汽油發(fā)動(dòng)機(jī)失火探討

1、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)失火探討摘要 闡述了汽油機(jī)失火的概念.介紹了失火的危害,分析了汽油機(jī)失火的原因,并分別介紹了汽油機(jī)失火檢測(cè)的方法,即缸內(nèi)壓力法、點(diǎn)火電壓波形法、曲軸轉(zhuǎn)速波形法、OX傳感器(氧傳感器法、單缸斷火法及離子檢測(cè)法等。關(guān)健詞:汽油機(jī)失火檢測(cè)失火足汽油機(jī)最常見的一種故障。隨著電子控制汽油噴射系統(tǒng)、三元催化轉(zhuǎn)換器及其它電子裝置應(yīng)用的日趨廣泛和汽車保有量的快速增加,失火造成的危害越來越嚴(yán)重。本文擬對(duì)失火的定義進(jìn)行探討,對(duì)失火的危害、原因及有關(guān)失火的檢測(cè)方法進(jìn)行分析。1 失火的定義雖然國(guó)外對(duì)失火的研究開展較早,也取得許多進(jìn)展,但對(duì)失火循環(huán)的定義還不完全一致。據(jù)有關(guān)資料記摘,有人將發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)分為

2、3類:慢燃燒循環(huán),IMEP為平均值的85%46%;部分燃燒循環(huán), IMEP小于平均值的46%;失火循環(huán),IMEP<0、還有人將發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)分為另外3類:正常工作循環(huán), 1MEP正常;IMEP波動(dòng)很大的循環(huán);完全失火循環(huán),IMEP0。美國(guó)大氣資源局的有關(guān)規(guī)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(nèi)的燃燒不充分。因此,失火可以定義為:在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中,由于各種原因造成的混合氣在氣缸內(nèi)不能正常燃燒的現(xiàn)象、根據(jù)不正常燃燒的程度,失火分為部分失火和完全失火。部分失火是指混合氣在氣缸內(nèi)燃燒不完全,造成IMEP達(dá)不到正常值的現(xiàn)象;完全失火是指混合氣在氣缸內(nèi)燃燒

3、不足或基本沒有燃燒,造成1MEP0的現(xiàn)象。根據(jù)工作過程中出現(xiàn)的頻率,失火義可以分為連續(xù)失火和單次失火。連續(xù)失火是指在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中,失火氣缸連續(xù)發(fā)生失火的現(xiàn)象。單次失火是指在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中,失火氣缸有時(shí)正常工作、有時(shí)失火的現(xiàn)象。為了反映部分失火和單次失火的失火嚴(yán)重程度,引入一個(gè)概念失火率。失火率是指部分失火造成的IMEP的下降值與正常值的百分比或單次失火中失火循環(huán)占總循環(huán)的百分比。2 失火的危害失火不但降低了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性,而且加速了催化轉(zhuǎn)換器的失效,使排放污染加劇。2.1 失火加速排氣凈化催化劑失效為了反映失火對(duì)催化劑的危害程度,引入“催化劑的許可溫度”的概念。催化劑的許可溫

4、度是指維持催化劑正常工作所允許的最高排氣溫度。超過這個(gè)溫度,就會(huì)加速催化劑老化。發(fā)動(dòng)機(jī)在高速、大負(fù)荷工作時(shí),排氣溫度在950左右,因此,確定催化劑的許可溫度為10002。在一排量為3L的六缸機(jī)上試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),失火率分別為25%、20%、15%、10%和5%條件下,排氣溫度上升到1000時(shí),相應(yīng)的負(fù)荷(進(jìn)氣管壓力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖1所示。由圖1可見,失火率越高,排氣溫度越容易達(dá)到許可溫度,對(duì)催化劑的危害越嚴(yán)重。當(dāng)失火率為5%,轉(zhuǎn)速在6000 r/min以上、大負(fù)荷(進(jìn)氣管壓力較高時(shí),排氣溫度才達(dá)到許可溫度;當(dāng)失火率為25%時(shí),即使負(fù)荷很小(進(jìn)氣管壓力為20kPa,只要轉(zhuǎn)速超過5000 r/min,排氣

5、溫度就會(huì)達(dá)到許可溫度。從圖1還可以看出,失火率一定時(shí),排氣溫度還與發(fā)動(dòng)機(jī)的工況有關(guān),隨著負(fù)荷的增大,排氣溫度達(dá)到許可溫度的最低轉(zhuǎn)速下降很快,即負(fù)荷越大,排氣溫度越容易達(dá)到許可溫度,對(duì)催化劑的危害越嚴(yán)重。另外,發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷一定時(shí),轉(zhuǎn)速越高,排氣溫度越容易達(dá)到許可溫度,如進(jìn)氣管壓力40kPa、轉(zhuǎn)速2500r/min時(shí),失火率大于25%,排氣溫度才會(huì)達(dá)到許可溫度;轉(zhuǎn)速5000r/min時(shí),失火率達(dá)到20%,排氣溫度就能達(dá)到許可溫度。總之,失火率越高,對(duì)催化劑的危害越嚴(yán)重;并且這種危害與發(fā)動(dòng)機(jī)的工況有關(guān),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高,負(fù)荷越大,失火對(duì)催化劑的危害也越嚴(yán)重。 2.2 失火造成排放污染加劇失火對(duì)排放的影響

6、主要表現(xiàn)為使HC化合物的排放濃度增大。正常情況下,失火使廢氣中的氧氣濃度增大,導(dǎo)致氧傳感器周期性地輸出“混合氣過稀”的信號(hào),造成混合氣過濃。氧傳感器的類型不同,混合氣變濃的程度不同,相應(yīng)的CO排放量有不同程度的增加,NO x排放量有不同程度的下降。在一排量為2.81的六缸機(jī)上試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),各種排放物濃度與失火率的關(guān)系曲線如圖2所示,圖2中縱坐標(biāo)為各種排放物濃度與美國(guó)1994年排放標(biāo)準(zhǔn)(HC0.15g/km,C02.11g/km,NO x0.25g/km百分比。由圖2可見,隨著失火率的增加,HC濃度迅速增加,失火率為2.2%時(shí),HC濃度約為失火前的2倍,超出標(biāo)準(zhǔn)約50%。另外,通過研究點(diǎn)火不良造成的

7、失火對(duì)廢氣排放量的影響發(fā)現(xiàn),點(diǎn)火不良導(dǎo)致的失火對(duì)HC排放影響非常嚴(yán)重。當(dāng)失火率在4%5%之間時(shí),HC排放量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的2倍左右;當(dāng)失火率接近6%時(shí),HC排放達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的3倍。CO排放量隨失火率增大變化不明顯,失火率達(dá)到6%時(shí),CO排放量仍在標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)。NO x 排放量隨失火率增大而減小?？傊?失火造成氣缸IMEP下降,使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性變壞,排放污染加劇。同時(shí),燃燒不良的混合氣在排氣管中氧化甚至燃燒,使催化劑溫度升高,加速了催化劑的失效。另外,失火造成廢氣中氧氣濃度周期性變化,發(fā)動(dòng)機(jī)通過氧傳感器反饋加濃混合氣,也造成經(jīng)濟(jì)性變差,且HC和CO排放量增大。更為嚴(yán)重的是,如果對(duì)催化劑中毒不能及日寸發(fā)現(xiàn)

8、,將會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)排放急劇惡化。3 產(chǎn)生失火的主要原因?qū)е缕蜋C(jī)失火的原因很多,主要有點(diǎn)火系故障、燃料供給系故障、配氣機(jī)構(gòu)故障、氣缸密封不良等。點(diǎn)火系故障導(dǎo)致失火,是由于火花塞缺火或點(diǎn)火提前角不當(dāng)造成混合氣在氣缸內(nèi)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、裙部絕緣不良;高壓線斷路或絕緣不良;分電器故障等。燃料供給系故障導(dǎo)致失火,是由于可燃混合氣過濃或過稀造成混合氣在氣缸內(nèi)不能正常燃燒。主要原因有:空氣濾清器堵塞、進(jìn)氣管漏氣、燃油油路不暢或油壓過高或過低、化油器或噴油器故障等。配氣機(jī)構(gòu)故障導(dǎo)致失火,是由于可燃混合氣進(jìn)氣不暢或廢氣排氣不徹底造成混合氣在氣缸內(nèi)不能正常燃燒。主要原因有:氣

9、門間隙調(diào)整不當(dāng)或凸輪軸變形等。氣缸密封不良導(dǎo)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(huán)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。4 失火檢測(cè)方法綜合國(guó)內(nèi)外情況,失火的檢測(cè)方法主要有如下6種:缸內(nèi)壓力法、曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)法、單缸斷火法、點(diǎn)火電壓波形法、OX傳感器法和離子檢測(cè)法。4.1 缸內(nèi)壓力法由于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)壓力隨著燃燒速率的不同而變化,在高速、大負(fù)荷條件下,失火時(shí)的氣缸壓力與正常燃燒時(shí)的氣缸壓力有很大的差異;而在低速、小負(fù)荷時(shí),這種差異可能就不明顯。因而,不能直接應(yīng)用氣缸壓力差異判斷失火。這就

10、需要通過對(duì)氣缸壓力數(shù)據(jù)的測(cè)量分析,找出真正能反映可燃混合氣在氣缸內(nèi)的燃燒質(zhì)量、判斷氣缸有無失火的途徑。應(yīng)用IMEP就可以達(dá)到這個(gè)目的。通過測(cè)量氣缸內(nèi)的氣體壓力計(jì)算出IMEP,并與正常燃燒時(shí)的IMEP或直接與其他氣缸的IMEP比較,判斷該氣缸是否正常燃燒,有無失火。盡管這種方法是最準(zhǔn)確的失火檢測(cè)方法,但因壓力傳感器等檢測(cè)儀器價(jià)格較高、安裝不方便,而且發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況下正常工作時(shí)的IMEP數(shù)據(jù)不容易得到,該方法在實(shí)際就車診斷中受到限制。4.2 點(diǎn)火電壓波形法隨著燃燒條件(混合氣成分、壓力、溫度等不同,火花塞放電電壓的波形有很大差異。通過對(duì)不同燃燒條件下火花塞電壓波形的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),完全不能燃燒時(shí),火

11、花塞擊穿電壓比正常值高20%50%,火花持續(xù)時(shí)間卻短20%30%,火花后期電壓比正常燃燒時(shí)高2倍5倍。這種方法的特點(diǎn)是儀器安裝簡(jiǎn)便,適應(yīng)性強(qiáng)。但由于火花塞電壓波形除與燃燒條件有關(guān)外還受火花塞間隙大小、火花塞絕緣性能等影響,因此檢測(cè)的準(zhǔn)確性不高。這種方法在我國(guó)應(yīng)用較廣,但主要局限于檢測(cè)點(diǎn)火系的工作情況,根據(jù)電壓波形分析點(diǎn)火系各零部件工作是否正常。4.3 曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)法如果發(fā)動(dòng)機(jī)有失火故障,則失火氣缸的指示扭矩就會(huì)下降,造成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速異常波動(dòng)。許多文獻(xiàn)表明,根據(jù)曲軸的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速可以估計(jì)各氣缸的壓縮壓力、燃燒壓力、指示扭矩等。曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)法正是通過測(cè)量曲軸轉(zhuǎn)速的波動(dòng),估計(jì)氣缸的指示扭矩(或IMEP,來

12、判斷該缸失火與否。這種方法的特點(diǎn)是測(cè)量簡(jiǎn)便,測(cè)量準(zhǔn)確性取決于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度,還與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等有關(guān)。發(fā)動(dòng)機(jī)提供的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)越準(zhǔn)確,測(cè)量準(zhǔn)確性越高;發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)越少、負(fù)荷越大、轉(zhuǎn)速越低,測(cè)量準(zhǔn)確性也越高。4.4 OX傳感器法在采用三元催化轉(zhuǎn)換器的汽車上,為了最大限度降低排放,空燃比應(yīng)控制在理想空燃比附近。因?yàn)槿呋D(zhuǎn)換器只有在理想空燃比附近很小范圍內(nèi)才能對(duì)CO、HC的氧化和NO x的還原同時(shí)進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)向CO2、H20、N2、O2的轉(zhuǎn)化。為此,在排氣管上安裝了OX傳感器,以檢測(cè)廢氣中氧氣濃度、反映空燃比的高低,從而通過微電腦實(shí)現(xiàn)空燃比的閉環(huán)控制,為各氣缸提供精確的噴油量和準(zhǔn)確的

13、噴油時(shí)刻。但由于OX傳感器有非線性的開關(guān)特性,它只能識(shí)別空燃比過大還是過小,即混合氣過稀還是過濃,不能提供實(shí)際空燃比的精確值。OX傳感器在混合氣偏濃時(shí)輸出高電壓(約1 V;在混合氣偏稀時(shí)輸出低電壓(約0.1 V。當(dāng)點(diǎn)火系工作不良導(dǎo)致失火時(shí),即使混合氣偏濃,OX傳感器輸出電壓也不升高,而是降到最低值附近。因此,通過檢測(cè)OX傳感器輸出電壓,可以診斷失火故障。由于OX傳感器輸出電壓對(duì)空燃比變化反應(yīng)非常敏感,使這種方法不太可靠。4.5單缸斷火法這種方法又叫做“單缸動(dòng)力性檢查”,首先使發(fā)動(dòng)機(jī)在某一工況下穩(wěn)定運(yùn)行,用短路或斷路的方法使某氣缸火花塞不跳火,人為造成該氣缸完全失火(又叫“人工斷火”,通過考察人

14、工斷火前后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化情況,判斷該氣缸原來工作是否正常,即有無失火。某氣缸人工斷火前后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的差值叫做該氣缸的“單缸轉(zhuǎn)速降”。單缸轉(zhuǎn)速降越大,說明該缸原來工作越好;反之,單缸轉(zhuǎn)速降越小,說明該缸原來工作越差,失火率越高,如果一個(gè)缸的單缸轉(zhuǎn)速降約為零,表明該缸完全失火。由于操作方便,診斷準(zhǔn)確性較高,這種方法在我國(guó)汽車維修業(yè)中應(yīng)用十分廣泛,但對(duì)其缺點(diǎn)應(yīng)給予足夠重視。人工斷火后容易引起被檢氣缸火花塞污損,甚至“淹死”,導(dǎo)致被檢氣缸在檢測(cè)結(jié)束后部分失火或完全失火。另外,采用拔掉高壓線等使高壓回路斷路的方法進(jìn)行單缸斷火時(shí),引起次級(jí)電壓升高,次級(jí)電壓最大值達(dá)到正常工作時(shí)火花塞擊穿電壓的2倍以上,這對(duì)汽車上的電子設(shè)備十分有害。4.6 離子檢測(cè)法可燃混合氣在氣缸內(nèi)燃燒后產(chǎn)生大量離子,火花塞點(diǎn)火后,給火花塞電極間加一直流電壓,在火花塞電極間就產(chǎn)生離子電流。離子電流隨曲軸轉(zhuǎn)角的不同而有規(guī)律地變化,這種變化規(guī)律又與氣缸內(nèi)可燃混合氣的燃燒情況有關(guān)。將被檢氣缸離子電流的變化規(guī)律與氣缸正常工作時(shí)的離子電流變化規(guī)律對(duì)比,以判斷相應(yīng)氣缸是否失火,這就是離子檢測(cè)法的基本原理。這種方法