柳熾偉，景玉軍

(中山職業(yè)技術學院 機電工程系，廣東 中山 528404)

缸內汽油直接噴射(Gasoline Direct Injection，簡稱GDI)結合進氣增壓技術的汽油發(fā)動機，以其更高的燃油效率、較低的排放在汽車上的使用日益增多，大有取代PFI發(fā)動機成為主流汽油機的趨勢。燃油噴射位置與燃燒模式的改變，可帶來燃油系統(tǒng)組成、結構和控制的變化。對于新技術產品，技術人員需要及時進行可靠性和故障診斷技術的研究，以促進其發(fā)展。當前，缸內直噴汽油機燃油噴射系統(tǒng)的故障統(tǒng)計數據收集困難，難以精確定量分析其可靠性。此外，相關故障診斷經驗和技術總結的文獻不多，按傳統(tǒng)故障樹診斷方法，自頂事件向下搜索故障起因時常因搜索策略不當導致效率低下。因此收集多位維修專家的經驗，通過故障樹分析，利用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)將專家定性的經驗合理量化，計算出缸內直噴汽油機燃油噴射系統(tǒng)各底層事件發(fā)生的概率并排序，對產品的優(yōu)化改進、故障診斷專家系統(tǒng)研發(fā)及實際診斷效率的提升均有積極作用。

1 故障樹分析

1.1 故障原因

典型的汽油直接噴射系統(tǒng)(以大眾1.8 TSI車型BYJ發(fā)動機為例)與PFI系統(tǒng)相比，由于噴射壓力的提高，需采用較高的燃油噴射壓力,因此整個燃油系統(tǒng)以高壓燃油泵為界分為低壓系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)兩部分。高壓系統(tǒng)配置了凸輪軸驅動的高壓燃油泵、燃油壓力調節(jié)器、壓力傳感器、限壓閥等裝置，使高壓油路壓力值可在一定范圍(35～120 bar)之內按需調節(jié)，同時噴油器的結構也相應作了改變，使系統(tǒng)對燃油品質和管道清潔性要求更高[1]。由此可見，缸內直噴燃油系統(tǒng)除了傳統(tǒng)的PFI燃油系統(tǒng)常見低壓燃油泵損壞、汽油過濾器堵塞、噴油器和相關傳感器等故障原因外，還增加了高壓燃油泵、高壓限壓閥、燃油壓力調節(jié)器、油壓傳感器、電控相關線路故障等故障部位，而且電控單元與傳感器的匹配、設定等維護技術問題均有增加[2]。

1.2 故障樹的建立

故障樹分析方法建立在對系統(tǒng)故障診斷的經驗基礎上，采用逆向推理, 將系統(tǒng)級的故障現象或指定進行邏輯分析的故障事件(頂事件) 與最基本的故障原因(底事件) 之間的內在的邏輯關系用邏輯符號表示出來,由上而下逐層分解，直到不能分解為止，即找出對應的底層故障原因，并形成樹形的網絡圖[3]。

發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)不同部位的故障將會導致多種故障征兆，但隨著發(fā)動機電控系統(tǒng)及其自診斷技術的進步，通過數據流分析等方法已能初步判定燃油系統(tǒng)主要失效形式。故障診斷的關鍵在于尋找其基本故障原因和部位，因此系統(tǒng)失效的原因可按故障樹的診斷思維進行邏輯分析，建立缸內直噴汽油機燃油噴射系統(tǒng)失效的故障樹，如圖1。

T—GDI燃油噴射系統(tǒng)不良；A1—系統(tǒng)不噴油；A2—噴油量過少；A3—噴油量過多；A4—噴油模式異常；B1—噴油器無噴油脈沖；B2—系統(tǒng)無油壓；B3—高壓油路壓力低；B4—噴油器噴油脈沖過短；B5—高壓油路壓力過高；B6—噴油器噴油脈沖過長；C1—燃油泵不工作；C2—低壓油路流量不足；C3—高壓油路壓力過低；X1—噴油器損壞；X2—噴油器堵塞；X3—轉速傳感器及線路故障；X4—電源控制單元及線路故障；X5—發(fā)動機控制單元故障；X6—油路(含低壓限壓閥)泄漏；X7—汽油濾清器堵塞；X8—油箱無油(油表不準確)；X9—節(jié)氣門位置信號故障(含電子節(jié)氣門)；X10—氧傳感器故障；X11—水溫傳感器故障；X12—空氣流量計故障(或進氣岐管真空壓力傳感器)；X13—燃油泵控制單元；X14—燃油泵損壞；X15—高壓油泵不良；X16—油壓調節(jié)器故障；X17—限壓閥泄漏；X18—高壓油路壓力傳感器；X19—噴油器泄漏；X20—凸輪軸位置傳感器；X21—進氣岐管翻板位置傳感器；X22—可變正時調節(jié)電磁閥

圖1GDI發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)失效的故障樹
Fig.1FaulttreeofGDIenginefuelinjectionsystem

圖1中，燃油噴射系統(tǒng)失效為系統(tǒng)的頂層事件，其失效的主要故障表現形式可歸納為不噴油、噴油過多、噴油過少、噴油模式異常等4種現象，將它們作為次級事件分別展開分析。系統(tǒng)不噴油主要原因是電控系統(tǒng)不控制噴油、系統(tǒng)無油壓、噴嘴損壞等3方面原因。噴油過多和過少也可從電控系統(tǒng)、油壓、噴油器執(zhí)行等幾方面考慮，但直噴系統(tǒng)由于比傳統(tǒng)電噴發(fā)動機增加了高壓系統(tǒng)，基于故障規(guī)律，新系統(tǒng)對整體可靠性影響較大。此外直噴汽油機有不同的燃燒模式，噴油時間會相應做出變化，與此配合的進氣系統(tǒng)的進氣翻板會改變進氣管的狀態(tài)，以使充氣效率更高。當其出現故障時發(fā)動機電控單元會產生故障碼，干擾發(fā)動機正常的工作模式變換，進而影響噴油量和噴油時刻。由于空氣供給子系統(tǒng)主要性能由發(fā)動機配氣機構、氣缸活塞組及增壓系統(tǒng)等裝置狀況決定，限于篇幅此處略。

2 層次分析法的應用

層次分析法是一種把數學處理與人的經驗和主觀判斷相結合，有效地綜合測度評價決策者的判斷和比較，定量分析與定性分析相結合的多目標決策分析方法。它可以解決沒有數據或者很難得到數據但又必須做出決策的問題[4]。從圖1可見，燃油直接噴射系統(tǒng)的故障影響因素較多，各因素對不同故障現象的影響權重不同，可以利用層次分析法，通過兩兩比較建立判斷矩陣，計算出其對應于最大特征值的特征向量，經歸一化后即為同一層次相應因素對于上一層次因素相對重要性的排序權值。

2.1 層次結構模型的建立

在故障樹分析中，即使在同一種故障現象中也可能會多次出現同一個原因，同時層級較多，不便于進行層次分析。為此可結合可靠性分析方法，適當地對該故障樹進行整理，求取各種故障現象(圖1中的次級事件)的最小割集，再構建3或4層次的結構模型。值得注意的是，在一般可靠性分析中，往往求頂事件的最小割集[5]，此處求取次級事件最小割集，能得出各直噴燃油系統(tǒng)常見幾種故障現象的最底層故障原因，經過層次單排序即可得出其發(fā)生概率的權重，可應用于故障診斷流程的制定。

此處采用Fussell下行法求最小割集。方法是從頂事件下行過程中，依次將邏輯門的輸出事件置換成輸入事件，“與”門只增加割集階數不增加割集個數，“或”門只增加割集個數不增加階數，直到全部中間事件置換成底事件。由于上述故障樹均是“或”門事件，其底事件就是全部割集，將內容重復的割集簡化去掉，得到：

A1的最小割集為：{X1}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X13}、{X14}。

A2的最小割集為：{X2}、{X6}、{X7}、{X9}、{X10}、{X11}、{X12}、{X14}、{X15}、{X16}、{X17}、{X18}。

A3的最小割集為：{X9}、{X10}、{X11}、{X12}、{X16}、{X18}、{X19}。

A4的最小割集為：{X20}、{X21}、{X22}。

綜上分析，建立直噴發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)失效的故障遞階模型，見圖2。

圖2 汽油直噴系統(tǒng)失效的層次模型Fig.2 Hierarchy model of gasoline direct injection system failure

2.2 故障原因發(fā)生概率權值的求取

2.2.1 構建判斷矩陣

判斷矩陣是針對上一層次的某一因素，對本層次與之有關的因素之間相對重要性進行兩兩比較，建立成對的比較矩陣。為使比較合理量化，需引入比較的標度值，一般均采用薩迪標度，如表1[6]。

表1 薩迪相對重要度

經過深入多個企業(yè)的調查，參考某汽車4 S店導出的近一年GDI系統(tǒng)相關維修項目和備件出倉數據的分析，綜合多位診斷專家的判斷，可建立GDI發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)失效的各級故障原因概率權重的判斷矩陣，利用MATLAB軟件編程計算可得出各權重值。例如使系統(tǒng)失效的4種故障現象A1，A2，A3，A4所占權重的判斷矩陣Q如表2。

表2 判斷矩陣Q

表3 是次級事件A1的故障因素發(fā)生概率判斷矩陣Q1。同理可得A2，A3，A4的影響因素的權重判斷矩陣Q2，Q3，Q4(篇幅所限不再一一列出)，并計算得出權重排序如表4。

表3 判斷矩陣Q1

表4 各因素概率權重總排序

2.2.2 層次單排序一致性檢驗

構造兩兩比較判斷矩陣的辦法雖能減少其它因素的干擾，較客觀地反映出一對因子影響力的差別，但綜合多個因素的全部比較結果時，其中難免包含一定程度的非一致性，因此應進行一致性檢驗。其方法是計算一致性比較值：

CR=CI/RI

(1)

(2)

式中：n為判斷矩陣的階數；λmax為判斷矩陣的最大特征值；RI為平均一致性指標，按表5取值。

表5 平均一致性指標RI取值

如果判斷矩陣一致性比較值CR<0.1或λmax=n，CI= 0 時，則此判斷矩陣具有滿意的一致性，否則要對矩陣進行調整。

各判斷矩陣一致性檢驗計算結果如下：

矩陣Q：λmax= 4.118 8；CI= 0.039 6；RI=0.09；CR= 0.043 3。

矩陣Q1：λmax=9.445 2；CI= 0.055 6；RI=1.45；CR= 0.038 3。

矩陣Q2：λmax= 12.902 1；CI= 0.082 0；RI=1.54；CR= 0.053 3。

矩陣Q3：λmax= 7.157 2；CI= 0.026 2；RI=1.32；CR= 0.019 8。

矩陣Q4：λmax= 3.021 7；CI= 0.010 9；RI= 0.58；CR= 0.018 7。

可見各矩陣的一致性比較值CR值均小于0.1，表明建立的判斷矩陣通過一致性檢驗，取值是合理的。

2.2.3 層次總排序

通過A層次判斷矩陣分別求出A1，A2，A3，A4的故障原因概率權值。在實際應用中，針對故障現象將故障原因概率權值進行排序，依次制定合理的診斷流程和步驟，可避免按故障樹進行無效的搜索，有效提高診斷效率。但在整個系統(tǒng)的可靠性分析中，需進一步進行遞階層次模型的層次總排序，由上而下逐層計算，最終得到最底層因素相對于最頂層事件的重要性的排序權值，便于進行可靠性分析。

各底層因素的總排序權重可按式(3)計算, 計算結果見表4：

(3)

2.2.4 層次總排序的一致性檢驗

雖然各層次均已經過層次單排序的一致性檢驗，但綜合考察時，各層次的非一致性仍有可能積累起來，引起最終分析結果較嚴重的非一致性，因此應進行層次總排序的一致性檢驗[7]。根據式(4)進行檢驗：

(4)

式中：CIj為與Xj對應的底層次中各判斷矩陣的一致性指標；RIj為與Xj對應的判斷矩陣隨機一致性指標。

計算得：CR= 0.049 7 < 0.1，說明各權重的層次總排序合理有效。

3 系統(tǒng)可靠性及故障原因分析

GDI系統(tǒng)各故障原因發(fā)生概率的重要度排序如表4。表中，燃油泵損壞X14、噴油器堵塞X2、高壓油泵不良X15、高壓油壓調節(jié)器失效X16、汽油濾清器堵塞X7、燃油泵控制單元失效X13等幾個故障原因占據前6位。

3.1 燃油泵

燃油泵故障發(fā)生概率權值是0.154 5，主要有兩種故障表現：①油泵不能建立油壓，發(fā)動機不能起動；②油泵磨損后油壓不穩(wěn)定，導致車輛熱車行駛無力、急加速振抖、易熄火等故障發(fā)生。在GDI系統(tǒng)中，第2種故障表現相對于PFI系統(tǒng)會少些，因為GDI系統(tǒng)高壓油泵在加壓作用時，燃油泵控制單元可視情況通過工作電流調節(jié)低壓油壓力在1～6 bar之間變動。燃油泵主要故障因素是內部轉子的磨損，一定行駛里程后故障率升高。因而燃油的品質、使用的情況都會對燃油泵的壽命產生較大影響。

3.2 噴油器

GDI系統(tǒng)噴油器與PFI相比，結構性能有很大改進，噴射壓力在30～140 bar之間，元件可靠性要求較高[8]。由于噴油器堵塞(概率權值0.142 8)造成噴油霧化不良，發(fā)動機EPC故障警告燈點亮，出現發(fā)動機振抖等現象。噴油器閥針磨損、密封圈漏油漏氣等，會影響燃油噴射量及霧化情況。噴油器堵塞、異常磨損等與燃油品質有較大關系，目前常采用定期添加燃油添加劑等產品，進行燃油品質改進和噴油器清洗。噴油器線圈短路斷路發(fā)生率較低。

3.3 高壓燃油泵與油壓調節(jié)器

高壓燃油泵與油壓調節(jié)器共同作用，為燃油系統(tǒng)提供高壓燃油。高壓泵采用單活塞高壓泵，由凸輪軸上偏心輪或四方凸輪驅動，燃油泵工作過程中進油量由油壓調節(jié)器進行控制，發(fā)動機電控單元通過占空比控制油壓調節(jié)器開啟大小來調節(jié)進油量，進而實現高壓油路的調節(jié)。油泵泵油時需克服泵內出油閥彈簧壓力，保證壓力高于噴射壓力?；诟邏罕脵C械磨損的特點及調節(jié)器工作頻繁的原因，一定行駛里程后高壓泵故障率較高。后期產品經過優(yōu)化，在泵內集成了限壓閥、將油軌低壓油管回油管路省去，減少了系統(tǒng)漏油等故障概率。另外油泵中集成了緩沖器，減小活塞行程，降低了燃油脈動。

3.4 燃油泵控制單元

在電控系統(tǒng)部件中，燃油泵控制單元的故障概率權值達到0.268 8，遠高于其他電控單元。它通過脈寬調制信號來控制燃油泵，使燃油泵壓力在0.5～5.0 bar之間調節(jié)。由于燃油泵工作電流較大(可達到9 A)，控制單元在工作中產生熱量較多，但其安裝位置在油箱頂部與后排座椅之間，散熱性能不良，增加了故障機率。

3.5 進氣道翻板位置傳感器

GDI系統(tǒng)中，空氣供給子系統(tǒng)的進氣道翻板位置傳感器X21故障概率權值0.045 2，遠高于其他傳感器，原因與其結構及使用狀況不無關系。缸內直噴汽油機的優(yōu)點是可根據工況采用不同的燃燒模式，如大眾TFSI發(fā)動機起動時應用分層高壓起動；起動后幾秒即進入HOSP(均質分開模式)，暖機過程進行兩次噴油；中等轉速和負荷時采用均質稀混合氣模式；高速大負荷時會進入均質混合氣模式。當處于分層充氣或均質稀混合氣模式時，進氣道翻板關閉；均質混合氣模式時，進氣道翻板位置依據節(jié)氣門位置來打開或關閉(在發(fā)動機轉速低于3 750r/min或發(fā)動機負荷低于40%時，翻板關閉)。由于頻繁轉動，翻板軸容易磨損，使位置傳感器信號不準確，發(fā)動機故障單元產生故障碼，同時EPC燈點亮，影響了混合氣燃燒模式的變化。1.4 TSI發(fā)動機已對此進行改進，取消了進氣道翻板，采用固定的導流板，使系統(tǒng)可靠性得到較大提高。

4 結 語

利用層次分析法，可以定量計算出直噴汽油機燃油系統(tǒng)的故障因素發(fā)生概率的權值，按權值排序，既能應用于故障診斷流程的優(yōu)化，又可找到影響系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，便于進行系統(tǒng)產品的優(yōu)化和改進。

分析結果表明，汽油質量對GDI系統(tǒng)可靠性影響很大。使用汽油添加劑提高汽油的性能，定期進行燃油系統(tǒng)的清洗維護，能有效降低其異常故障的發(fā)生，提高燃燒效率。

由于層次分析法依賴于專家的兩兩判斷，能降低多因素決策的不一致性，使定性分析適度定量化，但不能完全避免專家的片面性，難以計算出準確的概率值，因此直噴汽油系統(tǒng)故障可靠性的定量分析仍有待加強數據的收集、積累和研究。

[1] 楊世春,李君,李德剛.缸內直噴汽油機技術發(fā)展趨勢分析[J].車用發(fā)動機,2007(5):8-13.

Yang Shichun, Li Jun, Li Degang.Analysis on development for gasoline direct Injection technology [J].Vehicle Engine, 2007(5): 8-13.

[2] 柳熾偉.缸內直噴汽油機燃油系統(tǒng)故障診斷技術[J].內燃機,2012(4): 25-28.

Liu Chiwei.Analysis on fault diagnosis technology of fuel system in GDI engine [J].Internal Combustion Engines,2012(4):25-28.

[3] 何慶飛,王漢功,陳小虎.故障樹分析法在汽車起重機液壓系統(tǒng)故障診斷中的應用[J].機床與液壓,2008,36(2):196-198.

He Qinfei,Wang Hangong,Cheng Xiaohu.Application of fault tree analysis to hydraulic system fault diagnosis in automobile crane [J].Machine Tool & Hydraulics, 2008, 36(2): 196-198.

[4] 溫惠英,沈毅賢.基于層次分析法的物流配送車輛導航路徑規(guī)劃求權方法[J].公路交通科技,2008,25(8):114-118.

Wen Huiying,Shen Yixian.A method of computing weight of logistics navigation route planning based on analytic hierarchy process [J].Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2008, 25(8): 114-118.

[5] 全達,孫秀芳,王緬,等.基于故障樹分析法的識別單元可靠性分析[J].現代制造工程,2012(4):122-125.

Quan Da,Sun Xiufang,Wang Mian,et al.Study on reliability of identity module based on fault tree analysis [J].Modern Manufacturing Engineering, 2012(4): 122-125.

[6] 胡傳亮.運用層次分析法對大型養(yǎng)路機械綜合維修質量的評價研究[D].北京:清華大學,2008.

Hu Chuanliang.Evaluations of the Quality of Comprehensive Maintenance on Large Track Maintenance Machinery by AHP [D].Beijing: Tsinghua University, 2008.

[7] 王吉,蔡振雄,鄭青榕,等.層次分析法在船舶制冷壓縮機可靠性分析的應用[J].中國水運,2009,9(5):109-110.

Wang Ji,Cai Zhenxiong,Zhen Qingrong,et al.Application of analytic hierarchy process on reliability analysis of ship refrigerating compressor[J].China Water Transport, 2009,9(5): 109-110.

[8] 孫勇,王燕軍,王建昕,等.缸內直噴式汽油機的研究進展及技術難點[J].內燃機,2002(1):6-10.

Sun Yong,Wang Yanjun,Wang Jianxin, et al.New progress of gasoline direct injection engines’ research and technical problems [J].Internal Combustion Engines, 2002(1): 6-10.