直噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器深入缸內(nèi)長(zhǎng)度對(duì)CVO功能影響的分析

劉子強(qiáng)，汪 斌，倉(cāng)義勇，葉俊亭

直噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器深入缸內(nèi)長(zhǎng)度對(duì)CVO功能影響的分析

劉子強(qiáng)，汪 斌，倉(cāng)義勇，葉俊亭

（聯(lián)合汽車電子有限公司，上海 201206）

EU6b開始對(duì)直噴式（GDI）汽油機(jī)的顆粒物排放數(shù)量（PN）進(jìn)行限制，采用全生成電磁閥控制功能（CVO），實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油器非線性區(qū)間的精確控制是一個(gè)有效降低顆粒物的手段。通過對(duì)某客戶售后市場(chǎng)噴油器CVO故障調(diào)查，得出以下結(jié)論：噴油器深入缸內(nèi)過長(zhǎng)、噴油器閥座溫度過高，會(huì)產(chǎn)生積聚在密封面的大量積碳顆粒，影響噴油器的非線性區(qū)域開啟響應(yīng)，最終影響CVO功能。研究結(jié)果為GDI噴嘴內(nèi)部積碳形成過程提供了一種新的解釋，也闡明了影響CVO功能的一個(gè)原因。

積碳；高壓噴油器；全生成電磁閥控制功能故障；噴油器安裝；直噴發(fā)動(dòng)機(jī)

EU6b開始對(duì)直噴式（Gasoline Direct Injection, GDI）汽油機(jī)的顆粒物排放數(shù)量（Particulate Number, PN）進(jìn)行限制，并且在排放測(cè)試流程中加入了實(shí)際行駛污染物排放（Real Driving Emissions, RDE）的附加測(cè)試。這些新的法規(guī)要求給GDI汽油機(jī)的顆粒物排放控制帶來了新的挑戰(zhàn)。

對(duì)于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)而言，提高噴射壓力，采用多次噴射是一種有效降低顆粒物的手段。但是由于高壓噴油的固有缺陷，會(huì)致使軌壓提高以及分段噴射后噴油脈寬進(jìn)入非線性區(qū)域，從而出現(xiàn)噴油偏差，導(dǎo)致系統(tǒng)無法準(zhǔn)確控制混合氣的表現(xiàn)。針對(duì)這種現(xiàn)象博世公司開發(fā)出了全生成電磁閥控制功能（Controlled Valve Operation, CVO），實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油器非線性區(qū)間的精確控制。

某客戶在售后市場(chǎng)，出現(xiàn)大量車輛報(bào)CVO故障投訴，表現(xiàn)為故障燈點(diǎn)亮，CVO控制參數(shù)超過標(biāo)準(zhǔn)，故障集中在第1#氣缸。

1 CVO功能

一般認(rèn)為噴油量和噴油時(shí)間的關(guān)系基本上是線性的，而且同批次的噴油器之間噴油量的差異應(yīng)該很小。但是實(shí)際上由于噴油器本身的固有缺陷，導(dǎo)致電磁閥式高壓直噴噴油器在非常小的噴油脈寬區(qū)域很難實(shí)現(xiàn)精確的控制，也就是通常所說的電磁閥式高壓直噴噴油器的非線性區(qū)域。

如圖1所示，在噴油器試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)得的四個(gè)直噴噴油器的噴油脈寬與噴油量的對(duì)應(yīng)關(guān)系?？芍?，在噴油脈寬低于300 μs的區(qū)域噴油脈寬與噴油量出現(xiàn)了明顯的非線性關(guān)系。

CVO功能的目的就是要解決電磁閥式高壓直噴噴油器在非線性區(qū)域的噴油精度問題，使得在任何區(qū)域內(nèi)都可以對(duì)噴油器的噴油量進(jìn)行精確的控制。同時(shí)CVO功能可以將不同噴油器的散差以及噴油器老化的影響考慮在內(nèi)，使噴油器在全壽命階段都能進(jìn)行噴射量的精確控制，避免噴油器精度下降引起的排放和油耗升高。

圖1 電磁閥式高壓直噴噴油器的非線性區(qū)

CVO功能主是通過硬件檢測(cè)噴油器反饋電壓信號(hào)，得到針閥關(guān)閉時(shí)刻，再根據(jù)噴油器針閥開啟延遲時(shí)間，從得到噴油器實(shí)際開啟時(shí)間，最終通過噴油器針閥實(shí)際開啟時(shí)間對(duì)噴射脈寬進(jìn)行修正，形成噴射脈寬的閉環(huán)控制的功能。并且對(duì)于不同缸之間采用相同的目標(biāo)值，有利于最終各缸的噴油量趨于一致。

2 投訴分析

對(duì)市場(chǎng)上的故障車進(jìn)行實(shí)車調(diào)查，該車報(bào)碼1#缸CVO自學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)超下限故障，用ETAS專用工具測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)控制器中數(shù)據(jù)，測(cè)量文件如圖2所示。

圖2 故障車發(fā)動(dòng)機(jī)控制器中數(shù)據(jù)測(cè)量

橫坐標(biāo)是數(shù)據(jù)采集時(shí)間，縱坐標(biāo)是各主要相關(guān)信號(hào)曲線數(shù)值。其中，線1是油軌壓力，線2是檢測(cè)噴油器反饋電壓信號(hào)，線3是CVO自學(xué)習(xí)值。

從測(cè)量文件來看，發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速時(shí)，油軌壓力35 MPa時(shí)，觸發(fā)自學(xué)習(xí)功能時(shí)，噴油器反饋電壓信號(hào)線2異常出現(xiàn)不連貫曲線，尤其在10 s、35 s處存在嚴(yán)重打開延遲，導(dǎo)致CVO自學(xué)習(xí)值線3在50 s處，由默認(rèn)的3 450 μs，上升到4 100 μs，超出設(shè)定的閥值（3 800 μs），發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)出故障?，F(xiàn)場(chǎng)把故障1#缸上噴油器更換其他氣缸上安裝測(cè)試，故障現(xiàn)象隨噴油器走。

對(duì)市場(chǎng)上返回的報(bào)出故障1#缸及非故障缸噴油器拆解，在電子顯微鏡下進(jìn)行觀察，如圖3所示。

圖3 故障與正常噴油器閥座密封面對(duì)比

對(duì)比可知，故障噴油器在閥座與針閥的配合密封面處，存在大量黑色顆粒，而正常噴油器配合密封面是干凈的。提取黑色顆粒進(jìn)行光譜分析如表 1所示，其成分與缸內(nèi)燃油不完全燃燒積碳成分基本一致。

表1 故障噴油器閥座密封面黑色顆粒成分

故障噴油器在配合密封面上聚集大量數(shù)目的碳粒，導(dǎo)致針閥組件在斷電下落后，閥球不能完全與閥座密封面接觸配合，影響噴油器在非常小噴油脈寬的開啟響應(yīng)時(shí)間，最終系統(tǒng)報(bào)出CVO故障。

3 閥座密封面積碳來源分析

對(duì)于積碳是如何產(chǎn)生的以及積碳的形成過程是怎樣的仍處于探索之中。其中能夠更好地闡述碳煙是如何產(chǎn)生的原因主要有以下：LEPPERHOFF G等[1]認(rèn)為噴孔殘留燃油受熱膨脹后在噴油器外部形成油膜，進(jìn)而促使積碳從外向內(nèi)形成，KIM C等[2]認(rèn)為噴油器溫度是影響積碳形成的關(guān)鍵原因，溫度超過燃油蒸發(fā)溫度的90%時(shí)形成的燃油不易被下次循環(huán)沖走，進(jìn)而形成積碳。

對(duì)故障發(fā)動(dòng)機(jī)重新更換上新的一組特制高壓噴油器，進(jìn)行600小時(shí)交變負(fù)荷試驗(yàn)，嘗試故障再現(xiàn)。噴油器安裝在缸蓋內(nèi)部，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行噴油燃燒的同時(shí)也要保證缸內(nèi)高壓高溫的氣體密封。特制噴油器增加了熱電偶，實(shí)時(shí)采集閥座溫度。對(duì)噴油器進(jìn)行機(jī)加工，在表面車出一道溝槽，溝槽里埋入細(xì)線熱電偶，并焊牢固，如圖4所示。臺(tái)架試驗(yàn)過程中，實(shí)時(shí)采集1#缸閥座溫度，整理后如圖 5 所示。

圖4 特制高壓噴油器

從實(shí)際測(cè)量結(jié)果來看，在發(fā)動(dòng)機(jī)高速高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，故障1 #缸噴油器的閥座溫度最高值接近250 ℃，并且遠(yuǎn)高于噴油器零件注塑本體使用規(guī)范明確要求的溫度上限220 ℃。

拆解1 #缸噴油器如圖6所示，該噴油器雖然沒有報(bào)出故障，但也發(fā)現(xiàn)有部分碳顆粒積聚。同時(shí)也拆解其他缸噴油器進(jìn)行對(duì)比，沒有發(fā)現(xiàn)碳顆粒。

通過故障模擬發(fā)現(xiàn)，溫度是影響發(fā)動(dòng)機(jī)沉積物形成的關(guān)鍵因素之一。平均表面溫度230 ℃時(shí)，沉積物的形成速度較高，低于200 ℃和高于350 ℃的時(shí)候，沉積速度顯著減小，即沉積物形成的主要溫度區(qū)間為 230 ℃～350 ℃[3-4]。由于直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴位于氣缸內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，此次工作循環(huán)所噴出的燃油并未燃燒，一部分燃油便氧化、積聚在噴油器表面。當(dāng)噴嘴溫度低于燃油90%餾分溫度（T90）時(shí)，滯留在噴孔的燃油保持在液態(tài)，沉積物會(huì)較快分解。當(dāng)噴嘴溫度高于T90時(shí)，燃油中易沉積物相互結(jié)合在一起并粘附在壁面上，很難被噴射的燃油清洗掉。

圖6 臺(tái)架故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)噴油器閥座

4 噴油器溫度高原因調(diào)查及改進(jìn)

把上面做交變負(fù)荷試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)1 #缸內(nèi)部積碳噴油器深入汽缸內(nèi)過長(zhǎng)，如圖7所示，異常在0.55 mm～0.64 mm左右，其他正常缸在0.37 mm～0.42 mm。深入長(zhǎng)度設(shè)計(jì)名義值要求< 0.50 mm。

圖7 故障1#缸與正常缸噴油器深入缸內(nèi)長(zhǎng)度對(duì)比

故障缸噴油器深入缸內(nèi)過長(zhǎng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作中，混合氣導(dǎo)致噴油器閥座溫度過高，有利于燃油積碳沉積。

將故障缸噴油器調(diào)整正常安裝長(zhǎng)度，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)控制器數(shù)據(jù)試驗(yàn)，測(cè)量文件如圖8所示。橫坐標(biāo)是數(shù)據(jù)采集時(shí)間，縱坐標(biāo)是各主要相關(guān)信號(hào)曲線數(shù)值。其中，線1是油軌壓力，線2是檢測(cè)噴油器反饋電壓信號(hào)，線3是CVO自學(xué)習(xí)值。

測(cè)量文件中，噴油器反饋電壓信號(hào)線2信號(hào)連續(xù)且波動(dòng)正常，CVO自學(xué)習(xí)值線3在26 s處完成自學(xué)習(xí)，由默認(rèn)的3 440 μs，穩(wěn)定到3 560 μs，符合噴油器非線性區(qū)域的噴油精度公差范圍，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器沒有報(bào)碼故障。

圖8 調(diào)整安裝長(zhǎng)度噴油器發(fā)動(dòng)機(jī)控制器數(shù)據(jù)測(cè)量

對(duì)于上述確認(rèn)由于噴油器安裝深入缸內(nèi)導(dǎo)致故障的情況，該整車廠改進(jìn)缸蓋的1#缸澆注模具，來確保故障缸噴油器的安裝位置不超過設(shè)計(jì)名義值0.50 mm的要求，最終，解決故障車在小的噴油脈寬時(shí)報(bào)出CVO的故障。

5 結(jié)論

對(duì)CVO控制故障進(jìn)行大量調(diào)查，得出以下結(jié)論：故障缸噴油器深入缸內(nèi)過長(zhǎng)，噴油器閥座溫度過高，過高的閥座溫度有利于閥座內(nèi)殘留燃油容易生成積碳。大量的積碳顆粒，影響噴油器的非線性區(qū)域的開啟響應(yīng)，最終車輛報(bào)碼亮燈。

直噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器深入缸內(nèi)長(zhǎng)度對(duì)CVO功能影響的研究不僅解決了某客戶大量車輛投訴，而且也為其他客戶為滿足EU6b法規(guī)在發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)開發(fā)及降低排放顆粒物數(shù)量提供了一定的借鑒意義。

[1] LEPPERHOFF G,HOUBEN M.Mechanisms of Deposit Formation in Internal Combustion Engines and Heat Exchangers[J].SAE Technical Paper,931032.

[2] KIM C, TSEREGOUNIS S I, SCRUGGS B E.Deposit Formation on a Metal Surface in Oxidized Gasolines [J].SAE Technical Paper,1987-07-112.

[3] 李洋,余凱,宋豪義,等.基于Dibble 燃燒器的噴油器積碳探索試驗(yàn)[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置,2017(6):11-56.

[4] 楊世春,李君,李德剛.缸內(nèi)直噴汽油機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2007(5):8-13.

Analysis of the GDI Fuel Injector Depth Length on CVO Function

LIU Ziqiang, WANG Bin, CANG Yiyong, YE Junting

( United Automotive Electronic Systems Company Limited, Shanghai 201206, China )

EU6b begins to limit the number of particulate(PN) emissions of gasoline direct injection(GDI)engine, fuel injection controlled valve operation(CVO) function can solve this problem and realize the precise multiple injection in ballistic area. Investigate the field injector CVO complaint. The injector is too long deep into the cylinder, and the valve seat temperature of the injector is higher, generate carbon deposition for the residual fuel in the valve sealing surface, will affect the opening response and the CVO function. The results of this study provide a new explanation for carbon deposition in GDI, and also illustrate a reason that affects the CVO function.

Carbon deposit; High pressure fuel injector;Controlled valve operation failure; Fuel injector installation;Gasoline direct injection engine

U464.1

A

1671-7988(2022)24-94-04

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1671-7988(2022)24-94-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.024.017

劉子強(qiáng)（1978—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)電噴控制及診斷，E-mail:ziqiang.liu@uaes.com。