车用喷油器清洁度控制方法

郑维理

(上海通用汽车有限公司，上海 201206)

1 喷油器的结构与工艺特点

喷油器是电控燃油喷射系统的主要执行元件之一，其功用是根据ECU的指令，控制燃油喷射量。电控燃油喷射系统目前基本采用电磁式喷油器，其结构如图1所示，喷油器内部有一个电磁线圈，外部有引出插座，经线束与ECU连接。喷油器头部的针阀与衔铁连接为一体。当电磁线圈通电时产生磁力，将衔铁和针阀吸起，喷孔被打开，燃油便经针阀头部的轴针(阀球)与喷孔之间的环形间隙高速喷出(以雾状喷入进气歧管)[1]。发动机管理系统通过ECU改变电脉冲的宽度来控制喷油器每次喷油的时间，从而控制喷油量。喷油器每次喷油的时间一般为2～10 ms，时间越长，喷油量就越多[2]。当电磁线圈断电时，磁力消失，回位弹簧即将衔铁和针阀下压，关闭喷孔，喷油器便停止喷油。

喷油器的精密结构决定了其工艺较为复杂，其制造工艺一般分为零件加工、装配与标定测试等几个阶段。涉及到的工艺有机加工、压装、激光焊接、泄漏测试，流量测试等。正由于制造工艺复杂，喷油器生产工艺一般采用全自动或半自动生产，而且为保证生产过程中不受异物污染，其生产线几乎都建在洁净厂房中；而且为了对每个喷油器的特性进行精确调整与跟踪，较为先进的喷油器生产线通常具有精确追溯系统，对每个喷油器的性能与部分工艺参数进行追溯。

2 清洁度问题导致的喷油器故障分析

由于喷油器具有以上所述的精密结构以及复杂工艺，因清洁度问题导致的喷油器故障成为喷油器主要故障之一。研究表明：清洁度问题导致的喷油器故障占0 km故障的86%，而由于颗粒物污染导致的喷油器故障占其售后故障的60%以上。喷油器在发动机电控系统中的作用为控制喷油量的执行器，故其故障主要表现为喷油量不准确，可能出现喷油过量或喷油量不足的情况，轻则造成发动机燃烧不均匀，缺火或者熄火；大排量发动机由于扭矩较大，某缸喷油器故障导致常喷时发动机可能不会熄火，最后可能导致出现活塞泵油现象而顶弯连杆的重大事故，见图2 。由此看来解决由喷油器清洁度造成的故障成为行业内亟待解决的重大问题。

清洁度导致的喷油器故障主要表现为喷油器常开或常闭。由于喷油器需要保证单位时间内的精确小流量，在电磁阀设计时通常只允许一个极小的开度，即在电磁阀开启时阀球表面和阀座之间的间隙只有40～50 μm，如图3所示。若在喷油器开启时，有异物卡在阀球和阀座之间的间隙中，导致断电时阀球不能落座，通常这种情况称为喷油器常开。喷油器的开度在设计和工艺上又是由衔铁与接杆之间的间隙保证的，该间隙通常称为喷油器的升程，如图4所示，普通车用喷油器的升程在50～90 μm之间。当有异物卡在该间隙中时，在喷油器通电时衔铁不能上移，导致喷油器球阀不能打开，这种情况称为喷油器常闭。喷油器常开一般导致喷油器球阀泄漏造成过量喷油，而常闭故障会导致器不喷油。

3 喷油器清洁度控制标准与检测方法

对于一般的发动机或变速箱零件，对其清洁度的检测通常以检测在其表面沾染的外来异物的总质量为准，如通用汽车的GMN6752等标准。但是对于喷油器这一类对清洁度有很高要求的精密零件来说，更应该控制的是其表面可能沾染的异物颗粒尺寸，以防止超过最大允许尺寸的外来异物颗粒进入喷油器带来的喷油器卡滞风险。对售后失效返回喷油器进行分析统计，98%以上的喷油器卡滞问题的是由颗粒大于200 μm的微粒造成，见图5。

根据喷油器清洁度或异物污染造成的失效统计，异物的来源主要分为3类：来料混入、装配过程、环境交叉污染(如图6)，所以在喷油器生产过程中，不仅需要对喷油器的零部件进行清洁度检测，也需要对喷油器的中间过程件检测清洁度，防止在喷油器装配过程或生产环境中产生异物或将外来异物带入喷油器。一般步骤为先将待测零件在蒸馏水中充分冲洗后，将蒸馏水经滤纸过滤，再将滤纸烘干后，置于自动扫描显微镜下进行扫描，显微镜将自动测量留于滤纸上的颗粒的尺寸。

4 喷油器清洁度控制方法

4.1 清洗控制

喷油器的主要零部件，如阀体、阀座、接杆、衔铁等均为圆管零件，工艺多为金属机加工或金属成形工艺。由于其表面常附有切屑液或润滑油，切屑或毛刺易附着在零件表面。若不将其清洗干净，加工切屑将成为异物进入喷油器内腔。

喷油器的零部件清洗通常采用超声波清洗技术。超声波清洗是基于空化作用，即在清洗液中无数气泡快速形成并迅速内爆，由此产生的冲击将浸没在清洗液中的工件内外表面的污物震落剥离下来。随着超声频率的提高，气泡数量增加而爆破冲击力减弱。因此，高频超声特别适用于小颗粒污垢的清洗而不破坏工件表面，故其成为喷油器零部件清洗的常用工艺，以去除喷油器零部件表面残留的油渍与微小颗粒。

超声波清洗需要作为特殊工艺进行控制。超声波频率为设备的主要控制参数，清洗液多采用清洗剂或去离子水，控制一定的清洗剂的浓度与去离子水的电导率可以保证清洗剂的有效性，测量清洗剂浓度的方法一般为滴定法，某些清洗机也带有电导率测试功能。另外，为发挥清洗液的最佳效果，需要对清洗液进行加温，并对温度进行控制。为保证清洗机的过滤系统正常工作，还应该监控其滤网两端的压力差，防止滤网破损导致清洗液被杂质污染。

对于内腔形状较为复杂的零件，如调整套组件，不但采用超声波清洗，还可在超声波清洗之前与之后增加喷淋。使用喷淋与超声波清洗结合的组合式清洗机，或对零件采取喷淋加超声波清洗的组合清洗方式可带来更好的清洗效果。

4.2 装配与测试工艺控制

4.2.1 工装硬度改善

喷油器各零部件主要采用奥氏体不锈钢材料，如305SS、X4CrNi18等，经过拉伸等工艺加工后，其表面硬度在HV350左右(相当于HRC30～35)。而在喷油器装配时使用的部分工装的材料主要为低碳钢，如20号碳素结构钢，若不进行硬化处理，硬度只有HRC20左右。在生产过程中，工装与零件的频繁接触使得工装容易被零件磨损，产生微小颗粒或碎屑附着在零件上。尤其是对喷油器进行夹持、压装或者调整工序的工装，磨损程度均高于其他位置，而且由于这些工装距离喷油器零件管口很近，若被磨损产生颗粒，极易导致颗粒掉入喷油器内腔。历史上就曾经发生过由于压装喷油器接杆的工装磨损后，异物掉入喷油器导致其卡滞的案例。

为避免该问题，需要对喷油器装配的工装进行表面硬化处理，或将工装更换成硬度更高的材料，如轴承钢(表面硬度可达到HRC60)，使其表面硬度比喷油器零件的表面硬度高。

4.2.2 工装调整改进

喷油器内部为管状结构，其装配工艺广泛采用压装和焊接工艺，而且零件的同轴度要求高。压装工位的上工装和下工装需要调整以保证两零件压装时同轴，如果工装的同轴度不良，被压装的两零件间将发生异常刮擦，并产生颗粒。

为此需要定期对工装的对中与同轴度进行校验和调整，在生产现场可以使用一种较为简易的方法，即定制的标准样件，用着色法检验两工装间的对中情况。

4.2.3 附加强制除尘

在某些重点工位增加强制除尘装置也是改善喷油器制造工艺中清洁度的有效方法。最常用的方式为使用真空除尘装置对零件进行直接清洁，即通过真空吸嘴直接对零件表面施加负压，将表面的微小颗粒与异物去除并统一收集的方式。真空除尘装置可设置在进料机构(如振动上料轨道)、压装工位上或下料轨道旁(如图7)。甚至为了给某些特定的零件或过程进行除尘，可以在工位旁增加离线的主动除尘装置，这些真空除尘装置可以是手动、半自动或自动设备，可以与车间的中央压力控制设备相连接，集中控制负压大小。

4.2.4 冲洗与测试

喷油器的冲洗与测试方法虽然不直接改善喷油器的清洁度，但可及早发现由外来颗粒与清洁度不良引起的喷油器故障，避免其在客户处失效而产生抱怨。对喷油器内腔使用物理特性与燃油相似的液体进行冲洗，持续一段时间后，再对其进行泄漏测试。由于在冲洗时喷油器阀针开启，喷油器内腔的异物将被液流冲至阀座处，尺寸较小的异物将通过喷油器阀孔被冲出喷油器，但尺寸过大的异物将卡在阀针与阀座之间的间隙中，在后续的泄漏测试中被发现。

4.3 “5S”管理方法的运用与车间整体环境控制

“5S” 管理方法指在生产现场中对人员、机器、材料、方法等生产要素进行有效的管理，分为整理(Seiri)、整顿(Seiton)、清扫(Seiso)、清洁(Seiketsu)、素养(Shitsuke)5个要素[3]。喷油器车间的规划和管理如果应用“5S”管理方法可以有效提高生产现场的整洁有序程度，达到从系统上改善清洁度的目的，避免交叉污染。

4.3.1 清洁度车间布置

为保证喷油器在封闭和清洁的环境中生产和装配，需要建立隔离的洁净厂房。喷油器清洁厂房按照GB 50073-2001或ISO14644-1标准建设，空气洁净度等级通常为8级(即粒径大于5 μm的颗粒最大浓度极限为29 300 pcs/m3)。为防止外来异物进入，厂房由中央压力控制系统控制内部压力，保持厂房内压力大于外界压力。而且厂房将人员通道、原材料进入通道与成品出口完全分开，避免操作人员和零件间的交叉污染。在人员进入的区域还备有更衣室和风淋房，保证外界异物不跟随人员被带入清洁厂房。

4.3.2 物流布局与物料转移控制

合理布局喷油器生产制造过程中的物流过程，有助于改善喷油器的清洁度。需要对以下几个方面加以控制：

(1)物料使用专用的入口和出口，小零件进清洁厂房推荐使用专用通道。

(2)物流布置从原材料上线至喷油器成品下线规划为单线流，避免物流过程交叉导致污染。

(3)原材料在清洗后被使用之前需要用清洁后的包装袋或容器密封好。

(4)在制品需要单独存放，并用特殊容器密封，与外界隔离。

(5)定期对盛放零件的料车、料架或料盒进行检查和清洗，避免由于其破损导致零件污染。

4.3.3 人员着装与清洁度管理

人员的清洁度管理是喷油器清洁度管理的重要环节。人员的着装、操作、行为规范等如果控制不佳极易影响零件的清洁度。

着装要求。喷油器车间属于洁净厂房，需要按照洁净厂房的着装要求进行着装。如需着防尘服，换室内专用工作鞋，戴头套或工作帽，并完全包裹头发，如需要应佩戴手套和口罩。

人员操作行为规范。要求洁净厂房内的人员不得随意触摸零件，落地零件应立即报废，无法避免触碰零件的员工必须佩戴手套并定时更换。每个工位上的作业指导书必须包含该工位操作时的清洁度特殊要求。

4.3.4 车间与设备的清洁清理

喷油器车间的清洁清扫要求，除了要做到地面、墙面、设备、桌椅的一般清洁外，还要求设定车间内的清洁度关键点，并对其进行重点清洁，其中包括易发生清洁度问题的工位、工装、设备等，如压装工装、焊接工装、振动料斗等。这些位置在每天进行日常清洁的基础上，可以按照清洁度检测的情况，增加清洁频次。

4.4 清洁度分析监控系统的建立与持续改进

4.4.1 分析设备

喷油器清洁度分析有关的设备分为颗粒度测量设备与颗粒物成分分析设备。

在清洁度实验室中常用显微镜(1 000倍)进行颗粒度测量与异物尺寸分析。但在日常的生产过程控制中，用肉眼进行清洁度测试中的颗粒物尺寸测量方法并不适用于每天很高的分析频次与巨大的工作量，故可以采用带有自动扫描和测量功能的光电显微镜(图8)。这种显微镜能根据程序自动扫描一定区域(如固定尺寸的滤纸)，自动测量附着在其表面的微粒尺寸，并自动对整个区域内的颗粒数量按照最大尺寸范围进行分类统计，某些型号的显微镜还具有简单分辨金属颗粒和非金属颗粒的能力，极大提高了工作效率。另外还有一种效率更高的颗粒度检测设备，利用激光在微小颗粒表面产生衍射的原理测量微粒的尺寸，这种激光粒度测量仪无需对清洗液进行过滤并扫描滤纸，可以直接对清洗液的颗粒度进行测量，适用于快速进行颗粒度大小测量和测量液体的清洁度水平。

对已经发现的颗粒物进行成分分析是判断颗粒物来源、并采取措施加以控制的重要手段。根据颗粒种类的不同，应当选用不同的设备进行成分分析。对于金属颗粒使用扫描电镜+能谱仪(SEM+EDS)，而对于非金属颗粒(一般为有机物)使用红外光谱仪(FTIR)进行分析，如图9所示。其中扫描电镜采用电子束在试样上作光栅状扫描的成像原理，最高可以达到200 000倍的放大倍数与0.8 nm的分辨倍率，可以有效放大颗粒物的形态[4-5]。能谱仪(EDS)和扫描电镜(SEM)组合是最广泛使用的显微分析仪器，对样本的能谱进行分析，从而得到样本中各元素含量的分布与比例，能通过能谱对比有效判断金属颗粒的来源。

4.4.2 颗粒物数据库的建立

建立清洁度数据库是对外来异物进行分析与对清洁度进行持续改进的重要前提和必要工具。上述的能谱仪与红外光谱仪对样本进行材质分析主要采用谱线对比法，即通过对分析样本的谱线与其他已知样本的谱线进行相似度比对，判断样本的材质，如图10。因此，有必要事先收集异物来源的材料的谱线和谱图，建立数据库，才能在异物分析和改进工作中提高效率。

颗粒物数据库的主要来源主要有两方面：其一为先前发现或已经分析过的异物；其二为对生产现场和与物流有关的材料进行分析、建立档案。如各分零件材料、设备工装的材料、物流过程中料框料架、包装袋的材料，甚至生产现场中使用的桌椅与工具的材料等，材料数据库越完善，在进行异物成分分析时也更加迅速。

4.4.3 清洁度的日常监控以及持续改进

清洁度控制的另一要素为其日常监控与持续改进。清洁度控制的持续监控对象有两大类，分别为产品自身的清洁度情况以及周围环境的清洁度情况。

产品自身的清洁度监控包括按照清洁度测试计划对喷油器的各分零件或原材料、中间过程件等进行清洁度检测。原材料清洁度检测的作用除了对其本身的清洁度进行抽样评估外，更重要的是对清洗该零件的过程是否稳定进行监控，如发现问题及时采取措施。故对其进行监控的一般原则为按一定频次(每班或每天)对每台清洗设备清洗的每种零件均进行清洁度测试，并对测试结果进行统计分析。同样，对中间过程件的清洁度监控主要反映了关键工艺的过程稳定性，一般设置在之前出现过工艺问题导致异物产生的工位，这样能够及早发现影响产品的潜在缺陷。例如，原材料的清洁度测试结果稳定正常，但是在其后的压装工位的过程件清洁度测试发现异常，有可能是设备出现异常或零件配合尺寸存在异常。

周围环境的清洁度监控包括对清洗机内的清洗液、喷油器测试设备使用的测试液与关键设备的周围环境等。对清洗液和测试液的清洁度监控常被忽略，但其却为对清洗过程和制造过程稳定性的有效监控方法。

制定重点清洁度监控工位列表是建立清洁度监控计划的重要部分，涉及到的重要工位有压装、焊接等容易产生异物的工位。对于这些重点工位，需要在对工位进行定时清洁的同时，收集清洁度测试样本，并对每个工位的清洁度情况进行监控，如图11所示。

5 喷油器清洁度改进案例

某供应商在上海通用曾多次由于喷油器零公里故障导致客户抱怨，经分析均为外来异物导致的喷油器针阀卡滞。

对失效零件逐个进行拆解，寻找到使针阀卡滞的颗粒物；并通过对异物的成分进行能谱分析，而后对比异物材料数据库，发现其中50%失效案例的异物来源于原材料(调整套)，另外50%的失效源于生产过程，其中包括调整套装配工装材料颗粒、现场使用的文件夹材料颗粒以及从零件盛放托盘上掉落的颗粒。具体比例如图12所示。

根据以上对失效颗粒来源的分析得出，导致失效产生的异物主要与调整套的原材料与调整套装配过程有关。故决定围绕调整套的原材料与其装配工艺从多方面对喷油器的清洁度进行系统改进。

(1) 生产环境清洁度改进。对生产线上所有文件夹进行检查，更换老化的文件夹

(2) 原材料清洗方式改进。①增加对调整套的倒置清洗，以去除调整套内部的残留颗粒；②在清洗机中加装过滤系统，并改进循环方式，去除清洗槽内的颗粒。

(3) 增加原材料强制除尘。①调整套的下料斗处增加强制真空吸尘;②增加附加真空除尘装置在调整套装配前对其进行除尘;③增加半成品离线反向强制冲洗。

(4)生产线工装改进。①改进调整套进料工装，去除进料管连接块，避免连接块与进料管的刮擦产生颗粒；②改进调整套装配工装，将工装偏离芯筒中心线，避免颗粒掉入芯筒。

(5)生产工艺改进。将阀座组件的装配工艺由手工装配改为自动装配，避免由手工装配引起的交叉污染。

可以从以下的失效趋势与措施分布图(图13)上看到，在以上所有改进措施都到位后，在客户处未发生任何由于异物卡滞针阀导致的喷油器失效。

6 总结与展望

喷油器的清洁度改进是一项复杂的系统工程，不但需要对原材料、工艺、生产线和车间环境等方面进行清洁度严格控制，更需要通过先进的分析设备和科学的数据收集方法，持续监控产品与环境的清洁度状况，及时发现清洁度的异常变化趋势，找到原因并加以改进。

目前，喷油器的清洁度控制向着更简单的零件结构、更加合理的装配与测试工艺、更加完善和全面的生产线数据收集和分析系统等方向发展，对外来异物造成的失效进行早期预防和控制，将从设计和制造上避免缺陷的产生。

【1】 张西振.汽车发动机电控技术[M].北京：机械工业出版社，2004.

【2】 王绍銧,李建秋,夏群生,等.汽车电子学[M].2版.北京：清华大学出版社，2011.

【3】 越行前夫.5S推进法[M].北京：东方出版社，2011.

【4】 张大同.扫描电镜与能谱仪分析技术[M].广州：华南理工大学出版社，2009.

【5】 Zhang Sam,Li Lin,Kumar Ashok.材料分析技术[M].刘东平,王丽梅,牛金海,译.北京:科学出版社，2010.