汽油發(fā)動機真空控制閥一種失效模式剖析的研究

王 博，張少華，張 彬，郭宇輝，崔 凱，劉曉瑩，孫 蕭，趙福成

（寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336）

引言

用戶駕駛某PHEV車型，急加速行駛過程中車輛出現(xiàn)頓挫感，緩加速行駛車輛正常。維修人員檢查發(fā)動機故障燈亮，使用解碼器讀取故障碼：（1）渦輪增壓器增壓壓力顯示過高；（2）一缸發(fā)生失火故障碼。

檢查發(fā)現(xiàn)第1缸火花塞陶瓷體脫落，更換新火花塞試車，急加速過程中車輛依然頓挫，讀取故障碼報渦輪增壓器增壓壓力顯示過高，進一步檢查發(fā)現(xiàn)真空控制閥閥體表面呈白色印記，有疑似進水跡象，更換真空控制閥故障排除。拆解真空控制閥，發(fā)現(xiàn)柱塞銹蝕，柱塞密封座與柱塞分離。

1 真空控制閥作用、結構、原理

1.1 真空控制閥作用

發(fā)動機滿足增壓后需進行泄壓，保證壓力均衡。ECU通過占空比信號控制真空控制閥進行真空度的調(diào)節(jié)。當需要泄壓時，真空控制閥將真空輸入給增壓器廢氣旁通閥，增壓器廢氣閥門在負壓下打開進行泄壓。真空控制閥布置及控制原理詳見圖1[1]，圖2。

圖1 真空控制閥布置圖

圖2 增壓壓力控制原理圖

1.2 真空控制閥結構

真空控制閥內(nèi)部結構如圖3所示。

圖3 真空控制閥內(nèi)部結構圖

1.3 真空控制閥原理

真空控制閥管路連接圖示[2]，詳見圖4。

圖4 真空控制閥管路連接圖示

自然狀態(tài)下，堵頭在中間位置，管口1通過堵頭密封，隔斷與管口2連同，此時增壓器廢氣泄壓腔無真空輸入，詳見圖5。

圖5 真空控制閥中間狀態(tài)

當增壓器需要泄壓時，ECU通過占空比信號控制真空控制閥電磁輸入電流，電流驅(qū)動柱塞向下運動，堵頭同步下行，管口1與管口2接通，增壓器廢氣泄壓閥在真空吸力的作用下打開廢氣閥門進行泄壓，詳見圖6。

圖6 增壓器泄壓時，真空控制閥狀態(tài)

當需要增壓時ECU再次改變占空比信號，真空控制閥柱塞回到自然狀態(tài)，管口1與管口2隔斷，增壓器廢氣泄壓閥腔無真空輸入。

2 原因分析

2.1 真空控制閥分析

2.1.1 故障件性能測試

臺架試驗驗證故障閥體管口2無真空輸出，對比正常件在不同占空比下輸出滿足需求的真空度，詳見表1。

表1 故障真空控制閥真空測試結果

2.1.2 故障件拆解

真空控制閥內(nèi)部進水柱塞銹蝕、柱塞密封座與柱塞分離，圖7所示，柱塞下行時柱塞密封座及堵頭無動作，導致管口1與管口2無法聯(lián)通，管口2無真空輸入，增壓器廢氣旁通閥無法打開泄壓。

圖7 柱塞銹蝕，柱塞密封座與柱塞分離

增壓器無法泄壓造成發(fā)動機進氣壓力、溫度升高，發(fā)動機易形成早燃、爆震，火花塞陶瓷體在爆壓下?lián)p壞松脫，出現(xiàn)加速頓挫現(xiàn)象。

2.1.3 真空控制閥材質(zhì)分析

柱塞密封座材料PA46，耐水性較差，經(jīng)水浸泡后易變形出現(xiàn)閥體與密封座分離問題。

在對閥座與柱塞組件浸水儲存后，測試閥座的拔脫力，PA46閥座拔脫力平均值219 N，PA66閥座拔脫力平均值452 N，試驗結果顯示PA66材質(zhì)耐水性明顯強于PA46。

2.2 真空控制閥進水原因調(diào)查

（1）發(fā)動機生產(chǎn)過程排查：發(fā)動機生產(chǎn)線、庫房、排查發(fā)動機外觀及真空控制閥表面無水漬。

（2）整車生產(chǎn)過程排查：發(fā)動機上線前、裝配線、內(nèi)外飾線體、車輛淋雨前檢查發(fā)動機外觀無水漬，車輛淋雨后檢查發(fā)動機真空控制閥表面明顯水漬。

（3）檢查車輛密封條無破損、漏裝，但在導水槽位置發(fā)現(xiàn)空螺栓孔，經(jīng)查該孔為螺栓過孔，供應商加工失誤導致多加工。水通過導水槽螺栓孔流進機艙導致真空控制閥進水失效，鎖定原因為導水槽密封不良進水造成真空控制閥失效，圖8所示。

圖8 真空控制閥進水照片

2.3 控制閥失效造成火花塞失效原因排查

針對故障車輛進行數(shù)據(jù)采集、分析，真空控制閥失效無真空輸入至增壓器廢氣泄壓機構，增壓器無法泄壓導致增壓壓力超標，急加油節(jié)氣門開度全開狀態(tài)時增壓壓力超標，此時，節(jié)氣門開度至45%左右，發(fā)動機轉(zhuǎn)速瞬間（0.2 s）波動量超過1 000 rpm，出現(xiàn)加速頓挫問題，此時噴油量滯后效應相對空燃比變濃，混合器偏濃引起發(fā)動機早燃，反復急加油嚴重時引起超級爆震，造成火花塞陶瓷體在高溫高壓下出現(xiàn)松脫、燒蝕問題，嚴重時造成活塞彎曲碎裂，詳見圖9故障數(shù)據(jù)。

圖9 真空控制閥失效數(shù)據(jù)

3 對策實施、驗證

（1）規(guī)范生產(chǎn)：導水槽供應商排查庫存后將所有不良品進行隔離報廢處理，過程增加檢點確認。

（2）真空控制閥材質(zhì)提升：通過問題排查識別到真空控制閥柱塞密封座材料PA46耐水性更優(yōu)，改為PA66材料。

（3）超增壓保護策略優(yōu)化：增加超增壓保護策略，避免發(fā)動機出現(xiàn)超級爆震損壞火花塞。

4 總結

由于車輛導水槽加工異常造成真空控制閥進水失效，通過本次問題分析，識別出真空控制材質(zhì)的不足以及ECU對超增壓問題保護策略的一些缺失。單體零部件的加工失效引出發(fā)動機零部件材質(zhì)不足及標定數(shù)據(jù)的不完善，從另一方面折射出通過“人為制造”故障去主動暴露車輛開發(fā)過程問題的必要性。