汽车的大量使用，所造成的污染越来越严重，世界各国的排放法规也相应越来越严格。对于我国而言，2006年1月1日起北京已经实施了欧Ⅲ排放法规，2008年全国将开始实施欧Ⅲ排放法规。要想满足即将实施的欧Ⅲ排放法规，除了采用电控单元（ECU）对发动机的供油、点火、怠速等进行精确控制外，还必须加入一套随车诊断系统（On-BoardDiagnostics，即OBDⅡ系统）。应用此系统的原因在于新车在使用一段时间后会由于控制元件的损坏和催化剂的老化造成汽车排放的提高。美国环保署（EPA）调查发现：轻型汽车排出的废气中60%的HC是从20%的排放控制系统有故障或者性能降低的汽车中排出的[1]。
　　由于这些问题的存在不会显着地影响汽车其他方面的性能，因此驾驶员也不会意识到问题的存在，而应用随车诊断系统能在发动机运行过程中对其管理系统中与排放相关的各部分工作状况进行监测，及时发现故障并通知驾驶员。OBDⅡ系统要求检测任何一个与排放有关的部件或系统，重点是检测燃油和空气测定系统故障、点火系统故障或发动机间歇熄火故障、废气控制辅助装置故障等[2]。在众多故障中失火是汽油机最常见的一种故障，随着电控汽油喷射系统、三元催化转化器以及其它电子控制单元的广泛应用，失火造成的危害越来越严重，它不仅会使有害气体的排放增加，还会使催化剂受到危害[3]。本文将对汽油机失火的危害及检测技术进行研究分析。
　　一、汽油机失火的定义及危害
　　（一）汽油机失火的定义
　　美国加州空气资源委员会（CARB）的法规中指出：失火是指发动机由于火花塞缺火、燃油不足、密封不良或者其它原因造成的气缸内混合气不燃烧或者燃烧不充分的现象。因此失火可以定义为各种原因造成的混合气在气缸内的不正常燃烧现象。
　　（二）汽油机失火的危害
　　MartinKlenk等人研究了失火对催化剂温度及HC、CO、NOx排放的影响[4]。发动机处于高速大负荷无失火运行时，一般催化剂温度可升至约950℃，因此，将1000℃定为温度阈值，超过此温度值催化剂可能损坏。图1表示催化剂温度超过阈值1000℃的失火率，此结果是从一台6缸2.5L的发动机上得到。由图1可以得出结论：失火率越高，对催化剂的危害越严重，而且这种危害与发动机的工况有关，当发动机转速越高，负荷越大时，失火对催化剂的危害也越严重。例如发动机在6000r/min节气门全开下运行，5%的失火率就会使催化剂温度超过阈值[4]。

　　在一个排量为2.8L的6缸发动机上试验发现，各种排放物浓度与失火率的关系曲线如图2所示。图2中纵坐标为各种排放物浓度与美国1994年排放标准（HC：0.15g/km；CO2：11g/km；NOx：0.25g/km）百分比。由图2可见：随着失火率的增加，HC浓度迅速增加。失火率为2.2%时，HC浓度约为失火前的2倍，超出标准50%左右[5]。
　　

　　二、汽油机失火检测方法研究
　　发达国家尤其是美国应用OBDII系统比较早，因此对失火检测的研究比较活跃，许多研究机构做了相当多的工作。在我国，随着电子控制系统的普及以及欧Ⅲ标准的逐步实施，对于这方面的研究也逐渐多起来。综合国内外的研究情况，对于汽油机失火的检测方法主要有以下几种。
　　（一）曲轴转速检测法
　　这种方法的原理在于当发动机产生失火的时候，指示转矩会下降，造成曲轴输出角速度的波动。发动机正常工作、失火1次、1缸连续失火时曲轴转速的变化如图3所示。
　　

　　这种方法测量简便，可以利用发动机上现有的转速传感器，不需要增加额外的设备。测量的准确性取决于瞬时转速的测量精度的同时，还与发动机气缸数、转速、负荷等有关系：发动机提供的瞬时转速信号越准确，测量准确性越高；发动机气缸数越少、负荷越大、转速越低，测量准确性也越高。
　　但是如果不考虑发动机的动力性能，应用这种方法的缺点是难以在高转速大负荷工况下直接检测发动机的失火。对此可以利用发动机动力特性的自由能量模式的单一函数来进行失火检测。通过这种模式利用曲轴转速的变化可以得到气缸压力输出的转矩的积分，这个积分可以用来判断失火[6]。现在国内对曲轴转速检测方法也有研究，谢三山等提出了一种基于最高爆发压力的发动机失火原理。这种方法将做功冲程中最高爆发压力出现时刻附近瞬时角加速度的变化，作为多缸机失火现象存在和分析失火缸的依据的方法，这一方法降低了已有诊断方法中对高速数据采集硬件系统的要求[7]。
　　（二）缸内压力检测法
　　这种方法的工作原理与曲轴转角检测法有一定的相关性。由于发动机气缸内的压力与燃烧有直接的关系，因此可以通过检测缸内压力的变化来判断失火。这种方法的特点是在高速、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，失火比较容易检测；而在低速、小负荷时，这种差异可能就不明显，因而不能直接应用气缸压力差异判断失火。可以通过缸内压力计算出平均指示压力（IMEP），将此值与正常燃烧时的平均指示压力进行比较，就可以得出燃烧的状况，判断是否发生了失火[8]。
　　这是一种最基本的方法，从理论上讲也是最精确的测量方法，但是在应用时每个气缸需要安装一个压力传感器，成本比较高，安装也不方便，在发动机各种工况下正常工作时采集IMEP信号不方便，因此在实践随车应用中受到限制，一般在实验研究中应用。
　　（三）点火电压的波形检测法
　　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%时，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。
　　图4是日产车正常时和失火时点火1次信号和点火2次信号电压波形图，从图2中可以看出，正常燃烧和失火时点火信号存在明显的区别。因此，可以用示波器检测点火时火花塞击穿电压的变化情况来判断发动机是否产生失火。
　　

　　应用这种方法检测失火，适应性强，安装仪器比较方便，但是由于点火击穿电压的波形变化除了与燃烧情况有关外，还与火花塞间隙、火花塞绝缘性能等因素有关，因此检测的准确性不是很高。
　　（四）离子电流检测法
　　这是一种新型的检测方法，它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，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，在火花塞正负极之间形成持续的离子电流，对此离子电流进行检测可以判断是否发生失火[9]。
　　国内外的很多学者和研究机构都对这种方法进行了研究。西安交通大学的汪映等在一台DA462-A型4缸汽油机实验台上针对铃木F8A型汽油机进行了离子电流实验。得出了火花塞间隙增大、火花塞积炭、切断高压线情况下离子电流波形图，如图5、图6、图7所示，与图8（正常燃烧时的离子电流信号图）进行比较后得出结论：①失火是发动机上常见的一种不正常燃烧现象，会对发动机的性能和排放带来一定的影响。利用火花塞作传感器完全可以检测到失火信号，而且这种方法准确直观，简便易行，成本低廉。②火花塞间隙过大、火花塞积炭和断电均会导致失火现象的产生。其离子电流波形与正常燃烧时的离子电流波形有很大区别，根据其幅值的变化可以可靠地检测出发生的失火现象。
　　

　　离子电流检测法是一种比较优越的方法，它除了可以检测失火以外，还可以控制爆震，检测配气相位，甚至给出空燃比的信息[10]。
　　（五）EGO传感器检测法
　　当发动机失火时，混合气偏浓，EGO传感器（ExhaustGasOxygenSensor）输出电压降到最低值100mV附近。因此，通过检测EGO传感器输出电压，可以诊断失火故障。
　　由于传统氧传感器的非线性特性，使得在混合气较稀工况下的失火无法检测，YoungkyoChung等研究了应用宽幅氧传感器检测失火的可能性[9]。研究表明：当发动机产生失火时，排气管交汇处HC的浓度存在着2个峰值，浓度峰值的存在使得气缸内失火的判别存在可能。研究还表明，通过对安装在排气管交汇处的宽幅氧传感器的检测信号进行处理后来区分失火与正常燃烧是可行的。失火可以通过检测传感器的判别信号的振幅波动来实现，判缸可以通过检测判别信号的第2个峰值与参考信号之间的相位延迟角来实现。并且因为传感器的响应速度随发动机的转速增加而增加，因此当发动机在5000r/min的工况时失火可以被检测，通过从空转到5000r/min的30～40次实验对相位角的循环变化的测量证明，相位延迟角可以用来可靠地判定发生失火的气缸[11]。
　　这种方法当前应用还不是很广泛，但是随着宽幅氧传感器的广泛应用和成本的降低，它可能会成为检测发动机失火的良好方法。
　　三、结论
　　总的来说，当前在众多方法中缸内压力检测法是最可靠和准确的检测方法，但是由于压力传感器价格昂贵，它在就车应用中不是很广泛，仅限于实验研究中应用，但随着宽幅氧传感器制造成本的降低和离子电流检测法的不断完善，这两种方法的应用必将越来越广泛。我国的一些研究单位已经在这方面做了工作，下一步还应该加强科研力量，尽快研制出符合我国现状的产品。现在我国正在逐步实施欧Ⅲ排放标准，如何根据我国国情，加速确定和规范相应的失火检测方法，以期快速、安全、准确地诊断汽油机的失火故障，减少汽油机失火造成的危害，己经刻不容缓。