì)失火故障進(jìn)行有效診斷。

⑤廢氣壓力、成分和溫度。汽車氣缸內(nèi)混合氣燃燒產(chǎn)生的物質(zhì)是經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)所排出的?，F(xiàn)階段，能夠?qū)κЩ鸸收线M(jìn)行判斷的廢氣指標(biāo)包括：廢氣壓力、廢氣成分和廢氣溫度。根據(jù)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(yīng)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(yīng)用受到了限制。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸在循環(huán)燃燒的過程當(dāng)中，排氣閥會(huì)周期性開放，而這主要是根據(jù)排氣產(chǎn)物和活塞運(yùn)動(dòng)的變化，進(jìn)而使得排氣管內(nèi)的壓力會(huì)發(fā)生不斷的變化，據(jù)此，氣缸的低壓狀態(tài)可以作為診斷發(fā)動(dòng)機(jī)失火的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。在大多數(shù)情況下，不點(diǎn)火時(shí)的排氣壓力相比正常降低了大約3～4倍，診斷準(zhǔn)確度高于85%。除此之外，發(fā)動(dòng)機(jī)失火還會(huì)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(shí)的溫度和正常時(shí)的溫度進(jìn)行比較，去診斷汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸是否出現(xiàn)失火故障。

⑥發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)。其又分為車體振動(dòng)信號(hào)和曲軸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)。除了氣缸蓋和發(fā)動(dòng)機(jī)表面能夠測量出振動(dòng)信號(hào)，還可以利用多個(gè)傳感器在氣缸蓋的不同位置進(jìn)行測量。發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)是由內(nèi)部激振力所引起的，因此，通過監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)，也可以對(duì)失火故障進(jìn)行診斷。

將發(fā)動(dòng)機(jī)看成整個(gè)系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)失火后曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)表現(xiàn)為受迫振動(dòng)，其振動(dòng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以表達(dá)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)的阻尼矩陣;K為曲軸系統(tǒng)的剛度矩陣，其中剛度矩陣和阻尼矩陣均需要通過對(duì)曲軸系統(tǒng)進(jìn)行抽象和簡化后計(jì)算得到，當(dāng)然也可以采用試驗(yàn)的方式測量獲得。

⑦其他信號(hào)。主要包括：排氣噪聲和機(jī)體噪聲信號(hào)、氧傳感器信號(hào)、缸與缸之間段持續(xù)時(shí)間等等。

3.2 氣缸內(nèi)部依據(jù)

①離子電流信號(hào)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)混合氣的燃燒會(huì)產(chǎn)生離子電流信號(hào)，而該信號(hào)包含了燃燒情況的諸多參數(shù)，比如燃燒室壓力、燃燒起始空燃比等。根據(jù)離子電流信號(hào)的強(qiáng)弱情況，能夠判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否出現(xiàn)了失火故障。

②光學(xué)信號(hào)。利用光學(xué)原理，能夠知曉發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的燃燒情況，該方法是基于視覺，對(duì)可見光和熱輻射的電磁輻射進(jìn)行記錄，并做后續(xù)的評(píng)估。燃燒室中的燃料、燃燒過程等能夠被直接的觀測到，進(jìn)而也就能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒情況進(jìn)行判斷。除此之外，還可以利用透鏡呈現(xiàn)的光學(xué)圖像，分析其所蘊(yùn)含的信息，也可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸失火故障進(jìn)行診斷。

③氣缸壓力。發(fā)動(dòng)機(jī)在循環(huán)燃燒過程當(dāng)中，室內(nèi)的壓力取決于燃燒質(zhì)量，因此，燃燒室的壓力對(duì)于診斷失火故障來說，也是一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)。

4? 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)失火故障的檢測方法

4.1 曲軸轉(zhuǎn)速診斷方法

目前，我國汽車行業(yè)最常使用的一種診斷方法就是曲軸轉(zhuǎn)速診斷法，應(yīng)用該方法的原理是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)失火時(shí)會(huì)導(dǎo)致指示轉(zhuǎn)矩下降，與此同時(shí)，曲軸輸出角速度會(huì)發(fā)生改變，其中，能夠顯示出汽車發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)失火故障的一種現(xiàn)象就是瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。不僅如此，汽油電控發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)還必須對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，因此，診斷汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是否出現(xiàn)失火故障的一個(gè)十分重要的依據(jù)就是瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，診斷工作人員可以根據(jù)汽車轉(zhuǎn)速傳感器或有關(guān)的設(shè)備，如汽車診斷儀圖形分析、示波器、汽車軟件等去獲取其數(shù)據(jù)波形變化圖。

4.2 缸內(nèi)壓力診斷方法

缸內(nèi)壓力診斷法與曲軸轉(zhuǎn)速診斷法二者的本質(zhì)是相似的。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的燃燒情況直接決定了氣缸內(nèi)的壓力情況，因此，可以根據(jù)氣缸壓力的變化情況去診斷汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是否出現(xiàn)失火故障。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高速高壓的條件下時(shí)，氣缸壓力和正常情況下相比會(huì)發(fā)生很大的變化，此時(shí)如果對(duì)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，便能夠診斷出發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生失火。然而，該方法也有一定的不足與缺陷，那就是如果發(fā)動(dòng)機(jī)處于低速低壓的條件下時(shí)，通過對(duì)壓力變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，是不能發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)是否出現(xiàn)失火故障的。并且，該方法所需成本較高，利用壓力傳感器對(duì)氣缸壓力進(jìn)行監(jiān)測，還具有著一定的不便性，因此，該方法主要是應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)研究，在實(shí)際診斷時(shí)應(yīng)用的比較少。

5? 結(jié)束語

綜上所述，目前存在著很多能夠診斷汽車發(fā)動(dòng)機(jī)失火故障的方法，但是，只有根據(jù)具體情況，采取合適的診斷方法，才能真正發(fā)揮出失火故障診斷方法具有的價(jià)值，進(jìn)而及時(shí)有效的排除發(fā)動(dòng)機(jī)失火故障，規(guī)避汽車發(fā)動(dòng)機(jī)失火故障所造成的安全事故，降低其潛在的風(fēng)險(xiǎn)，最終推動(dòng)我國汽車行業(yè)的健康長久發(fā)展。

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