梁宇詢，陳浩，彭北京，孫鐵鋼，郝學(xué)信，李金鴿

寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江寧波 315336

0 引言

在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，燃油點(diǎn)火系統(tǒng)是影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的重要模塊，其中燃油系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣的形成和燃燒過程有決定性作用。某車型發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障燈亮、車輛抖動(dòng)等問題，經(jīng)過診斷，噴油器存在滲漏現(xiàn)象。為此，本文通過對(duì)噴油器進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)變更，有效解決了滲漏問題。

1 噴油器滲漏故障分析

1.1 噴油器結(jié)構(gòu)介紹

圖1為噴油器結(jié)構(gòu)，O型圈適配體與閥體之間通過激光焊接組成噴油器組件，噴油器組件通過軸向滾花與驅(qū)動(dòng)模塊機(jī)械壓接。ECU會(huì)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，計(jì)算合理的噴油脈寬，噴油器在接收到ECU提供的噴油信號(hào)后，針閥組件在磁力作用下向上運(yùn)動(dòng)，閥球與閥座分離，高壓燃油噴霧從閥座處的噴孔噴入燃燒室，與進(jìn)氣形成混合氣參與燃燒。

圖1 噴油器結(jié)構(gòu)

1.2 故障原因分析

1.2.1 噴油器密封性測(cè)試

為避免污染，采用0.38 MPa壓縮空氣進(jìn)行噴油器級(jí)別測(cè)試，發(fā)現(xiàn)有氣泡從驅(qū)動(dòng)模塊殼體處溢出，確認(rèn)噴油器泄漏，如圖2所示。

圖2 噴油器密封性試驗(yàn)

1.2.2 噴油器拆解分析

拆解噴油器，發(fā)現(xiàn)閥體表面有沿噴油器軸向裂紋(圖3)，裂紋周圍有沉積物,如圖4所示。

圖3 噴油器泄漏位置

圖4 沉積物圖譜

對(duì)沉積物進(jìn)行成分分析(表1)，主要元素包含較多的Fe元素，同時(shí)C、O成分較高。

表1 沉積物成分分析(質(zhì)量百分比) 單位:%

1.2.3 沉積物來源分析

閥體材料為1.4105(430F)不銹鋼，其成分無Cl(表2)。經(jīng)過分析排查，懷疑為外界液體進(jìn)入，如含Cl清洗劑、洗車液。

表2 1.4105不銹鋼成分(質(zhì)量百分比) 單位:%

1.2.4 故障再現(xiàn)

試驗(yàn)液體： 高濃度氯化物漂白劑。

試驗(yàn)條件： 將介質(zhì)從噴油器驅(qū)動(dòng)模塊頂端灌入，并持續(xù)360 h的溫濕度交變循環(huán)。

試驗(yàn)結(jié)果： 氣泡測(cè)試，確認(rèn)噴油器在驅(qū)動(dòng)組塊殼體有氣泡產(chǎn)生。拆解該噴油器后，確認(rèn)在閥體表面發(fā)現(xiàn)腐蝕及裂紋，如圖5所示。

圖5 故障再現(xiàn)噴油器閥體裂紋

2 斷裂機(jī)制分析

2.1 應(yīng)力腐蝕開裂

應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)只有在特定條件下才會(huì)發(fā)生。發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的3個(gè)必要條件是：拉應(yīng)力、特定的腐蝕環(huán)境和金屬對(duì)腐蝕環(huán)境的敏感性，這3個(gè)條件缺一不可。經(jīng)過研究，434、430 型不銹鋼在氯化物溶液中易發(fā)生 SCC。主要原因是為了提升430F不銹鋼的易切削性加入了S元素，但是S元素降低了抗腐蝕性能。此外Cr、Mo是提高不銹鋼耐點(diǎn)蝕和裂縫腐蝕最有效的元素。

Cl離子吸附不銹鋼鈍化膜中的陽離子形成氯化物，既不容易產(chǎn)生鈍化，也不容易維持鈍化，從而易發(fā)生腐蝕。

同時(shí)吸鐵體為過盈配合壓入到閥體內(nèi)，閥體應(yīng)力仿真分析結(jié)果如圖6所示，裂紋部位所受應(yīng)力為555～605 MPa。

圖6 閥體應(yīng)力仿真分析結(jié)果

2.2 裂紋產(chǎn)生過程

(1)氧化膜破裂：Cl離子吸附不銹鋼鈍化膜中的陽離子形成氯化物，既不容易產(chǎn)生鈍化，也不容易維持鈍化，造成氧化膜破裂，如圖7所示。

圖7 Cl離子引發(fā)氧化膜破裂原理

(2)氧化膜破裂形成點(diǎn)蝕；

(3)在外應(yīng)力和膜致應(yīng)力的作用下，點(diǎn)蝕底部氧化膜局部開裂，此時(shí)在裂紋尖端前方的晶界氧化膜中出現(xiàn)不連續(xù)的微裂紋；

(4)不連續(xù)微裂紋長(zhǎng)大并相連，裂紋尖端氧化膜內(nèi)又形成不連續(xù)裂紋，如圖8所示。

圖8 氧化膜開裂導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕示意

圖9為閥體斷裂面電鏡掃描結(jié)果，符合上述原理，具體失效過程如下：

(1)斷裂擴(kuò)展紋指向腐蝕點(diǎn)為斷裂起始點(diǎn)；

(2)脆性斷裂區(qū)呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂；

(3)腐蝕區(qū)域增加導(dǎo)致管體強(qiáng)度下降，繼而脆性斷裂發(fā)生，其在貫穿管壁的同時(shí)還在向兩側(cè)擴(kuò)展(斷口表面出現(xiàn)一層后續(xù)腐蝕，導(dǎo)致部分?jǐn)U展紋消失)。

圖9 閥體斷裂面電鏡掃描結(jié)果

3 解決方法

3.1 閥體材料

噴油器的閥體材料由于要有導(dǎo)磁的需求，目前市場(chǎng)上噴油器閥體材料主要包括鐵素體不銹鋼DIN 1.4105(AISI 430F)和馬氏體不銹鋼1.4418等，這些材料的化學(xué)成分和性能見表3，由于1.4418馬氏體不銹鋼含S很低，Ni含量較高，且Mo含量的提高有利于提升在含S和Cl環(huán)境中的耐SCC能力。因此1.4418抗SCC能力優(yōu)于1.4105(AISI 430F)。而且1.4418抗拉強(qiáng)度優(yōu)于1.4105，基于以上特性，將閥體材料由1.4105變更為1.4418。

表3 兩種不同材料的化學(xué)成分和性能

3.2 閥體設(shè)計(jì)

由于原設(shè)計(jì)為閥體機(jī)械裝配入驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)，外界液體從驅(qū)動(dòng)模塊和閥體之間上方的間隙處流到失效部位。新的方案改為驅(qū)動(dòng)模塊一體注塑成型，中間無縫隙，可以杜絕外界液體流入，如圖10所示。

圖10 噴油器閥體和驅(qū)動(dòng)模塊連接方式

3.3 改變閥體密封結(jié)構(gòu)

閥體與驅(qū)動(dòng)模塊之間存在滾花結(jié)構(gòu)，滾花結(jié)構(gòu)的主要作用是固定閥體和驅(qū)動(dòng)模塊。原設(shè)計(jì)滾花結(jié)構(gòu)為沿噴油器軸向方向，外界液體容易通過滾花進(jìn)入到失效部位，通過更改滾花方向，即把滾花由沿噴油器軸向變更為徑向，可以有效防止外界液體進(jìn)入到失效部位，如圖11所示。

圖11 噴油器滾花方式

4 結(jié)論

(1)外界含氯液體進(jìn)入到閥體和驅(qū)動(dòng)模塊之間，在密閉空間和高溫作用下，氯元素?zé)o法揮發(fā)，在應(yīng)力腐蝕作用下造成閥體開裂失效。

(2)馬氏體不銹鋼1.4418由于S的降低及Mo的提高，其抗應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)于鐵素體不銹鋼1.4105。新開發(fā)噴油器建議優(yōu)先使用1.4418不銹鋼。

(3)驅(qū)動(dòng)模塊和閥體結(jié)合采用機(jī)械壓裝工藝，容易存積外界液體，采用一體注塑工藝，可以防止外界液體進(jìn)入。

(4)通過把閥體的滾花結(jié)構(gòu)由沿噴油器軸向變更為徑向，可以有效防止外界液體進(jìn)入。