国Ⅲ柴油机故障诊断及典型案例分析

2023-09-19 理论教育版权反馈

【摘要】：高压共轨系统从功能上可分为电子控制系统和燃油喷射系统。此信号可检测柴油机的转速和曲轴位置。共轨燃油喷射系统是将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。

电控高压共轨燃油喷射系统是在柴油机气缸盖上安装了一个燃油共轨管，燃油共轨管是一个长管状密闭容器，各缸喷油器都安装在容器上，共同使用这一燃油共轨管，即所谓共轨。

高压喷油泵通过单向阀不断地向共轨内部泵入高压柴油，共轨类似于制动系统的储气罐。压力传感器将共轨内压力值反馈给ECU，并通过控制电磁阀的适当开启泄油以调节共轨内的压力。共轨内的压力就是喷油器的喷油压力，可达140～160MPa，甚至更高。油压的产生方式与柱塞泵的完全不同。供油正时由喷油器电磁阀控制，喷油量由电磁阀的持续开启时间控制，所以该系统既不需要提前器也不需要调速器。

所有这些都由ECU系统自动控制。该系统的正常工作要求其喷油器电磁阀必须能够准时快速可靠地开闭，并且能承受长期高频率开闭的工况。因此，电控高压共轨柴油机的动力性较好、省油，加速时无烟色发黑的现象，但是电控系统相关零部件的成本较高。

1.共轨式电控燃油喷射技术的特点

柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一种全新的技术，集计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油器结构于一身。它不仅能达到较高的喷射压力、实现喷射压力和喷油量的控制，而且还能实现预喷射和分段喷射，从而优化喷油特性、降低柴油机噪声和大大减少废气有害成分的排放量。其特点为

①采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀，使得喷油过程的控制十分方便，并且可控参数多，利于柴油机燃烧过程的全程优化。

②采用共轨方式供油，喷油系统压力波动小，各喷油器间相互影响小，喷射压力控制精度较高，喷油量控制较准确。

③高速电磁开关阀频率高，控制灵活，使得喷油系统的喷射压力可调范围大，可方便地实现预喷射等功能，为优化柴油机喷油规律，改善其性能和降低废气排放提供了有效手段。

④系统结构移植方便，适应范围广，尤其是与目前的小型、中型及重型柴油机均能很好匹配，因而市场前景广阔。

⑤可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力（120～200MPa），目前常用的博世公司的共轨系统，共轨压力为145.0MPa，可同时控制NO_x和微粒（PM）在较小的数值内，以满足国Ⅲ（国Ⅳ）排放要求。

综上所述，共轨式电控燃油喷射技术有助于减少柴油机的有害尾气排放量，并具有降低噪声、降低油耗、提高动力输出等方面的综合性能。

高压共轨电控燃油喷射技术的应用有利于环境保护，加速促进柴油机工业、汽车工业，特别是工程机械相关工业的向前发展，是柴油机今后重点应用的燃油喷射技术之一。

2.高压共轨燃油喷射系统主要部件及工作原理

高压共轨燃油喷射系统借助各种传感器（柴油机转速传感器、加速踏板位置传感器、冷却液温度传感器等）检测柴油机工况，并将信号传给ECU，利用ECU综合控制相应的燃油喷射量、喷射定时、喷射速率和喷射压力等，使柴油机在最佳状态下运行。高压共轨系统从功能上可分为电子控制系统和燃油喷射系统。

（1）电子控制系统。ECU利用接收安装在柴油机及车辆上的各种传感器采集的数据，并与存储在里面的大量经过试验得到的最佳喷油量、喷油时间和喷油规律的数据进行比较分析，计算出当前状态的最佳参数，来控制喷油器、流量计量单元等机构工作。电子控制系统包括传感器、ECU和执行器，其控制原理框图如图1-20所示，硬件及软件功能如图1-21所示。

图1-20 共轨柴油机电子控制系统原理框图

图1-21 ECU的硬件及软件功能框图

①曲轴位置传感器利用飞轮上的信号孔通过传感器部位时，传感器线圈的磁力线发生变化，线圈中产生交流电。此信号可检测柴油机的转速和曲轴位置。

②凸轮轴位置传感器与曲轴位置传感器一样，也应用了线圈磁力线的变化而产生交流电的原理。将曲轴位置传感器脉冲和凸轮轴位置传感器脉冲信号组合，可识别柴油机的第一个气缸。

③加速踏板位置传感器将加速踏板的踩下角度转变为电信号发送到ECU。加速踏板位置传感器使用了霍尔器件。

④冷却液温度传感器利用热敏电阻检测柴油机冷却液温度，转变成电信号并发送给ECU。

⑤共轨压力传感器是由一个半导体元件组成的传感器。利用压力施加到硅元件上时电阻发生变化的压电效应原理制成。输出信号随压力的增加而增大。

⑥进气压力和温度传感器提供进气温度与压力参数，进气压力是压敏电阻，它所测量压力与输出的电压成正比。

⑦机油压力和温度传感器可以同时检测机油压力和机油温度，其原理与进气压力和温度传感器一致。

（2）燃油喷射系统。共轨燃油喷射系统是将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。由高压油泵把高压燃油输送到共轨管。不再采用传统的柱塞泵脉动供油的原理，而是通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁阀的开启与闭合，定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量。从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化，以及最佳的着火时间。

1）高压油泵。高压油泵（图1-22）是高压油路和低压油路的分界面，其功能是通过控制燃油输出量在共轨内产生燃油压力。在所有工况下，主要负责供给足够的高压燃油。

图1-22 博世共轨系统高压油泵

2）FMU燃油计量单元（图1-23）

①燃油从输油泵经过节流孔流到压力腔内，当燃油压力超过弹簧的弹力时，节流阀被向上推起。

②节流阀向上移动，当节流阀的环肩打开燃油通道时，燃油被输送到进出油阀。

③ECU控制电磁阀以便于最佳燃油量从燃油计量单元流到出油阀。

④当电磁阀A和B根据来自ECU的信号被赋予了电压后，压力腔侧回油通道打开，在压力腔的油从侧回油通道流出。

⑤压力腔的压力下降，节流阀由于弹簧力的作用而下降，对燃油通道节流。

⑥由于ECU控制电磁阀A和B通电的时间（占空比），最佳燃油量就被提供到进出油阀后进入共轨管内。

图1-23 FMU燃油计量单元的工作原理

3）共轨管。共轨管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。博世系统的共轨管如图1-24所示。

共轨管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振荡，使高压油轨中的压力波动控制在5.0MPa以下。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。

图1-24 柴油机共轨

共轨压力传感器的作用：检测共轨压力，参与轨压控制。轨压异常时，强制泄压阀DBV打开，柴油机跛行（带故障运行）。

4）电控喷油器

①任务。喷油始点和喷油量用电子控制的喷油器调整，它替代了普通喷油系统中的喷油器总成。

与直喷式柴油机中的喷油器体相似，喷油器用由螺栓紧固的卡夹紧固安装在气缸盖中。共轨喷油器在直喷式柴油机上安装时，不需要对气缸盖的结构作很大改变。

②结构。电控喷油器由孔式喷油器、液压伺服系统、电磁阀组件构成。

如图1-25所示，燃油从高压接头经进油通道送往喷油器，并经过进油节流孔进入阀控制室，而阀控制室经由电磁阀控制的回油节流孔与回油孔相通。

出油节流孔在关闭状态时，作用在阀控制活塞上的液压力大于作用在喷油器针阀承压面上的力，喷油器针阀被压在其座面上，紧紧关闭通往喷油孔的高压通道，因而没有燃油喷入燃烧室。

电磁阀动作时，打开回油节流孔，阀控制室内的压力下降，只要作用在阀控制活塞上的液压力小于作用在喷油器针阀承压面上的力，喷油器针阀立即打开，燃油经过喷孔喷入燃烧室。用电磁阀不能直接产生迅速关闭针阀所需的力，因此采用经液力放大系统间接控制喷油器针阀。其间除喷入燃烧室的燃油量之外，附加的控制油量经控制室的回油节流孔进入回油通道，此外还有针阀导向和阀活塞导向部分的泄油。这种控制油量和泄油量经集油管（安全阀、高压泵和调压阀也与集油管接通）的回油通道返回油箱。

图1-25 喷油器示意图

a）喷油器关闭（静止状态） b）喷油器打开（喷油开始） 1—回油孔 2—电气接头 3—电磁阀 4—高压进油孔 5—球阀 6—回油节流孔 7—机油节流孔 8—阀控制室 9—阀控制柱塞 10—至喷油器的进油道 11—喷油器针阀

③工作方式。在柴油机和高压泵工作时，喷油器有4个工作状态：喷油器关闭（依靠其中存有的高压）、喷油器打开（喷油开始）、喷油器完全打开、喷油器关闭（喷油结束）。

上述工作状态是通过喷油器构件上力的分配产生的。柴油机不工作和共轨中没有压力时，喷油器弹簧将喷油器关闭。

a.喷油器关闭（静止状态）：电磁阀在静止状态不被控制，因此是关闭的（图1-25a）。回油节流孔关闭时，衔铁的钢球通过阀弹簧压在回油节流孔的座面上。阀控制室内建立起共轨高压，同样的压力也存在于喷油器的内腔容积中。共轨压力在控制柱塞端面上施加的力和喷油器弹簧力使针阀克服作用在其承压面上的开启力而处于关闭状态。

b.喷油器打开（喷油开始）：喷油器处于静止状态时，一旦电磁线圈通入吸动电流，电磁线圈的吸力大于阀弹簧力，衔铁就将回油节流孔打开（图1-25b）。由于磁路的空隙较小，因此有可能在极短的时间内，急剧升高的吸动电流转换成较小的电磁阀保持电流。随着回油节流孔的打开，燃油从阀控制室流入其上面的空腔，并经回油通道返回油箱，使阀控制室内的压力下降，而进油节流孔可防止压力完全平衡，导致阀控制室内的压力小于喷油器内腔容积中的压力，从而针阀被打开，开始喷油。

针阀的开启速度取决于进、回油节流孔之间的流量差。控制柱塞达到其上极限位置，并在该处固定在进、回油节流孔之间的燃油垫上。此时喷油器完全被打开，燃油以近似共轨压力喷入燃烧室。喷油器上的力分布大致等于开启阶段中的力分布。

c.喷油器关闭（喷油结束）：如果电磁阀控制电流结束，则衔铁在阀弹簧力的作用下向下将钢球压在阀座上，关闭回油节流孔。衔铁被设计成由两部分组合，虽然衔铁盘由衔铁销带着一起向下运动，但它是压着复位弹簧一起向下运动的，因此衔铁和钢球的落座没有较大的向下冲击力。

由于回油节流孔的关闭，进油节流孔的进油又使控制室中建立起与共轨中相同的压力，从而使作用在控制活塞上的力增加，再加上弹簧力，超过了喷油器内腔容积中的液压力，至此针阀关闭。

国Ⅲ柴油机故障诊断及典型案例分析

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