直噴發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動問題的研究

張少華，王 博，王 鵬，范慶先，黃玉卓，孫 蕭

（寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336）

引言

隨著排放法規(guī)的加嚴(yán)，用戶對動力性要求提升，現(xiàn)階段直噴增壓發(fā)動機(jī)已成為市場的主流，各整車廠普遍研發(fā)基于高軌壓的燃油導(dǎo)軌發(fā)動機(jī)，對于現(xiàn)階段已經(jīng)上市的發(fā)動機(jī)中，沃爾沃第三代發(fā)動機(jī)將燃油導(dǎo)軌的軌壓提升至45 MPa。本文討論一款35 MPa的燃油導(dǎo)軌總成導(dǎo)致的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動問題及解決方案。

1 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動的現(xiàn)象

故障現(xiàn)象是新車首次下線后，熱車怠速出現(xiàn)了周期性的轉(zhuǎn)速波動現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速波動的形狀為類似正弦波，同時在機(jī)艙外可以聽到“嗚嗚”的不平順的運(yùn)轉(zhuǎn)，采用設(shè)備進(jìn)行測量，轉(zhuǎn)速波動約在±30 rpm左右，如圖1，此時采用診斷設(shè)備讀取發(fā)動機(jī)ECU相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度，供油軌壓，目標(biāo)噴油量等均呈現(xiàn)與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動相對應(yīng)的波動現(xiàn)象，當(dāng)打開空調(diào)后，發(fā)動機(jī)負(fù)荷增加，轉(zhuǎn)速波動現(xiàn)象消失，本文主要針對此問題進(jìn)行解析。

圖1 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動圖

2 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動的機(jī)理

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速是指汽缸內(nèi)混合氣燃燒的變化，引起各汽缸功率輸出不平衡，導(dǎo)致各活塞在做功行程時的作用力不均勻作用在曲軸上，導(dǎo)致曲軸系統(tǒng)角速度的周期性變化，從而產(chǎn)生發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動。

3 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動的相關(guān)因素

3.1 發(fā)電機(jī)發(fā)電工況

當(dāng)車輛的蓄電池虧電時，智能發(fā)電機(jī)會介入工作，此時智能發(fā)電機(jī)給ECU輸入發(fā)電請求，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)扭矩補(bǔ)償發(fā)生變化，如果標(biāo)定不合理，發(fā)動機(jī)會產(chǎn)生周期性類似于正弦波的轉(zhuǎn)速波動現(xiàn)象，這種情況下一般需要通過ECU標(biāo)定進(jìn)行解決，標(biāo)定策略是將發(fā)動機(jī)扭矩補(bǔ)償速度變快或降低怠速控制PID的P項(xiàng)系數(shù)。對于此因素的排查方案，可直接將發(fā)動機(jī)的附件皮帶進(jìn)行拆除，使發(fā)電機(jī)不工作，以觀察是否仍然存在轉(zhuǎn)速波動。

3.2 節(jié)氣門電磁干擾

當(dāng)電子節(jié)氣門布置與發(fā)電機(jī)距離較小時，發(fā)電機(jī)發(fā)電時會產(chǎn)生空間磁場，對節(jié)氣門的芯片產(chǎn)生干擾，節(jié)氣門芯片依靠兩方向的磁場強(qiáng)度的比例變化計算出實(shí)際開啟角度，當(dāng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度改變了兩方向磁場強(qiáng)度比例時，節(jié)氣門芯片計算角度會發(fā)生偏差，從而導(dǎo)致節(jié)氣門開度發(fā)生變化，導(dǎo)致怠速轉(zhuǎn)速波動，對于此因素的排查方案，可以采用一塊0.5 mm～1 mm厚度的鐵皮將節(jié)氣門進(jìn)行包裹，以阻斷發(fā)電機(jī)磁場的影響，注意采用鋁箔是不可以的，因?yàn)殇X箔不能影響發(fā)電機(jī)的磁場。

3.3 發(fā)動機(jī)缺缸

當(dāng)出現(xiàn)發(fā)動機(jī)缺缸時，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)缺缸一般從噴油器、火花塞、點(diǎn)火線圈、氣缸體缸內(nèi)密封性等四個方面進(jìn)行分析。

對于噴油器，當(dāng)噴油器出現(xiàn)堵塞時，會導(dǎo)致噴油量減少，空燃比偏稀，缸內(nèi)混合氣不易燃燒，從而導(dǎo)致失火缺缸，可以通過診斷儀分析確定失火缸后，更換樣件驗(yàn)證。

對于火花塞，當(dāng)火花塞電極間隙偏大或者火花塞表面存在積碳時，會導(dǎo)致點(diǎn)火不良，產(chǎn)生隨機(jī)失火，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速波動，可通過火花塞外觀與測量電極間隙的方法進(jìn)行分析排查。

圖2 火花塞積碳

對于點(diǎn)火線圈，當(dāng)點(diǎn)火線圈出現(xiàn)功能異常不點(diǎn)火或者點(diǎn)火線圈線束是否存在虛接不良，導(dǎo)致點(diǎn)火線圈間歇性點(diǎn)火，同樣會導(dǎo)致缺缸失火，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動，可以通過診斷儀分析確定失火缸后，更換樣件驗(yàn)證。

氣缸體缸內(nèi)密封性，當(dāng)出現(xiàn)活塞環(huán)斷裂，漏裝，或者氣門密封不嚴(yán)時，會導(dǎo)致缸內(nèi)壓縮壓力低，此時進(jìn)氣量減少，噴油過濃，混合氣無法燃燒，導(dǎo)致失火，對此可以通過缸壓表進(jìn)行缸壓檢測。

3.4 碳罐控制閥低壓脫附介入工作

碳罐是用來收集汽油箱內(nèi)燃油蒸氣的裝置，為防止燃油蒸氣揮發(fā)至大氣帶來污染，碳罐中的活性炭吸附并收集汽油箱內(nèi)的燃油蒸氣，通過碳罐電磁閥的控制送到進(jìn)氣歧管中，參與燃燒。當(dāng)碳罐電磁閥開啟關(guān)閉異常時，會存在燃油蒸氣隨機(jī)進(jìn)入進(jìn)氣歧管，此時參與燃燒的混合氣濃度發(fā)生變化，空燃比出現(xiàn)異常，會出現(xiàn)怠速不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

3.5 進(jìn)氣歧管漏氣

當(dāng)進(jìn)氣歧管存在漏氣時，因?yàn)榈∷俟r時，進(jìn)氣歧管內(nèi)為負(fù)壓，這個壓差導(dǎo)致外部空氣進(jìn)入進(jìn)氣歧管，進(jìn)氣量增加，節(jié)氣門控制調(diào)節(jié)無法覆蓋時，會出現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加的現(xiàn)象。有一些車型，剎車助力是從進(jìn)氣歧管位置取負(fù)壓，通過單向閥來進(jìn)行控制，當(dāng)單向閥膜片出現(xiàn)漏氣時，也會導(dǎo)致轉(zhuǎn)速波動。

3.6 怠速標(biāo)定不合理

從怠速標(biāo)定的維度分析，發(fā)動機(jī)怠速PID控制，如怠速控制P項(xiàng)調(diào)節(jié)過大，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)怠速扭矩調(diào)節(jié)過快，從而進(jìn)入循環(huán)性的怠速波動。另外發(fā)動機(jī)怠速扭矩預(yù)留小，點(diǎn)火角調(diào)節(jié)的空間太小，也容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)速波動現(xiàn)象。點(diǎn)火角設(shè)定不合理也會導(dǎo)致怠速不穩(wěn)。點(diǎn)火角過大，點(diǎn)火角上限容易被最優(yōu)點(diǎn)火角限制，導(dǎo)致怠速扭矩調(diào)節(jié)空間受限，點(diǎn)火角過小，發(fā)動機(jī)點(diǎn)火延遲，燃燒穩(wěn)定性差，也容易導(dǎo)致導(dǎo)致怠速不穩(wěn)定。

另外就是關(guān)于發(fā)動機(jī)軌壓的設(shè)定，因噴油器的流量特性特點(diǎn)，對于怠速工況的進(jìn)氣量是固定的，因此噴油量需求是固定的，當(dāng)軌壓選擇的越大，噴油脈寬就越小，此時容易進(jìn)入噴油器的噴油脈寬的非線性區(qū)，導(dǎo)致噴油量散差大，燃燒不穩(wěn)定，導(dǎo)致怠速波動大。

4 本案例轉(zhuǎn)速波動的特點(diǎn)剖析

4.1 故障方向鎖定

針對以上因素對轉(zhuǎn)速波動進(jìn)行排查驗(yàn)證，以上因素均排除，對于此案例有以下三個特點(diǎn)：

（1）車輛首次下線時，冷車不存在異常，熱車至水溫高于90 ℃時可復(fù)現(xiàn)轉(zhuǎn)速正弦波動。

（2）經(jīng)過車輛試車場運(yùn)行一圈后，故障不復(fù)現(xiàn)，隨后蓄電池斷電，再次啟動怠速熱車后可復(fù)現(xiàn)轉(zhuǎn)速正弦波動。

（3）安排2臺車進(jìn)行交叉驗(yàn)證，通過對調(diào)火花塞、罐控制閥、點(diǎn)火線圈抖動問題未改善。對調(diào)噴油器后故障排除，故障現(xiàn)象可以跟隨噴油器進(jìn)行轉(zhuǎn)移，因此鎖定此故障與噴油器相關(guān)，接下來對噴油器進(jìn)一步剖析。

4.2 噴油器結(jié)構(gòu)、原理

噴油器主要由濾網(wǎng)、彈簧、線圈、回位彈簧、針閥組件、閥座等組成，噴油器不噴油時，彈簧通過銜鐵使針閥緊壓在閥座上，防止滴油，當(dāng)電磁線圈通電時，產(chǎn)生電磁力，將銜鐵吸起，并帶動針閥離開閥座，同時彈簧被壓縮，燃油進(jìn)過針閥并由軸針與噴口的環(huán)隙通過噴孔噴出。當(dāng)電磁線圈斷電時，電磁力消失，彈簧迅速使針閥關(guān)閉，噴油器停止噴油。主彈簧的彈力將針閥緊緊壓在閥座上，將燃油密封住，同時也阻擋了燃燒室的高溫氣體從噴孔進(jìn)入噴油器。

圖3 噴油器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

4.3 故障噴油器功能測試

目前故障現(xiàn)象鎖定與噴油器強(qiáng)相關(guān)，安排將噴油器進(jìn)行返廠檢測，識別噴油器的重要參數(shù)為噴油器靜態(tài)流量，動態(tài)CVO流量，泄漏量等，返廠檢測結(jié)果均合格，見表1。

表1 4支噴油器檢測結(jié)果

4.4 噴油器特性說明

對于噴油器流量，分為3個區(qū)間，即彈道區(qū)，過渡區(qū)，線性區(qū)，見圖4。

圖4 噴油器流量特性

噴油器的流量是怎樣確定的呢？一般是基于發(fā)動機(jī)最大功率與扭矩所需求的噴油量決定的，對于功率指標(biāo)越高，噴油器的流量也就越大。但是對于怠速工況而言，因發(fā)動機(jī)不對外做功，因此所需求的噴油量是最小的，這時噴油脈寬容易落在彈道區(qū)或者過渡區(qū)。在噴油器的這兩個區(qū)域，噴油器的動態(tài)流量散差會比較大，易會出現(xiàn)噴油量的波動現(xiàn)象，結(jié)合怠速控制的PID調(diào)節(jié)，容易產(chǎn)生正弦波的轉(zhuǎn)速波動。為解決這個問題，這里要引入噴油器CVO（Controlled Valve Opera -tion）自學(xué)習(xí)的概念。

對于噴油器開發(fā)過程中，有一個重要的功能標(biāo)定是噴油器CVO自學(xué)習(xí)標(biāo)定，這是Bosch 開發(fā)的一種噴油器針閥控制策略，總體而言就是通過軟件策略計算出噴油器針閥開啟的實(shí)際持續(xù)時間，并根據(jù)目標(biāo)持續(xù)時間和實(shí)際持續(xù)時間的偏差對激勵時間進(jìn)行閉環(huán)修正，從而實(shí)現(xiàn)對噴油量的精確控制。

對于35 MPa噴油器的CVO自學(xué)習(xí)過程，ECU標(biāo)定中會在不同軌壓進(jìn)行學(xué)習(xí)修正，涉及的軌壓為10 MPa，25 MPa，35 MPa這3個軌壓區(qū)間。分為3個燃油溫度點(diǎn)進(jìn)行修正，分別是?15 ℃，20 ℃，80 ℃，在其中一個溫度點(diǎn)修正的值會首先賦值于另外兩個溫度點(diǎn)，到達(dá)相應(yīng)溫度后，會繼續(xù)修正，以實(shí)現(xiàn)最佳控制。

4.5 噴油器自學(xué)習(xí)條件

這里的修正學(xué)習(xí)條件中有3個最為重要，一是燃油溫度到達(dá)設(shè)定值；二是需要車速大于一定值時，在約30 s時間內(nèi)學(xué)習(xí)完成，在怠速工況下無法完成噴油器的CVO學(xué)習(xí)；三是需要停機(jī)后600 s進(jìn)行ECU存儲。

4.6 故障原因

經(jīng)調(diào)查故障車輛路試結(jié)束后，為避免車輛出現(xiàn)蓄電池虧電問題，駕駛員會斷開負(fù)極線，斷電后導(dǎo)致ECU未完成停機(jī)后600 s自學(xué)習(xí)導(dǎo)致熱機(jī)出現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動問題，這也是為什么會出現(xiàn)先前提到的經(jīng)過車輛試車場運(yùn)行一圈后，故障不復(fù)現(xiàn)，隨后蓄電池斷電，再次啟動怠速熱車后可復(fù)現(xiàn)轉(zhuǎn)速正弦波動。

那為什么車輛在冷車狀態(tài)下不存在呢？是因?yàn)槔滠嚽闆r下發(fā)動機(jī)摩擦阻力矩大，節(jié)氣門開度大，進(jìn)氣量多，此時噴油脈寬落在線性區(qū)間內(nèi)。隨著水溫升高，發(fā)動機(jī)摩擦阻力減小，進(jìn)氣量減小，所需的噴油量相應(yīng)減少，此時噴油脈寬逐步落入到過渡區(qū)，因?yàn)樾萝囅戮€沒有進(jìn)行噴油器CVO自學(xué)習(xí)，因此也容易產(chǎn)生此現(xiàn)象。

5 轉(zhuǎn)速波動改善方案實(shí)施、驗(yàn)證

在了解噴油器CVO特性之后，選取了3臺下線車輛進(jìn)行測試，當(dāng)車輛直接怠速時，存在轉(zhuǎn)速波動現(xiàn)象。然后至試車跑道運(yùn)行2圈后，車輛熄火，保持蓄電池接線柱正常連接不下電，ECU進(jìn)行充分自學(xué)習(xí)，故障消除。

圖5 噴油器CVO學(xué)習(xí)后轉(zhuǎn)速波動

那什么情況下需要進(jìn)行噴油器CVO自學(xué)習(xí)呢？當(dāng)更換噴油器，發(fā)動機(jī)總成，發(fā)動機(jī)ECU，發(fā)動機(jī)燃油導(dǎo)軌總成時，需要采用發(fā)動機(jī)標(biāo)定設(shè)備或者售后診斷儀進(jìn)行噴油器CVO自學(xué)習(xí)。

6 總結(jié)

通過對此問題的解決，加深了對噴油器特性的認(rèn)識，噴油器硬件的一致性可以通過軟件控制策略進(jìn)行彌補(bǔ)，通過軟硬件升級結(jié)合可以得出更適合噴油器的應(yīng)用方案。另外針對此問題也進(jìn)行了其他ECU的標(biāo)定嘗試工作，如增加發(fā)動機(jī)的儲備預(yù)留扭矩，增加進(jìn)氣量，也可以解決此問題，但是帶來的弊端是怠速的油耗增加，總體而言噴油器的CVO功能是最佳的解決方案。