某型電控柴油機(jī)單缸排氣溫度異常故障研究

隨著對能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益警惕，國家法律法規(guī)對柴油機(jī)能耗以及排放的控制要求越來越高，傳統(tǒng)的機(jī)械式燃油系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足排放要求。電控柴油機(jī)采用先進(jìn)的電子控制裝置，配有高速電磁開關(guān)閥，可以自由控制噴油量、噴油率、噴油壓力和噴油時(shí)間，能提高柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性以及排放性能。電控柴油機(jī)提高了燃油噴射壓力，并且將高壓燃油的產(chǎn)生與噴射分隔開，使得噴油系統(tǒng)壓力波動(dòng)小。噴油量控制更加精確，有利于燃油的充分燃燒，降低煙度及污染物的排放。再配合采用增壓中冷和共軌技術(shù)，可以使柴油機(jī)滿足非道路國三排放標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，保持良好的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性[1-5]。某型電控柴油機(jī)在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)單缸排氣溫度異常故障現(xiàn)象．本次研究對此故障的影響因素進(jìn)行了分析與排查。一、故障現(xiàn)象某型柴油機(jī)在試驗(yàn)過程中，發(fā)生多次不同類型的單缸排氣溫度異常情況。針對異常現(xiàn)象進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，大致可以劃分為三種。三種故障現(xiàn)象具體如下。故障現(xiàn)象A：單缸排氣溫度先升高并且超出正常值，隨后單缸排氣溫度降低。故障現(xiàn)象B：柴油機(jī)每次啟動(dòng)后，如果啟動(dòng)過程溫度正常，則運(yùn)行中單缸溫度一直正常，如果啟動(dòng)后單缸排氣溫度低，則運(yùn)行過程中單缸溫度會(huì)一直低。故障現(xiàn)象C：柴油機(jī)運(yùn)行過程中，會(huì)出現(xiàn)單缸排氣溫度突然降低的現(xiàn)象。二、故障成因分析1、系統(tǒng)運(yùn)行原理該型柴油機(jī)為電控柴油機(jī)，柴油機(jī)的電控高壓共軌系統(tǒng)主要由共軌泵、共軌管、高壓油管、電控噴油器、機(jī)械限壓閥、限流閥、軌壓傳感器、電子控制單元(ElectronicControlUnit，ECU)、電子泄壓閥、低壓燃油管路及燃油濾清器等零部件組成。清潔的燃油通過低壓輸送泵輸入到共軌泵。共軌泵將燃油加壓后送入共軌管，共軌管內(nèi)的燃油經(jīng)高壓油管進(jìn)人各缸噴油器。進(jìn)入噴油器的高壓燃油一部分直接在針閥腔，一部分經(jīng)三通閥到液壓活塞腔，液壓活塞在彈簧作用下，頂在針閥上端。在電信號作用下三通閥開啟，液壓活塞腔的燃油經(jīng)三通閥流回油箱，腔內(nèi)壓力劇降。針閥開啟，高壓燃油噴入燃燒室。關(guān)閉三通閥的泄油通道后，共軌油管的高壓燃油經(jīng)三通閥流入液壓活塞腔，液壓活塞下移，關(guān)閉針閥，終止噴油[6]。電子控制單元(ElectronicControlUnit，ECU)根據(jù)柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，由設(shè)定程序確定合適的噴油定時(shí)和噴油量，通過控制噴油器電磁閥，將燃油噴入氣缸內(nèi)，其工作原理如圖1所示。圖1電控柴油機(jī)燃油系統(tǒng)工作原理導(dǎo)致電控柴油機(jī)排氣溫度出現(xiàn)異?，F(xiàn)象的因素較多，重要影響因素涉及4個(gè)方面，分別是ECU程序、限流閥、高壓連接桿和噴油器。2、ECU程序影響因素分析電控柴油機(jī)ECU程序中影響單缸排氣溫度的因素為各缸上止點(diǎn)的配置參數(shù)，即轉(zhuǎn)速傳感器從轉(zhuǎn)速零齒到各缸壓縮沖程上止點(diǎn)的角度。此外，凸輪軸相位傳感器信號和轉(zhuǎn)速傳感器缺齒信號之間的對應(yīng)關(guān)系對單缸排氣溫度也有影響。相位傳感器信號和轉(zhuǎn)速傳感器信號分別為一用一備（常用轉(zhuǎn)速1和相位1對應(yīng)，備用轉(zhuǎn)速2和相位2對應(yīng))，正常工作情況下，轉(zhuǎn)速1和相位1在工作，此時(shí)在傳感器中同步轉(zhuǎn)速1和相位1的相關(guān)參數(shù)，同步狀態(tài)為1，若轉(zhuǎn)速1或者相位1出現(xiàn)問題，則傳感器轉(zhuǎn)為同步轉(zhuǎn)速⒉和相位2的相關(guān)參數(shù)，同步狀態(tài)為2。在ECU參數(shù)配置過程中，如果出現(xiàn)同步參數(shù)配置錯(cuò)誤的情況，會(huì)導(dǎo)致電控柴油機(jī)無法啟動(dòng)。如果某一缸上止點(diǎn)參數(shù)配置錯(cuò)誤，柴油機(jī)的單缸噴油提前角也會(huì)出現(xiàn)異常。噴油提前角的大小對柴油機(jī)的影響很大，當(dāng)噴油提前角過大時(shí)，缸內(nèi)著火延遲期隨噴油提前角的提前而變長，著火延遲期越長,著火延遲期內(nèi)噴入燃燒室的燃料就越多，燃油與空氣混合時(shí)間越長，在著火前形成的可燃混合氣就越多。這些燃料在急燃期內(nèi)幾乎同時(shí)燃燒，使爆發(fā)壓力急劇升高[7-8]，導(dǎo)致柴油機(jī)運(yùn)動(dòng)件在工作過程中受到強(qiáng)烈的沖擊負(fù)荷。而當(dāng)噴油提前角過小時(shí)，會(huì)使燃燒過程過度延后，燃料在排氣管內(nèi)出現(xiàn)一定程度的后燃，導(dǎo)致單缸排氣溫度低，柴油機(jī)熱效率下降，在寒冷天氣運(yùn)行時(shí)易出現(xiàn)白煙現(xiàn)象。3、限流閥影響因素分析圖2高壓連接桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖該柴油機(jī)的限流閥集成在高壓連接桿內(nèi)部，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其工作原理為：當(dāng)噴油器打開時(shí)，進(jìn)油口壓力大于出油口壓力，彈簧向出油口方向進(jìn)行壓縮。當(dāng)噴油器關(guān)閉時(shí)，彈簧向進(jìn)油口方向進(jìn)行伸縮。當(dāng)噴油器出現(xiàn)故障時(shí)，燃油流量異常增大，如果過多的燃油噴入氣缸，可能引起柴油機(jī)失控,對設(shè)備和人員帶來危害。限流閥在噴油器流量過大時(shí)會(huì)關(guān)閉限流閥芯，阻止高壓燃油從共軌管流入噴油器，起到安全保護(hù)的作用。同時(shí)，限流閥對噴油器端的高壓泄漏也會(huì)起到保護(hù)作用。當(dāng)限流閥關(guān)閉時(shí)，單缸排氣溫度將會(huì)異常降低。限流閥關(guān)閉的原因分為正常關(guān)閉和非正常關(guān)閉，正常關(guān)閉為噴油器故障或者噴油器和高壓連接桿組成的密封不嚴(yán)而導(dǎo)致限流閥關(guān)閉;非正常關(guān)閉為限流閥故障導(dǎo)致，一般是內(nèi)置彈簧卡滯造成的。4、高壓連接桿和噴油器影響因素分析高壓連接桿和噴油器的安裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。從安裝結(jié)構(gòu)圖中可以看到，在缸內(nèi)的密封結(jié)構(gòu)中，噴油器上下兩層О型圈和高壓連接桿處的О型圈組成了一個(gè)密閉空間，如果任何一個(gè)О型圈密封不嚴(yán)，就會(huì)導(dǎo)致噴油器的回油從該О型圈密封處流出，但是回油不會(huì)再次流人缸內(nèi)燃燒，因此也無法造成單缸排氣溫度異常的情況。從安裝結(jié)構(gòu)圖中還可以看到，高壓連接桿和噴油器通過噴油器壓板和高壓連接桿壓板進(jìn)行固定，如果高壓連接桿、壓板或者噴油器壓板的固定螺栓松動(dòng)，就會(huì)造成高壓連接桿和噴油器的接口連接處密封不嚴(yán)，使高壓連接桿的進(jìn)油量增大，從而導(dǎo)致限流閥關(guān)閉，單缸排氣溫度降低。5、噴油器影響因素分析噴油器可以根據(jù)ECU的指令精確的控制噴油量和噴油時(shí)間以及噴油規(guī)律，主要由電磁閥、控制室、球閥、針閥等組成，如圖4所示。圖4噴油器組成機(jī)構(gòu)當(dāng)電磁閥不通電時(shí)，球閥關(guān)閉，控制室壓力加針閥內(nèi)部彈簧壓力大于針閥腔壓力，將使針閥關(guān)閉，不噴射燃油。當(dāng)電磁閥通電時(shí)，電磁閥產(chǎn)生的磁力克服彈簧的阻力，使球閥開啟，控制室壓力加針閥內(nèi)部彈簧壓力小于針閥腔壓力，將使針閥開啟，噴射燃油。噴油器失效分為兩種類型:一是噴油器處于常開狀態(tài)，二噴油器是處于常閉狀態(tài)。當(dāng)噴油器處于常開狀態(tài)時(shí)，高壓燃油將直接噴射到缸內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致單缸排氣溫度升高。當(dāng)噴油器處于常閉狀態(tài)時(shí)，高壓燃油將無法噴射到缸內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致單缸排氣溫度降低。三、故障排查通過對ECU程序、限流閥、高壓連接桿和噴油器工作原理和結(jié)構(gòu)影響因素的分析梳理，結(jié)合該柴油機(jī)出現(xiàn)的故障現(xiàn)象作進(jìn)一步排查，以確定該柴油機(jī)的故障原因。針對故障現(xiàn)象A，結(jié)合相關(guān)零部件工作原理，可以判斷出是由于噴油器卡滯造成噴油器處于長通狀態(tài)，缸內(nèi)噴入大量燃油，造成單缸排氣溫度升高且超出限流閥的流量量程，觸發(fā)限流閥關(guān)閉程序，進(jìn)而導(dǎo)致單缸排氣溫度低。針對故障現(xiàn)象B，初步判斷為軟件程序問題。通過進(jìn)一步排查軟件程序，發(fā)現(xiàn)程序中上止點(diǎn)角度出現(xiàn)錯(cuò)誤，但該程序錯(cuò)誤無法解釋有時(shí)運(yùn)行正常的情況。再通過對ECU監(jiān)控程序進(jìn)行深入檢查，發(fā)現(xiàn)同步狀態(tài)在單缸排氣溫度低和正常時(shí)，分別為1和2。因此判斷轉(zhuǎn)速傳感器或者相位傳感器有問題，對其細(xì)化排查，發(fā)現(xiàn)是相位傳感器發(fā)生了信號故障。針對故障現(xiàn)象C，柴油機(jī)在運(yùn)行過程中突然出現(xiàn)單缸排氣溫度降低的情況，結(jié)合前述對ECU程序、限流閥、高壓連接桿和噴油器影響因素的分析，可以判斷故障成因是噴油器故障、限流閥故障或其他故障導(dǎo)致限流閥關(guān)閉。圖5高壓連接桿壓板螺栓松動(dòng)通過系統(tǒng)性檢查，發(fā)現(xiàn)高壓連接桿壓板螺栓松動(dòng)，如圖5所示，造成高壓連接桿與噴油器連接處漏油，燃油進(jìn)油量超出限流閥的量程，從而導(dǎo)致單缸排氣溫度降低。四、結(jié)論結(jié)合某電控型柴油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行原理，分