直噴發動機噴油器深入缸內長度對CVO功能影響的分析

劉子強，汪 斌，倉義勇，葉俊亭

直噴發動機噴油器深入缸內長度對CVO功能影響的分析

劉子強，汪 斌，倉義勇，葉俊亭

（聯合汽車電子有限公司，上海 201206）

EU6b開始對直噴式（GDI）汽油機的顆粒物排放數量（PN）進行限制，采用全生成電磁閥控制功能（CVO），實現對噴油器非線性區間的精確控制是一個有效降低顆粒物的手段。通過對某客戶售后市場噴油器CVO故障調查，得出以下結論：噴油器深入缸內過長、噴油器閥座溫度過高，會產生積聚在密封面的大量積碳顆粒，影響噴油器的非線性區域開啟響應，最終影響CVO功能。研究結果為GDI噴嘴內部積碳形成過程提供了一種新的解釋，也闡明了影響CVO功能的一個原因。

積碳；高壓噴油器；全生成電磁閥控制功能故障；噴油器安裝；直噴發動機

EU6b開始對直噴式（Gasoline Direct Injection, GDI）汽油機的顆粒物排放數量（Particulate Number, PN）進行限制，并且在排放測試流程中加入了實際行駛污染物排放（Real Driving Emissions, RDE）的附加測試。這些新的法規要求給GDI汽油機的顆粒物排放控制帶來了新的挑戰。

對于GDI發動機而言，提高噴射壓力，采用多次噴射是一種有效降低顆粒物的手段。但是由于高壓噴油的固有缺陷，會致使軌壓提高以及分段噴射后噴油脈寬進入非線性區域，從而出現噴油偏差，導致系統無法準確控制混合氣的表現。針對這種現象博世公司開發出了全生成電磁閥控制功能（Controlled Valve Operation, CVO），實現對噴油器非線性區間的精確控制。

某客戶在售后市場，出現大量車輛報CVO故障投訴，表現為故障燈點亮，CVO控制參數超過標準，故障集中在第1#氣缸。

1 CVO功能

一般認為噴油量和噴油時間的關系基本上是線性的，而且同批次的噴油器之間噴油量的差異應該很小。但是實際上由于噴油器本身的固有缺陷，導致電磁閥式高壓直噴噴油器在非常小的噴油脈寬區域很難實現精確的控制，也就是通常所說的電磁閥式高壓直噴噴油器的非線性區域。

如圖1所示，在噴油器試驗臺上測得的四個直噴噴油器的噴油脈寬與噴油量的對應關系。可知，在噴油脈寬低于300 μs的區域噴油脈寬與噴油量出現了明顯的非線性關系。

CVO功能的目的就是要解決電磁閥式高壓直噴噴油器在非線性區域的噴油精度問題，使得在任何區域內都可以對噴油器的噴油量進行精確的控制。同時CVO功能可以將不同噴油器的散差以及噴油器老化的影響考慮在內，使噴油器在全壽命階段都能進行噴射量的精確控制，避免噴油器精度下降引起的排放和油耗升高。

圖1 電磁閥式高壓直噴噴油器的非線性區

CVO功能主是通過硬件檢測噴油器反饋電壓信號，得到針閥關閉時刻，再根據噴油器針閥開啟延遲時間，從得到噴油器實際開啟時間，最終通過噴油器針閥實際開啟時間對噴射脈寬進行修正，形成噴射脈寬的閉環控制的功能。并且對于不同缸之間采用相同的目標值，有利于最終各缸的噴油量趨于一致。

2 投訴分析

對市場上的故障車進行實車調查，該車報碼1#缸CVO自學習調節超下限故障，用ETAS專用工具測試發動機控制器中數據，測量文件如圖2所示。

圖2 故障車發動機控制器中數據測量

橫坐標是數據采集時間，縱坐標是各主要相關信號曲線數值。其中，線1是油軌壓力，線2是檢測噴油器反饋電壓信號，線3是CVO自學習值。

從測量文件來看，發動機在怠速時，油軌壓力35 MPa時，觸發自學習功能時，噴油器反饋電壓信號線2異常出現不連貫曲線，尤其在10 s、35 s處存在嚴重打開延遲，導致CVO自學習值線3在50 s處，由默認的3 450 μs，上升到4 100 μs，超出設定的閥值（3 800 μs），發動機報出故障。現場把故障1#缸上噴油器更換其他氣缸上安裝測試，故障現象隨噴油器走。

對市場上返回的報出故障1#缸及非故障缸噴油器拆解，在電子顯微鏡下進行觀察，如圖3所示。

圖3 故障與正常噴油器閥座密封面對比

對比可知，故障噴油器在閥座與針閥的配合密封面處，存在大量黑色顆粒，而正常噴油器配合密封面是干凈的。提取黑色顆粒進行光譜分析如表 1所示，其成分與缸內燃油不完全燃燒積碳成分基本一致。

表1 故障噴油器閥座密封面黑色顆粒成分

故障噴油器在配合密封面上聚集大量數目的碳粒，導致針閥組件在斷電下落后，閥球不能完全與閥座密封面接觸配合，影響噴油器在非常小噴油脈寬的開啟響應時間，最終系統報出CVO故障。

3 閥座密封面積碳來源分析

對于積碳是如何產生的以及積碳的形成過程是怎樣的仍處于探索之中。其中能夠更好地闡述碳煙是如何產生的原因主要有以下：LEPPERHOFF G等[1]認為噴孔殘留燃油受熱膨脹后在噴油器外部形成油膜，進而促使積碳從外向內形成，KIM C等[2]認為噴油器溫度是影響積碳形成的關鍵原因，溫度超過燃油蒸發溫度的90%時形成的燃油不易被下次循環沖走，進而形成積碳。

對故障發動機重新更換上新的一組特制高壓噴油器，進行600小時交變負荷試驗，嘗試故障再現。噴油器安裝在缸蓋內部，對發動機進行噴油燃燒的同時也要保證缸內高壓高溫的氣體密封。特制噴油器增加了熱電偶，實時采集閥座溫度。對噴油器進行機加工，在表面車出一道溝槽，溝槽里埋入細線熱電偶，并焊牢固，如圖4所示。臺架試驗過程中，實時采集1#缸閥座溫度，整理后如圖 5 所示。

圖4 特制高壓噴油器

從實際測量結果來看，在發動機高速高負荷運轉時，故障1 #缸噴油器的閥座溫度最高值接近250 ℃，并且遠高于噴油器零件注塑本體使用規范明確要求的溫度上限220 ℃。

拆解1 #缸噴油器如圖6所示，該噴油器雖然沒有報出故障，但也發現有部分碳顆粒積聚。同時也拆解其他缸噴油器進行對比，沒有發現碳顆粒。

通過故障模擬發現，溫度是影響發動機沉積物形成的關鍵因素之一。平均表面溫度230 ℃時，沉積物的形成速度較高，低于200 ℃和高于350 ℃的時候，沉積速度顯著減小，即沉積物形成的主要溫度區間為 230 ℃～350 ℃[3-4]。由于直噴發動機的噴嘴位于氣缸內，發動機正常運轉時，此次工作循環所噴出的燃油并未燃燒，一部分燃油便氧化、積聚在噴油器表面。當噴嘴溫度低于燃油90%餾分溫度（T90）時，滯留在噴孔的燃油保持在液態，沉積物會較快分解。當噴嘴溫度高于T90時，燃油中易沉積物相互結合在一起并粘附在壁面上，很難被噴射的燃油清洗掉。

圖6 臺架故障復現試驗噴油器閥座

4 噴油器溫度高原因調查及改進

把上面做交變負荷試驗的發動機進行拆解，發現1 #缸內部積碳噴油器深入汽缸內過長，如圖7所示，異常在0.55 mm～0.64 mm左右，其他正常缸在0.37 mm～0.42 mm。深入長度設計名義值要求< 0.50 mm。

圖7 故障1#缸與正常缸噴油器深入缸內長度對比

故障缸噴油器深入缸內過長，在發動機工作中，混合氣導致噴油器閥座溫度過高，有利于燃油積碳沉積。

將故障缸噴油器調整正常安裝長度，進行發動機控制器數據試驗，測量文件如圖8所示。橫坐標是數據采集時間，縱坐標是各主要相關信號曲線數值。其中，線1是油軌壓力，線2是檢測噴油器反饋電壓信號，線3是CVO自學習值。

測量文件中，噴油器反饋電壓信號線2信號連續且波動正常，CVO自學習值線3在26 s處完成自學習，由默認的3 440 μs，穩定到3 560 μs，符合噴油器非線性區域的噴油精度公差范圍，發動機控制器沒有報碼故障。

圖8 調整安裝長度噴油器發動機控制器數據測量

對于上述確認由于噴油器安裝深入缸內導致故障的情況，該整車廠改進缸蓋的1#缸澆注模具，來確保故障缸噴油器的安裝位置不超過設計名義值0.50 mm的要求，最終，解決故障車在小的噴油脈寬時報出CVO的故障。

5 結論

對CVO控制故障進行大量調查，得出以下結論：故障缸噴油器深入缸內過長，噴油器閥座溫度過高，過高的閥座溫度有利于閥座內殘留燃油容易生成積碳。大量的積碳顆粒，影響噴油器的非線性區域的開啟響應，最終車輛報碼亮燈。

直噴發動機噴油器深入缸內長度對CVO功能影響的研究不僅解決了某客戶大量車輛投訴，而且也為其他客戶為滿足EU6b法規在發動機的結構開發及降低排放顆粒物數量提供了一定的借鑒意義。

[1] LEPPERHOFF G,HOUBEN M.Mechanisms of Deposit Formation in Internal Combustion Engines and Heat Exchangers[J].SAE Technical Paper,931032.

[2] KIM C, TSEREGOUNIS S I, SCRUGGS B E.Deposit Formation on a Metal Surface in Oxidized Gasolines [J].SAE Technical Paper,1987-07-112.

[3] 李洋,余凱,宋豪義,等.基于Dibble 燃燒器的噴油器積碳探索試驗[J].內燃機與動力裝置,2017(6):11-56.

[4] 楊世春,李君,李德剛.缸內直噴汽油機技術發展趨勢分析[J].車用發動機,2007(5):8-13.

Analysis of the GDI Fuel Injector Depth Length on CVO Function

LIU Ziqiang, WANG Bin, CANG Yiyong, YE Junting

( United Automotive Electronic Systems Company Limited, Shanghai 201206, China )

EU6b begins to limit the number of particulate(PN) emissions of gasoline direct injection(GDI)engine, fuel injection controlled valve operation(CVO) function can solve this problem and realize the precise multiple injection in ballistic area. Investigate the field injector CVO complaint. The injector is too long deep into the cylinder, and the valve seat temperature of the injector is higher, generate carbon deposition for the residual fuel in the valve sealing surface, will affect the opening response and the CVO function. The results of this study provide a new explanation for carbon deposition in GDI, and also illustrate a reason that affects the CVO function.

Carbon deposit; High pressure fuel injector;Controlled valve operation failure; Fuel injector installation;Gasoline direct injection engine

U464.1

A

1671-7988(2022)24-94-04

U464.1

A

1671-7988(2022)24-94-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.024.017

劉子強（1978—），男，碩士，工程師，研究方向為發動機電噴控制及診斷，E-mail:ziqiang.liu@uaes.com。