关于某喷油器喷油量减小问题的研究

崔凯　王博　单龙江　邵泽　罗智波　丁相利

摘 要：发动机喷油器是喷油系统的重要部件，对发动机的性能和可靠性有很大的影响。本文结合对某发动机喷油器针阀与芯体接触面磨损导致喷油量减少的失效案例，对喷油器的针阀和芯体接触面的磨损失效的故障现象、机理、改进措施、措施验证进行详细的总结，希望对喷油器类高频高精密零件的设计改进提供帮助。

关键词：发动机 喷油器 针阀 磨损 改进

1 引言

在发动机系统中，燃油点火系统是影响发动机燃烧的重要模块，其中燃油系统对发电机缸内混合器的形成和燃烧过程有决定性作用[1]。喷油器作为燃油点火系统的重要组件，其本身对可靠性要求非常高。发动机燃烧系统对喷油器的喷雾特性要求极高，主要表现早扩散锥角、油束方向、雾化粒度、射程及油雾分布等方面[2]。喷油器的工作频率很高，属于高精密部件，因此内部关键子零设计要求精度高，有良好的耐磨性。对喷油器的失效案例进行研究可以为高频、高精度运动零件的设计开发、问题解决带来很多启发。

在开发某款发动机时，耐久试验时发现发动机在运行一万五千公里后，出现多起发动机怠速抖动，加速无力问题，进一步分析发现喷油器流量减小，经对故障件解析确认为喷油器内部针阀与芯体接触面磨损导致。本文结合本次案例进行详细解析，希望对后续高精密零件的故障分析、设计改进、措施验证提供新思路，针对性的采用预防措施，规避同类问题。

2 喷油器流量小问题故障表项

2.1 喷油器流量小问题故障表现

在开发某款发动机时，通过对试验发动机的运行数据监控，发现出现多起发动机报喷油量故障的问题。具体故障表现为发动机怠速抖动，加速无力，数据上显示燃油修正值偏高，同时报多缸随机失火故障码和混合气偏稀故障码。故障案例主要发生在车辆运行15000km以后，平均维修月为整车生产后16月，失效里程与故障发生概率（如图1）。

通过现场故障排查，排除发动机进气系统故障及除喷油器外其他零件故障，现场更换喷油器，进行ABA验证，发现故障与喷油器相关，锁定失效零件为喷油器。

2.2 喷油器的结构原理

喷油器的主要结构（如图2）所示，其工作原理（如图3）所示，发动机控制电脑EUC，根据发动机的工况需求，计算合理的喷油脉宽，喷油器根据ECU的喷油控制信号，通过电磁线圈产生磁力和弹簧弹力驱动芯体上下运动，然后芯体带动针阀总成上下运动，针阀下端与阀座开启和闭合。当针阀向上运动，底部譬如你有通道开启，高压燃油从针阀与阀座的间隙处喷出，经喷孔进入燃烧室进行燃烧；当针阀在弹簧作用下向下运动，底端喷油通道闭合时，结束喷油。 喷油量在在喷油脉宽和轨压一定时，取决于喷油通道的截面积。

3 喷油器失效分析

3.1 喷油器失效问题确认：

喷油器返回后，进行零件性能复测，确认故障喷油器流量减小，根据失效样本数据统计，其流量下降20%～40%。失效样本喷油量下降与行驶里程之间的关系如图4所示。

喷油器搭载整车耐久后流量衰减，根据数据统计一般在5%以内，对比本次检测数据，确认喷油器发生耐久失效。

3.2 失效零件拆解分析

对喷油器喷孔使用显微镜检查进行检查，确认其喷孔未见堵塞等异常，见图5。

对喷油器进行拆解及检查，发现喷油器内部针阀总成、芯体接和位置等多处磨损，芯体与外壳外壳存在敲击痕迹，发生卡滞（如图6）所示。

3.3 失效原因确认

对芯体中心孔进行扫描，发现故障件芯体的内径在两端孔径磨损，两端成喇叭口状；而正常样本芯体内径磨损量很小，如图7。

对失效喷油器的针阀与芯体接触的法兰面进行检查，同样发现异常磨损，如图8。

3.4 失效机理说明

根据磨损痕迹分析，判断针阀与芯体在工作过程中针阀法兰面与芯体发生磨损，随着针阀法兰磨损的加剧，随着磨损加剧，导致针阀运动过程中轴线倾斜，进而导致针阀与芯体内孔两端不断磨损，两端孔径不断增大变为喇叭口。随着芯体两端及针阀法兰面的不断磨损，进一步导致针阀芯体摆动加剧，最终导致与芯体与外壳发生碰撞、卡滞。同时因为芯体和针阀磨损，芯体及针阀运动轨迹倾斜卡滞，造成针阀升程减小，进而导致喷油通道截面积减小，在相同喷油脉宽和喷油压力下，喷油量随之减小，导致超出标定容差范围，最终造成该故障发生，如图9所示。

为进一步确认针阀升程变化与流量减小量之间的关系，进行对返回的故障件试验验证，根据不同针閥法兰面磨损量样本与流量测试，两者的关系如图10。

4 改进措施与效果验证

4.1 改进措施

根据失效机理，可以从降低针阀法兰面磨损及芯体内孔两端磨损两个方向进行改善，从而减小针阀升程的变化。增加芯体内孔抗磨能力需要更改表面镀层，因芯体为磁性元件，更改镀层涉及的费用高，改进周期长。经对比选择改善针阀法兰面结构作为突破方向。

对针阀法兰面进行设计改进，接触面由原设计（25°锥面）改进为球面（SR），如图11所示。目的是减小接触面压降低磨损；同时减少磨损后降低芯体和针阀的运动轨迹倾斜。

4.2 效果验证

4.2.1 减小接触面压力

制作改进后样件5件，根据试验测试，发现接触面改进为球面（SR）后，接触应力下降到原设计（25°锥面）的1/4，大幅改善，如图12所示。

4.2.2 降低芯体抖动卡滞

使用高速摄影对改进前后芯体运动轨迹进行跟踪拍摄，绘制运动轨迹。通过对芯体运动轨迹分析，发现芯体径向方向摆动球面（SR）小于25°锥面，当针阀法兰面改为球面后，芯体的运动更稳定，波动量更小，发生倾斜卡滞的概率更低。对轴线方向升程量进行分析，发现针阀法兰改进后轴向升程基本一致，对流量变化影响很小。如图12索斯。

4.2.3 耐久试验验证

为最终确认改进结果，对喷油器单体进行耐久测试，改进前、后两种状态各取7个样本，喷油次数按5.5x108（等效发动机运行24万公里）进行对比验证，试验结果如图14所示，可知改进后球面法兰针阀试验后芯体内径磨损量降低明显，磨损量满足设计指标，改善有效。

5 总结

本文重点剖析了喷油器流量减小的故障案例，通过对问题解决过程的详细解析，明确了喷油器内部针阀、芯体磨损后导致喷油器流量减小的机理。

通过对针阀法兰面结构进行改进，由25°锥面接触变为球面接触，降低了接触面压力，抑制了磨损后芯体的晃动量，减小倾斜卡滞的概率，最终通过单体耐久验证，确认措施有效。

当前随着整车、发动机自动化程度越来越高，高频运动的精密元件数量越来越多，磨损失效是经常遇到的问题。本文中采用的痕迹分析，高速摄影轨迹跟踪等试验方法对问题分析很有借鉴意义。通过更改接触面的结构从而改善运动轨迹和接触应力的方法解决耐久磨损，从而提升可靠性，对解决相似问题提供了一条新思路。

参考文献：

[1]梁宇询．某车型发动机喷油器渗漏故障分析及解决措施，检测与维修，2022.08.

[2]惠有利，沈沉．汽车构造[M].北京：北京理工大学出版社 2016.