控高壓共軌柴油機(jī)工作原理與故障診斷

1、康明斯電控柴油機(jī)高壓油軌油壓過(guò)低的故障診斷摘要：本文主要介紹康明斯電控高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，由于噴油器泄漏，引起蓄壓器（油軌）內(nèi)燃油壓力下降，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難，動(dòng)力下降的故障現(xiàn)象，通過(guò)控制過(guò)程分析和油壓測(cè)試等方法進(jìn)行診斷，并排除故障。關(guān)健詞：高壓共軌 工作原理 油壓測(cè)試 故障診斷前言：隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，汽車(chē)技術(shù)也隨之日新月異，作為汽車(chē)動(dòng)力核心的發(fā)動(dòng)機(jī)，也從原來(lái)的傳統(tǒng)式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娍厝加蛧娚涫桨l(fā)動(dòng)機(jī)。柴油機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了位置控制到時(shí)間控制，現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展到時(shí)間-壓力控制方式，即高壓共軌系統(tǒng)。隨著高壓共軌電控柴油機(jī)的大量應(yīng)用，其使用維修問(wèn)題也日益突出。本人在對(duì)一臺(tái)康明斯ISBe220

2、-31型電控高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難，動(dòng)力下降，油耗增大的故障診斷過(guò)程中，為了弄清問(wèn)題排除故障，我作了比較深入的系統(tǒng)控制過(guò)程分析和診斷。一 故障現(xiàn)象我公司在2007年新購(gòu)進(jìn)了45臺(tái)金龍KLQ6891GA的大客車(chē)，該車(chē)采用康明斯ISBe220-31型電控高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。有一天，一臺(tái)車(chē)的主班司機(jī)進(jìn)廠(chǎng)報(bào)修故障是這兩天來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難，動(dòng)力下降，油耗增大，經(jīng)過(guò)和司機(jī)的交談，進(jìn)一步了解到，無(wú)論是冷車(chē)、熱車(chē)都起動(dòng)困難，這種故障不但對(duì)汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性有影響，而且大大縮短蓄電池的使用壽命。二、驗(yàn)證故障現(xiàn)象試啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，連續(xù)5次啟動(dòng)，都沒(méi)有著車(chē)跡象，第6次才勉強(qiáng)啟動(dòng)，啟動(dòng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)一切正常，儀表顯

3、示正常（水溫表指示85）故障燈也不亮，再進(jìn)行路試，感覺(jué)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力明顯不如以前充足。三、初步檢查1、檢查起動(dòng)系工作狀況起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，觀察起動(dòng)時(shí)起動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)有力，轉(zhuǎn)速應(yīng)為足夠。（ISBe柴油機(jī)所需發(fā)動(dòng)機(jī)最低啟動(dòng)轉(zhuǎn)速為150r/min），用萬(wàn)用表檢查起動(dòng)時(shí)蓄電池電壓為22V，正常，說(shuō)明起動(dòng)系工作正常。2、目視檢查電控系統(tǒng)各線(xiàn)束接頭連接正常。高壓/低壓燃油管、燃油濾清器、高壓油泵、蓄壓器都無(wú)滲漏滴油現(xiàn)象。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，視查曲軸箱通風(fēng)口排出的廢氣很小，以經(jīng)驗(yàn)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該沒(méi)有拉缸，斷活塞環(huán)現(xiàn)象。視查排氣管排出的廢氣，消聲器，排氣管應(yīng)該是暢通的。3、檢查低壓燃油拆下燃油濾清器出口的低壓油管，用手壓動(dòng)手搖泵，發(fā)

4、現(xiàn)滿(mǎn)管的燃油流出來(lái)，也沒(méi)帶氣泡，再裝上油管，壓動(dòng)手搖泵，感覺(jué)阻力很大，以經(jīng)驗(yàn)判斷低壓油路應(yīng)該沒(méi)問(wèn)題。常規(guī)檢查沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。為了尋找故障原因，先弄清楚發(fā)動(dòng)機(jī)的控制過(guò)程。四、高壓共軌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與控制過(guò)程1、系統(tǒng)概述柴油機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了位置控制到時(shí)間控制，現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展到時(shí)間-壓力控制方式，即高壓共軌系統(tǒng)。高壓共軌燃油噴射技術(shù)，德國(guó)博世公司也已將該技術(shù)發(fā)展到了第三代?？得魉笽SBe發(fā)動(dòng)機(jī)用的是德國(guó)博世公司生產(chǎn)的第一代高壓共軌燃油噴燃系統(tǒng)，其參數(shù)特征見(jiàn)表1。表1 德國(guó)博世公司第一代高壓共軌燃油噴燃系統(tǒng)特征參數(shù)特 性第一代共軌燃油噴射系統(tǒng)最大噴射壓力1350bar噴油器帶電磁閥的噴油器噴嘴油孔型式

5、柱式(內(nèi)外一致)噴孔直徑和數(shù)量0.2mm;5孔噴射次數(shù)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和排放要求有預(yù)噴、主噴1次2次達(dá)到的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)歐2、電子共軌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 電子控制高壓共軌系統(tǒng)由電子控制和燃油供給兩大部分組成，如圖1所示。 圖1康明斯電子控制共軌系統(tǒng)的組成1 電子控制部分電子控制部分由各種傳感器（如曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、油門(mén)踏板傳感器、各種溫度和壓力傳感器等）、ECM和執(zhí)行器（如噴油器、電磁閥）等組成。電控系統(tǒng)的功能是根據(jù)各種傳感器輸入的信號(hào)，由ECM經(jīng)過(guò)比較，運(yùn)算、處理后得出最佳噴油時(shí)刻和噴油量，向噴油器發(fā)出開(kāi)啟或關(guān)閉電磁閥的指令，從而精確控制與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷相適應(yīng)的噴油量。2燃油供給部分高壓

6、共軌系統(tǒng)為蓄壓器共軌系統(tǒng)，該系統(tǒng)由油箱、柴油濾清器、軸油泵、VP分配式高壓油泵、高壓/低壓燃油管、蓄壓器（油軌）、噴油器和回油管等組成。如圖2所示，燃油供給系統(tǒng)又分為低壓部分和高壓部分。 圖2康明斯電子控制共軌燃油系統(tǒng)的燃油供給部分 細(xì)箭頭部分為低壓部分 粗箭頭部分為高壓部分(3)高壓共軌系統(tǒng)的工作過(guò)程燃油由發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸驅(qū)動(dòng)的齒輪泵從油箱中抽出，經(jīng)油水分離器和濾清器濾清后，進(jìn)入供油泵，此時(shí)燃油壓力為0.2Mpa。然后，油流分為兩路：一路經(jīng)過(guò)安全閥的小孔作為冷卻油通過(guò)供油泵的凸輪軸流入壓力控制閥，然后流回油箱；另一路充入VP分配式高壓泵中。在VP分配式高壓泵中，燃油被加壓，通過(guò)安裝在油泵上的電控

7、燃油壓力控制閥，將油泵輸出油壓調(diào)節(jié)到25140MPa后輸送到高壓油軌，以適應(yīng)不同工況對(duì)高壓油軌油壓的需求。油軌上安裝了傳感器和壓力限制閥，用壓力限制閥來(lái)限制共軌壓力不高于140MPa。高壓柴油從高壓油軌經(jīng)高壓油管進(jìn)入噴油器后，又分兩路：一路直接入燃燒室；另一路在噴油期間針閥導(dǎo)向部分和套筒與柱塞縫隙處泄漏的多余燃油一起流回油箱，如圖3所示。 圖3康明斯電子控制系統(tǒng)的工作原理五、故障診斷根據(jù)以上對(duì)電控高壓共軌的工作過(guò)程分析，從中得知，發(fā)動(dòng)機(jī)的傳感器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能和動(dòng)力性起到關(guān)鍵性的作用。并結(jié)合故障現(xiàn)象對(duì)主要的幾個(gè)傳感器進(jìn)行檢查1、檢查水溫傳感器水溫傳感器是柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)控制噴油的主信號(hào)。撥下水溫

8、傳感器配線(xiàn)插頭，打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，測(cè)得電壓為4.7V屬于正常。測(cè)得水溫傳感器電阻為1.9K 當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度約為25，正常值為1700-2500，水溫傳感器正常。2、檢查油門(mén)踏板位置傳感器油門(mén)踏板位置傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器配合，計(jì)算出基本噴油量和基本噴油時(shí)刻，是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)控制噴油的主信號(hào)。拔下油門(mén)踏板位置傳感器配線(xiàn)插頭，打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，測(cè)量觸針A與觸針C之間的電壓，測(cè)得電壓為4.98V屬于正常油門(mén)踏板位置傳感器的電阻測(cè)量值見(jiàn)表2。從表2看出，油門(mén)踏板位置傳感器正常。表2 油門(mén)踏板位置傳感器的電阻測(cè)量值油門(mén)踏板位置端子名稱(chēng)電阻測(cè)量值電阻測(cè)量值釋放油門(mén)踏板觸針B與觸針C之間2.77K25003000踩下

9、油門(mén)踏板觸針B與觸針C之間1.03K2501500踏板在釋放或踩下位置觸針A與觸針C之間2.89K20003000從故障現(xiàn)象和故障燈不亮來(lái)分析，曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器應(yīng)該沒(méi)問(wèn)題。以上測(cè)得各主要傳感器的電壓，電阻值都在正常范圍，使檢查工作很難繼續(xù)，經(jīng)過(guò)我對(duì)故障現(xiàn)象的深思，決定圍繞柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的三要素進(jìn)行檢查。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作必須滿(mǎn)足以下三個(gè)條件：合適的噴油量和噴油正時(shí)；足夠的氣缸壓力；預(yù)熱系統(tǒng)正常。這堪稱(chēng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)三要素。預(yù)熱系統(tǒng)為冷起動(dòng)的輔助功能，因?yàn)榇塑?chē)故障在熱車(chē)也有，發(fā)動(dòng)機(jī)帶渦輪增壓器，此系統(tǒng)可以暫不考慮檢查。足夠的氣缸壓力：如氣缸內(nèi)壓縮壓力不夠柴油是很難燃燒的。查找維修檔案，發(fā)

10、現(xiàn)此車(chē)三個(gè)月前剛大修過(guò)，發(fā)動(dòng)機(jī)也不燒機(jī)油，前面也檢查過(guò)曲軸箱通氣口的廢氣，以經(jīng)驗(yàn)判斷，氣缸壓力應(yīng)該沒(méi)問(wèn)題。合適的噴油量和噴油正時(shí)：從電控高壓共軌的工作過(guò)程得知，電控系統(tǒng)根據(jù)各種傳感器輸入的信號(hào)，由ECM經(jīng)過(guò)比較，運(yùn)算，處理后得出最佳噴油時(shí)間和噴油量。根據(jù)以上的檢查結(jié)果和故障現(xiàn)象分析，電控部分沒(méi)有顯示故障。噴油壓力影響噴油量，燃油壓力越大，噴油能量愈高，噴霧愈細(xì)，混合氣形成和燃燒愈完全，柴油機(jī)的排放性能和動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性都會(huì)得到進(jìn)步改善，同時(shí)又可以縮短著火落后區(qū)。為了盡快從燃油供給部分找出問(wèn)題，我決定用測(cè)試油壓的方法來(lái)進(jìn)行排查。六 油壓測(cè)試表3是康明斯ISBe柴油機(jī)燃油系技術(shù)數(shù)據(jù)。表3 康明斯IS

11、Be柴油機(jī)燃油系技術(shù)數(shù)據(jù)項(xiàng) 目數(shù) 據(jù)項(xiàng) 目數(shù) 據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速/(r/min)600800最高進(jìn)油溫度/80齒輪泵的最大燃油進(jìn)油阻力/kPa50.7發(fā)動(dòng)機(jī)最低啟動(dòng)轉(zhuǎn)速/(r/min)150油軌壓力/bar2501400柴油型號(hào)推薦使用ASTM2號(hào)燃油濾清器出口的燃油壓力/bar3.011.0(發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí))在環(huán)境溫度低于時(shí)建議使用2號(hào)和1號(hào)混合柴油燃油濾清器進(jìn)口的燃油壓力/bar513(發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí))40時(shí)柴油黏度必須超過(guò)2.0cst燃油濾清器最大壓降/ bar2.0燃油回油管最大阻力/ bar1.2柴油含硫量不得超過(guò)0.05(質(zhì)量分?jǐn)?shù))我廠(chǎng)油壓表量程最高為600bar,為防止油壓過(guò)高油壓表爆

12、裂,以下測(cè)量的油壓為拆下曲軸位置傳感器打馬達(dá)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)(發(fā)動(dòng)機(jī)未運(yùn)轉(zhuǎn))的油壓。檢查低壓部分：拆下燃油濾清器出口的低壓油管，將燃油壓力表插入燃油濾清器座，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)（ISB e220-31型發(fā)動(dòng)機(jī)輸油泵為機(jī)械泵），所測(cè)得壓力為10bar，從表3可以看出燃油濾清器出口的燃油壓力為3.011.0bar ,屬于正常范圍，說(shuō)明柴油濾清器，油水分離器、油管無(wú)堵塞，輸油泵工作正常。也證明前面的判斷是正確的。 再檢查高壓部分：先拆下高壓油泵到油軌的高壓油管，將燃油壓力表裝在高壓油泵出油口處，此時(shí)高壓油沒(méi)有進(jìn)入高壓油軌，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，所測(cè)得壓力大約為350bar。從表三可以看出正常壓力為2501400 bar，

13、屬于正常范圍，說(shuō)明高壓油泵和電控燃油壓力控制閥工作正常。裝上高壓油泵到油軌的高壓油管，拆下燃油壓力傳感器，將燃油壓力表裝在油軌上，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)5次，壓力表指針在180bar200bar之間徘徊，從表3可以看出正常壓力為2501400 bar，實(shí)測(cè)壓力明顯偏低，說(shuō)明噴油器和/或限壓閥有泄漏。 從以上通過(guò)測(cè)試油壓得出結(jié)論，限壓閥、噴油器可能有泄漏，下一步先來(lái)對(duì)限壓閥、噴油器的工作原理進(jìn)行了解。3限壓閥的構(gòu)造與工作過(guò)程 限壓閥的構(gòu)造與工作過(guò)程：限壓閥是個(gè)機(jī)械裝置，包括底座螺絲擰到軌道上一端連接到油箱的回油管，可移動(dòng)的柱塞，彈簧等部件如圖4所示。圖4康明斯限壓閥的構(gòu)造限壓閥連接到軌道上以后，底座上有一個(gè)

14、通道，一個(gè)圓錐形的柱塞與底座的表面接角，形成密封面，在正常的工作壓力135MPa下，彈簧推動(dòng)柱塞與底座接合，軌道保持壓力。當(dāng)壓力過(guò)高達(dá)到140MPa時(shí)，柱塞被軌道壓力推動(dòng)，克服彈簧壓力，燃油通過(guò)壓力內(nèi)部的通道流回油箱，當(dāng)閥門(mén)打開(kāi)時(shí)，軌道中的壓力便會(huì)降低。通過(guò)以上對(duì)壓力閥的工作過(guò)程分析得知：如果壓力閥有泄漏，回油管也定有燃油流出，拆下回油管，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)回油口流出燃油，說(shuō)明壓力閥工作正常。那么，泄漏高壓燃油的故障只有是噴油器造成的。4、噴油器的構(gòu)造與工作過(guò)程 噴油器的構(gòu)造：燃油器主要由噴油嘴部分，油壓活塞部分和電磁閥部分組成，如圖5所示。 圖5康明斯噴油器的結(jié)構(gòu) 噴油器的工作過(guò)程：如圖所

15、示5，當(dāng)噴油器電磁閥未被觸發(fā)時(shí)，泄油量孔2在小彈簧彈力作用下也關(guān)閉，共軌高壓油經(jīng)量孔1進(jìn)入控制室，控制室內(nèi)形成共軌高壓油，高壓油壓在油壓活塞端面上使噴油器處于關(guān)閉狀態(tài)。同樣，在噴嘴腔內(nèi)也形成共軌高壓，共軌高力對(duì)油壓活塞端面的壓力和噴嘴彈簧的壓力與高壓燃油作用在針閥錐面上的向上壓力相平衡，使針閥保持關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)電磁閥被觸發(fā)時(shí)，電磁力將泄油量孔2打開(kāi)，燃油從控制室流到上方的空腔中，并從空腔通過(guò)回油通道返回油箱，使控制室中的壓力下降，控制室中的壓力降低，減小了作用在油壓活塞端面上的壓力，這時(shí)噴針閥被打開(kāi)，噴油器開(kāi)始噴油。五故障的排除通過(guò)以上對(duì)噴油器的工作過(guò)程分析得知，噴油器存在兩處泄漏的地方，一個(gè)是

16、噴油嘴密封不嚴(yán)，造成燃油直接漏入氣缸，另一個(gè)是控制室密封不嚴(yán)，造成泄油量孔2關(guān)閉時(shí)泄漏。而發(fā)動(dòng)機(jī)有六個(gè)噴油器，到底是哪一個(gè)出了問(wèn)題呢？因?yàn)閲娪推鞒龅氖菣C(jī)械故障，所以診斷系統(tǒng)不可能診斷出故障碼。我決定用一個(gè)比較傳統(tǒng)的方法，加工一個(gè)油塞，逐一對(duì)六個(gè)缸的高壓油管進(jìn)行阻塞。如果塞到哪個(gè)缸的高壓油管，發(fā)動(dòng)機(jī)能順利啟動(dòng)，說(shuō)明就是哪個(gè)缸的噴油器有泄漏。當(dāng)塞到第三缸時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)順利啟動(dòng)，說(shuō)明第三缸噴油器有泄漏，拆下第三缸噴油器，把總成拆散，發(fā)現(xiàn)控制閥的密封環(huán)有磨損和裂痕，如圖6所示。調(diào)試噴油器必須有一套專(zhuān)業(yè)的設(shè)備，把噴油器拿到博世公司指定的維修點(diǎn)進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)噴油嘴部分也有泄漏現(xiàn)象，更換噴油器的修理包，調(diào)試好，裝上發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)順利啟動(dòng)，加油順暢。圖6康明斯噴油器的磨損部件六結(jié)束語(yǔ)通過(guò)對(duì)這臺(tái)康明斯