關(guān)于某噴油器噴油量減小問題的研究

崔凱　王博　單龍江　邵澤　羅智波　丁相利

摘 要：發(fā)動機噴油器是噴油系統(tǒng)的重要部件，對發(fā)動機的性能和可靠性有很大的影響。本文結(jié)合對某發(fā)動機噴油器針閥與芯體接觸面磨損導(dǎo)致噴油量減少的失效案例，對噴油器的針閥和芯體接觸面的磨損失效的故障現(xiàn)象、機理、改進(jìn)措施、措施驗證進(jìn)行詳細(xì)的總結(jié)，希望對噴油器類高頻高精密零件的設(shè)計改進(jìn)提供幫助。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機 噴油器 針閥 磨損 改進(jìn)

1 引言

在發(fā)動機系統(tǒng)中，燃油點火系統(tǒng)是影響發(fā)動機燃燒的重要模塊，其中燃油系統(tǒng)對發(fā)電機缸內(nèi)混合器的形成和燃燒過程有決定性作用[1]。噴油器作為燃油點火系統(tǒng)的重要組件，其本身對可靠性要求非常高。發(fā)動機燃燒系統(tǒng)對噴油器的噴霧特性要求極高，主要表現(xiàn)早擴散錐角、油束方向、霧化粒度、射程及油霧分布等方面[2]。噴油器的工作頻率很高，屬于高精密部件，因此內(nèi)部關(guān)鍵子零設(shè)計要求精度高，有良好的耐磨性。對噴油器的失效案例進(jìn)行研究可以為高頻、高精度運動零件的設(shè)計開發(fā)、問題解決帶來很多啟發(fā)。

在開發(fā)某款發(fā)動機時，耐久試驗時發(fā)現(xiàn)發(fā)動機在運行一萬五千公里后，出現(xiàn)多起發(fā)動機怠速抖動，加速無力問題，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)噴油器流量減小，經(jīng)對故障件解析確認(rèn)為噴油器內(nèi)部針閥與芯體接觸面磨損導(dǎo)致。本文結(jié)合本次案例進(jìn)行詳細(xì)解析，希望對后續(xù)高精密零件的故障分析、設(shè)計改進(jìn)、措施驗證提供新思路，針對性的采用預(yù)防措施，規(guī)避同類問題。

2 噴油器流量小問題故障表項

2.1 噴油器流量小問題故障表現(xiàn)

在開發(fā)某款發(fā)動機時，通過對試驗發(fā)動機的運行數(shù)據(jù)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)多起發(fā)動機報噴油量故障的問題。具體故障表現(xiàn)為發(fā)動機怠速抖動，加速無力，數(shù)據(jù)上顯示燃油修正值偏高，同時報多缸隨機失火故障碼和混合氣偏稀故障碼。故障案例主要發(fā)生在車輛運行15000km以后，平均維修月為整車生產(chǎn)后16月，失效里程與故障發(fā)生概率（如圖1）。

通過現(xiàn)場故障排查，排除發(fā)動機進(jìn)氣系統(tǒng)故障及除噴油器外其他零件故障，現(xiàn)場更換噴油器，進(jìn)行ABA驗證，發(fā)現(xiàn)故障與噴油器相關(guān)，鎖定失效零件為噴油器。

2.2 噴油器的結(jié)構(gòu)原理

噴油器的主要結(jié)構(gòu)（如圖2）所示，其工作原理（如圖3）所示，發(fā)動機控制電腦EUC，根據(jù)發(fā)動機的工況需求，計算合理的噴油脈寬，噴油器根據(jù)ECU的噴油控制信號，通過電磁線圈產(chǎn)生磁力和彈簧彈力驅(qū)動芯體上下運動，然后芯體帶動針閥總成上下運動，針閥下端與閥座開啟和閉合。當(dāng)針閥向上運動，底部譬如你有通道開啟，高壓燃油從針閥與閥座的間隙處噴出，經(jīng)噴孔進(jìn)入燃燒室進(jìn)行燃燒；當(dāng)針閥在彈簧作用下向下運動，底端噴油通道閉合時，結(jié)束噴油。 噴油量在在噴油脈寬和軌壓一定時，取決于噴油通道的截面積。

3 噴油器失效分析

3.1 噴油器失效問題確認(rèn)：

噴油器返回后，進(jìn)行零件性能復(fù)測，確認(rèn)故障噴油器流量減小，根據(jù)失效樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計，其流量下降20%～40%。失效樣本噴油量下降與行駛里程之間的關(guān)系如圖4所示。

噴油器搭載整車耐久后流量衰減，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計一般在5%以內(nèi)，對比本次檢測數(shù)據(jù)，確認(rèn)噴油器發(fā)生耐久失效。

3.2 失效零件拆解分析

對噴油器噴孔使用顯微鏡檢查進(jìn)行檢查，確認(rèn)其噴孔未見堵塞等異常，見圖5。

對噴油器進(jìn)行拆解及檢查，發(fā)現(xiàn)噴油器內(nèi)部針閥總成、芯體接和位置等多處磨損，芯體與外殼外殼存在敲擊痕跡，發(fā)生卡滯（如圖6）所示。

3.3 失效原因確認(rèn)

對芯體中心孔進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)故障件芯體的內(nèi)徑在兩端孔徑磨損，兩端成喇叭口狀；而正常樣本芯體內(nèi)徑磨損量很小，如圖7。

對失效噴油器的針閥與芯體接觸的法蘭面進(jìn)行檢查，同樣發(fā)現(xiàn)異常磨損，如圖8。

3.4 失效機理說明

根據(jù)磨損痕跡分析，判斷針閥與芯體在工作過程中針閥法蘭面與芯體發(fā)生磨損，隨著針閥法蘭磨損的加劇，隨著磨損加劇，導(dǎo)致針閥運動過程中軸線傾斜，進(jìn)而導(dǎo)致針閥與芯體內(nèi)孔兩端不斷磨損，兩端孔徑不斷增大變?yōu)槔瓤?。隨著芯體兩端及針閥法蘭面的不斷磨損，進(jìn)一步導(dǎo)致針閥芯體擺動加劇，最終導(dǎo)致與芯體與外殼發(fā)生碰撞、卡滯。同時因為芯體和針閥磨損，芯體及針閥運動軌跡傾斜卡滯，造成針閥升程減小，進(jìn)而導(dǎo)致噴油通道截面積減小，在相同噴油脈寬和噴油壓力下，噴油量隨之減小，導(dǎo)致超出標(biāo)定容差范圍，最終造成該故障發(fā)生，如圖9所示。

為進(jìn)一步確認(rèn)針閥升程變化與流量減小量之間的關(guān)系，進(jìn)行對返回的故障件試驗驗證，根據(jù)不同針閥法蘭面磨損量樣本與流量測試，兩者的關(guān)系如圖10。

4 改進(jìn)措施與效果驗證

4.1 改進(jìn)措施

根據(jù)失效機理，可以從降低針閥法蘭面磨損及芯體內(nèi)孔兩端磨損兩個方向進(jìn)行改善，從而減小針閥升程的變化。增加芯體內(nèi)孔抗磨能力需要更改表面鍍層，因芯體為磁性元件，更改鍍層涉及的費用高，改進(jìn)周期長。經(jīng)對比選擇改善針閥法蘭面結(jié)構(gòu)作為突破方向。

對針閥法蘭面進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，接觸面由原設(shè)計（25°錐面）改進(jìn)為球面（SR），如圖11所示。目的是減小接觸面壓降低磨損；同時減少磨損后降低芯體和針閥的運動軌跡傾斜。

4.2 效果驗證

4.2.1 減小接觸面壓力

制作改進(jìn)后樣件5件，根據(jù)試驗測試，發(fā)現(xiàn)接觸面改進(jìn)為球面（SR）后，接觸應(yīng)力下降到原設(shè)計（25°錐面）的1/4，大幅改善，如圖12所示。

4.2.2 降低芯體抖動卡滯

使用高速攝影對改進(jìn)前后芯體運動軌跡進(jìn)行跟蹤拍攝，繪制運動軌跡。通過對芯體運動軌跡分析，發(fā)現(xiàn)芯體徑向方向擺動球面（SR）小于25°錐面，當(dāng)針閥法蘭面改為球面后，芯體的運動更穩(wěn)定，波動量更小，發(fā)生傾斜卡滯的概率更低。對軸線方向升程量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)針閥法蘭改進(jìn)后軸向升程基本一致，對流量變化影響很小。如圖12索斯。

4.2.3 耐久試驗驗證

為最終確認(rèn)改進(jìn)結(jié)果，對噴油器單體進(jìn)行耐久測試，改進(jìn)前、后兩種狀態(tài)各取7個樣本，噴油次數(shù)按5.5x108（等效發(fā)動機運行24萬公里）進(jìn)行對比驗證，試驗結(jié)果如圖14所示，可知改進(jìn)后球面法蘭針閥試驗后芯體內(nèi)徑磨損量降低明顯，磨損量滿足設(shè)計指標(biāo)，改善有效。

5 總結(jié)

本文重點剖析了噴油器流量減小的故障案例，通過對問題解決過程的詳細(xì)解析，明確了噴油器內(nèi)部針閥、芯體磨損后導(dǎo)致噴油器流量減小的機理。

通過對針閥法蘭面結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，由25°錐面接觸變?yōu)榍蛎娼佑|，降低了接觸面壓力，抑制了磨損后芯體的晃動量，減小傾斜卡滯的概率，最終通過單體耐久驗證，確認(rèn)措施有效。

當(dāng)前隨著整車、發(fā)動機自動化程度越來越高，高頻運動的精密元件數(shù)量越來越多，磨損失效是經(jīng)常遇到的問題。本文中采用的痕跡分析，高速攝影軌跡跟蹤等試驗方法對問題分析很有借鑒意義。通過更改接觸面的結(jié)構(gòu)從而改善運動軌跡和接觸應(yīng)力的方法解決耐久磨損，從而提升可靠性，對解決相似問題提供了一條新思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁宇詢．某車型發(fā)動機噴油器滲漏故障分析及解決措施，檢測與維修，2022.08.

[2]惠有利，沈沉．汽車構(gòu)造[M].北京：北京理工大學(xué)出版社 2016.