高彥玉+楊陸強(qiáng)+陳凱+時(shí)玲+趙玉清

摘 要：隨著高壓共軌技術(shù)的不斷完善，非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)的性能得到較大地改進(jìn)。我國根據(jù)柴油機(jī)排放污染物含量、氮氧化物等制訂了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，目前非道路高壓共軌產(chǎn)品進(jìn)入到第三階段，該階段將非道路柴油機(jī)噴油器作了特殊設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)多次噴射，同時(shí)降低油耗，減少排放。敘述了高壓共軌技術(shù)的組成及原理，對柴油機(jī)中比較典型的三種傳感器故障案例進(jìn)行了分析，并提出了部分關(guān)于共軌燃油系統(tǒng)的日常維護(hù)意見，為非道路移動(dòng)機(jī)械駕駛員提供一些參考意見。

關(guān)鍵詞：非道路移動(dòng)機(jī)械；電控共軌；故障分析；日常維護(hù)

中圖分類號：S219.031 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(dāng)今社會(huì)，道路車輛的排放污染控制效果越來越好，而非道路移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)械主要有工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、小型通用機(jī)械和柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組等幾種[1]。目前，柴油機(jī)是非道路移動(dòng)機(jī)械的主要能源動(dòng)力之一，過去，柴油機(jī)由于工作過程中振動(dòng)和噪聲較大，且排放氣體嚴(yán)重污染環(huán)境，影響著人類生活，所以對其進(jìn)行改善是必要的?？茖W(xué)技術(shù)在不斷提高，人類將高壓共軌技術(shù)使用于柴油機(jī)方面，高壓共軌技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，達(dá)到了穩(wěn)定成熟階段。該技術(shù)中由于共軌管內(nèi)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(guān)閥控制噴油量[2]，能使柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)最好的燃燒比、霧化質(zhì)量高、點(diǎn)火時(shí)間適當(dāng)、點(diǎn)火能量足夠、排放污染最少，較好地解決了柴油機(jī)冒黑煙、噪音大等問題[3]。

1 高壓共軌技術(shù)

1.1 高壓共軌系統(tǒng)簡介

我國根據(jù)柴油機(jī)排氣污染物制訂了一系列的排放標(biāo)準(zhǔn)，其中，在中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)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(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)第三階段排氣污染物排放限值和測量方法，該階段的標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)于歐盟非道路移動(dòng)機(jī)械排放標(biāo)準(zhǔn)的ⅢA階段，并提出了第四階段的預(yù)告性要求。

國三階段高壓共軌柴油機(jī)相比傳統(tǒng)柴油機(jī)在電器部分增加了電子控制單元（ECU）、發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)）、各執(zhí)行器（帶電磁閥噴油器、燃油計(jì)量單元（VCV閥、EGR閥）等電器元件，具有啟動(dòng)性能好、油耗低等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 共軌技術(shù)原理

共軌技術(shù)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(gè)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(guān)系及各個(gè)部分的功能見圖1。

共軌系統(tǒng)的工作原理：在油泵內(nèi)部的輸油泵，把燃油從油箱中抽出經(jīng)柴油粗濾器（帶油水分離器）——燃油細(xì)濾器過濾，此時(shí)油路分成兩部分，一部分經(jīng)過比例電磁閥（進(jìn)油計(jì)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(jīng)高壓油管送至噴油器[5]。另一部分當(dāng)輸油泵內(nèi)油壓大于0.4～0.5 MPa后經(jīng)過限流閥回至

進(jìn)油管。共軌管上的軌壓傳感器監(jiān)測共軌管內(nèi)燃油壓力，并將信號反饋給ECU，ECU通過調(diào)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(jī)第三階段排放特點(diǎn)

電控高壓共軌三階段產(chǎn)品的主要技術(shù)特點(diǎn)有：全范圍實(shí)現(xiàn)噴油精確閉環(huán)控制，油耗低；噴油正時(shí)控制精度高，采用預(yù)噴技術(shù)，噪聲低；采用活塞冷卻噴嘴，機(jī)油消耗率低；24 V/12 V電器系統(tǒng)，缸內(nèi)預(yù)熱，啟動(dòng)性能好；優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)，采用中低渦流比的進(jìn)氣道，提高進(jìn)氣流量；技術(shù)改進(jìn)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(jī)可靠性；采用供油壓力180～220 MPa的國產(chǎn)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(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局與環(huán)境保護(hù)部聯(lián)合頒布中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB20891-2014 《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）》標(biāo)準(zhǔn)[7]。2015年10月1日起，所有制造和銷售的非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)，其排氣污染物排放必須符合標(biāo)準(zhǔn)GB20891-2014第三階段要求[11]。2016年4月1日起，所有制造、進(jìn)口和銷售的非道路移動(dòng)機(jī)械不得裝用不符合GB20891-2014標(biāo)準(zhǔn)第三階段要求的柴油機(jī)[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(jī)國三標(biāo)準(zhǔn)中，對污染物的排放限值要求更嚴(yán)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(quán)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(jī)型數(shù)量較大，排放水平低，污染物排放占非道路移動(dòng)機(jī)械較大比例，國家應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注控制。此外，在國三階段柴油機(jī)中燃油得到精確噴射，使得其燃油經(jīng)濟(jì)性提高，從一定程度上節(jié)約資源。

2 共軌柴油機(jī)故障分析

2.1 非道路柴油機(jī)故障分析

柴油機(jī)在工作中由于不同的原因會(huì)導(dǎo)致不同的故障，非道路移動(dòng)機(jī)械故障從用途上大致分為四種，即裝載機(jī)故障、收割機(jī)故障、叉車故障和拖拉機(jī)故障；從導(dǎo)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(jìn)氣故障和排氣故障）、機(jī)械故障。對故障進(jìn)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(jù)工作人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。

非道路高壓共軌柴油機(jī)中使用較多的傳感器，在整個(gè)柴油機(jī)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(gè)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(nèi)的實(shí)際壓力，用于軌壓控制計(jì)算）、曲軸傳感器（確定曲軸的位置，進(jìn)行噴油時(shí)刻、瞬態(tài)轉(zhuǎn)速、噴油量的計(jì)算）、凸輪軸傳感器（進(jìn)行判缸、信號校驗(yàn)，與曲軸傳感器配合工作確定基本點(diǎn)火時(shí)刻）三種。

2.2 柴油機(jī)電器故障案例分析

在柴油機(jī)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(jī)異?，F(xiàn)象進(jìn)行分析查找故障具有重要作用。

（1）動(dòng)力不足，冒黑煙

對柴油機(jī)出現(xiàn)動(dòng)力不足，冒黑煙現(xiàn)象進(jìn)行分析，總結(jié)可能的原因建立表2所示。

現(xiàn)對一發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)此現(xiàn)象進(jìn)行分析，按圖3進(jìn)行檢測。燃油品質(zhì)符合使用要求，用故障診斷儀進(jìn)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?yàn)殡娖鞴收蟍9]。重新插拔噴油器傳感器后故障消失，分析認(rèn)為出現(xiàn)該故障時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)造成傳感器松脫，噴油器電磁閥失效，發(fā)動(dòng)機(jī)單缸不工作，造成發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足。

（2）啟動(dòng)困難

一發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中較難啟動(dòng)，在啟動(dòng)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(jìn)行干擾導(dǎo)致曲軸傳感缺失。參考圖4，發(fā)動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)，用示波器對曲軸傳感器與凸輪軸傳感器信號進(jìn)行監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，鑰匙通電的瞬間凸輪軸會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電流脈沖（干擾源）?？刂葡到y(tǒng)會(huì)默認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，但ECU沒有接收到曲軸信號，所以才會(huì)報(bào)出曲軸傳感器缺失故障。現(xiàn)場對凸輪軸傳感器附近的電路進(jìn)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(jìn)行干擾[10]。現(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(hù)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(huì)導(dǎo)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(hù)保養(yǎng)時(shí)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(yīng)加注符合國家標(biāo)準(zhǔn)的燃油。

（4）燃油管路在拆裝過程中應(yīng)妥善保管，避免有臟物進(jìn)入。高壓油管中的油壓較高，發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中禁止拆卸高壓油管，一定要停機(jī)靜置15 min以上才能拆卸[11]。

（5）柴油濾清器更換周期：每運(yùn)行1.5萬km或累計(jì)運(yùn)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(jié)語

高壓共軌技術(shù)具有改善生產(chǎn)力、科學(xué)維修更便利；經(jīng)濟(jì)省油，節(jié)能；改善發(fā)動(dòng)機(jī)排放，降低污染等優(yōu)點(diǎn)。目前大多共軌動(dòng)力在整車實(shí)驗(yàn)過程中，煙度限值均達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)要求，沒有黑煙排放，無黑煙主要是因?yàn)楣曹壒芸梢詢?chǔ)蓄高壓燃油，保證各缸噴射時(shí)刻、噴射壓力、噴油量一致，燃油均勻噴向氣缸，結(jié)合進(jìn)氣計(jì)算，對燃料實(shí)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(diǎn)都突出[12]。在非道路用柴油機(jī)達(dá)到第四階段排放標(biāo)準(zhǔn)限值時(shí)，必須采用電控高壓共軌和后處理技術(shù)，而四氣門技術(shù)的柴油機(jī)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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