直噴發動機轉速波動問題的研究

張少華，王 博，王 鵬，范慶先，黃玉卓，孫 蕭

（寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336）

引言

隨著排放法規的加嚴，用戶對動力性要求提升，現階段直噴增壓發動機已成為市場的主流，各整車廠普遍研發基于高軌壓的燃油導軌發動機，對于現階段已經上市的發動機中，沃爾沃第三代發動機將燃油導軌的軌壓提升至45 MPa。本文討論一款35 MPa的燃油導軌總成導致的發動機轉速波動問題及解決方案。

1 發動機轉速波動的現象

故障現象是新車首次下線后，熱車怠速出現了周期性的轉速波動現象，轉速波動的形狀為類似正弦波，同時在機艙外可以聽到“嗚嗚”的不平順的運轉，采用設備進行測量，轉速波動約在±30 rpm左右，如圖1，此時采用診斷設備讀取發動機ECU相關運行參數，發動機節氣門開度，供油軌壓，目標噴油量等均呈現與發動機轉速波動相對應的波動現象，當打開空調后，發動機負荷增加，轉速波動現象消失，本文主要針對此問題進行解析。

圖1 發動機轉速波動圖

2 發動機轉速波動的機理

發動機轉速是指汽缸內混合氣燃燒的變化，引起各汽缸功率輸出不平衡，導致各活塞在做功行程時的作用力不均勻作用在曲軸上，導致曲軸系統角速度的周期性變化，從而產生發動機轉速波動。

3 發動機轉速波動的相關因素

3.1 發電機發電工況

當車輛的蓄電池虧電時，智能發電機會介入工作，此時智能發電機給ECU輸入發電請求，會導致發動機扭矩補償發生變化，如果標定不合理，發動機會產生周期性類似于正弦波的轉速波動現象，這種情況下一般需要通過ECU標定進行解決，標定策略是將發動機扭矩補償速度變快或降低怠速控制PID的P項系數。對于此因素的排查方案，可直接將發動機的附件皮帶進行拆除，使發電機不工作，以觀察是否仍然存在轉速波動。

3.2 節氣門電磁干擾

當電子節氣門布置與發電機距離較小時，發電機發電時會產生空間磁場，對節氣門的芯片產生干擾，節氣門芯片依靠兩方向的磁場強度的比例變化計算出實際開啟角度，當發電機產生的磁場強度改變了兩方向磁場強度比例時，節氣門芯片計算角度會發生偏差，從而導致節氣門開度發生變化，導致怠速轉速波動，對于此因素的排查方案，可以采用一塊0.5 mm～1 mm厚度的鐵皮將節氣門進行包裹，以阻斷發電機磁場的影響，注意采用鋁箔是不可以的，因為鋁箔不能影響發電機的磁場。

3.3 發動機缺缸

當出現發動機缺缸時，導致發動機缺缸一般從噴油器、火花塞、點火線圈、氣缸體缸內密封性等四個方面進行分析。

對于噴油器，當噴油器出現堵塞時，會導致噴油量減少，空燃比偏稀，缸內混合氣不易燃燒，從而導致失火缺缸，可以通過診斷儀分析確定失火缸后，更換樣件驗證。

對于火花塞，當火花塞電極間隙偏大或者火花塞表面存在積碳時，會導致點火不良，產生隨機失火，導致轉速波動，可通過火花塞外觀與測量電極間隙的方法進行分析排查。

圖2 火花塞積碳

對于點火線圈，當點火線圈出現功能異常不點火或者點火線圈線束是否存在虛接不良，導致點火線圈間歇性點火，同樣會導致缺缸失火，發動機轉速波動，可以通過診斷儀分析確定失火缸后，更換樣件驗證。

氣缸體缸內密封性，當出現活塞環斷裂，漏裝，或者氣門密封不嚴時，會導致缸內壓縮壓力低，此時進氣量減少，噴油過濃，混合氣無法燃燒，導致失火，對此可以通過缸壓表進行缸壓檢測。

3.4 碳罐控制閥低壓脫附介入工作

碳罐是用來收集汽油箱內燃油蒸氣的裝置，為防止燃油蒸氣揮發至大氣帶來污染，碳罐中的活性炭吸附并收集汽油箱內的燃油蒸氣，通過碳罐電磁閥的控制送到進氣歧管中，參與燃燒。當碳罐電磁閥開啟關閉異常時，會存在燃油蒸氣隨機進入進氣歧管，此時參與燃燒的混合氣濃度發生變化，空燃比出現異常，會出現怠速不穩定的現象。

3.5 進氣歧管漏氣

當進氣歧管存在漏氣時，因為怠速工況時，進氣歧管內為負壓，這個壓差導致外部空氣進入進氣歧管，進氣量增加，節氣門控制調節無法覆蓋時，會出現發動機轉速增加的現象。有一些車型，剎車助力是從進氣歧管位置取負壓，通過單向閥來進行控制，當單向閥膜片出現漏氣時，也會導致轉速波動。

3.6 怠速標定不合理

從怠速標定的維度分析，發動機怠速PID控制，如怠速控制P項調節過大，會導致發動機怠速扭矩調節過快，從而進入循環性的怠速波動。另外發動機怠速扭矩預留小，點火角調節的空間太小，也容易導致轉速波動現象。點火角設定不合理也會導致怠速不穩。點火角過大，點火角上限容易被最優點火角限制，導致怠速扭矩調節空間受限，點火角過小，發動機點火延遲，燃燒穩定性差，也容易導致導致怠速不穩定。

另外就是關于發動機軌壓的設定，因噴油器的流量特性特點，對于怠速工況的進氣量是固定的，因此噴油量需求是固定的，當軌壓選擇的越大，噴油脈寬就越小，此時容易進入噴油器的噴油脈寬的非線性區，導致噴油量散差大，燃燒不穩定，導致怠速波動大。

4 本案例轉速波動的特點剖析

4.1 故障方向鎖定

針對以上因素對轉速波動進行排查驗證，以上因素均排除，對于此案例有以下三個特點：

（1）車輛首次下線時，冷車不存在異常，熱車至水溫高于90 ℃時可復現轉速正弦波動。

（2）經過車輛試車場運行一圈后，故障不復現，隨后蓄電池斷電，再次啟動怠速熱車后可復現轉速正弦波動。

（3）安排2臺車進行交叉驗證，通過對調火花塞、罐控制閥、點火線圈抖動問題未改善。對調噴油器后故障排除，故障現象可以跟隨噴油器進行轉移，因此鎖定此故障與噴油器相關，接下來對噴油器進一步剖析。

4.2 噴油器結構、原理

噴油器主要由濾網、彈簧、線圈、回位彈簧、針閥組件、閥座等組成，噴油器不噴油時，彈簧通過銜鐵使針閥緊壓在閥座上，防止滴油，當電磁線圈通電時，產生電磁力，將銜鐵吸起，并帶動針閥離開閥座，同時彈簧被壓縮，燃油進過針閥并由軸針與噴口的環隙通過噴孔噴出。當電磁線圈斷電時，電磁力消失，彈簧迅速使針閥關閉，噴油器停止噴油。主彈簧的彈力將針閥緊緊壓在閥座上，將燃油密封住，同時也阻擋了燃燒室的高溫氣體從噴孔進入噴油器。

圖3 噴油器內部結構圖

4.3 故障噴油器功能測試

目前故障現象鎖定與噴油器強相關，安排將噴油器進行返廠檢測，識別噴油器的重要參數為噴油器靜態流量，動態CVO流量，泄漏量等，返廠檢測結果均合格，見表1。

表1 4支噴油器檢測結果

4.4 噴油器特性說明

對于噴油器流量，分為3個區間，即彈道區，過渡區，線性區，見圖4。

圖4 噴油器流量特性

噴油器的流量是怎樣確定的呢？一般是基于發動機最大功率與扭矩所需求的噴油量決定的，對于功率指標越高，噴油器的流量也就越大。但是對于怠速工況而言，因發動機不對外做功，因此所需求的噴油量是最小的，這時噴油脈寬容易落在彈道區或者過渡區。在噴油器的這兩個區域，噴油器的動態流量散差會比較大，易會出現噴油量的波動現象，結合怠速控制的PID調節，容易產生正弦波的轉速波動。為解決這個問題，這里要引入噴油器CVO（Controlled Valve Opera -tion）自學習的概念。

對于噴油器開發過程中，有一個重要的功能標定是噴油器CVO自學習標定，這是Bosch 開發的一種噴油器針閥控制策略，總體而言就是通過軟件策略計算出噴油器針閥開啟的實際持續時間，并根據目標持續時間和實際持續時間的偏差對激勵時間進行閉環修正，從而實現對噴油量的精確控制。

對于35 MPa噴油器的CVO自學習過程，ECU標定中會在不同軌壓進行學習修正，涉及的軌壓為10 MPa，25 MPa，35 MPa這3個軌壓區間。分為3個燃油溫度點進行修正，分別是?15 ℃，20 ℃，80 ℃，在其中一個溫度點修正的值會首先賦值于另外兩個溫度點，到達相應溫度后，會繼續修正，以實現最佳控制。

4.5 噴油器自學習條件

這里的修正學習條件中有3個最為重要，一是燃油溫度到達設定值；二是需要車速大于一定值時，在約30 s時間內學習完成，在怠速工況下無法完成噴油器的CVO學習；三是需要停機后600 s進行ECU存儲。

4.6 故障原因

經調查故障車輛路試結束后，為避免車輛出現蓄電池虧電問題，駕駛員會斷開負極線，斷電后導致ECU未完成停機后600 s自學習導致熱機出現發動機轉速波動問題，這也是為什么會出現先前提到的經過車輛試車場運行一圈后，故障不復現，隨后蓄電池斷電，再次啟動怠速熱車后可復現轉速正弦波動。

那為什么車輛在冷車狀態下不存在呢？是因為冷車情況下發動機摩擦阻力矩大，節氣門開度大，進氣量多，此時噴油脈寬落在線性區間內。隨著水溫升高，發動機摩擦阻力減小，進氣量減小，所需的噴油量相應減少，此時噴油脈寬逐步落入到過渡區，因為新車下線沒有進行噴油器CVO自學習，因此也容易產生此現象。

5 轉速波動改善方案實施、驗證

在了解噴油器CVO特性之后，選取了3臺下線車輛進行測試，當車輛直接怠速時，存在轉速波動現象。然后至試車跑道運行2圈后，車輛熄火，保持蓄電池接線柱正常連接不下電，ECU進行充分自學習，故障消除。

圖5 噴油器CVO學習后轉速波動

那什么情況下需要進行噴油器CVO自學習呢？當更換噴油器，發動機總成，發動機ECU，發動機燃油導軌總成時，需要采用發動機標定設備或者售后診斷儀進行噴油器CVO自學習。

6 總結

通過對此問題的解決，加深了對噴油器特性的認識，噴油器硬件的一致性可以通過軟件控制策略進行彌補，通過軟硬件升級結合可以得出更適合噴油器的應用方案。另外針對此問題也進行了其他ECU的標定嘗試工作，如增加發動機的儲備預留扭矩，增加進氣量，也可以解決此問題，但是帶來的弊端是怠速的油耗增加，總體而言噴油器的CVO功能是最佳的解決方案。