關于某噴油器噴油量減小問題的研究

崔凱　王博　單龍江　邵澤　羅智波　丁相利

摘 要：發動機噴油器是噴油系統的重要部件，對發動機的性能和可靠性有很大的影響。本文結合對某發動機噴油器針閥與芯體接觸面磨損導致噴油量減少的失效案例，對噴油器的針閥和芯體接觸面的磨損失效的故障現象、機理、改進措施、措施驗證進行詳細的總結，希望對噴油器類高頻高精密零件的設計改進提供幫助。

關鍵詞：發動機 噴油器 針閥 磨損 改進

1 引言

在發動機系統中，燃油點火系統是影響發動機燃燒的重要模塊，其中燃油系統對發電機缸內混合器的形成和燃燒過程有決定性作用[1]。噴油器作為燃油點火系統的重要組件，其本身對可靠性要求非常高。發動機燃燒系統對噴油器的噴霧特性要求極高，主要表現早擴散錐角、油束方向、霧化粒度、射程及油霧分布等方面[2]。噴油器的工作頻率很高，屬于高精密部件，因此內部關鍵子零設計要求精度高，有良好的耐磨性。對噴油器的失效案例進行研究可以為高頻、高精度運動零件的設計開發、問題解決帶來很多啟發。

在開發某款發動機時，耐久試驗時發現發動機在運行一萬五千公里后，出現多起發動機怠速抖動，加速無力問題，進一步分析發現噴油器流量減小，經對故障件解析確認為噴油器內部針閥與芯體接觸面磨損導致。本文結合本次案例進行詳細解析，希望對后續高精密零件的故障分析、設計改進、措施驗證提供新思路，針對性的采用預防措施，規避同類問題。

2 噴油器流量小問題故障表項

2.1 噴油器流量小問題故障表現

在開發某款發動機時，通過對試驗發動機的運行數據監控，發現出現多起發動機報噴油量故障的問題。具體故障表現為發動機怠速抖動，加速無力，數據上顯示燃油修正值偏高，同時報多缸隨機失火故障碼和混合氣偏稀故障碼。故障案例主要發生在車輛運行15000km以后，平均維修月為整車生產后16月，失效里程與故障發生概率（如圖1）。

通過現場故障排查，排除發動機進氣系統故障及除噴油器外其他零件故障，現場更換噴油器，進行ABA驗證，發現故障與噴油器相關，鎖定失效零件為噴油器。

2.2 噴油器的結構原理

噴油器的主要結構（如圖2）所示，其工作原理（如圖3）所示，發動機控制電腦EUC，根據發動機的工況需求，計算合理的噴油脈寬，噴油器根據ECU的噴油控制信號，通過電磁線圈產生磁力和彈簧彈力驅動芯體上下運動，然后芯體帶動針閥總成上下運動，針閥下端與閥座開啟和閉合。當針閥向上運動，底部譬如你有通道開啟，高壓燃油從針閥與閥座的間隙處噴出，經噴孔進入燃燒室進行燃燒；當針閥在彈簧作用下向下運動，底端噴油通道閉合時，結束噴油。 噴油量在在噴油脈寬和軌壓一定時，取決于噴油通道的截面積。

3 噴油器失效分析

3.1 噴油器失效問題確認：

噴油器返回后，進行零件性能復測，確認故障噴油器流量減小，根據失效樣本數據統計，其流量下降20%～40%。失效樣本噴油量下降與行駛里程之間的關系如圖4所示。

噴油器搭載整車耐久后流量衰減，根據數據統計一般在5%以內，對比本次檢測數據，確認噴油器發生耐久失效。

3.2 失效零件拆解分析

對噴油器噴孔使用顯微鏡檢查進行檢查，確認其噴孔未見堵塞等異常，見圖5。

對噴油器進行拆解及檢查，發現噴油器內部針閥總成、芯體接和位置等多處磨損，芯體與外殼外殼存在敲擊痕跡，發生卡滯（如圖6）所示。

3.3 失效原因確認

對芯體中心孔進行掃描，發現故障件芯體的內徑在兩端孔徑磨損，兩端成喇叭口狀；而正常樣本芯體內徑磨損量很小，如圖7。

對失效噴油器的針閥與芯體接觸的法蘭面進行檢查，同樣發現異常磨損，如圖8。

3.4 失效機理說明

根據磨損痕跡分析，判斷針閥與芯體在工作過程中針閥法蘭面與芯體發生磨損，隨著針閥法蘭磨損的加劇，隨著磨損加劇，導致針閥運動過程中軸線傾斜，進而導致針閥與芯體內孔兩端不斷磨損，兩端孔徑不斷增大變為喇叭口。隨著芯體兩端及針閥法蘭面的不斷磨損，進一步導致針閥芯體擺動加劇，最終導致與芯體與外殼發生碰撞、卡滯。同時因為芯體和針閥磨損，芯體及針閥運動軌跡傾斜卡滯，造成針閥升程減小，進而導致噴油通道截面積減小，在相同噴油脈寬和噴油壓力下，噴油量隨之減小，導致超出標定容差范圍，最終造成該故障發生，如圖9所示。

為進一步確認針閥升程變化與流量減小量之間的關系，進行對返回的故障件試驗驗證，根據不同針閥法蘭面磨損量樣本與流量測試，兩者的關系如圖10。

4 改進措施與效果驗證

4.1 改進措施

根據失效機理，可以從降低針閥法蘭面磨損及芯體內孔兩端磨損兩個方向進行改善，從而減小針閥升程的變化。增加芯體內孔抗磨能力需要更改表面鍍層，因芯體為磁性元件，更改鍍層涉及的費用高，改進周期長。經對比選擇改善針閥法蘭面結構作為突破方向。

對針閥法蘭面進行設計改進，接觸面由原設計（25°錐面）改進為球面（SR），如圖11所示。目的是減小接觸面壓降低磨損；同時減少磨損后降低芯體和針閥的運動軌跡傾斜。

4.2 效果驗證

4.2.1 減小接觸面壓力

制作改進后樣件5件，根據試驗測試，發現接觸面改進為球面（SR）后，接觸應力下降到原設計（25°錐面）的1/4，大幅改善，如圖12所示。

4.2.2 降低芯體抖動卡滯

使用高速攝影對改進前后芯體運動軌跡進行跟蹤拍攝，繪制運動軌跡。通過對芯體運動軌跡分析，發現芯體徑向方向擺動球面（SR）小于25°錐面，當針閥法蘭面改為球面后，芯體的運動更穩定，波動量更小，發生傾斜卡滯的概率更低。對軸線方向升程量進行分析，發現針閥法蘭改進后軸向升程基本一致，對流量變化影響很小。如圖12索斯。

4.2.3 耐久試驗驗證

為最終確認改進結果，對噴油器單體進行耐久測試，改進前、后兩種狀態各取7個樣本，噴油次數按5.5x108（等效發動機運行24萬公里）進行對比驗證，試驗結果如圖14所示，可知改進后球面法蘭針閥試驗后芯體內徑磨損量降低明顯，磨損量滿足設計指標，改善有效。

5 總結

本文重點剖析了噴油器流量減小的故障案例，通過對問題解決過程的詳細解析，明確了噴油器內部針閥、芯體磨損后導致噴油器流量減小的機理。

通過對針閥法蘭面結構進行改進，由25°錐面接觸變為球面接觸，降低了接觸面壓力，抑制了磨損后芯體的晃動量，減小傾斜卡滯的概率，最終通過單體耐久驗證，確認措施有效。

當前隨著整車、發動機自動化程度越來越高，高頻運動的精密元件數量越來越多，磨損失效是經常遇到的問題。本文中采用的痕跡分析，高速攝影軌跡跟蹤等試驗方法對問題分析很有借鑒意義。通過更改接觸面的結構從而改善運動軌跡和接觸應力的方法解決耐久磨損，從而提升可靠性，對解決相似問題提供了一條新思路。

參考文獻：

[1]梁宇詢．某車型發動機噴油器滲漏故障分析及解決措施，檢測與維修，2022.08.

[2]惠有利，沈沉．汽車構造[M].北京：北京理工大學出版社 2016.