混合噴射系統(tǒng)內(nèi)噴油嘴故障問(wèn)題解決策略研究

謝振興 覃雪耿 王海長(zhǎng) 姜峰

摘要：混合噴射作為一項(xiàng)集合了缸內(nèi)直噴和歧管多點(diǎn)噴射兩大燃油噴射技術(shù)特點(diǎn)的新興技術(shù)，其在整合兩大技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也存在缸內(nèi)直噴技術(shù)所固有的技術(shù)缺陷——缸內(nèi)直噴模塊噴油嘴故障率高。文章以“雷克薩斯”RX300型SUV存在冷車啟動(dòng)延遲故障問(wèn)題進(jìn)行維修與研究發(fā)現(xiàn)，其故障根源在于該車缸內(nèi)直噴模塊出現(xiàn)噴油嘴故障，文章就混合噴射系統(tǒng)中的缸內(nèi)直噴模塊噴油嘴故障率高的問(wèn)題進(jìn)行探究，并就該成因提出兩種解決方法，方法一為采用耐熱性與強(qiáng)硬度高的材料制作針閥，提高噴油嘴針閥的硬度及耐熱性；方法二為合理分配兩種供油方式的工作時(shí)段，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況類型合理分配供油方式，充分發(fā)揮兩種供油方式的優(yōu)點(diǎn)，使缸內(nèi)直噴模式盡可能減少在氣缸內(nèi)高溫、高壓的環(huán)境工況中工作，最大限度地保護(hù)缸內(nèi)直噴模塊中的噴油嘴，提高其可靠性及使用壽命。

關(guān)鍵詞：混合噴射系統(tǒng)；噴油嘴故障；冷車啟動(dòng)延遲故障

中圖分類號(hào)：? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）04-0062-04

0 引言

混合噴射技術(shù)作為一項(xiàng)解決傳統(tǒng)燃油汽車產(chǎn)業(yè)問(wèn)題的新興技術(shù)，綜合進(jìn)氣歧管噴射和缸內(nèi)直噴技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)可以根據(jù)汽車的行駛工況靈活選擇合適的噴油方式，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和效率，實(shí)現(xiàn)汽車經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的有效統(tǒng)一。國(guó)內(nèi)、外對(duì)缸內(nèi)直噴技術(shù)在汽油機(jī)上的應(yīng)用和理化特性做了大量的研究。張秋華等［1］基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用全球輕型車統(tǒng)一測(cè)試循環(huán)（WLTC）直噴汽油機(jī)聚類點(diǎn)工況研究燃油噴射壓力對(duì)缸內(nèi)直噴汽油車顆粒數(shù)量排放的影響。胡守信等［2］選取兩輛典型汽油缸內(nèi)直噴汽車（GDIV），在環(huán)境艙內(nèi)進(jìn)行在不同環(huán)境溫度下，車輛冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)后按照WLTC運(yùn)行時(shí)的排氣污染物試驗(yàn)，測(cè)量并分析GDIV排氣中的氣態(tài)污染物和顆粒物，研究環(huán)境溫度對(duì)其排放的影響。YAN等［3］基于雙火花點(diǎn)火策略，研究直接噴射下雙缸自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)（FPG）點(diǎn)火位置和點(diǎn)火時(shí)間對(duì)燃燒過(guò)程的影響。盡管國(guó)內(nèi)、外研究人員針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射壓力、環(huán)境溫度、火花塞點(diǎn)火策略等方面對(duì)缸內(nèi)直噴技術(shù)的排放質(zhì)量的影響做了許多研究，但是關(guān)于新型的混合噴射技術(shù)中，缸內(nèi)直噴模塊容易出現(xiàn)噴油嘴故障問(wèn)題及其解決策略的相關(guān)研究報(bào)道較少。

本文就搭載混合噴射技術(shù)的“雷克薩斯”RX300型SUV存在的冷車啟動(dòng)延遲故障問(wèn)題進(jìn)行研究，深入發(fā)掘現(xiàn)階段混合噴射系統(tǒng)存在的弊病，探究其故障成因與缸內(nèi)直噴技術(shù)的關(guān)聯(lián)性，從改善噴油嘴針閥質(zhì)量和改進(jìn)混合噴射中噴射方式的分配控制系統(tǒng)兩個(gè)方面，對(duì)該問(wèn)題提出相應(yīng)的解決措施，為相關(guān)研究人員提供可借鑒的解決方案。

1 案例車型的相關(guān)參數(shù)

新一代的“雷克薩斯”RX300型SUV搭載了8AR- FTS發(fā)動(dòng)機(jī)及6速手自一體變速箱，8AR-FTS發(fā)動(dòng)機(jī)是一款由豐田汽車公司生產(chǎn)的搭載混合噴射系統(tǒng)及VVT-IW（智能廣角可變氣門正時(shí)進(jìn)氣系統(tǒng)）的2.0 L渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，采用混合噴射技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)包括多點(diǎn)噴射和缸內(nèi)直接噴射兩種燃油供給模式。發(fā)動(dòng)機(jī)可以根據(jù)汽車的行駛工況靈活選擇合適的噴油方式，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和效率，實(shí)現(xiàn)汽車經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的有效統(tǒng)一。8AR-FTS發(fā)動(dòng)機(jī)的部分性能參數(shù)見表1。

2 故障表現(xiàn)及成因排查

故障車為一輛行駛里程約10.2萬(wàn)km的“雷克薩斯”RX300型SUV，故障表現(xiàn)為冷車啟動(dòng)存在延遲現(xiàn)象，熱車啟動(dòng)正常且汽車在路面上行駛正常。

故障再現(xiàn)：經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，在故障出現(xiàn)時(shí)，組合儀表無(wú)故障燈點(diǎn)亮，查看發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表指針在350 r/min的位置時(shí)出現(xiàn)短暫停頓，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程出現(xiàn)延遲。并且，該現(xiàn)象通常出現(xiàn)在停車超過(guò)1.5～2 h之后。經(jīng)測(cè)算，發(fā)動(dòng)機(jī)從靜止到轉(zhuǎn)速提升至1 300 r/min時(shí)，用時(shí)為3.5 s，而正常情況下啟動(dòng)用時(shí)應(yīng)為2.1 s。

故障成因排查：將車輛啟動(dòng)，在怠速情況下查看發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)流，主要數(shù)據(jù)參數(shù)見表2。

綜合以上數(shù)據(jù)判斷，當(dāng)前混合氣的狀態(tài)良好，但混合氣處于過(guò)濃的狀態(tài)且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏高。初期診斷造成該問(wèn)題的原因是發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)或點(diǎn)火系統(tǒng)出現(xiàn)故障，使混合氣的狀態(tài)出現(xiàn)偏差。

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣濃度過(guò)高的問(wèn)題，首先檢查點(diǎn)火系統(tǒng)，拆下點(diǎn)火線圈，檢查絕緣體橡膠無(wú)開裂、擊穿等現(xiàn)象；拆火花塞檢查發(fā)現(xiàn)異常，1、3、4缸火花塞顏色正常，而2缸火花塞偏黑，并且潮濕、有汽油味，火花塞電極周圍附著黑色積碳，使用內(nèi)窺鏡檢查氣缸內(nèi)的情況，發(fā)現(xiàn)4個(gè)氣缸活塞頂部均有透明液體殘留物（見表3）。

檢查各氣缸壓力狀態(tài)均為正常，檢查機(jī)油油位均為正常，未發(fā)現(xiàn)機(jī)油與汽油混合的情況。檢查完畢恢復(fù)車輛后，再次啟動(dòng)仍有延遲情況再現(xiàn)，由此得出，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)正常、發(fā)動(dòng)機(jī)噴油系統(tǒng)存在故障。

由于此車采用D-4S燃油雙噴射系統(tǒng)，即集合進(jìn)氣歧管噴射和缸內(nèi)直噴兩種供油模式。怠速狀態(tài)下，噴射方式為進(jìn)氣歧管噴射，轉(zhuǎn)速在2 500 r/min以上時(shí)采用直接噴射。在汽車行駛狀態(tài)下，需要滿足在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的特定條件才會(huì)采取混合噴射的方式，例如在汽車加速超車時(shí)采用混合噴射的供油方式，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)輸出大功率、高加速度的需求。

啟動(dòng)車輛時(shí)，在怠速熱車狀態(tài)下，使燃油系統(tǒng)壓力保持在正常值。汽車熄火后，用診斷儀觀察燃油壓力數(shù)據(jù)流及波形圖，獲得數(shù)據(jù)結(jié)果見表4。

由表4可知，經(jīng)過(guò)1 h測(cè)試后，高壓燃油壓力從18 170 kPag降至80 kPag，燃油壓力遠(yuǎn)低于高壓目標(biāo)燃油壓力6 000 kPag的標(biāo)準(zhǔn)值；而低壓燃油壓力則從510 kPag降至270 kPag，低于低壓目標(biāo)燃油壓力400 kPag的標(biāo)準(zhǔn)值。

綜上分析，可以判斷缸內(nèi)直噴噴油器存在泄漏故障。拆下4個(gè)缸內(nèi)直噴噴油器，檢查外觀無(wú)任何損傷，測(cè)量其電阻為11.7 Ω，屬于正常范圍；安裝噴油器在檢測(cè)臺(tái)架上，對(duì)其保持400 kPagd 壓力，進(jìn)行霧化測(cè)試，4個(gè)缸內(nèi)直噴噴油器均無(wú)明顯故障；進(jìn)行加壓測(cè)試，保持壓力11 min后發(fā)現(xiàn)，4個(gè)噴油器均有明顯滴漏現(xiàn)象。

上述檢測(cè)結(jié)果表明，進(jìn)氣口噴射噴油器由于內(nèi)部故障，導(dǎo)致噴油器關(guān)閉時(shí)出現(xiàn)閉合不嚴(yán)的情況。燃油因密封不良滴到氣缸活塞頂部，導(dǎo)致混合氣過(guò)濃，同時(shí)使用電腦控制減少噴油量，引起發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)延遲現(xiàn)象。在更換4個(gè)進(jìn)氣口噴射噴油器后，故障排除。

3 改善措施

由于缸內(nèi)直噴技術(shù)的供油系統(tǒng)中噴油嘴直接與氣缸內(nèi)爆燃?xì)怏w接觸，長(zhǎng)時(shí)間工作在高溫、高壓的惡劣環(huán)境中，受到其作用擠壓產(chǎn)生交變應(yīng)力，極易造成噴油嘴的熱變形和擠壓變形，影響噴油嘴內(nèi)部針閥和閥座的接觸狀態(tài)，使閥體的閉合不嚴(yán)、噴油嘴產(chǎn)生滴油、漏油現(xiàn)象，導(dǎo)致混合氣過(guò)濃，此時(shí)汽車ECU（電子控制器單元）同時(shí)減少供油量，導(dǎo)致汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)延遲現(xiàn)象的產(chǎn)生。本文就該問(wèn)題提出2個(gè)解決方案。

（1）改進(jìn)噴油器針閥質(zhì)量?？梢圆捎勉K金或鎢金等硬度高、耐熱性強(qiáng)的材料制作的針閥，用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料制成的針閥體，或者通過(guò)在針閥體的外殼添加熱屏蔽罩，降低因外部溫度和壓力產(chǎn)生的熱變形和交變應(yīng)力對(duì)其造成的損害。

（2）改進(jìn)混合噴射中噴射方式的分配控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)歧管噴射和缸內(nèi)直噴兩種燃油供給方式的工作時(shí)段和工作工況進(jìn)行合理分配，減少缸內(nèi)直噴供油的工作時(shí)長(zhǎng)，或是使其盡可能地在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)部溫度壓力較小的工況下進(jìn)行工作，最大限度地保護(hù)缸內(nèi)直噴模塊中的噴油嘴，延長(zhǎng)針閥體的使用壽命。

4 改進(jìn)混合噴射中噴射方式分配控制系統(tǒng)具體方式

汽車正常行駛時(shí)可分為發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)、怠速巡航、加速超車、低速、中速、高速行駛和上坡路段七大行駛工況，其中發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)、怠速巡航、低速行駛和中速的行駛工況中發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸溫度較低、壓力較小，適合應(yīng)用缸內(nèi)直噴技術(shù)，同時(shí)缸內(nèi)直噴技術(shù)位于氣缸內(nèi)部，受到發(fā)動(dòng)機(jī)低溫環(huán)境的影響較小，寒冷環(huán)境下不易出現(xiàn)因汽油霧化效果差導(dǎo)致汽車難以啟動(dòng)的問(wèn)題，同時(shí)缸內(nèi)直噴技術(shù)不會(huì)造成進(jìn)氣歧管因低溫而產(chǎn)生壁濕效應(yīng)，低溫噴油霧化效果好、燃油燃燒充分、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸溫升快、暖機(jī)效果好，同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)和怠速巡航工況下也能很好地改善尾氣排放質(zhì)量問(wèn)題。在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)部出現(xiàn)高溫、高壓的惡劣環(huán)境，此時(shí)如果采用缸內(nèi)直噴供油方式將會(huì)極大地縮短噴油嘴的工作壽命，噴油嘴產(chǎn)生內(nèi)部故障，就會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。相反，在該工況下采用進(jìn)氣歧管多點(diǎn)噴射技術(shù)，由于噴油口位置在進(jìn)氣歧管上，距離氣缸位置較遠(yuǎn)，氣缸內(nèi)部高溫、高壓環(huán)境對(duì)其影響較小，同時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫傳熱作用，使進(jìn)氣歧管溫度較高，對(duì)燃油的蒸發(fā)作用效果較好，盡管進(jìn)氣歧管多點(diǎn)噴射技術(shù)容易出現(xiàn)壁濕效應(yīng)，影響汽油的霧化效果，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的下降等問(wèn)題，但是由于進(jìn)氣歧管的高溫蒸發(fā)效應(yīng)可以很好地消除汽油在進(jìn)氣歧管上的吸附作用，所以汽車在高速行駛工況下應(yīng)該采用進(jìn)氣歧管多點(diǎn)噴射的供油模式，在保護(hù)噴油嘴的同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性也不會(huì)受到太大影響。加速超車和上坡路段工況下首要考慮的是汽車的動(dòng)力性問(wèn)題，應(yīng)以最強(qiáng)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行輸出，保證行車超車及上坡過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的正常進(jìn)行，此時(shí)應(yīng)當(dāng)采用歧管多點(diǎn)噴射和缸內(nèi)直噴共同作用的供油方式，保證供給發(fā)動(dòng)機(jī)足夠的燃油，確保發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，安全完成加速超車及上坡路段的行駛?cè)蝿?wù)。

綜上所述，通過(guò)在冷車啟動(dòng)、怠速巡航及低速的行駛工況下采用缸內(nèi)直噴技術(shù)進(jìn)行燃油供給，而中、高速行駛工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)部環(huán)境惡劣則采用進(jìn)氣歧管多點(diǎn)噴射技術(shù)進(jìn)行燃油供給，對(duì)于加速超車和上坡路段則采用歧管多點(diǎn)噴射和缸內(nèi)直噴技術(shù)進(jìn)行燃油供給，確保發(fā)動(dòng)機(jī)輸出足夠的功率及動(dòng)力。通過(guò)對(duì)各個(gè)行駛工況中燃油供給方式的合理分配，充分利用兩種燃油供給方式的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)最佳的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)最大限度地保護(hù)噴油器，在不增加材料成本的情況下發(fā)揮出噴油器可靠性和使用壽命。

5 結(jié)論

發(fā)動(dòng)機(jī)燃油混合噴射技術(shù)作為一項(xiàng)集合進(jìn)氣歧管多點(diǎn)噴射和缸內(nèi)直噴技術(shù)為一體的新型技術(shù)，其具有聚合兩者之所長(zhǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的重要方向，但是由于缸內(nèi)直噴技術(shù)的供油系統(tǒng)中噴油嘴直接與氣缸內(nèi)爆燃?xì)怏w接觸，長(zhǎng)時(shí)間在高溫、高壓的惡劣環(huán)境中工作，導(dǎo)致搭載該技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)多次出現(xiàn)缸內(nèi)直噴模塊中噴油嘴故障，嚴(yán)重阻礙該技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用。

噴油嘴的使用壽命及可靠性存在的問(wèn)題可以從針閥體自身材料強(qiáng)度和減少噴油嘴在高溫、高壓惡劣環(huán)境中的工作時(shí)長(zhǎng)兩個(gè)方面對(duì)混合噴射技術(shù)加以改進(jìn)。利用鉑金或鎢金等高強(qiáng)度、高耐熱性材料制作的針閥代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料制成的針閥體，或是采用高強(qiáng)度、高耐熱性的材料在噴油閥表面增加一層熱屏蔽罩的方式提高針閥體自身材料的強(qiáng)度，從而延長(zhǎng)噴油嘴的使用壽命。減少噴油嘴在高溫、高壓惡劣環(huán)境中的工作時(shí)長(zhǎng)，可以在汽車相應(yīng)工況下采用合理分配兩種供油方式的運(yùn)行方式，選擇在冷車啟動(dòng)、怠速巡航及低速運(yùn)行等缸內(nèi)環(huán)境相對(duì)溫和的運(yùn)行工況下使用缸內(nèi)直噴模式，避免噴油嘴接觸高溫、高壓環(huán)境，同時(shí)充分發(fā)揮出缸內(nèi)直噴供油技術(shù)的優(yōu)勢(shì)；對(duì)于中、高速行駛等運(yùn)行工況，則采用進(jìn)氣歧管多點(diǎn)噴射的方式進(jìn)行供油，減少噴油嘴在高溫、高壓惡劣環(huán)境中的工作時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)降低歧管多點(diǎn)噴射壁濕的危害。

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