車用噴油器清潔度控制方法

鄭維理

(上海通用汽車有限公司，上海 201206)

1 噴油器的結構與工藝特點

噴油器是電控燃油噴射系統的主要執行元件之一，其功用是根據ECU的指令，控制燃油噴射量。電控燃油噴射系統目前基本采用電磁式噴油器，其結構如圖1所示，噴油器內部有一個電磁線圈，外部有引出插座，經線束與ECU連接。噴油器頭部的針閥與銜鐵連接為一體。當電磁線圈通電時產生磁力，將銜鐵和針閥吸起，噴孔被打開，燃油便經針閥頭部的軸針(閥球)與噴孔之間的環形間隙高速噴出(以霧狀噴入進氣歧管)[1]。發動機管理系統通過ECU改變電脈沖的寬度來控制噴油器每次噴油的時間，從而控制噴油量。噴油器每次噴油的時間一般為2～10 ms，時間越長，噴油量就越多[2]。當電磁線圈斷電時，磁力消失，回位彈簧即將銜鐵和針閥下壓，關閉噴孔，噴油器便停止噴油。

噴油器的精密結構決定了其工藝較為復雜，其制造工藝一般分為零件加工、裝配與標定測試等幾個階段。涉及到的工藝有機加工、壓裝、激光焊接、泄漏測試，流量測試等。正由于制造工藝復雜，噴油器生產工藝一般采用全自動或半自動生產，而且為保證生產過程中不受異物污染，其生產線幾乎都建在潔凈廠房中；而且為了對每個噴油器的特性進行精確調整與跟蹤，較為先進的噴油器生產線通常具有精確追溯系統，對每個噴油器的性能與部分工藝參數進行追溯。

2 清潔度問題導致的噴油器故障分析

由于噴油器具有以上所述的精密結構以及復雜工藝，因清潔度問題導致的噴油器故障成為噴油器主要故障之一。研究表明：清潔度問題導致的噴油器故障占0 km故障的86%，而由于顆粒物污染導致的噴油器故障占其售后故障的60%以上。噴油器在發動機電控系統中的作用為控制噴油量的執行器，故其故障主要表現為噴油量不準確，可能出現噴油過量或噴油量不足的情況，輕則造成發動機燃燒不均勻，缺火或者熄火；大排量發動機由于扭矩較大，某缸噴油器故障導致常噴時發動機可能不會熄火，最后可能導致出現活塞泵油現象而頂彎連桿的重大事故，見圖2 。由此看來解決由噴油器清潔度造成的故障成為行業內亟待解決的重大問題。

清潔度導致的噴油器故障主要表現為噴油器常開或常閉。由于噴油器需要保證單位時間內的精確小流量，在電磁閥設計時通常只允許一個極小的開度，即在電磁閥開啟時閥球表面和閥座之間的間隙只有40～50 μm，如圖3所示。若在噴油器開啟時，有異物卡在閥球和閥座之間的間隙中，導致斷電時閥球不能落座，通常這種情況稱為噴油器常開。噴油器的開度在設計和工藝上又是由銜鐵與接桿之間的間隙保證的，該間隙通常稱為噴油器的升程，如圖4所示，普通車用噴油器的升程在50～90 μm之間。當有異物卡在該間隙中時，在噴油器通電時銜鐵不能上移，導致噴油器球閥不能打開，這種情況稱為噴油器常閉。噴油器常開一般導致噴油器球閥泄漏造成過量噴油，而常閉故障會導致器不噴油。

3 噴油器清潔度控制標準與檢測方法

對于一般的發動機或變速箱零件，對其清潔度的檢測通常以檢測在其表面沾染的外來異物的總質量為準，如通用汽車的GMN6752等標準。但是對于噴油器這一類對清潔度有很高要求的精密零件來說，更應該控制的是其表面可能沾染的異物顆粒尺寸，以防止超過最大允許尺寸的外來異物顆粒進入噴油器帶來的噴油器卡滯風險。對售后失效返回噴油器進行分析統計，98%以上的噴油器卡滯問題的是由顆粒大于200 μm的微粒造成，見圖5。

根據噴油器清潔度或異物污染造成的失效統計，異物的來源主要分為3類：來料混入、裝配過程、環境交叉污染(如圖6)，所以在噴油器生產過程中，不僅需要對噴油器的零部件進行清潔度檢測，也需要對噴油器的中間過程件檢測清潔度，防止在噴油器裝配過程或生產環境中產生異物或將外來異物帶入噴油器。一般步驟為先將待測零件在蒸餾水中充分沖洗后，將蒸餾水經濾紙過濾，再將濾紙烘干后，置于自動掃描顯微鏡下進行掃描，顯微鏡將自動測量留于濾紙上的顆粒的尺寸。

4 噴油器清潔度控制方法

4.1 清洗控制

噴油器的主要零部件，如閥體、閥座、接桿、銜鐵等均為圓管零件，工藝多為金屬機加工或金屬成形工藝。由于其表面常附有切屑液或潤滑油，切屑或毛刺易附著在零件表面。若不將其清洗干凈，加工切屑將成為異物進入噴油器內腔。

噴油器的零部件清洗通常采用超聲波清洗技術。超聲波清洗是基于空化作用，即在清洗液中無數氣泡快速形成并迅速內爆，由此產生的沖擊將浸沒在清洗液中的工件內外表面的污物震落剝離下來。隨著超聲頻率的提高，氣泡數量增加而爆破沖擊力減弱。因此，高頻超聲特別適用于小顆粒污垢的清洗而不破壞工件表面，故其成為噴油器零部件清洗的常用工藝，以去除噴油器零部件表面殘留的油漬與微小顆粒。

超聲波清洗需要作為特殊工藝進行控制。超聲波頻率為設備的主要控制參數，清洗液多采用清洗劑或去離子水，控制一定的清洗劑的濃度與去離子水的電導率可以保證清洗劑的有效性，測量清洗劑濃度的方法一般為滴定法，某些清洗機也帶有電導率測試功能。另外，為發揮清洗液的最佳效果，需要對清洗液進行加溫，并對溫度進行控制。為保證清洗機的過濾系統正常工作，還應該監控其濾網兩端的壓力差，防止濾網破損導致清洗液被雜質污染。

對于內腔形狀較為復雜的零件，如調整套組件，不但采用超聲波清洗，還可在超聲波清洗之前與之后增加噴淋。使用噴淋與超聲波清洗結合的組合式清洗機，或對零件采取噴淋加超聲波清洗的組合清洗方式可帶來更好的清洗效果。

4.2 裝配與測試工藝控制

4.2.1 工裝硬度改善

噴油器各零部件主要采用奧氏體不銹鋼材料，如305SS、X4CrNi18等，經過拉伸等工藝加工后，其表面硬度在HV350左右(相當于HRC30～35)。而在噴油器裝配時使用的部分工裝的材料主要為低碳鋼，如20號碳素結構鋼，若不進行硬化處理，硬度只有HRC20左右。在生產過程中，工裝與零件的頻繁接觸使得工裝容易被零件磨損，產生微小顆粒或碎屑附著在零件上。尤其是對噴油器進行夾持、壓裝或者調整工序的工裝，磨損程度均高于其他位置，而且由于這些工裝距離噴油器零件管口很近，若被磨損產生顆粒，極易導致顆粒掉入噴油器內腔。歷史上就曾經發生過由于壓裝噴油器接桿的工裝磨損后，異物掉入噴油器導致其卡滯的案例。

為避免該問題，需要對噴油器裝配的工裝進行表面硬化處理，或將工裝更換成硬度更高的材料，如軸承鋼(表面硬度可達到HRC60)，使其表面硬度比噴油器零件的表面硬度高。

4.2.2 工裝調整改進

噴油器內部為管狀結構，其裝配工藝廣泛采用壓裝和焊接工藝，而且零件的同軸度要求高。壓裝工位的上工裝和下工裝需要調整以保證兩零件壓裝時同軸，如果工裝的同軸度不良，被壓裝的兩零件間將發生異常刮擦，并產生顆粒。

為此需要定期對工裝的對中與同軸度進行校驗和調整，在生產現場可以使用一種較為簡易的方法，即定制的標準樣件，用著色法檢驗兩工裝間的對中情況。

4.2.3 附加強制除塵

在某些重點工位增加強制除塵裝置也是改善噴油器制造工藝中清潔度的有效方法。最常用的方式為使用真空除塵裝置對零件進行直接清潔，即通過真空吸嘴直接對零件表面施加負壓，將表面的微小顆粒與異物去除并統一收集的方式。真空除塵裝置可設置在進料機構(如振動上料軌道)、壓裝工位上或下料軌道旁(如圖7)。甚至為了給某些特定的零件或過程進行除塵，可以在工位旁增加離線的主動除塵裝置，這些真空除塵裝置可以是手動、半自動或自動設備，可以與車間的中央壓力控制設備相連接，集中控制負壓大小。

4.2.4 沖洗與測試

噴油器的沖洗與測試方法雖然不直接改善噴油器的清潔度，但可及早發現由外來顆粒與清潔度不良引起的噴油器故障，避免其在客戶處失效而產生抱怨。對噴油器內腔使用物理特性與燃油相似的液體進行沖洗，持續一段時間后，再對其進行泄漏測試。由于在沖洗時噴油器閥針開啟，噴油器內腔的異物將被液流沖至閥座處，尺寸較小的異物將通過噴油器閥孔被沖出噴油器，但尺寸過大的異物將卡在閥針與閥座之間的間隙中，在后續的泄漏測試中被發現。

4.3 “5S”管理方法的運用與車間整體環境控制

“5S” 管理方法指在生產現場中對人員、機器、材料、方法等生產要素進行有效的管理，分為整理(Seiri)、整頓(Seiton)、清掃(Seiso)、清潔(Seiketsu)、素養(Shitsuke)5個要素[3]。噴油器車間的規劃和管理如果應用“5S”管理方法可以有效提高生產現場的整潔有序程度，達到從系統上改善清潔度的目的，避免交叉污染。

4.3.1 清潔度車間布置

為保證噴油器在封閉和清潔的環境中生產和裝配，需要建立隔離的潔凈廠房。噴油器清潔廠房按照GB 50073-2001或ISO14644-1標準建設，空氣潔凈度等級通常為8級(即粒徑大于5 μm的顆粒最大濃度極限為29 300 pcs/m3)。為防止外來異物進入，廠房由中央壓力控制系統控制內部壓力，保持廠房內壓力大于外界壓力。而且廠房將人員通道、原材料進入通道與成品出口完全分開，避免操作人員和零件間的交叉污染。在人員進入的區域還備有更衣室和風淋房，保證外界異物不跟隨人員被帶入清潔廠房。

4.3.2 物流布局與物料轉移控制

合理布局噴油器生產制造過程中的物流過程，有助于改善噴油器的清潔度。需要對以下幾個方面加以控制：

(1)物料使用專用的入口和出口，小零件進清潔廠房推薦使用專用通道。

(2)物流布置從原材料上線至噴油器成品下線規劃為單線流，避免物流過程交叉導致污染。

(3)原材料在清洗后被使用之前需要用清潔后的包裝袋或容器密封好。

(4)在制品需要單獨存放，并用特殊容器密封，與外界隔離。

(5)定期對盛放零件的料車、料架或料盒進行檢查和清洗，避免由于其破損導致零件污染。

4.3.3 人員著裝與清潔度管理

人員的清潔度管理是噴油器清潔度管理的重要環節。人員的著裝、操作、行為規范等如果控制不佳極易影響零件的清潔度。

著裝要求。噴油器車間屬于潔凈廠房，需要按照潔凈廠房的著裝要求進行著裝。如需著防塵服，換室內專用工作鞋，戴頭套或工作帽，并完全包裹頭發，如需要應佩戴手套和口罩。

人員操作行為規范。要求潔凈廠房內的人員不得隨意觸摸零件，落地零件應立即報廢，無法避免觸碰零件的員工必須佩戴手套并定時更換。每個工位上的作業指導書必須包含該工位操作時的清潔度特殊要求。

4.3.4 車間與設備的清潔清理

噴油器車間的清潔清掃要求，除了要做到地面、墻面、設備、桌椅的一般清潔外，還要求設定車間內的清潔度關鍵點，并對其進行重點清潔，其中包括易發生清潔度問題的工位、工裝、設備等，如壓裝工裝、焊接工裝、振動料斗等。這些位置在每天進行日常清潔的基礎上，可以按照清潔度檢測的情況，增加清潔頻次。

4.4 清潔度分析監控系統的建立與持續改進

4.4.1 分析設備

噴油器清潔度分析有關的設備分為顆粒度測量設備與顆粒物成分分析設備。

在清潔度實驗室中常用顯微鏡(1 000倍)進行顆粒度測量與異物尺寸分析。但在日常的生產過程控制中，用肉眼進行清潔度測試中的顆粒物尺寸測量方法并不適用于每天很高的分析頻次與巨大的工作量，故可以采用帶有自動掃描和測量功能的光電顯微鏡(圖8)。這種顯微鏡能根據程序自動掃描一定區域(如固定尺寸的濾紙)，自動測量附著在其表面的微粒尺寸，并自動對整個區域內的顆粒數量按照最大尺寸范圍進行分類統計，某些型號的顯微鏡還具有簡單分辨金屬顆粒和非金屬顆粒的能力，極大提高了工作效率。另外還有一種效率更高的顆粒度檢測設備，利用激光在微小顆粒表面產生衍射的原理測量微粒的尺寸，這種激光粒度測量儀無需對清洗液進行過濾并掃描濾紙，可以直接對清洗液的顆粒度進行測量，適用于快速進行顆粒度大小測量和測量液體的清潔度水平。

對已經發現的顆粒物進行成分分析是判斷顆粒物來源、并采取措施加以控制的重要手段。根據顆粒種類的不同，應當選用不同的設備進行成分分析。對于金屬顆粒使用掃描電鏡+能譜儀(SEM+EDS)，而對于非金屬顆粒(一般為有機物)使用紅外光譜儀(FTIR)進行分析，如圖9所示。其中掃描電鏡采用電子束在試樣上作光柵狀掃描的成像原理，最高可以達到200 000倍的放大倍數與0.8 nm的分辨倍率，可以有效放大顆粒物的形態[4-5]。能譜儀(EDS)和掃描電鏡(SEM)組合是最廣泛使用的顯微分析儀器，對樣本的能譜進行分析，從而得到樣本中各元素含量的分布與比例，能通過能譜對比有效判斷金屬顆粒的來源。

4.4.2 顆粒物數據庫的建立

建立清潔度數據庫是對外來異物進行分析與對清潔度進行持續改進的重要前提和必要工具。上述的能譜儀與紅外光譜儀對樣本進行材質分析主要采用譜線對比法，即通過對分析樣本的譜線與其他已知樣本的譜線進行相似度比對，判斷樣本的材質，如圖10。因此，有必要事先收集異物來源的材料的譜線和譜圖，建立數據庫，才能在異物分析和改進工作中提高效率。

顆粒物數據庫的主要來源主要有兩方面：其一為先前發現或已經分析過的異物；其二為對生產現場和與物流有關的材料進行分析、建立檔案。如各分零件材料、設備工裝的材料、物流過程中料框料架、包裝袋的材料，甚至生產現場中使用的桌椅與工具的材料等，材料數據庫越完善，在進行異物成分分析時也更加迅速。

4.4.3 清潔度的日常監控以及持續改進

清潔度控制的另一要素為其日常監控與持續改進。清潔度控制的持續監控對象有兩大類，分別為產品自身的清潔度情況以及周圍環境的清潔度情況。

產品自身的清潔度監控包括按照清潔度測試計劃對噴油器的各分零件或原材料、中間過程件等進行清潔度檢測。原材料清潔度檢測的作用除了對其本身的清潔度進行抽樣評估外，更重要的是對清洗該零件的過程是否穩定進行監控，如發現問題及時采取措施。故對其進行監控的一般原則為按一定頻次(每班或每天)對每臺清洗設備清洗的每種零件均進行清潔度測試，并對測試結果進行統計分析。同樣，對中間過程件的清潔度監控主要反映了關鍵工藝的過程穩定性，一般設置在之前出現過工藝問題導致異物產生的工位，這樣能夠及早發現影響產品的潛在缺陷。例如，原材料的清潔度測試結果穩定正常，但是在其后的壓裝工位的過程件清潔度測試發現異常，有可能是設備出現異常或零件配合尺寸存在異常。

周圍環境的清潔度監控包括對清洗機內的清洗液、噴油器測試設備使用的測試液與關鍵設備的周圍環境等。對清洗液和測試液的清潔度監控常被忽略，但其卻為對清洗過程和制造過程穩定性的有效監控方法。

制定重點清潔度監控工位列表是建立清潔度監控計劃的重要部分，涉及到的重要工位有壓裝、焊接等容易產生異物的工位。對于這些重點工位，需要在對工位進行定時清潔的同時，收集清潔度測試樣本，并對每個工位的清潔度情況進行監控，如圖11所示。

5 噴油器清潔度改進案例

某供應商在上海通用曾多次由于噴油器零公里故障導致客戶抱怨，經分析均為外來異物導致的噴油器針閥卡滯。

對失效零件逐個進行拆解，尋找到使針閥卡滯的顆粒物；并通過對異物的成分進行能譜分析，而后對比異物材料數據庫，發現其中50%失效案例的異物來源于原材料(調整套)，另外50%的失效源于生產過程，其中包括調整套裝配工裝材料顆粒、現場使用的文件夾材料顆粒以及從零件盛放托盤上掉落的顆粒。具體比例如圖12所示。

根據以上對失效顆粒來源的分析得出，導致失效產生的異物主要與調整套的原材料與調整套裝配過程有關。故決定圍繞調整套的原材料與其裝配工藝從多方面對噴油器的清潔度進行系統改進。

(1) 生產環境清潔度改進。對生產線上所有文件夾進行檢查，更換老化的文件夾

(2) 原材料清洗方式改進。①增加對調整套的倒置清洗，以去除調整套內部的殘留顆粒；②在清洗機中加裝過濾系統，并改進循環方式，去除清洗槽內的顆粒。

(3) 增加原材料強制除塵。①調整套的下料斗處增加強制真空吸塵;②增加附加真空除塵裝置在調整套裝配前對其進行除塵;③增加半成品離線反向強制沖洗。

(4)生產線工裝改進。①改進調整套進料工裝，去除進料管連接塊，避免連接塊與進料管的刮擦產生顆粒；②改進調整套裝配工裝，將工裝偏離芯筒中心線，避免顆粒掉入芯筒。

(5)生產工藝改進。將閥座組件的裝配工藝由手工裝配改為自動裝配，避免由手工裝配引起的交叉污染。

可以從以下的失效趨勢與措施分布圖(圖13)上看到，在以上所有改進措施都到位后，在客戶處未發生任何由于異物卡滯針閥導致的噴油器失效。

6 總結與展望

噴油器的清潔度改進是一項復雜的系統工程，不但需要對原材料、工藝、生產線和車間環境等方面進行清潔度嚴格控制，更需要通過先進的分析設備和科學的數據收集方法，持續監控產品與環境的清潔度狀況，及時發現清潔度的異常變化趨勢，找到原因并加以改進。

目前，噴油器的清潔度控制向著更簡單的零件結構、更加合理的裝配與測試工藝、更加完善和全面的生產線數據收集和分析系統等方向發展，對外來異物造成的失效進行早期預防和控制，將從設計和制造上避免缺陷的產生。

【1】 張西振.汽車發動機電控技術[M].北京：機械工業出版社，2004.

【2】 王紹銧,李建秋,夏群生,等.汽車電子學[M].2版.北京：清華大學出版社，2011.

【3】 越行前夫.5S推進法[M].北京：東方出版社，2011.

【4】 張大同.掃描電鏡與能譜儀分析技術[M].廣州：華南理工大學出版社，2009.

【5】 Zhang Sam,Li Lin,Kumar Ashok.材料分析技術[M].劉東平,王麗梅,牛金海,譯.北京:科學出版社，2010.