電控柴油機(jī)起動(dòng)過程故障研究

陳有兵，魏志友，夏東徽，張成國，張宗英，曹東明

(1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊　261061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊　261061)

引言

電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)是指ECU根據(jù)駕駛員的起動(dòng)請(qǐng)求，通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和整車狀態(tài)的判斷，控制起動(dòng)機(jī)工作從而帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的過程[1]。在起動(dòng)過程中，起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)曲軸通過凸輪軸控制氣門共同完成進(jìn)排氣動(dòng)作。齒輪室中的中間齒輪則帶動(dòng)高壓油泵齒輪完成高低壓油路的供油。對(duì)于柴油機(jī)的起動(dòng)而言，供油、供氣和起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)柴油機(jī)所達(dá)到的起動(dòng)轉(zhuǎn)速是直接左右起動(dòng)是否成功的三要素。

此外，起動(dòng)還受環(huán)境、負(fù)載等諸多因素影響。因此研究柴油機(jī)的起動(dòng)過程故障對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能具有重要意義[2]。

1　起動(dòng)過程故障分類

1.1　按照系統(tǒng)分類

柴油機(jī)起動(dòng)過程涉及的因素較多[3]，其中供油、供氣和起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是主要的因素。三者需相互配合才能使柴油機(jī)順利起動(dòng)。任何一方出現(xiàn)問題都會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難或無法起動(dòng)。起動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)受柴油機(jī)電控單元ECU的控制，控制起動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的電路故障也會(huì)影響柴油機(jī)的起動(dòng)。如果起動(dòng)機(jī)所帶動(dòng)的柴油機(jī)傳動(dòng)件出現(xiàn)故障，會(huì)造成柴油機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)不到起動(dòng)要求而無法起動(dòng)的故障。如果裝配發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛或機(jī)械出現(xiàn)故障造成發(fā)動(dòng)機(jī)承受扭矩過大，同樣會(huì)造成起動(dòng)轉(zhuǎn)速達(dá)不到起動(dòng)要求，致使柴油機(jī)無法起動(dòng)。

圖1　起動(dòng)過程故障按系統(tǒng)分類圖

從系統(tǒng)角度可將起動(dòng)故障劃分為油路故障、氣路故障、電路故障、柴油機(jī)硬件故障和負(fù)載故障。如圖1所示。

以上五類故障又可根據(jù)系統(tǒng)分類方法進(jìn)行細(xì)分。按照供油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可將油路故障進(jìn)行細(xì)分為如圖2所示。

油路故障有時(shí)候只是表面現(xiàn)象，因燃油系統(tǒng)部件都是精密件，制造精密，質(zhì)量相對(duì)較好，自身出現(xiàn)故障的可能性比較小。油路故障受外因的影響較大，這個(gè)外因主要是燃油。燃油含水較多會(huì)造成銹蝕，雜質(zhì)多會(huì)造成堵塞，燃油成分不過關(guān)會(huì)造成噴油器的損壞等。當(dāng)遇到油路零部件故障需追根究底，找到根本原因，否則換了部件還會(huì)造成損壞[4]。

柴油機(jī)的氣路主要包括進(jìn)氣管、空氣濾清器、中冷器、渦輪增壓器、排氣管、消聲器、排氣制動(dòng)蝶閥等部件。往往故障點(diǎn)也在這些部件上。氣路故障按系統(tǒng)分類如圖3所示。

圖2　油路故障按系統(tǒng)分類細(xì)分圖

圖3　氣路故障按系統(tǒng)分類細(xì)分圖

圖4　起動(dòng)系統(tǒng)電路圖

電路故障對(duì)于普通工程維修人員是比較難于解決的一類故障。維修人員首先要了解電控柴油機(jī)系統(tǒng)的原理，熟悉電路，才能有目的有針對(duì)性的檢查電路。否則有可能產(chǎn)生處處都正常或者處處是故障的錯(cuò)覺。

圖4為某款柴油機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)的電路圖，T15為駕駛室鑰匙的上電開關(guān)，T50為起動(dòng)開關(guān)。

根據(jù)系統(tǒng)電路圖，將電路故障進(jìn)行分類，如圖5所示。

在電路故障中有的故障是由外界電路引起的。比如大電流輸入造成系統(tǒng)內(nèi)某些零部件損壞。此類故障不僅要切換損壞零部件，還需要找到零部件損壞的根本原因，這樣才能避免類似故障再次發(fā)生。

圖5　電路故障按系統(tǒng)分類細(xì)分圖

在以上分類中沒有提到環(huán)境因素，可將環(huán)境對(duì)柴油機(jī)的影響細(xì)分到各個(gè)系統(tǒng)中，外在表現(xiàn)即為進(jìn)氣溫度過低、燃油過于黏稠、燃油溫度過低、柴油機(jī)摩擦扭矩過大等。

柴油機(jī)是—種復(fù)雜的往復(fù)式動(dòng)力機(jī)械,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,運(yùn)動(dòng)部件多[5]。電控柴油機(jī)硬件故障即是指由柴油機(jī)的各個(gè)零部件引起的故障，與機(jī)械泵柴油機(jī)類似。其中曲軸和凸輪軸的同步信號(hào)錯(cuò)誤經(jīng)常會(huì)造成柴油機(jī)無法起動(dòng)和起動(dòng)困難。由凸輪軸和曲軸安裝角度問題引起的故障也屬于機(jī)械故障。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)除了要克服空氣壓縮阻力和自身各個(gè)部件摩擦阻力外[6]，還需克服所帶負(fù)載阻力，負(fù)載故障即是由于與柴油機(jī)飛輪連接的設(shè)備出現(xiàn)故障造成負(fù)載過大而導(dǎo)致的起動(dòng)故障。硬件和負(fù)載這兩類故障可以通過診斷工具進(jìn)行監(jiān)測確認(rèn)故障的原因。

1.2　按照產(chǎn)品開發(fā)過程分類

從產(chǎn)品開發(fā)過程考慮，可將起動(dòng)過程故障分為首臺(tái)樣機(jī)起動(dòng)故障和批量產(chǎn)品起動(dòng)故障。首臺(tái)樣機(jī)起動(dòng)故障產(chǎn)生的原因多由于產(chǎn)品不成熟，沒有經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)造成柴油機(jī)無法正常起動(dòng)。其中有ECU數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)原因造成的故障、裝配錯(cuò)誤造成故障、柴油機(jī)與整車匹配造成故障等。這些故障在產(chǎn)品進(jìn)行批量生產(chǎn)時(shí)是極少發(fā)生的。首臺(tái)樣機(jī)起動(dòng)時(shí)同樣會(huì)遇到批量產(chǎn)品起動(dòng)產(chǎn)生的故障。

1.3　按照起動(dòng)機(jī)工作情況分類

從起動(dòng)機(jī)工作情況的角度考慮，可以將起動(dòng)過程故障分為起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)起動(dòng)故障和起動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)起動(dòng)故障。這種分類便于對(duì)故障進(jìn)行針對(duì)性的處理。起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)說明起動(dòng)電路的連接沒有問題，可以省去檢查電路連接的復(fù)雜工作。如果起動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)說明電路不通，可將注意力集中到檢查電路問題上去。

1.4　按照故障指示情況分類

柴油機(jī)采用電控和機(jī)械泵的區(qū)別除了噴油受ECU 控制之外，電控柴油機(jī)還具有完善的故障診斷管理系統(tǒng)。因電路連接等造成的故障均可通過故障燈或者總線儀表給出的提示進(jìn)行處理，給故障處理工作帶來極大的便利?？蓪⑵饎?dòng)故障按照故障指示情況分為有故障指示故障和無故障指示故障。

解決電控柴油機(jī)故障時(shí)應(yīng)充分利用柴油機(jī)給出的故障指示，有針對(duì)性的進(jìn)行處理。如果沒有故障指示，則需要根據(jù)現(xiàn)象和產(chǎn)品開發(fā)過程分類進(jìn)行初步判斷，再根據(jù)起動(dòng)機(jī)工作情況進(jìn)行初步分類，最后按照系統(tǒng)分類進(jìn)行逐項(xiàng)檢查。

2　起動(dòng)過程故障分析

因柴油機(jī)是靠起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)起動(dòng)，起動(dòng)機(jī)又是由ECU控制，起動(dòng)機(jī)的電控回路影響起動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。起動(dòng)過程故障分類中的油路故障和氣路故障不會(huì)造成起動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)。因此可以通過起動(dòng)過程中起動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)將故障進(jìn)行劃分。如果起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而柴油機(jī)無法起動(dòng)，那么說明電路連接是通的，無法起動(dòng)的原因有可能是油路、氣路或者電瓶問題。如果起動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)導(dǎo)致柴油機(jī)無法起動(dòng)，則說明導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)的原因是電路故障，但此時(shí)不能排除油路、氣路就一定沒有問題。在解決了起動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)的故障后，也可能出現(xiàn)由于油路不暢和氣路不通造成的柴油機(jī)無法起動(dòng)故障。

發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)油路或氣路故障時(shí)，起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，柴油機(jī)開始噴油，因供油或者供氣不足造成柴油機(jī)功率不足，達(dá)不到克服摩擦扭矩和負(fù)載扭矩的功率，在摩擦扭矩和負(fù)載的共同作用下柴油機(jī)熄火。

電路故障是較難解決的一類故障，當(dāng)起動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)首先應(yīng)考慮電路不通。在故障分類中電瓶問題歸入電路故障，電瓶出現(xiàn)問題時(shí)起動(dòng)機(jī)雖然工作但無法起動(dòng)，這是電瓶特殊之處，是影響電控柴油機(jī)起動(dòng)性能的重要因素[7]，另外電路中的空擋保護(hù)開關(guān)、車下停止開關(guān)如果所在位置為非空擋和車下停止按下狀態(tài)，總線發(fā)送停止起動(dòng)命令等同樣會(huì)造成起動(dòng)機(jī)停止工作。因此需要檢查電路中的各個(gè)電氣件和線路。

在解決故障過程中，故障處理經(jīng)驗(yàn)及對(duì)電控系統(tǒng)中控制邏輯的理解非常重要。例如軌壓高故障，主要是供油過多或者回油過少造成的，造成這兩種情況的原因很多，不了解電控噴油系統(tǒng)就可能無從查起，經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師可能首先會(huì)檢查油量計(jì)量單元和回油管路，因?yàn)檫@兩個(gè)故障點(diǎn)造成軌壓的高概率較大。然后檢查電動(dòng)油泵、噴油器、最后再檢查高壓油泵。

3　起動(dòng)過程故障處理過程及方法

圖6　起動(dòng)故障處理流程

處理起動(dòng)過程故障可分門別類進(jìn)行檢查。遵循先易后難、由表及里的診斷原則[8]。首先通過產(chǎn)品的開發(fā)過程確定該產(chǎn)品是樣機(jī)還是成熟的批量產(chǎn)品，之前是否起動(dòng)正常。再從起動(dòng)故障的現(xiàn)象查看柴油機(jī)起動(dòng)過程中故障燈或總線儀表是否報(bào)出故障，起動(dòng)機(jī)是否旋轉(zhuǎn)。然后進(jìn)行電路、氣路、油路的檢查。柴油機(jī)硬件故障很少會(huì)導(dǎo)致起動(dòng)問題，更多的是導(dǎo)致動(dòng)力不足。柴油機(jī)出廠前會(huì)經(jīng)過試車，大多數(shù)硬件故障均會(huì)被排除。負(fù)載問題遵循先進(jìn)行檢查最后做出判斷的原則。由于負(fù)載和柴油機(jī)分屬不同廠家，過早考慮負(fù)載問題會(huì)對(duì)柴油機(jī)故障檢查產(chǎn)生干擾。在完全排除柴油機(jī)故障的前提下才能做出判斷，將故障點(diǎn)定位在負(fù)載上，通過對(duì)負(fù)載扭矩的監(jiān)測進(jìn)一步核實(shí)。圖6為起動(dòng)故障處理流程。

如圖6所示，在查完負(fù)載沒有找到故障的情況下如果是樣車要考慮ECU內(nèi)部數(shù)據(jù)標(biāo)定問題。批量車型因數(shù)據(jù)經(jīng)過驗(yàn)證可以排除數(shù)據(jù)造成的故障。

4　起動(dòng)過程故障舉例

4.1　故障案例一

某廠家在裝配中的首臺(tái)挖機(jī)無法起動(dòng)，起動(dòng)機(jī)無動(dòng)作。故障的排查處理過程如下：

圖7　信號(hào)監(jiān)測情況

1)用INCA軟件檢查，報(bào)出起動(dòng)繼電器對(duì)地短路故障，監(jiān)測信號(hào)如圖7所示，T15處于閉合狀態(tài)，ECU可以接收到T50開關(guān)起動(dòng)信號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)沒有停止請(qǐng)求。但是起動(dòng)繼電器狀態(tài)Strt_st沒有隨鑰匙的起動(dòng)請(qǐng)求而起動(dòng)，因此判斷有可能是起動(dòng)繼電器電路存在問題。

2)用萬用表測量線束起動(dòng)繼電器針腳兩端的通斷情況，發(fā)現(xiàn)繼電器兩針腳的線束兩端均是連通狀態(tài)。

3)將線束連好，進(jìn)行起動(dòng)復(fù)現(xiàn)故障，用萬用表測量繼電器輸入端的電壓變化情況，發(fā)現(xiàn)起動(dòng)繼電器輸入端線路沒有電壓信號(hào)輸入。由此可判斷故障在起動(dòng)機(jī)繼電器上游的電路連接和ECU處。

4)為了判斷ECU是否有問題，將ECU拆下，單獨(dú)連接到電控回路中進(jìn)行起動(dòng)模擬，監(jiān)測起動(dòng)繼電器的針腳電壓輸出情況，發(fā)現(xiàn)電壓輸出正常。由此判斷ECU沒有問題，問題在電路連接上。

圖8　ECU單獨(dú)連接試驗(yàn)場景

5)檢查ECU和起動(dòng)機(jī)之間的電路連接，發(fā)現(xiàn)起動(dòng)機(jī)的供電端通過進(jìn)氣預(yù)熱繼電器直接接到電瓶負(fù)極，導(dǎo)致對(duì)地短路。ECU單獨(dú)連接試驗(yàn)場景如圖8所示。

4.2　故障案例二

某臺(tái)推土機(jī)，起動(dòng)時(shí)起動(dòng)機(jī)不動(dòng)作，測量控制器端供電電壓為0，儀表上不顯示發(fā)動(dòng)機(jī)信息，如圖9所示。

圖9　儀表顯示圖

推斷為電路問題。有兩種可能，一是控制器損壞，二是控制器連接斷開。排查過程如下：

1)從控制器端檢查供電電壓。電壓為0，處于斷電狀態(tài)。

2)檢查鑰匙端供電電壓。電壓較低為13.6 V，判斷可能中間有斷路的情況。

3)將電從鑰匙直接引到控制器端。起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)但是還是無法起動(dòng)，說明電路通了，電壓不足造成無法起動(dòng)。

4)重新給電瓶充電，再起動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功。

5)將電路接回原來的狀態(tài)，此時(shí)發(fā)現(xiàn)儀表上顯示發(fā)動(dòng)機(jī)信息。測量控制器端供電電壓不再是0，而是17.8 V。測量鑰匙端也是17.8 V,電路導(dǎo)通。由此判斷在保險(xiǎn)盒里裝有類似二極管的電子元件，當(dāng)電壓低時(shí)不導(dǎo)通，電壓超過一定限值才導(dǎo)通。

6)通過現(xiàn)場操作人員對(duì)故障過程的描述，了解到在上一次作業(yè)完成后，發(fā)動(dòng)機(jī)即無法起動(dòng)，起動(dòng)機(jī)也不工作，之后就沒有用過。由此判斷開始時(shí)的電瓶電壓13.6 V是不正常的，有可能是發(fā)電機(jī)不發(fā)電造成電瓶虧電，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)無法起動(dòng)。

7)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，檢查發(fā)電機(jī)供電電壓，發(fā)現(xiàn)只有18 V左右。由此驗(yàn)證了之前的判斷，發(fā)電機(jī)內(nèi)部損壞，無法發(fā)電。

4.3　故障案例三

某廠家首臺(tái)掃雪車，車的掛車最后部裝有一臺(tái)柴油機(jī)帶動(dòng)掃雪泵工作。在起動(dòng)過程中起動(dòng)機(jī)工作幾秒即停止，無法起動(dòng),儀表不報(bào)故障。排查和處理過程如下：

圖10　現(xiàn)場信號(hào)監(jiān)測

1)起動(dòng)機(jī)能夠工作說明電路連接沒有問題。

2)檢查電瓶電壓25 V，電量充足。

3)檢查油路、氣路均沒有發(fā)現(xiàn)問題。

4)用INCA連接柴油機(jī)監(jiān)測軌壓、電瓶電壓等參數(shù)，如圖10所示。發(fā)現(xiàn)電瓶電壓起動(dòng)過程中由25 V降到14 V左右,轉(zhuǎn)速隨即迅速下降直至熄火,說明起動(dòng)機(jī)起動(dòng)電壓不足。

5)檢查電路及各部分原件，發(fā)現(xiàn)電瓶與起動(dòng)機(jī)的距離較長，且導(dǎo)線發(fā)熱嚴(yán)重,因此判斷該導(dǎo)線分壓過大。現(xiàn)場照片如圖11所示。

圖11　現(xiàn)場車輛照片

6)將正負(fù)極各并聯(lián)一條導(dǎo)線后重新起動(dòng),起動(dòng)正常。

通過以上現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)案例可以得到解決起動(dòng)故障的一些規(guī)律：首先依據(jù)具有確定指導(dǎo)意義的現(xiàn)象判斷故障來自哪個(gè)系統(tǒng)，然后根據(jù)前面提到的由外到內(nèi)，由易到難的原則對(duì)該系統(tǒng)的各個(gè)部件和線路進(jìn)行檢查，逐段排除，最終找到問題的根源。

5　結(jié)論

故障處理是對(duì)工程師綜合能力的考驗(yàn)。工程師不僅需要了解柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理等基礎(chǔ)知識(shí)，還需具有豐富的操作能力和故障診斷經(jīng)驗(yàn)[9]。盡可能全面考慮影響起動(dòng)過程的各種因素[10],有側(cè)重的進(jìn)行故障判斷和處理。本研究在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上從理論的角度對(duì)柴油機(jī)的起動(dòng)過程故障及處理方法進(jìn)行了系統(tǒng)地分析和分類，并通過三個(gè)故障案例結(jié)合分類和處理方法的運(yùn)用介紹了處理起動(dòng)過程故障的流程，可為故障處理人員提供參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁謙,陳有兵.電控柴油機(jī)起動(dòng)控制過程分析[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置,2016,33(4):67-70.

[2]張斌.高壓共軌柴油機(jī)起動(dòng)研究[D].長春:吉林大學(xué),2007.

[3]任鴻志,馮慶寶,曲金玉.電噴發(fā)動(dòng)機(jī)不能起動(dòng)的故障樹診斷分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2009,8(8):21-23.

[4]常會(huì)楷.某電控柴油機(jī)無法起動(dòng)故障分析[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置,2012,12(6):52-54.

[5]曹龍漢,曹長修,孫穎楷,等.柴油機(jī)故障診斷技術(shù)的現(xiàn)狀及展望[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001,24(6):134-138.

[6]陳有兵,張成國,金強(qiáng),等.電控發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣加熱控制檢測研究[J].客車技術(shù)與研究,2014(6):56-59.

[7]梁金廣,于秀敏,高躍,等.起動(dòng)電壓對(duì)電控柴油機(jī)起動(dòng)性能的影響[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2009,39(2):315-320.

[8]任榮社,王修敏.12V280柴油機(jī)難起動(dòng)故障的原因與改進(jìn)措施[J].內(nèi)燃機(jī),2013(6):56-57.

[9]王凡,張友榮.康明斯6CT柴油機(jī)供油不正時(shí)的就機(jī)診斷與排除[J].移動(dòng)電源與車輛,2011(1):44-46.

[10]李學(xué)民,于秀敏,高躍,等.電控柴油機(jī)起動(dòng)工況的標(biāo)定匹配研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2004(4):15-19.