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刘子强，汪 斌，仓义勇，叶俊亭
直喷发动机喷油器深入缸内长度对CVO功能影响的分析
刘子强，汪 斌，仓义勇，叶俊亭
（联合汽车电子有限公司，上海 201206）
EU6b开始对直喷式（GDI）汽油机的颗粒物排放数量（PN）进行限制，采用全生成电磁阀控制功能（CVO），实现对喷油器非线性区间的精确控制是一个有效降低颗粒物的手段。通过对某客户售后市场喷油器CVO故障调查，得出以下结论：喷油器深入缸内过长、喷油器阀座温度过高，会产生积聚在密封面的大量积碳颗粒，影响喷油器的非线性区域开启响应，最终影响CVO功能。研究结果为GDI喷嘴内部积碳形成过程提供了一种新的解释，也阐明了影响CVO功能的一个原因。
积碳；
高压喷油器；
全生成电磁阀控制功能故障；
喷油器安装；
直喷发动机
EU6b开始对直喷式（Gasoline Direct Injection, GDI）汽油机的颗粒物排放数量（Particulate Number, PN）进行限制，并且在排放测试流程中加入了实际行驶污染物排放（Real Driving Emissions, RDE）的附加测试。这些新的法规要求给GDI汽油机的颗粒物排放控制带来了新的挑战。
对于GDI发动机而言，提高喷射压力，采用多次喷射是一种有效降低颗粒物的手段。但是由于高压喷油的固有缺陷，会致使轨压提高以及分段喷射后喷油脉宽进入非线性区域，从而出现喷油偏差，导致系统无法准确控制混合气的表现。针对这种现象博世公司开发出了全生成电磁阀控制功能（Controlled Valve Operation, CVO），实现对喷油器非线性区间的精确控制。
某客户在售后市场，出现大量车辆报CVO故障投诉，表现为故障灯点亮，CVO控制参数超过标准，故障集中在第1#气缸。
一般认为喷油量和喷油时间的关系基本上是线性的，而且同批次的喷油器之间喷油量的差异应该很小。但是实际上由于喷油器本身的固有缺陷，导致电磁阀式高压直喷喷油器在非常小的喷油脉宽区域很难实现精确的控制，也就是通常所说的电磁阀式高压直喷喷油器的非线性区域。
如图1所示，在喷油器试验台上测得的四个直喷喷油器的喷油脉宽与喷油量的对应关系。可知，在喷油脉宽低于300 μs的区域喷油脉宽与喷油量出现了明显的非线性关系。
CVO功能的目的就是要解决电磁阀式高压直喷喷油器在非线性区域的喷油精度问题，使得在任何区域内都可以对喷油器的喷油量进行精确的控制。同时CVO功能可以将不同喷油器的散差以及喷油器老化的影响考虑在内，使喷油器在全寿命阶段都能进行喷射量的精确控制，避免喷油器精度下降引起的排放和油耗升高。
图1 电磁阀式高压直喷喷油器的非线性区
CVO功能主是通过硬件检测喷油器反馈电压信号，得到针阀关闭时刻，再根据喷油器针阀开启延迟时间，从得到喷油器实际开启时间，最终通过喷油器针阀实际开启时间对喷射脉宽进行修正，形成喷射脉宽的闭环控制的功能。并且对于不同缸之间采用相同的目标值，有利于最终各缸的喷油量趋于一致。
对市场上的故障车进行实车调查，该车报码1#缸CVO自学习调节超下限故障，用ETAS专用工具测试发动机控制器中数据，测量文件如图2所示。
图2 故障车发动机控制器中数据测量
横坐标是数据采集时间，纵坐标是各主要相关信号曲线数值。其中，线1是油轨压力，线2是检测喷油器反馈电压信号，线3是CVO自学习值。
从测量文件来看，发动机在怠速时，油轨压力35 MPa时，触发自学习功能时，喷油器反馈电压信号线2异常出现不连贯曲线，尤其在10 s、35 s处存在严重打开延迟，导致CVO自学习值线3在50 s处，由默认的3 450 μs，上升到4 100 μs，超出设定的阀值（3 800 μs），发动机报出故障。现场把故障1#缸上喷油器更换其他气缸上安装测试，故障现象随喷油器走。
对市场上返回的报出故障1#缸及非故障缸喷油器拆解，在电子显微镜下进行观察，如图3所示。
图3 故障与正常喷油器阀座密封面对比
对比可知，故障喷油器在阀座与针阀的配合密封面处，存在大量黑色颗粒，而正常喷油器配合密封面是干净的。提取黑色颗粒进行光谱分析如表 1所示，其成分与缸内燃油不完全燃烧积碳成分基本一致。
表1 故障喷油器阀座密封面黑色颗粒成分
故障喷油器在配合密封面上聚集大量数目的碳粒，导致针阀组件在断电下落后，阀球不能完全与阀座密封面接触配合，影响喷油器在非常小喷油脉宽的开启响应时间，最终系统报出CVO故障。
对于积碳是如何产生的以及积碳的形成过程是怎样的仍处于探索之中。其中能够更好地阐述碳烟是如何产生的原因主要有以下：LEPPERHOFF G等[1]认为喷孔残留燃油受热膨胀后在喷油器外部形成油膜，进而促使积碳从外向内形成，KIM C等[2]认为喷油器温度是影响积碳形成的关键原因，温度超过燃油蒸发温度的90%时形成的燃油不易被下次循环冲走，进而形成积碳。
对故障发动机重新更换上新的一组特制高压喷油器，进行600小时交变负荷试验，尝试故障再现。喷油器安装在缸盖内部，对发动机进行喷油燃烧的同时也要保证缸内高压高温的气体密封。特制喷油器增加了热电偶，实时采集阀座温度。对喷油器进行机加工，在表面车出一道沟槽，沟槽里埋入细线热电偶，并焊牢固，如图4所示。台架试验过程中，实时采集1#缸阀座温度，整理后如图 5 所示。
图4 特制高压喷油器
从实际测量结果来看，在发动机高速高负荷运转时，故障1 #缸喷油器的阀座温度最高值接近250 ℃，并且远高于喷油器零件注塑本体使用规范明确要求的温度上限220 ℃。
拆解1 #缸喷油器如图6所示，该喷油器虽然没有报出故障，但也发现有部分碳颗粒积聚。同时也拆解其他缸喷油器进行对比，没有发现碳颗粒。
通过故障模拟发现，温度是影响发动机沉积物形成的关键因素之一。平均表面温度230 ℃时，沉积物的形成速度较高，低于200 ℃和高于350 ℃的时候，沉积速度显著减小，即沉积物形成的主要温度区间为 230 ℃～350 ℃[3-4]。由于直喷发动机的喷嘴位于气缸内，发动机正常运转时，此次工作循环所喷出的燃油并未燃烧，一部分燃油便氧化、积聚在喷油器表面。当喷嘴温度低于燃油90%馏分温度（T90）时，滞留在喷孔的燃油保持在液态，沉积物会较快分解。当喷嘴温度高于T90时，燃油中易沉积物相互结合在一起并粘附在壁面上，很难被喷射的燃油清洗掉。
图6 台架故障复现试验喷油器阀座
把上面做交变负荷试验的发动机进行拆解，发现1 #缸内部积碳喷油器深入汽缸内过长，如图7所示，异常在0.55 mm～0.64 mm左右，其他正常缸在0.37 mm～0.42 mm。深入长度设计名义值要求< 0.50 mm。
图7 故障1#缸与正常缸喷油器深入缸内长度对比
故障缸喷油器深入缸内过长，在发动机工作中，混合气导致喷油器阀座温度过高，有利于燃油积碳沉积。
将故障缸喷油器调整正常安装长度，进行发动机控制器数据试验，测量文件如图8所示。横坐标是数据采集时间，纵坐标是各主要相关信号曲线数值。其中，线1是油轨压力，线2是检测喷油器反馈电压信号，线3是CVO自学习值。
测量文件中，喷油器反馈电压信号线2信号连续且波动正常，CVO自学习值线3在26 s处完成自学习，由默认的3 440 μs，稳定到3 560 μs，符合喷油器非线性区域的喷油精度公差范围，发动机控制器没有报码故障。
图8 调整安装长度喷油器发动机控制器数据测量
对于上述确认由于喷油器安装深入缸内导致故障的情况，该整车厂改进缸盖的1#缸浇注模具，来确保故障缸喷油器的安装位置不超过设计名义值0.50 mm的要求，最终，解决故障车在小的喷油脉宽时报出CVO的故障。
对CVO控制故障进行大量调查，得出以下结论：故障缸喷油器深入缸内过长，喷油器阀座温度过高，过高的阀座温度有利于阀座内残留燃油容易生成积碳。大量的积碳颗粒，影响喷油器的非线性区域的开启响应，最终车辆报码亮灯。
直喷发动机喷油器深入缸内长度对CVO功能影响的研究不仅解决了某客户大量车辆投诉，而且也为其他客户为满足EU6b法规在发动机的结构开发及降低排放颗粒物数量提供了一定的借鉴意义。
[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,余凯,宋豪义,等.基于Dibble 燃烧器的喷油器积碳探索试验[J].内燃机与动力装置,2017(6):11-56.
[4] 杨世春,李君,李德刚.缸内直喷汽油机技术发展趋势分析[J].车用发动机,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
刘子强（1978—），男，硕士，工程师，研究方向为发动机电喷控制及诊断，E-mail:ziqiang.liu@uaes.com。
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