非道路柴油機共軌技術及電器故障案例分析

高彥玉+楊陸強+陳凱+時玲+趙玉清

摘 要：隨著高壓共軌技術的不斷完善，非道路移動機械用柴油機的性能得到較大地改進。我國根據柴油機排放污染物含量、氮氧化物等制訂了相關標準，目前非道路高壓共軌產品進入到第三階段，該階段將非道路柴油機噴油器作了特殊設計，能實現(xiàn)多次噴射，同時降低油耗，減少排放。敘述了高壓共軌技術的組成及原理，對柴油機中比較典型的三種傳感器故障案例進行了分析，并提出了部分關于共軌燃油系統(tǒng)的日常維護意見，為非道路移動機械駕駛員提供一些參考意見。

關鍵詞：非道路移動機械；電控共軌；故障分析；日常維護

中圖分類號：S219.031 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.07.006

Analysis of common rail technology and electrical failure of non-road diesel engine

Gao Yanyu ， Yang Luqiang， Chen Kai， Shi Ling， Zhao Yuqing

（School of mechanical and electrical engineering， Yunnan Agricultural University， Kunming 650201， China）

Abstract： With the continuous improvement of the high pressure common rail technology， the performance of the diesel engine for non-road mobile machinery has been greatly improved. Our country has established the relevant standards according to the diesel engines emissions， nitrogen oxides and other pollutants content， the non-road high pressure common rail products has entered into the third stage， the stage of non-road diesel injector made a special design， can achieve multiple injection at the same time， reduce fuel consumption， reduce emissions. In this paper， the composition and principle of the high voltage common rail system are analyzed， and the three important sensors and the fault of the diesel engine are analyzed. Some suggestions about the daily maintenance of common rail fuel system are put forward in this paper.

Keywords： Non-road mobile machinery； Electric-control common rail injection； Malfunction analysis； Daily maintenance

0 引言

當今社會，道路車輛的排放污染控制效果越來越好，而非道路移動機械的排放污染物卻成了環(huán)境污染的主要來源，通常所說的非道路移動機械主要有工程機械、農業(yè)機械、小型通用機械和柴油機發(fā)電機組等幾種[1]。目前，柴油機是非道路移動機械的主要能源動力之一，過去，柴油機由于工作過程中振動和噪聲較大，且排放氣體嚴重污染環(huán)境，影響著人類生活，所以對其進行改善是必要的。科學技術在不斷提高，人類將高壓共軌技術使用于柴油機方面，高壓共軌技術經過多年的發(fā)展，達到了穩(wěn)定成熟階段。該技術中由于共軌管內有穩(wěn)定的高壓燃油輸送到噴油器，通過噴油器上的高速電磁開關閥控制噴油量[2]，能使柴油機實現(xiàn)最好的燃燒比、霧化質量高、點火時間適當、點火能量足夠、排放污染最少，較好地解決了柴油機冒黑煙、噪音大等問題[3]。

1 高壓共軌技術

1.1 高壓共軌系統(tǒng)簡介

我國根據柴油機排氣污染物制訂了一系列的排放標準，其中，在中華人民共和國國家標準《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國三、四階段）》中規(guī)定了非道路移動機械用柴油機第三階段排氣污染物排放限值和測量方法，該階段的標準相當于歐盟非道路移動機械排放標準的ⅢA階段，并提出了第四階段的預告性要求。

國三階段高壓共軌柴油機相比傳統(tǒng)柴油機在電器部分增加了電子控制單元（ECU）、發(fā)動機端線束、整車端線束、各傳感器（曲軸傳感器、凸輪軸傳感器、電子油門踏板、軌壓傳感器、水溫傳感器、空氣流量計）、各執(zhí)行器（帶電磁閥噴油器、燃油計量單元（VCV閥、EGR閥）等電器元件，具有啟動性能好、油耗低等優(yōu)點。

1.2 共軌技術原理

共軌技術分為兩大系統(tǒng)模塊：高壓燃油供給系統(tǒng)和ECU電路控制系統(tǒng)，高壓燃油供給系統(tǒng)主要包含了以下幾個部分，即高壓油泵、高壓油管、高壓共軌管、電磁式噴油器[4]。ECU電路控制系統(tǒng)由傳感器、ECU、線束、執(zhí)行器組成。它們之間關系及各個部分的功能見圖1。

共軌系統(tǒng)的工作原理：在油泵內部的輸油泵，把燃油從油箱中抽出經柴油粗濾器（帶油水分離器）——燃油細濾器過濾，此時油路分成兩部分，一部分經過比例電磁閥（進油計量閥）后送至噴油泵柱塞腔，柱塞加壓后送至共

圖2 高壓共軌油路原理圖

軌管（35～180 MPa），經高壓油管送至噴油器[5]。另一部分當輸油泵內油壓大于0.4～0.5 MPa后經過限流閥回至

進油管。共軌管上的軌壓傳感器監(jiān)測共軌管內燃油壓力，并將信號反饋給ECU，ECU通過調節(jié)噴油泵上的比例電磁閥開度，控制軌壓壓力。其工作原理圖如圖2所示。

1.3 非道路柴油機第三階段排放特點

電控高壓共軌三階段產品的主要技術特點有：全范圍實現(xiàn)噴油精確閉環(huán)控制，油耗低；噴油正時控制精度高，采用預噴技術，噪聲低；采用活塞冷卻噴嘴，機油消耗率低；24 V/12 V電器系統(tǒng)，缸內預熱，啟動性能好；優(yōu)化進氣系統(tǒng)，采用中低渦流比的進氣道，提高進氣流量；技術改進燃燒室，提高燃燒組織的有效性[6]；采用密封和抗爆性能較好的金屬汽缸墊，保證燃燒容積和壓縮比一致，提高排放控制一致性和整機可靠性；采用供油壓力180～220 MPa的國產高壓共軌供油系統(tǒng)，保證有效組織燃燒，降低排放和噪聲。

在2014年5月15日，國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局與環(huán)境保護部聯(lián)合頒布中華人民共和國國家標準GB20891-2014 《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）》標準[7]。2015年10月1日起，所有制造和銷售的非道路移動機械用柴油機，其排氣污染物排放必須符合標準GB20891-2014第三階段要求[11]。2016年4月1日起，所有制造、進口和銷售的非道路移動機械不得裝用不符合GB20891-2014標準第三階段要求的柴油機[8]。

非道路三階段與二階段的區(qū)別如表1所示。

從表1可以看出：非道路用柴油機國三標準中，對污染物的排放限值要求更嚴格，即國三比國二排放限值提升較大的是NOx且為THC與NOx的加權值[9]；THC+NOx降低幅度約為30%～40%，CO沒有發(fā)生任何變化，PM在19≤Pmax<37和Pmax<8功率段有所下降，下降幅度分別為25%和20%；我國19 kW以下機型數量較大，排放水平低，污染物排放占非道路移動機械較大比例，國家應重點關注控制。此外，在國三階段柴油機中燃油得到精確噴射，使得其燃油經濟性提高，從一定程度上節(jié)約資源。

2 共軌柴油機故障分析

2.1 非道路柴油機故障分析

柴油機在工作中由于不同的原因會導致不同的故障，非道路移動機械故障從用途上大致分為四種，即裝載機故障、收割機故障、叉車故障和拖拉機故障；從導致故障的原因上大致分為以下四種：電路故障、油路故障（低壓油路故障和高壓油路故障）、氣路故障（進氣故障和排氣故障）、機械故障。對故障進行診斷的工具有診斷儀、故障指示燈和萬用表三種，此外，還可以根據工作人員的經驗進行判斷。

非道路高壓共軌柴油機中使用較多的傳感器，在整個柴油機中傳感器的作用便是檢測所有的信號，并將這些檢測到的信號反饋到執(zhí)行器。各個傳感器都起著一定的作用，缺一不可。在這些傳感器中常用且較重要的有軌壓傳感器（測量共軌管內的實際壓力，用于軌壓控制計算）、曲軸傳感器（確定曲軸的位置，進行噴油時刻、瞬態(tài)轉速、噴油量的計算）、凸輪軸傳感器（進行判缸、信號校驗，與曲軸傳感器配合工作確定基本點火時刻）三種。

2.2 柴油機電器故障案例分析

在柴油機出現(xiàn)的故障中，一種異常的現(xiàn)象可能由幾種故障造成。對柴油機異?，F(xiàn)象進行分析查找故障具有重要作用。

（1）動力不足，冒黑煙

對柴油機出現(xiàn)動力不足，冒黑煙現(xiàn)象進行分析，總結可能的原因建立表2所示。

現(xiàn)對一發(fā)動機出現(xiàn)此現(xiàn)象進行分析，按圖3進行檢測。燃油品質符合使用要求，用故障診斷儀進行監(jiān)測故障燈常亮，檢測的故障碼為P0302，單缸噴油器接插件為插拔到位，初步判斷故障原因為電器故障[9]。重新插拔噴油器傳感器后故障消失，分析認為出現(xiàn)該故障時由發(fā)動機震動造成傳感器松脫，噴油器電磁閥失效，發(fā)動機單缸不工作，造成發(fā)動機動力不足。

（2）啟動困難

一發(fā)動機在啟動過程中較難啟動，在啟動過程中有故障燈常亮現(xiàn)象，監(jiān)控故障代碼為P0335，按表3的分析，可以判斷出現(xiàn)該故障的原因是對凸輪軸傳感器進行干擾導致曲軸傳感缺失。參考圖4，發(fā)動機未啟動，用示波器對曲軸傳感器與凸輪軸傳感器信號進行監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，鑰匙通電的瞬間凸輪軸會產生一個電流脈沖（干擾源）。控制系統(tǒng)會默認發(fā)動機處于運轉狀態(tài)，但ECU沒有接收到曲軸信號，所以才會報出曲軸傳感器缺失故障?，F(xiàn)場對凸輪軸傳感器附近的電路進行排查發(fā)現(xiàn)整車的搭鐵線接在凸輪軸傳感器處。在通電瞬間有電流通過，對凸輪軸傳感器信號進行干擾[10]?，F(xiàn)場將此處的搭鐵線移至車架上后故障排除。

3 共軌燃油系統(tǒng)日常維護需要注意的問題

（1）高壓電控共軌對燃油的清潔度與含水量要求較高。不清潔的燃油會導致油軌腐蝕，縮短使用壽命[11]。因此在對電控燃油系統(tǒng)維護保養(yǎng)時要保持操作現(xiàn)場清潔。

（2）定期更換燃油濾清器和油水分離器。

（3）應加注符合國家標準的燃油。

（4）燃油管路在拆裝過程中應妥善保管，避免有臟物進入。高壓油管中的油壓較高，發(fā)動機在運轉過程中禁止拆卸高壓油管，一定要停機靜置15 min以上才能拆卸[11]。

（5）柴油濾清器更換周期：每運行1.5萬km或累計運行300 h更換一次濾清器。在柴油濾清器的更換中，用力需均勻，以免發(fā)生變形[11]。

4 結語

高壓共軌技術具有改善生產力、科學維修更便利；經濟省油，節(jié)能；改善發(fā)動機排放，降低污染等優(yōu)點。目前大多共軌動力在整車實驗過程中，煙度限值均達到國家排放標準要求，沒有黑煙排放，無黑煙主要是因為共軌管可以儲蓄高壓燃油，保證各缸噴射時刻、噴射壓力、噴油量一致，燃油均勻噴向氣缸，結合進氣計算，對燃料實現(xiàn)了最大程度的利用。電控共軌燃油系統(tǒng)無論是在噴射壓力還是在柔性控制方面優(yōu)點都突出[12]。在非道路用柴油機達到第四階段排放標準限值時，必須采用電控高壓共軌和后處理技術，而四氣門技術的柴油機也將逐步出現(xiàn)。在未來將高噴油壓力和柔性控制集于一身的具有高壓和高靈活性的電控共軌系統(tǒng)將具有較好的發(fā)展前景[13]。

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