汽油直接噴射系統(tǒng)故障因素發(fā)生率求權(quán)與分析

柳熾偉，景玉軍

(中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣東 中山 528404)

缸內(nèi)汽油直接噴射(Gasoline Direct Injection，簡(jiǎn)稱(chēng)GDI)結(jié)合進(jìn)氣增壓技術(shù)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，以其更高的燃油效率、較低的排放在汽車(chē)上的使用日益增多，大有取代PFI發(fā)動(dòng)機(jī)成為主流汽油機(jī)的趨勢(shì)。燃油噴射位置與燃燒模式的改變，可帶來(lái)燃油系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)和控制的變化。對(duì)于新技術(shù)產(chǎn)品，技術(shù)人員需要及時(shí)進(jìn)行可靠性和故障診斷技術(shù)的研究，以促進(jìn)其發(fā)展。當(dāng)前，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)收集困難，難以精確定量分析其可靠性。此外，相關(guān)故障診斷經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)總結(jié)的文獻(xiàn)不多，按傳統(tǒng)故障樹(shù)診斷方法，自頂事件向下搜索故障起因時(shí)常因搜索策略不當(dāng)導(dǎo)致效率低下。因此收集多位維修專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)故障樹(shù)分析，利用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱(chēng)AHP)將專(zhuān)家定性的經(jīng)驗(yàn)合理量化，計(jì)算出缸內(nèi)直噴汽油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)各底層事件發(fā)生的概率并排序，對(duì)產(chǎn)品的優(yōu)化改進(jìn)、故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)研發(fā)及實(shí)際診斷效率的提升均有積極作用。

1 故障樹(shù)分析

1.1 故障原因

典型的汽油直接噴射系統(tǒng)(以大眾1.8 TSI車(chē)型BYJ發(fā)動(dòng)機(jī)為例)與PFI系統(tǒng)相比，由于噴射壓力的提高，需采用較高的燃油噴射壓力,因此整個(gè)燃油系統(tǒng)以高壓燃油泵為界分為低壓系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)兩部分。高壓系統(tǒng)配置了凸輪軸驅(qū)動(dòng)的高壓燃油泵、燃油壓力調(diào)節(jié)器、壓力傳感器、限壓閥等裝置，使高壓油路壓力值可在一定范圍(35～120 bar)之內(nèi)按需調(diào)節(jié)，同時(shí)噴油器的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)作了改變，使系統(tǒng)對(duì)燃油品質(zhì)和管道清潔性要求更高[1]。由此可見(jiàn)，缸內(nèi)直噴燃油系統(tǒng)除了傳統(tǒng)的PFI燃油系統(tǒng)常見(jiàn)低壓燃油泵損壞、汽油過(guò)濾器堵塞、噴油器和相關(guān)傳感器等故障原因外，還增加了高壓燃油泵、高壓限壓閥、燃油壓力調(diào)節(jié)器、油壓傳感器、電控相關(guān)線路故障等故障部位，而且電控單元與傳感器的匹配、設(shè)定等維護(hù)技術(shù)問(wèn)題均有增加[2]。

1.2 故障樹(shù)的建立

故障樹(shù)分析方法建立在對(duì)系統(tǒng)故障診斷的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用逆向推理, 將系統(tǒng)級(jí)的故障現(xiàn)象或指定進(jìn)行邏輯分析的故障事件(頂事件) 與最基本的故障原因(底事件) 之間的內(nèi)在的邏輯關(guān)系用邏輯符號(hào)表示出來(lái),由上而下逐層分解，直到不能分解為止，即找出對(duì)應(yīng)的底層故障原因，并形成樹(shù)形的網(wǎng)絡(luò)圖[3]。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)不同部位的故障將會(huì)導(dǎo)致多種故障征兆，但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)及其自診斷技術(shù)的進(jìn)步，通過(guò)數(shù)據(jù)流分析等方法已能初步判定燃油系統(tǒng)主要失效形式。故障診斷的關(guān)鍵在于尋找其基本故障原因和部位，因此系統(tǒng)失效的原因可按故障樹(shù)的診斷思維進(jìn)行邏輯分析，建立缸內(nèi)直噴汽油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)失效的故障樹(shù)，如圖1。

T—GDI燃油噴射系統(tǒng)不良；A1—系統(tǒng)不噴油；A2—噴油量過(guò)少；A3—噴油量過(guò)多；A4—噴油模式異常；B1—噴油器無(wú)噴油脈沖；B2—系統(tǒng)無(wú)油壓；B3—高壓油路壓力低；B4—噴油器噴油脈沖過(guò)短；B5—高壓油路壓力過(guò)高；B6—噴油器噴油脈沖過(guò)長(zhǎng)；C1—燃油泵不工作；C2—低壓油路流量不足；C3—高壓油路壓力過(guò)低；X1—噴油器損壞；X2—噴油器堵塞；X3—轉(zhuǎn)速傳感器及線路故障；X4—電源控制單元及線路故障；X5—發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元故障；X6—油路(含低壓限壓閥)泄漏；X7—汽油濾清器堵塞；X8—油箱無(wú)油(油表不準(zhǔn)確)；X9—節(jié)氣門(mén)位置信號(hào)故障(含電子節(jié)氣門(mén))；X10—氧傳感器故障；X11—水溫傳感器故障；X12—空氣流量計(jì)故障(或進(jìn)氣岐管真空壓力傳感器)；X13—燃油泵控制單元；X14—燃油泵損壞；X15—高壓油泵不良；X16—油壓調(diào)節(jié)器故障；X17—限壓閥泄漏；X18—高壓油路壓力傳感器；X19—噴油器泄漏；X20—凸輪軸位置傳感器；X21—進(jìn)氣岐管翻板位置傳感器；X22—可變正時(shí)調(diào)節(jié)電磁閥

圖1GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)失效的故障樹(shù)
Fig.1FaulttreeofGDIenginefuelinjectionsystem

圖1中，燃油噴射系統(tǒng)失效為系統(tǒng)的頂層事件，其失效的主要故障表現(xiàn)形式可歸納為不噴油、噴油過(guò)多、噴油過(guò)少、噴油模式異常等4種現(xiàn)象，將它們作為次級(jí)事件分別展開(kāi)分析。系統(tǒng)不噴油主要原因是電控系統(tǒng)不控制噴油、系統(tǒng)無(wú)油壓、噴嘴損壞等3方面原因。噴油過(guò)多和過(guò)少也可從電控系統(tǒng)、油壓、噴油器執(zhí)行等幾方面考慮，但直噴系統(tǒng)由于比傳統(tǒng)電噴發(fā)動(dòng)機(jī)增加了高壓系統(tǒng)，基于故障規(guī)律，新系統(tǒng)對(duì)整體可靠性影響較大。此外直噴汽油機(jī)有不同的燃燒模式，噴油時(shí)間會(huì)相應(yīng)做出變化，與此配合的進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣翻板會(huì)改變進(jìn)氣管的狀態(tài)，以使充氣效率更高。當(dāng)其出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元會(huì)產(chǎn)生故障碼，干擾發(fā)動(dòng)機(jī)正常的工作模式變換，進(jìn)而影響噴油量和噴油時(shí)刻。由于空氣供給子系統(tǒng)主要性能由發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)、氣缸活塞組及增壓系統(tǒng)等裝置狀況決定，限于篇幅此處略。

2 層次分析法的應(yīng)用

層次分析法是一種把數(shù)學(xué)處理與人的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷相結(jié)合，有效地綜合測(cè)度評(píng)價(jià)決策者的判斷和比較，定量分析與定性分析相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法。它可以解決沒(méi)有數(shù)據(jù)或者很難得到數(shù)據(jù)但又必須做出決策的問(wèn)題[4]。從圖1可見(jiàn)，燃油直接噴射系統(tǒng)的故障影響因素較多，各因素對(duì)不同故障現(xiàn)象的影響權(quán)重不同，可以利用層次分析法，通過(guò)兩兩比較建立判斷矩陣，計(jì)算出其對(duì)應(yīng)于最大特征值的特征向量，經(jīng)歸一化后即為同一層次相應(yīng)因素對(duì)于上一層次因素相對(duì)重要性的排序權(quán)值。

2.1 層次結(jié)構(gòu)模型的建立

在故障樹(shù)分析中，即使在同一種故障現(xiàn)象中也可能會(huì)多次出現(xiàn)同一個(gè)原因，同時(shí)層級(jí)較多，不便于進(jìn)行層次分析。為此可結(jié)合可靠性分析方法，適當(dāng)?shù)貙?duì)該故障樹(shù)進(jìn)行整理，求取各種故障現(xiàn)象(圖1中的次級(jí)事件)的最小割集，再構(gòu)建3或4層次的結(jié)構(gòu)模型。值得注意的是，在一般可靠性分析中，往往求頂事件的最小割集[5]，此處求取次級(jí)事件最小割集，能得出各直噴燃油系統(tǒng)常見(jiàn)幾種故障現(xiàn)象的最底層故障原因，經(jīng)過(guò)層次單排序即可得出其發(fā)生概率的權(quán)重，可應(yīng)用于故障診斷流程的制定。

此處采用Fussell下行法求最小割集。方法是從頂事件下行過(guò)程中，依次將邏輯門(mén)的輸出事件置換成輸入事件，“與”門(mén)只增加割集階數(shù)不增加割集個(gè)數(shù)，“或”門(mén)只增加割集個(gè)數(shù)不增加階數(shù)，直到全部中間事件置換成底事件。由于上述故障樹(shù)均是“或”門(mén)事件，其底事件就是全部割集，將內(nèi)容重復(fù)的割集簡(jiǎn)化去掉，得到：

A1的最小割集為：{X1}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X13}、{X14}。

A2的最小割集為：{X2}、{X6}、{X7}、{X9}、{X10}、{X11}、{X12}、{X14}、{X15}、{X16}、{X17}、{X18}。

A3的最小割集為：{X9}、{X10}、{X11}、{X12}、{X16}、{X18}、{X19}。

A4的最小割集為：{X20}、{X21}、{X22}。

綜上分析，建立直噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)失效的故障遞階模型，見(jiàn)圖2。

圖2 汽油直噴系統(tǒng)失效的層次模型Fig.2 Hierarchy model of gasoline direct injection system failure

2.2 故障原因發(fā)生概率權(quán)值的求取

2.2.1 構(gòu)建判斷矩陣

判斷矩陣是針對(duì)上一層次的某一因素，對(duì)本層次與之有關(guān)的因素之間相對(duì)重要性進(jìn)行兩兩比較，建立成對(duì)的比較矩陣。為使比較合理量化，需引入比較的標(biāo)度值，一般均采用薩迪標(biāo)度，如表1[6]。

表1 薩迪相對(duì)重要度

經(jīng)過(guò)深入多個(gè)企業(yè)的調(diào)查，參考某汽車(chē)4 S店導(dǎo)出的近一年GDI系統(tǒng)相關(guān)維修項(xiàng)目和備件出倉(cāng)數(shù)據(jù)的分析，綜合多位診斷專(zhuān)家的判斷，可建立GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)失效的各級(jí)故障原因概率權(quán)重的判斷矩陣，利用MATLAB軟件編程計(jì)算可得出各權(quán)重值。例如使系統(tǒng)失效的4種故障現(xiàn)象A1，A2，A3，A4所占權(quán)重的判斷矩陣Q如表2。

表2 判斷矩陣Q

表3 是次級(jí)事件A1的故障因素發(fā)生概率判斷矩陣Q1。同理可得A2，A3，A4的影響因素的權(quán)重判斷矩陣Q2，Q3，Q4(篇幅所限不再一一列出)，并計(jì)算得出權(quán)重排序如表4。

表3 判斷矩陣Q1

表4 各因素概率權(quán)重總排序

2.2.2 層次單排序一致性檢驗(yàn)

構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣的辦法雖能減少其它因素的干擾，較客觀地反映出一對(duì)因子影響力的差別，但綜合多個(gè)因素的全部比較結(jié)果時(shí)，其中難免包含一定程度的非一致性，因此應(yīng)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。其方法是計(jì)算一致性比較值：

CR=CI/RI

(1)

(2)

式中：n為判斷矩陣的階數(shù)；λmax為判斷矩陣的最大特征值；RI為平均一致性指標(biāo)，按表5取值。

表5 平均一致性指標(biāo)RI取值

如果判斷矩陣一致性比較值CR<0.1或λmax=n，CI= 0 時(shí)，則此判斷矩陣具有滿意的一致性，否則要對(duì)矩陣進(jìn)行調(diào)整。

各判斷矩陣一致性檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果如下：

矩陣Q：λmax= 4.118 8；CI= 0.039 6；RI=0.09；CR= 0.043 3。

矩陣Q1：λmax=9.445 2；CI= 0.055 6；RI=1.45；CR= 0.038 3。

矩陣Q2：λmax= 12.902 1；CI= 0.082 0；RI=1.54；CR= 0.053 3。

矩陣Q3：λmax= 7.157 2；CI= 0.026 2；RI=1.32；CR= 0.019 8。

矩陣Q4：λmax= 3.021 7；CI= 0.010 9；RI= 0.58；CR= 0.018 7。

可見(jiàn)各矩陣的一致性比較值CR值均小于0.1，表明建立的判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)，取值是合理的。

2.2.3 層次總排序

通過(guò)A層次判斷矩陣分別求出A1，A2，A3，A4的故障原因概率權(quán)值。在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)故障現(xiàn)象將故障原因概率權(quán)值進(jìn)行排序，依次制定合理的診斷流程和步驟，可避免按故障樹(shù)進(jìn)行無(wú)效的搜索，有效提高診斷效率。但在整個(gè)系統(tǒng)的可靠性分析中，需進(jìn)一步進(jìn)行遞階層次模型的層次總排序，由上而下逐層計(jì)算，最終得到最底層因素相對(duì)于最頂層事件的重要性的排序權(quán)值，便于進(jìn)行可靠性分析。

各底層因素的總排序權(quán)重可按式(3)計(jì)算, 計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4：

(3)

2.2.4 層次總排序的一致性檢驗(yàn)

雖然各層次均已經(jīng)過(guò)層次單排序的一致性檢驗(yàn)，但綜合考察時(shí)，各層次的非一致性仍有可能積累起來(lái)，引起最終分析結(jié)果較嚴(yán)重的非一致性，因此應(yīng)進(jìn)行層次總排序的一致性檢驗(yàn)[7]。根據(jù)式(4)進(jìn)行檢驗(yàn)：

(4)

式中：CIj為與Xj對(duì)應(yīng)的底層次中各判斷矩陣的一致性指標(biāo)；RIj為與Xj對(duì)應(yīng)的判斷矩陣隨機(jī)一致性指標(biāo)。

計(jì)算得：CR= 0.049 7 < 0.1，說(shuō)明各權(quán)重的層次總排序合理有效。

3 系統(tǒng)可靠性及故障原因分析

GDI系統(tǒng)各故障原因發(fā)生概率的重要度排序如表4。表中，燃油泵損壞X14、噴油器堵塞X2、高壓油泵不良X15、高壓油壓調(diào)節(jié)器失效X16、汽油濾清器堵塞X7、燃油泵控制單元失效X13等幾個(gè)故障原因占據(jù)前6位。

3.1 燃油泵

燃油泵故障發(fā)生概率權(quán)值是0.154 5，主要有兩種故障表現(xiàn)：①油泵不能建立油壓，發(fā)動(dòng)機(jī)不能起動(dòng)；②油泵磨損后油壓不穩(wěn)定，導(dǎo)致車(chē)輛熱車(chē)行駛無(wú)力、急加速振抖、易熄火等故障發(fā)生。在GDI系統(tǒng)中，第2種故障表現(xiàn)相對(duì)于PFI系統(tǒng)會(huì)少些，因?yàn)镚DI系統(tǒng)高壓油泵在加壓作用時(shí)，燃油泵控制單元可視情況通過(guò)工作電流調(diào)節(jié)低壓油壓力在1～6 bar之間變動(dòng)。燃油泵主要故障因素是內(nèi)部轉(zhuǎn)子的磨損，一定行駛里程后故障率升高。因而燃油的品質(zhì)、使用的情況都會(huì)對(duì)燃油泵的壽命產(chǎn)生較大影響。

3.2 噴油器

GDI系統(tǒng)噴油器與PFI相比，結(jié)構(gòu)性能有很大改進(jìn)，噴射壓力在30～140 bar之間，元件可靠性要求較高[8]。由于噴油器堵塞(概率權(quán)值0.142 8)造成噴油霧化不良，發(fā)動(dòng)機(jī)EPC故障警告燈點(diǎn)亮，出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)振抖等現(xiàn)象。噴油器閥針磨損、密封圈漏油漏氣等，會(huì)影響燃油噴射量及霧化情況。噴油器堵塞、異常磨損等與燃油品質(zhì)有較大關(guān)系，目前常采用定期添加燃油添加劑等產(chǎn)品，進(jìn)行燃油品質(zhì)改進(jìn)和噴油器清洗。噴油器線圈短路斷路發(fā)生率較低。

3.3 高壓燃油泵與油壓調(diào)節(jié)器

高壓燃油泵與油壓調(diào)節(jié)器共同作用，為燃油系統(tǒng)提供高壓燃油。高壓泵采用單活塞高壓泵，由凸輪軸上偏心輪或四方凸輪驅(qū)動(dòng)，燃油泵工作過(guò)程中進(jìn)油量由油壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元通過(guò)占空比控制油壓調(diào)節(jié)器開(kāi)啟大小來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)油量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高壓油路的調(diào)節(jié)。油泵泵油時(shí)需克服泵內(nèi)出油閥彈簧壓力，保證壓力高于噴射壓力?；诟邏罕脵C(jī)械磨損的特點(diǎn)及調(diào)節(jié)器工作頻繁的原因，一定行駛里程后高壓泵故障率較高。后期產(chǎn)品經(jīng)過(guò)優(yōu)化，在泵內(nèi)集成了限壓閥、將油軌低壓油管回油管路省去，減少了系統(tǒng)漏油等故障概率。另外油泵中集成了緩沖器，減小活塞行程，降低了燃油脈動(dòng)。

3.4 燃油泵控制單元

在電控系統(tǒng)部件中，燃油泵控制單元的故障概率權(quán)值達(dá)到0.268 8，遠(yuǎn)高于其他電控單元。它通過(guò)脈寬調(diào)制信號(hào)來(lái)控制燃油泵，使燃油泵壓力在0.5～5.0 bar之間調(diào)節(jié)。由于燃油泵工作電流較大(可達(dá)到9 A)，控制單元在工作中產(chǎn)生熱量較多，但其安裝位置在油箱頂部與后排座椅之間，散熱性能不良，增加了故障機(jī)率。

3.5 進(jìn)氣道翻板位置傳感器

GDI系統(tǒng)中，空氣供給子系統(tǒng)的進(jìn)氣道翻板位置傳感器X21故障概率權(quán)值0.045 2，遠(yuǎn)高于其他傳感器，原因與其結(jié)構(gòu)及使用狀況不無(wú)關(guān)系。缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可根據(jù)工況采用不同的燃燒模式，如大眾TFSI發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)應(yīng)用分層高壓起動(dòng)；起動(dòng)后幾秒即進(jìn)入HOSP(均質(zhì)分開(kāi)模式)，暖機(jī)過(guò)程進(jìn)行兩次噴油；中等轉(zhuǎn)速和負(fù)荷時(shí)采用均質(zhì)稀混合氣模式；高速大負(fù)荷時(shí)會(huì)進(jìn)入均質(zhì)混合氣模式。當(dāng)處于分層充氣或均質(zhì)稀混合氣模式時(shí)，進(jìn)氣道翻板關(guān)閉；均質(zhì)混合氣模式時(shí)，進(jìn)氣道翻板位置依據(jù)節(jié)氣門(mén)位置來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉(在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于3 750r/min或發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷低于40%時(shí)，翻板關(guān)閉)。由于頻繁轉(zhuǎn)動(dòng)，翻板軸容易磨損，使位置傳感器信號(hào)不準(zhǔn)確，發(fā)動(dòng)機(jī)故障單元產(chǎn)生故障碼，同時(shí)EPC燈點(diǎn)亮，影響了混合氣燃燒模式的變化。1.4 TSI發(fā)動(dòng)機(jī)已對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)，取消了進(jìn)氣道翻板，采用固定的導(dǎo)流板，使系統(tǒng)可靠性得到較大提高。

4 結(jié) 語(yǔ)

利用層次分析法，可以定量計(jì)算出直噴汽油機(jī)燃油系統(tǒng)的故障因素發(fā)生概率的權(quán)值，按權(quán)值排序，既能應(yīng)用于故障診斷流程的優(yōu)化，又可找到影響系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，便于進(jìn)行系統(tǒng)產(chǎn)品的優(yōu)化和改進(jìn)。

分析結(jié)果表明，汽油質(zhì)量對(duì)GDI系統(tǒng)可靠性影響很大。使用汽油添加劑提高汽油的性能，定期進(jìn)行燃油系統(tǒng)的清洗維護(hù)，能有效降低其異常故障的發(fā)生，提高燃燒效率。

由于層次分析法依賴于專(zhuān)家的兩兩判斷，能降低多因素決策的不一致性，使定性分析適度定量化，但不能完全避免專(zhuān)家的片面性，難以計(jì)算出準(zhǔn)確的概率值，因此直噴汽油系統(tǒng)故障可靠性的定量分析仍有待加強(qiáng)數(shù)據(jù)的收集、積累和研究。

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