增壓直噴汽油機(jī)怠速燃油系統(tǒng)過(guò)濃故障的研究

王　嚴(yán)　趙景廣　肖姍姍（1-長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

增壓直噴汽油機(jī)怠速燃油系統(tǒng)過(guò)濃故障的研究

王嚴(yán)1,2趙景廣1,2肖姍姍1,2
（1-長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

通常認(rèn)為，燃油系統(tǒng)過(guò)濃是由燃油系統(tǒng)故障或老化直接引起的，可通過(guò)更換噴油器、高壓油泵等措施應(yīng)對(duì)，是一類(lèi)比較易解決的問(wèn)題。然而，對(duì)某直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，怠速燃油系統(tǒng)過(guò)濃故障的發(fā)生卻與高寒環(huán)境下高速行車(chē)有關(guān)。為探究其中的原因，進(jìn)行了大量試驗(yàn)及分析，最終找出故障真因。關(guān)鍵詞：怠速燃油系統(tǒng)過(guò)濃自學(xué)習(xí)值機(jī)油稀釋PCV閥補(bǔ)氣量

引言

隨著車(chē)輛排放對(duì)環(huán)境污染的影響日益嚴(yán)重，車(chē)輛在線診斷（OBD）法規(guī)相繼出臺(tái)，要求對(duì)影響車(chē)輛排放的汽車(chē)零部件進(jìn)行監(jiān)控，使得汽車(chē)電控系統(tǒng)日益復(fù)雜化，OBD診斷智能日趨強(qiáng)大，但仍有較多復(fù)雜系統(tǒng)診斷只能診斷出系統(tǒng)故障，無(wú)法確定故障部位及原因，主要原因是某些系統(tǒng)故障可能由不同的系統(tǒng)或零部件故障相關(guān)作用影響而導(dǎo)致[1]。本文通過(guò)某直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)“怠速燃油系統(tǒng)過(guò)濃”故障的分析，對(duì)燃油系統(tǒng)、曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)等進(jìn)行排查驗(yàn)證，最終確定問(wèn)題真因。

1　燃油系統(tǒng)的控制原理及分析

發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣在理論空燃比(14.6)工作時(shí)，理論上能完全燃燒，使尾氣排放物完全變成為H2O和CO2。

在現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)電子噴射控制系統(tǒng)中，空燃比（A/ F）的控制是由進(jìn)氣傳感器計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量（Mair），然后ECU（控制單元）根據(jù)空燃比控制目標(biāo)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)進(jìn)氣量的基本噴油量的噴油器噴油時(shí)間ti；最后通過(guò)氧傳感器信號(hào)反饋進(jìn)行噴油量實(shí)時(shí)調(diào)整，最終控制進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣的空燃比接近理論空燃比，得到燃油自學(xué)習(xí)值Kxx。空燃比控制策略如圖1所示。

圖1　空燃比控制策略

燃油的準(zhǔn)確噴射是通過(guò)高壓噴射系統(tǒng)完成的，噴油器的油量為：式中：Mfuel為噴油器的噴油量質(zhì)量；ρ為汽油密度；Q為噴油嘴的噴油量體積；K為噴油器的噴油特性因子；S為噴油嘴的有效噴油橫截面積；DP為噴油器噴油口兩側(cè)壓力差；ti為噴油預(yù)噴脈寬；Kxx為燃油自學(xué)習(xí)值。

燃油系統(tǒng)根據(jù)氧傳感器信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制，通過(guò)燃油自學(xué)習(xí)值Kxx對(duì)噴油進(jìn)行修正：

當(dāng)燃油控制系統(tǒng)穩(wěn)定，A/F控制達(dá)到目標(biāo)值后，Kxx值等于反推值：

Kxx是一個(gè)乘法系數(shù)，當(dāng)ECU計(jì)算出預(yù)噴油量比需求油量多時(shí)，其值小于1；當(dāng)預(yù)噴油量比需求油量少時(shí)，其值大于1。基于設(shè)計(jì)和制造控制，計(jì)算燃油預(yù)噴油量與最終噴油量的差異都在±5%以?xún)?nèi)，即燃油自學(xué)習(xí)值Kxx正常范圍為1±0.05。經(jīng)驗(yàn)表明Kxx值變化超過(guò)30%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)燃燒異常，導(dǎo)致車(chē)輛排放急劇惡化[2]。

怠速燃油系統(tǒng)過(guò)濃是指發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況進(jìn)入燃燒室的混合氣燃油濃度過(guò)高，空燃比遠(yuǎn)小于理論值，系統(tǒng)通過(guò)閉環(huán)修正，Kxx值達(dá)到0.7，仍無(wú)法保證混合氣的空燃比接近理論值，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不良，因此ECU報(bào)出此故障。

2　問(wèn)題描述

某直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)搭載整車(chē)在高寒地區(qū)（溫度低于-20℃）進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)，多臺(tái)試驗(yàn)車(chē)高速(110km/h以上)行駛后停車(chē)怠速，怠速過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈點(diǎn)亮，查看行車(chē)記錄儀，燃油自學(xué)習(xí)值降低至0.75，ECU報(bào)出“怠速燃油系統(tǒng)過(guò)濃”故障。

此發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)手冊(cè)規(guī)定，當(dāng)燃油自學(xué)習(xí)值達(dá)到系統(tǒng)故障評(píng)判最低限值0.75，報(bào)出故障碼，此為發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈點(diǎn)亮的原因，見(jiàn)圖2。

圖2　怠速燃油系統(tǒng)過(guò)濃故障數(shù)據(jù)

3　故障排查

影響燃油系統(tǒng)燃油濃度過(guò)濃的因素主要有：燃油系統(tǒng)、曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)等[3]，見(jiàn)圖3。

圖3　影響燃油系統(tǒng)過(guò)濃因素

為探究故障真因，選取了存在此故障與非故障試驗(yàn)車(chē)各一輛，到高寒地區(qū)進(jìn)行實(shí)地故障排查。

3.1燃油系統(tǒng)零部件排查

為排除燃油系統(tǒng)故障導(dǎo)致此故障的發(fā)生，對(duì)兩輛試驗(yàn)車(chē)分別對(duì)換高壓油泵、高壓油軌、噴油器，按照故障出現(xiàn)的試驗(yàn)環(huán)境及工況進(jìn)行驗(yàn)證，故障現(xiàn)象未轉(zhuǎn)移，因此確定此故障與燃油系統(tǒng)零部件無(wú)關(guān)。

3.2曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)排查

3.2.1曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)工作原理

對(duì)于增壓機(jī)型，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)分為低負(fù)荷、中高負(fù)荷油氣分離系統(tǒng)。低負(fù)荷時(shí)，新鮮空氣從空氣濾清器進(jìn)入曲軸箱，曲軸箱竄氣經(jīng)過(guò)低負(fù)荷油氣分離器分離后經(jīng)PCV閥進(jìn)入進(jìn)氣歧管參與燃燒；增壓發(fā)動(dòng)機(jī)處于中高負(fù)荷，增壓器對(duì)氣體進(jìn)行加壓，進(jìn)氣歧管為正壓，進(jìn)氣歧管中的新鮮空氣通過(guò)PCV閥進(jìn)入曲軸箱，曲軸箱竄氣經(jīng)過(guò)高負(fù)荷油氣分離器分離后，進(jìn)入壓氣機(jī)前管路。

3.2.2排查過(guò)程

對(duì)換兩輛試驗(yàn)車(chē)油氣分離器、PCV閥進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，非故障車(chē)更換故障車(chē)的PCV閥后，在-25℃環(huán)境溫度下，以120km/h長(zhǎng)時(shí)間行駛停車(chē)怠速，K xx值到最低限值0.75，報(bào)出“怠速燃油系統(tǒng)過(guò)濃”故障碼，此故障隨PCV閥的更換而轉(zhuǎn)移。

對(duì)發(fā)生故障與非故障的PCV閥進(jìn)行流量測(cè)量，其流量特性見(jiàn)表1。

表1　故障與非故障PCV閥流量特性測(cè)試結(jié)果

PCV閥設(shè)計(jì)流量特性見(jiàn)表2。

表2　 PCV閥設(shè)計(jì)流量特性

由以上兩表可看出，故障PCV閥補(bǔ)氣流量均小于非故障PCV閥流量，兩者差值隨著PCV閥兩端壓差的增大而增大。影響其補(bǔ)氣流量的結(jié)構(gòu)為補(bǔ)氣孔（如圖4所示），孔直徑越大，補(bǔ)氣量越大，反之越小。由此看出，氣孔的制造誤差導(dǎo)致PCV閥補(bǔ)氣流量偏小。

圖4　 PCV閥補(bǔ)氣示意圖

3.3機(jī)油稀釋

經(jīng)驗(yàn)證明，直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)均存在不同程度的機(jī)油稀釋問(wèn)題，一般發(fā)生在寒冷季節(jié)，主要原因是環(huán)境溫度、運(yùn)行工況直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度、油氣混合、燃油濕壁等，較多燃油顆粒通過(guò)活塞環(huán)與缸體間隙進(jìn)入機(jī)油、曲軸箱、燃燒室，使發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)機(jī)油稀釋、燃燒不良等問(wèn)題。為研究不同環(huán)境溫度、運(yùn)行工況下，是否對(duì)Kxx值有影響，對(duì)故障車(chē)進(jìn)行以下試驗(yàn)：

在不同環(huán)境溫度（-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃）下，高速行車(chē)1h后停車(chē)怠速，驗(yàn)證環(huán)境溫度對(duì)Kxx值的影響。結(jié)果表明：行駛工況一定時(shí)，環(huán)境溫度低于-20℃后，故障車(chē)怠速Kxx值達(dá)到最低限值，且持續(xù)時(shí)間隨溫度降低而增加，見(jiàn)表3。

表3　不同環(huán)境對(duì)故障車(chē)怠速Kxx值影響

環(huán)境溫度為-25℃，故障車(chē)分別以不同車(chē)速（100km/h、120km/h）行駛0.5、1h后停車(chē)怠速，驗(yàn)證行駛工況對(duì)故障車(chē)怠速Kxx值影響。結(jié)果表明：環(huán)境溫度一定時(shí)，高車(chē)速、行駛時(shí)間長(zhǎng)才能使Kxx值達(dá)到最低限值，見(jiàn)表4。

試驗(yàn)結(jié)果證明：環(huán)境溫度低，長(zhǎng)時(shí)間高速行車(chē)，導(dǎo)致燃油蒸汽大量進(jìn)入曲軸箱內(nèi)，增加了曲軸箱氣體中燃油濃度，怠速時(shí)燃油濃度較高的竄氣影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的正常燃燒。

3.4排查結(jié)論

通過(guò)對(duì)燃油系統(tǒng)、曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的排查，確定導(dǎo)致試驗(yàn)車(chē)出現(xiàn)“怠速燃油系統(tǒng)過(guò)濃故障”的原因有以下兩個(gè)方面：

1）曲軸箱氣體中燃油濃度過(guò)高

缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃油直接噴射到狹小的燃燒室中，燃油觸碰燃燒室壁面，形成“濕壁”現(xiàn)象；外界環(huán)境溫度低，一方面增加中冷器冷卻能力，使進(jìn)氣溫度過(guò)低，燃油不能充分與空氣混合，進(jìn)而加劇燃油“濕壁”，活塞環(huán)將缸壁上的燃油顆粒刮下，混合于機(jī)油和曲軸箱氣體中；另一方面車(chē)輛高速時(shí)冷風(fēng)冷卻油底殼，使機(jī)油溫度降低，燃油顆粒無(wú)法蒸發(fā)，進(jìn)而不能被新鮮空氣帶走，停車(chē)怠速時(shí)油底殼無(wú)冷風(fēng)冷卻，機(jī)油溫度增加，使其中的燃油顆粒集中蒸發(fā)，造成曲軸箱氣體中燃油濃度過(guò)高。

2）中高負(fù)荷PCV閥補(bǔ)氣流量偏小

PCV閥補(bǔ)氣流量影響了中高負(fù)荷工況下的曲軸箱內(nèi)平衡燃油蒸汽濃度。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增大，PCV閥兩端壓差亦增大，由于補(bǔ)氣孔制造公差的存在，故障PCV閥向曲軸箱補(bǔ)充的新鮮空氣量較小，無(wú)法稀釋和帶走曲軸箱氣體中燃油蒸汽，進(jìn)而燃油濃度較高，停車(chē)怠速時(shí)，燃油濃度較高的竄氣經(jīng)PCV閥進(jìn)入進(jìn)氣歧管，導(dǎo)致混合氣過(guò)濃，影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒。

4　整改方案制定及試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)以上分析結(jié)果，確定以下整改方向：

1)調(diào)整PCV閥補(bǔ)氣孔制造公差，增大中高速負(fù)荷補(bǔ)氣量；

2)針對(duì)高寒環(huán)境，采取發(fā)動(dòng)機(jī)保溫措施，減小高寒環(huán)境下機(jī)油稀釋情況。

4.1調(diào)整PCV閥補(bǔ)氣孔制造公差

參考非故障件流量特性，減小PCV閥補(bǔ)氣孔制造公差，使補(bǔ)氣流量公差由±5L/min變?yōu)椤?L/min，保證中高速負(fù)荷曲軸箱補(bǔ)氣量，充分稀釋和帶走燃油蒸汽，避免怠速工況時(shí)燃油濃度較高的竄氣經(jīng)PCV閥進(jìn)入進(jìn)氣歧管，引起燃燒異常。

對(duì)于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，空濾后管路負(fù)壓較大，曲軸箱竄氣量大，壓力一般為負(fù)壓，最低應(yīng)＞-5kPa，可以允許少數(shù)工況的曲軸箱為正壓，但壓力應(yīng)＜2kPa，曲軸箱壓力過(guò)大，會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的密封、油氣分離效率，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)滲油、曲軸箱竄機(jī)油等問(wèn)題[4]。

對(duì)調(diào)整后的PCV閥進(jìn)行外特性曲軸箱壓力、油氣分離試驗(yàn)：新流量PCV閥后曲軸箱壓力范圍為-2.9KPa～0.6kPa，見(jiàn)圖5，滿足-5kPa～2kPa設(shè)計(jì)要求。

油氣分離效率外特性工況下略微降低，仍滿足≤3g/h設(shè)計(jì)要求，見(jiàn)表5。

圖5　外特性工況曲軸箱壓力分布曲線

表5　外特性工況油氣分離試驗(yàn)

4.2發(fā)動(dòng)機(jī)保溫

采用手動(dòng)可變進(jìn)氣格柵，寒冷季節(jié)手動(dòng)關(guān)閉進(jìn)氣格柵的百葉片，降低中冷器冷卻能力，提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度，改善燃油霧化效果，減少燃油“濕壁”，降低曲軸箱氣體中燃油濃度；對(duì)高寒地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼增加保溫涂層，提高發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度及車(chē)輛高速運(yùn)行時(shí)機(jī)油中燃油顆粒的蒸發(fā)量。采用此兩項(xiàng)保溫措施后，在-25℃環(huán)境溫度下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度提高10℃，機(jī)油溫度提高10℃,Kxx值由0.75提高至0.89，較大地改善了高寒環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒。

5　結(jié)論

本文經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)某直噴增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)“怠速燃油系統(tǒng)過(guò)濃故障”進(jìn)行系統(tǒng)排查，確定為PCV閥流量匹配不合理及高寒環(huán)境下機(jī)油稀釋共同作用導(dǎo)致故障發(fā)生。通過(guò)調(diào)整PCV閥補(bǔ)氣流量公差、增加發(fā)動(dòng)機(jī)保溫等措施，成功解決了此故障，對(duì)現(xiàn)代先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)故障有了新的認(rèn)識(shí)，為曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1陳領(lǐng)平.汽油機(jī)車(chē)載診斷(OBD)技術(shù)及催化器監(jiān)控開(kāi)發(fā)試驗(yàn)研究[D].上海:上海交通大學(xué)，2007

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Research on TGDIEngine Failure of H igh-Concentration Fuel-GasM ixture in Id le

W ang Yan1,2,Zhao Jingguang1,2,Xiao Shanshan1,2
1-TechnicalCenter,GreatWallMotor Company Limited(Baoding,Hebei,071000,China）2-HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center

Generally speaking,high-concentration fuel-gasmixture is caused directly by the fuel system failure or aging,and this can be solved easily by changing the injector,high pressure oil pump,etc. However,for certain TGDI engine,high-concentration fuel-gasmixture in Idle is related with both low temperature and high speed driving.To digmore,a large number of tests and researches were carried out, finally,the rootcausewas found.

High-concentration fuel-gasmixture in Idle,Fuel BLM(block learnmultiplier),Oil-dilution, Supply gas flow rateofPCV valve

TK411+.2

A

2095-8234（2016）02-0039-04

2016-01-08）

王嚴(yán)（1989-），男，助理工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)匹配搭載。