随着汽车工业的发展和人们生活水平的提高，汽车保有量正在逐年上升。车辆的广泛应用促进了社会发展，方便了百姓的生活，但同时汽车尾气排放也造成了环境污染。这就使得尾气问题越来越受到重视。因此汽车发动机排放控制和故障诊断就凸显出了重要的意义。为了随时监控发动机运行状态和尾气处理系统工作状态，上世纪80年代国外发明了OBD系统，我国引进该技术之后也陆续出台了相关的法律法规对相关问题进行控制。本文分析了发动机失火故障产生原因，指出了发动机失火故障诊断的重要性，分析了失火故障对曲轴转矩和转速的影响。本文以四缸发动机为研究对象，在发动机负载变化的时候，即路面起伏导致行驶的汽车负载发生变化的情况，设计失火故障诊断系统，保证发动机失火故障能被及时检测到。失火故障诊断系统的核心是滑模观测器，它是应用滑模变结构控制思想设计的，这种方法对被控对象参数变化和系统摄动都有很强的鲁棒性。本文设计发动机失火故障诊断系统分三个步骤：首先，以发动机数值模型为参考模型设计滑模观测器，根据曲轴转速估计曲轴转矩，并对滑模观测器进行了稳定性分析；其次，通过对观测器估计的曲轴转速进行频谱分析，设计巴特沃斯低通滤波器，对转速偏差进行滤波，求取滤波后信号的变化率。最后，设计失火故障判断逻辑，将观测转矩和转速偏差的变化率输入到失火故障判断逻辑中，进行失火故障诊断。在AMESim中建立四缸发动机物理模型，模拟发动机节气门变化、负载变化、失火故障等工况，获取这些工况下曲轴转速数据，在Simulink中进行失火故障诊断。通过Matlab/Simulink和AMESim进行仿真，正确检测到预先设定的失火故障，验证了基于滑模观测器和巴特沃兹滤波器所设计的失火故障诊断系统的有效性。