浅谈柴油发动机高压共轨电控燃油喷射系统故障的诊断

浅谈柴油发动机高压共轨电控燃油喷射系统故障的诊断 浅谈柴油发动机高压共轨电控燃油喷 射系统及故障诊断 内容提要: 柴油发动机高压共轨电控燃油喷射技术从结构上彻底改变了柴油发动机 燃料供给方式～实现了高压喷射、精确控制、喷油压力与喷油过程分开～使柴 油发动机经济性、排放性、动力性有了大幅提高～并在柴油发动机系统中广泛 使用。机械结构、电子控制、液压系统多种先进技术的综合运用～使系统的复 杂程度、精密程度大大增加。对使用维护提出了更高的要求。了解、掌握高压 共轨电控燃油喷射系统～对维修人员有着重要意义。 本文简单介绍了高压共轨电控燃油喷射系统～并根据自己的维修经验～ 结合案例总结了高压共轨电控燃油喷射系统故障诊断的基本思路。 关键字: 高压共轨 电控喷射 诊断 目录: 一、柴油发动机高压共轨电控燃油喷射系统基本知识 (一)柴油发动机高压共轨电控燃油喷射系统特点 (二)柴油发动机高压共轨电控燃油喷射系统组成和工作原理 二、电子控制系统工作原理和主要元件介绍 (一)电子控制系统工作原理 (二)电子控制系统主要元件介绍 (三)电子控制系统设置 三、燃油供给系统工作原理和主要元件介绍 (一)燃油供给系统工作原理 (二)燃油供给系统主要元件介绍 四、案例分析——系统故障的诊断思路 (一)案例分析 (二)诊断思路小结 五、结束语 参考文献 浅谈柴油发动机高压共轨电控燃油喷 射系统及故障诊断 一、柴油发动机高压共轨电控燃油喷射系统基本知识 (一)柴油发动机高压共轨电控燃油喷射系统特点 柴油发动机高压共轨电控燃油喷射系统属于稳压式时间控制喷油系统。在计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油结构基础上，实现了喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的供油方式。彻底解决了容积式燃油泵喷油量、喷油压力受发动机转速负荷影响的问，实现了较高的喷射压力，使柴油发动机经济性、动力性、排放性能均有了大幅提高。同时采用先进的电子控制装置，配有高速电磁开关阀，使得喷油过程的控制十分方便，精度大为提高。可控参数多，益于柴油机燃烧过程的全程优化。共轨供油方式，喷油系统压力波动小，各喷油嘴间相互影响小，喷射压力控制精度较高，喷油量控制较准确。高速电磁开关阀频响高，控制灵活，使得喷油系统的喷射压力可调范围大，并且能方便地实现预喷射、后喷等功能。高压共轨电控燃油喷射系统所具有的自诊断功能，可对电控系统中的传感器、执行器、连接线路实时监测。当出现故障时会确定此故障，并以故障码形式存储。同时点亮故障灯，并根据情况自动做出处理，停驶或转换控制模式使车辆行驶到安全地点。系 统结构移植方便，适应范围宽，升级潜力大。因其具备的众多性能、技术优势，在商用车柴油发动机上得到广泛应用。下面以Bosch公司的高压共轨喷油系统为例对柴油发动机高压共轨电控燃油喷射系统进行介绍分析。 (二)柴油发动机高压共轨电控燃油喷射系统组成和工作原理 如上图，高压共轨电控燃油喷射系统分为电子控制系统和燃料供给系统。由电控单元、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨，高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元从预设的 map 图中确定合适的喷油定时、喷油持续期，由电液控制的电子喷油器将燃油喷入气缸。电控单元根据收到的传感器信号控制喷油器高速电磁阀,实现燃油定时定量喷射的电控喷射系统。 二、电子控制系统工作原理和主要元件介绍 (一)电子控制系统工作原理 高压共轨电子控制系统，是由ECU-电子控制单元、各种传感器及相关执行器组成多条闭环控制回路。工作时由不同的传感器把汽车行驶中和柴油机运行时的曲轴转速、轨道压力、增压压力、(进气、冷却液、燃油)温度和行驶加速度等有关实际值，实时采集并传输给电子控制单元。电子控制单元对上述输入信号进行计算，使与对应的期望作比较，确定合适的喷油点，预喷油量和其他参数的额定值，进行修正后发出指令到各个执行机构。 (二)电子控制系统主要元件介绍 电控共轨系统可以分成三大部分:ECU-电子控制单元、传感器、和执行器。 1、ECU-电子控制单元 ECU-电子控制单元是电控共轨燃油系统的核心部分。根据各个传感器的信息，ECU进行计算、完成各种处理后，求出最佳喷油时间和最合适的喷油量，并且计算出在什么时刻、在多长的时间范围内向喷油器发出开启电磁阀、或关闭电磁阀的指令等，从而精确控 制发动机的工作过程。 2、主要传感器 曲轴位置传感器精确计算曲轴位置，测定发动机的转速，用于喷油时刻和喷油量计算、转速计算。 凸轮轴相位传感器进行气缸判别、确定喷油顺序和相位。曲轴传感器失效时用于跛行回家。 共轨压力传感器测量共轨管中的燃油压力，实时测定共轨管中的实际压力信号并反馈给ECU，由ECU对PCV阀实施反馈控制，通过对供油量的增减来调节油压稳定在目标值。 加速踏板传感器是一种电位计，它通过电压信号告知ECU关于驾驶员对扭矩的要求。 进气温度传感器测量进气温度，修正喷油量和喷油正时，进行过热保护。 机油压力温度传感器测量机油压力和温度，用于喷油的修正和发动机的保护。 冷却水温度传感器测量冷却水温度，用于冷起动、目标怠速计算等，同时还用于修正喷油提前角、最大功率保护等。 此外还包括大气压力传感器、车速传感器等。 3、执行器 燃油计量单元是控制轨压的执行器:控制进入柱塞的燃油量。安装在高压油泵上，出现故障，高压油泵会以最大能力向共轨管供油。 喷油器电磁阀:是电子控制系统中最重要的执行器。把电信号转变为机械信号，实现机电一体化控制。 (三)电子控制系统设置 1、起动设置 发动机启动的必要条件，共轨压力超过200bar;曲轴、凸轮轴传感器同步信号正常。否则ECU不会发出喷油指令，喷油器电磁阀不会打开。 2、功率限制 发动机带故障运行的一种模式。ECU检测到发动机出现了故障，但不会立即停车，而是会限制发动机的功率，使发动机转速只能增加到1500转，司机能将车开到就近的维修站进行维修。 功率限制的原因有水温过高，机油温度过高，进气温度过高。水温、机油温度、进气温度过高时，ECU会进入过热保护功能，限制发动机功率。曲轴传感器信号与凸轮轴传感器信号不同步，一般是某个传感器的信号失效，或者机械正时错误。传感器信号故障、进气压力传感器、水温传感器、轨压传感器、油门位置传感器等出现信号漂移，将导致发动机进入功率限制状态;必须用诊断仪观察相应的数据以作出判断。 了解电子控制系统设置对分析判断系统故障具有重要意义。 三、燃油供给系统工作原理和主要元件介绍 (一)燃油供给系统工作原理 三、燃料供给系统工作原理和主要元件介绍 (一)燃料供给系统工作原理 上图为燃料供给系统工作原理图。燃油从油箱被输油泵(电动输油泵)吸出后，经油水分离器滤清后，被送入高压油泵。进入 如上图所示，燃油从油箱被输油泵吸出后，经油水分离器滤清后，被送入高压油泵。进入高压油泵的燃油一部分通过高压油泵上的安全阀进入油泵的润滑和冷却油路，流回油箱;一部分进入高压泵中的燃油被加压到后，输送到蓄压器(共轨管)。燃油进入蓄压器后，油轨压力传感器对轨道燃油压力进行检测、监控并实时反馈，由ECU通过燃油计量阀把轨道燃油压力始终控制在所需范围内，并由轨道内出口回油处设置的压力限制阀把轨道内燃油压力进行调节限制在正常范围内，然后经流量限制阀，把合适流量的燃油通过高压油管压入喷油器内。在ECU的控制下通过电磁阀执行器，把共轨轨道压力的高压柴油定时、定压、定量喷入气缸燃烧室。 (二)燃油供给系统主要元件介绍 低压系统的主要作用是向高压泵输送足够的清洁燃油，由油箱、粗滤器、输油泵、低压油管、回油管、燃油滤清器(精滤器)、高压泵的低压级等部件组成。 1、输油泵:输油泵的主要作用是使燃油产生一定得压力，以克服滤清器及低压管路的油流阻力，把油箱内的燃油不断地输入高压泵，在柴油机的任何工况下，都能提供充足的燃油。 2、燃油滤清器:预滤器及细滤要求比较严格，过滤燃油中的污染物和水分。 3、油箱:燃油的存储。 4、低压管路:燃油的输送。更换低压管路要注意管径和长度应符合原设计要求。 高压系统除使燃油产生高压外，还对燃油进行检测、控制和分配，其中最重要的部件是高压泵、高压蓄压器(共轨管)、轨道压力传感器、压力控制阀、喷油器等。 1、高压油泵 高压泵是高压共轨系统中的重要部件之一，主要作用是对输油泵输入的低压油作功，使其变成高压油，之后不断向高压蓄压器(轨道)提供高压燃油。同时要保证足够高的供油速度，使共轨轨道内能快速建压。Bosch公司的高压共轨喷油系统采用3缸径向柱塞高压油泵，并集成了燃油计量单元MEUN，由之控制轨压。 2、高压蓄压器 也称之共轨管，是一根锻造钢管，各缸喷油器通过各自的油管与油轨连接。高压蓄压器将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用，它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡，使高压油轨中的压力波动控制在 5Mpa 之下。但其容积又不能太大，以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。 如上图，高压蓄压器上还安装了轨压传感器、液流缓冲器(限流器)和压力控制阀。共轨压力传感器向 ECU 提供高压油轨的压力信号。流量限制器(限流器)保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油，并可减小共轨和高压油管中的压力波动。限压阀(压力控制阀)在正常压力下，弹簧使柱塞紧紧压在密封座上，使共轨管保持关闭;当压力超过系统最大压力时，弹簧被压缩，柱塞被顶起，燃油从油轨溢出，油轨压力下降，保证高压油轨在出现压力异常时，迅速将高压油轨中的压力进行放泄。 3、喷油器 喷油器既是电子控制系统执行器，又是燃油供给系统高压系统的关键元件。可以拆分为一系列功能部件:孔式喷油嘴，液压伺服系统和电磁阀。 喷油器的工作原理如上图所示，燃油来自于高压油路，经通道流向喷油嘴，同时经节流孔流向控制腔。控制腔与燃油回路相连，途径一个受电磁阀控制其开关的泄油孔。泄油孔关闭时，作用于针阀控制活塞的液压力超过了它在喷油嘴针阀承压面的力，针阀被迫进入阀座且将高压通道与燃烧室隔离，密封。当喷油器的电磁阀被触发，泄油孔被打开，引起控制腔的压力下降，活塞上的液压力也随之下降，一旦液压力降至低于作用于喷油嘴针阀承压面上的力，针阀被打开，燃油经喷孔喷入燃烧室。这种对喷油嘴针阀的不直接控制采用了一套液压力放大系统，因为快速打开针阀所需的力不能直接由电磁阀产生，所谓的打开针阀所需的控制作用，是通过电磁阀打开泄油孔使得控制腔压力降低，从而打开针阀。此外，燃油还 在针阀和控制柱塞处产生泄漏，控制和泄漏的燃油量，经连接回油管，会同高压泵和压力控制阀的回油流回油箱。 喷油器常见故障，机械故障:针阀卡死，由于柴油中污物较多或进水腐蚀，针阀卡死在喷油器内，不能动作，ECU可能不报故障码。线路故障主要有喷油器线束由于振动、磨损等原因，连接断开或直接搭在缸盖上短接。ECU会报故障码。 四、案例分析——系统故障的诊断思路 (一)案例分析 1、故障现象 东风天锦系列商用车装配的康明斯(ISDe210 40)发动机采用了Bosch高压共轨电控喷射系统。司机反映车辆在行驶中有无力现象，特别是在发动机高转速情况下更加明显。故障灯亮并伴随功率的明显下降，油门踏板不起作用，车速下降后故障灯熄灭，发动机工况逐渐恢复正常，但仍感觉行驶无力。在询问中同时了解该车按时保养，近期没有进行过维修。外观检查未见异常。起动发动机，起动过程正常，起动后怠速、中速运转正常，但在发动机转速2000转以上感觉油门响应变差。 2、诊断过程 在了解故障现象，完成入场检查后，使用专用诊断仪调取故障码。故障码显示存储非现行故障，故障代码(0559):喷油器计量油轨1压力——数据有效但低于正常工作范围 - 中等严重级别。这说明ECU监测到燃油压力低于指令压力，产生的后果可能 会造成起动困难、功率低或发动机冒烟及发动机可能无法起动。起动发动机后在不同车速下检查数据流，数据流显示在发动机2000转时轨压变化不明显，且随转速增加轨压下降，但故障灯未亮。 3、原因分析 故障现象显示中、高转速下油轨压力低，首先要明确传感器是否反应了真实的油轨压力(因轨压传感器故障也会造成上述现象)。如传感器未正确反应轨压，则可能的故障点为传感器本身故障，传感器连接线路、插接器故障。如果轨压传感器反应了真实的油轨压力，说明轨压低是由燃油供给系统引起的，根据燃油供给系统原理图，轨压降低原因，一是低压系统来油不畅，应检查油箱至齿轮泵相关元件及管路:二是高压系统不能建立正常油压，包括燃油高压泵损坏，燃油计量阀执行器损坏，燃油计量阀执行器连接线路损坏，EUU控制电路信号等原因。三是高压侧燃油泄漏，可能的泄漏点包括共轨管上的泄压阀、喷油器、高压燃油泵三个回油泄压点。 4、维修与测试 通过原因分析，基本理清了诊断思路。决定首先排除电子控制系统的问题。因轨压数值显示随转速变化，且中、低速油轨压力符合要求，测量轨压传感器电阻，输出电压无异常。基本确定轨压传感器和ECU线路连接无故障。因在起动及怠速、中低速工况系统轨压正常，通过检查燃油计量阀执行器及控制电路，排除了 燃油计量阀执行器故障的可能性。至此基本排除电控系统故障。判断轨压低是燃油供给系统出现故障。 检查低压系统来油不畅，油箱密封良好，油量达到三分之二;进油管路无折弯、压瘪、磨损;检查燃油滤清器，分别拆下滤清器进油口、出油口接头，用手油泵泵油，检查出油情况，无明显差别;低压系统未发现明显故障。 根据轨压在高速状态下降明显的故障特点，决定检查燃油系统回油量。回油量检查不仅可确定高压系统的供油情况，还可以检查高压系统是否存在不正常的燃油泄露。因为三处回油泄压点共用一根回油管，为确定故障点，必须分别检查。先检查共轨管上的泄压阀，在泄压阀处引出一根回油管。起动发动机，在转速达到2000转时泄压阀开始回油，轨压下降，随着转速的增加，回油量增大。故障原因为泄压阀故障造成。更换共轨管总成后启动发动机，并对发动机的怠速、中速、高速、急加速、缓加速五种模拟工况进行测试，查看静态及动态数据流，未发现问题。进行车辆路试，发动机工作情况恢复正常，故障有效排除。 (二)诊断思路小结 柴油发动机高压共轨电控燃油喷射系统集成了电子控制系统、燃油、供给系统、发动机机械系统。多系统交叉和系统本身的复杂性，给故障诊断带来一定困难。以下是根据案例和维修实践总结的一些柴油发动机高压共轨电控燃油喷射系统故障诊断的基本思路。 1、熟悉结构工作原理 柴油发动机高压共轨电控燃油喷射系统的维修，必须掌握相关的维修技术资料，深刻理解工作原理。只有建立对系统的全面认识，才可能进行正确有效的诊断维修。 2、建立系统全面的意识 建立从整体思考故障的习惯和系统的思维方式。在考虑一个系统时不仅要关注系统的部件或子系统的结构原理，更要关注它们在大系统的作用，与其他部件的相互联系。电控系统通过多个传感器同时监测多个工作系统，同时根据反馈的信息控制调整多个执行器工作输出状态。执行器输出后各系统的工况又通过传感器反馈。机、电、液、气一体，形成闭环控制。被监测系统出现故障，既要考虑传感器，又要考虑系统本身是否存在故障、是否受其他系统影响，执行器是否动作、执行器控制电路是否存在故障、执行器驱动系统是否存在故障、ECU是否存在故障等因素。传感器既要考虑元件本身，又要考虑传感器连接电路，安装位置等因素。 3、诊断的使用 在高压共轨系统故障诊断过程中，要注意各种诊断方法的组合使用。除了综合使用直观检查、拆检、测量、替换等诊断方法，还要把握故障分割方法的使用。对故障点进行分析，从元件本身、传递过程、其它系统影响三个方面入手，确定逻辑关系，将构成故障的要素按与故障本质的关联度、发生频率、检查判断难易程度等进行排列，采用适宜的诊断方法，提高故障诊断的效率。 4、严格执行诊断 系统、故障的复杂性，维修人员理解能力、认知能力的局限性，决定了故障诊断是一个反复修正，不断深入的过程。因此在诊断过程中，应有意识的执行和完善诊断流程，通过流程不断增强故障诊断的可控性，准确性和效率。通过入场问诊、直观检查、故障再现三个环节，对于故障做出定性定量的描述。确认故障的真实性、故障状态、相关参数、发生条件等因素，把要解决的问题弄清楚，为故障诊断、解决打下基础。通过原理分析掌握汽车故障部位的结构、原理，了解正常工况下的条件和数据变化规律，与故障状态对比分析。深刻理解全面掌握故障本质，确定维修思路，根据故障现象结合工作原理进行全面系统的分析，找准切入点，提高故障诊断效率。通过修复验证，完成故障点是否为故障症状充分或必要原因的最终确认。在修复验证环节，一定要查找造成故障的原因，不找到故障发生确切原因，就不能从根本上解决故障。 五、结束语 高压共轨电控燃油喷射技术在商用车柴油发动机上得到广泛使用，了解高压共轨电控燃油喷射系统工作原理，不断完善、总结高压共轨电控燃油喷射系统的维修经验。掌握故障判断的思路、方法。对提高维修工作准确性和效率，树立排除故障的信心有重要意义，一定会更好的指导汽车维修生产。 参考文献 ,、《技师专业撰写》作者:刘总路 郭庆 等 ,、《汽车故障诊断技术》作者:王文清 3、《康明斯ISBe高压共轨柴油机维修手册》作者:宋福昌