混合喷射系统内喷油嘴故障问题解决策略研究

谢振兴 覃雪耿 王海长 姜峰

摘要：混合喷射作为一项集合了缸内直喷和歧管多点喷射两大燃油喷射技术特点的新兴技术，其在整合两大技术优势的同时，也存在缸内直喷技术所固有的技术缺陷——缸内直喷模块喷油嘴故障率高。文章以“雷克萨斯”RX300型SUV存在冷车启动延迟故障问题进行维修与研究发现，其故障根源在于该车缸内直喷模块出现喷油嘴故障，文章就混合喷射系统中的缸内直喷模块喷油嘴故障率高的问题进行探究，并就该成因提出两种解决方法，方法一为采用耐热性与强硬度高的材料制作针阀，提高喷油嘴针阀的硬度及耐热性；方法二为合理分配两种供油方式的工作时段，依据发动机的工况类型合理分配供油方式，充分发挥两种供油方式的优点，使缸内直喷模式尽可能减少在气缸内高温、高压的环境工况中工作，最大限度地保护缸内直喷模块中的喷油嘴，提高其可靠性及使用寿命。

关键词：混合喷射系统；喷油嘴故障；冷车启动延迟故障

中图分类号：  文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）04-0062-04

0 引言

混合喷射技术作为一项解决传统燃油汽车产业问题的新兴技术，综合进气歧管喷射和缸内直喷技术的优点，该技术可以根据汽车的行驶工况灵活选择合适的喷油方式，从而提高发动机的功率和效率，实现汽车经济性和动力性的有效统一。国内、外对缸内直喷技术在汽油机上的应用和理化特性做了大量的研究。张秋华等［1］基于发动机台架实验，运用全球轻型车统一测试循环（WLTC）直喷汽油机聚类点工况研究燃油喷射压力对缸内直喷汽油车颗粒数量排放的影响。胡守信等［2］选取两辆典型汽油缸内直喷汽车（GDIV），在环境舱内进行在不同环境温度下，车辆冷启动和热启动后按照WLTC运行时的排气污染物试验，测量并分析GDIV排气中的气态污染物和颗粒物，研究环境温度对其排放的影响。YAN等［3］基于双火花点火策略，研究直接喷射下双缸自由活塞发动机（FPG）点火位置和点火时间对燃烧过程的影响。尽管国内、外研究人员针对发动机的燃油喷射压力、环境温度、火花塞点火策略等方面对缸内直喷技术的排放质量的影响做了许多研究，但是关于新型的混合喷射技术中，缸内直喷模块容易出现喷油嘴故障问题及其解决策略的相关研究报道较少。

本文就搭载混合喷射技术的“雷克萨斯”RX300型SUV存在的冷车启动延迟故障问题进行研究，深入发掘现阶段混合喷射系统存在的弊病，探究其故障成因与缸内直喷技术的关联性，从改善喷油嘴针阀质量和改进混合喷射中喷射方式的分配控制系统两个方面，对该问题提出相应的解决措施，为相关研究人员提供可借鉴的解决方案。

1 案例车型的相关参数

新一代的“雷克萨斯”RX300型SUV搭载了8AR- FTS发动机及6速手自一体变速箱，8AR-FTS发动机是一款由丰田汽车公司生产的搭载混合喷射系统及VVT-IW（智能广角可变气门正时进气系统）的2.0 L涡轮增压发动机，采用混合喷射技术的发动机包括多点喷射和缸内直接喷射两种燃油供给模式。发动机可以根据汽车的行驶工况灵活选择合适的喷油方式，提高发动机的功率和效率，实现汽车经济性和动力性的有效统一。8AR-FTS发动机的部分性能参数见表1。

2 故障表现及成因排查

故障车为一辆行驶里程约10.2万km的“雷克萨斯”RX300型SUV，故障表现为冷车启动存在延迟现象，热车启动正常且汽车在路面上行驶正常。

故障再现：经过多次测试，在故障出现时，组合仪表无故障灯点亮，查看发动机转速表指针在350 r/min的位置时出现短暂停顿，发动机启动过程出现延迟。并且，该现象通常出现在停车超过1.5～2 h之后。经测算，发动机从静止到转速提升至1 300 r/min时，用时为3.5 s，而正常情况下启动用时应为2.1 s。

故障成因排查：将车辆启动，在怠速情况下查看发动机数据流，主要数据参数见表2。

综合以上数据判断，当前混合气的状态良好，但混合气处于过浓的状态且发动机转速偏高。初期诊断造成该问题的原因是发动机的燃油喷射系统或点火系统出现故障，使混合气的状态出现偏差。

针对发动机混合气浓度过高的问题，首先检查点火系统，拆下点火线圈，检查绝缘体橡胶无开裂、击穿等现象；拆火花塞检查发现异常，1、3、4缸火花塞颜色正常，而2缸火花塞偏黑，并且潮湿、有汽油味，火花塞电极周围附着黑色积碳，使用内窥镜检查气缸内的情况，发现4个气缸活塞顶部均有透明液体残留物（见表3）。

检查各气缸压力状态均为正常，检查机油油位均为正常，未发现机油与汽油混合的情况。检查完毕恢复车辆后，再次启动仍有延迟情况再现，由此得出，发动机点火系统正常、发动机喷油系统存在故障。

由于此车采用D-4S燃油双喷射系统，即集合进气歧管喷射和缸内直喷两种供油模式。怠速状态下，喷射方式为进气歧管喷射，转速在2 500 r/min以上时采用直接喷射。在汽车行驶状态下，需要满足在发动机负荷和发动机转速的特定条件才会采取混合喷射的方式，例如在汽车加速超车时采用混合喷射的供油方式，满足发动机输出大功率、高加速度的需求。

启动车辆时，在怠速热车状态下，使燃油系统压力保持在正常值。汽车熄火后，用诊断仪观察燃油压力数据流及波形图，获得数据结果见表4。

由表4可知，经过1 h测试后，高压燃油压力从18 170 kPag降至80 kPag，燃油压力远低于高压目标燃油压力6 000 kPag的标准值；而低压燃油压力则从510 kPag降至270 kPag，低于低压目标燃油压力400 kPag的標准值。

综上分析，可以判断缸内直喷喷油器存在泄漏故障。拆下4个缸内直喷喷油器，检查外观无任何损伤，测量其电阻为11.7 Ω，属于正常范围；安装喷油器在检测台架上，对其保持400 kPagd 压力，进行雾化测试，4个缸内直喷喷油器均无明显故障；进行加压测试，保持压力11 min后发现，4个喷油器均有明显滴漏现象。

上述检测结果表明，进气口喷射喷油器由于内部故障，导致喷油器关闭时出现闭合不严的情况。燃油因密封不良滴到气缸活塞顶部，导致混合气过浓，同时使用电脑控制减少喷油量，引起发动机冷启动延迟现象。在更换4个进气口喷射喷油器后，故障排除。

3 改善措施

由于缸内直喷技术的供油系统中喷油嘴直接与气缸内爆燃气体接触，长时间工作在高温、高压的恶劣环境中，受到其作用挤压产生交变应力，极易造成喷油嘴的热变形和挤压变形，影响喷油嘴内部针阀和阀座的接触状态，使阀体的闭合不严、喷油嘴产生滴油、漏油现象，导致混合气过浓，此时汽车ECU（电子控制器单元）同时减少供油量，导致汽车的发动机冷启动延迟现象的产生。本文就该问题提出2个解决方案。

（1）改进喷油器针阀质量。可以采用铂金或钨金等硬度高、耐热性强的材料制作的针阀，用于代替传统材料制成的针阀体，或者通过在针阀体的外壳添加热屏蔽罩，降低因外部温度和压力产生的热变形和交变应力对其造成的损害。

（2）改进混合喷射中喷射方式的分配控制系统。通过对歧管喷射和缸内直喷两种燃油供给方式的工作时段和工作工况进行合理分配，减少缸内直喷供油的工作时长，或是使其尽可能地在发动机气缸内部温度压力较小的工况下进行工作，最大限度地保护缸内直喷模块中的喷油嘴，延长针阀体的使用寿命。

4 改进混合喷射中喷射方式分配控制系统具体方式

汽车正常行驶时可分为发动机冷启动、怠速巡航、加速超车、低速、中速、高速行驶和上坡路段七大行驶工况，其中发动机冷启动、怠速巡航、低速行驶和中速的行驶工况中发动机气缸温度较低、压力较小，适合应用缸内直喷技术，同时缸内直喷技术位于气缸内部，受到发动机低温环境的影响较小，寒冷环境下不易出现因汽油雾化效果差导致汽车难以启动的问题，同时缸内直喷技术不会造成进气歧管因低温而产生壁湿效应，低温喷油雾化效果好、燃油燃烧充分、发动机气缸温升快、暖机效果好，同时在发动机冷启动和怠速巡航工况下也能很好地改善尾气排放质量问题。在发动机高速运转工况下，发动机气缸内部出现高温、高壓的恶劣环境，此时如果采用缸内直喷供油方式将会极大地缩短喷油嘴的工作寿命，喷油嘴产生内部故障，就会影响发动机的正常工作。相反，在该工况下采用进气歧管多点喷射技术，由于喷油口位置在进气歧管上，距离气缸位置较远，气缸内部高温、高压环境对其影响较小，同时由于发动机的高温传热作用，使进气歧管温度较高，对燃油的蒸发作用效果较好，尽管进气歧管多点喷射技术容易出现壁湿效应，影响汽油的雾化效果，导致发动机燃油经济性的下降等问题，但是由于进气歧管的高温蒸发效应可以很好地消除汽油在进气歧管上的吸附作用，所以汽车在高速行驶工况下应该采用进气歧管多点喷射的供油模式，在保护喷油嘴的同时，发动机的动力性和燃油经济性也不会受到太大影响。加速超车和上坡路段工况下首要考虑的是汽车的动力性问题，应以最强的发动机性能进行输出，保证行车超车及上坡过程中发动机的正常进行，此时应当采用歧管多点喷射和缸内直喷共同作用的供油方式，保证供给发动机足够的燃油，确保发动机的输出功率，安全完成加速超车及上坡路段的行驶任务。

综上所述，通过在冷车启动、怠速巡航及低速的行驶工况下采用缸内直喷技术进行燃油供给，而中、高速行驶工况下，发动机气缸内部环境恶劣则采用进气歧管多点喷射技术进行燃油供给，对于加速超车和上坡路段则采用歧管多点喷射和缸内直喷技术进行燃油供给，确保发动机输出足够的功率及动力。通过对各个行驶工况中燃油供给方式的合理分配，充分利用两种燃油供给方式的优点，实现发动机最佳的动力性和燃油经济性，同时最大限度地保护喷油器，在不增加材料成本的情况下发挥出喷油器可靠性和使用寿命。

5 结论

发动机燃油混合喷射技术作为一项集合进气歧管多点喷射和缸内直喷技术为一体的新型技术，其具有聚合两者之所长的技术优势，是传统内燃机发展的重要方向，但是由于缸内直喷技术的供油系统中喷油嘴直接与气缸内爆燃气体接触，长时间在高温、高压的恶劣环境中工作，导致搭载该技术的发动机多次出现缸内直喷模块中喷油嘴故障，严重阻碍该技术的实际运用。

喷油嘴的使用寿命及可靠性存在的问题可以从针阀体自身材料强度和减少喷油嘴在高温、高压恶劣环境中的工作时长两个方面对混合喷射技术加以改进。利用铂金或钨金等高强度、高耐热性材料制作的针阀代替传统材料制成的针阀体，或是采用高强度、高耐热性的材料在喷油阀表面增加一层热屏蔽罩的方式提高针阀体自身材料的强度，从而延长喷油嘴的使用寿命。减少喷油嘴在高温、高压恶劣环境中的工作时长，可以在汽车相应工况下采用合理分配两种供油方式的运行方式，选择在冷车启动、怠速巡航及低速运行等缸内环境相对温和的运行工况下使用缸内直喷模式，避免喷油嘴接触高温、高压环境，同时充分发挥出缸内直喷供油技术的优势；对于中、高速行驶等运行工况，则采用进气歧管多点喷射的方式进行供油，减少喷油嘴在高温、高压恶劣环境中的工作时长，同时降低歧管多点喷射壁湿的危害。

6 参考文献

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