四川交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)校汽車(chē)系 / 陳傳建

高壓共軌噴射系統(tǒng)的故障分析

四川交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)校汽車(chē)系 / 陳傳建

柴油機(jī)高壓共軌噴射系統(tǒng)提高了柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，降低了排放，故障率低，同時(shí)還具有良好的升級(jí)能力，使其在汽車(chē)和工程機(jī)械等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是其組成、結(jié)構(gòu)和控制原理的變化，使得維修門(mén)檻和成本較高。本文立足高壓共軌噴射系統(tǒng)的工作原理，論述高壓共軌噴射系統(tǒng)故障的分析思路與檢修方法。

高壓共軌；故障；分析

在注重低碳發(fā)展的今天，環(huán)保和節(jié)能是社會(huì)的兩大主題。隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，市場(chǎng)越來(lái)越傾向清潔節(jié)能的車(chē)輛，在此背景下，柴油機(jī)高壓共軌噴射系統(tǒng)因其技術(shù)先進(jìn)，可以對(duì)噴油壓力、噴油量以及噴油提前角進(jìn)行靈活的控制，具有舒適性高、噴油壓力柔性控制好、可靠性高以及噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，很好地解決了傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴、震動(dòng)大、噪音大、冒黑煙、排放污染嚴(yán)重的問(wèn)題，而且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)上具備后期升級(jí)滿足法規(guī)進(jìn)一步要求的可能，因而應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

1.高壓共軌噴射系統(tǒng)特點(diǎn)

柴油機(jī)電控高壓共軌噴射系統(tǒng)由燃油供給系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)組成。高壓油泵負(fù)責(zé)產(chǎn)生高壓燃油，然后輸送到公共的、具有較大容積的油軌（共軌）內(nèi)，將高壓燃油蓄積起來(lái)，再通過(guò)高壓油管輸送到噴油器，即把多個(gè)噴油器并聯(lián)在公共油軌上，同時(shí)在油軌上設(shè)置了軌壓傳感器、壓力限制閥和流量限制閥等裝置。與傳統(tǒng)柴油機(jī)不同的是，共軌壓力的建立和燃油噴射是兩個(gè)獨(dú)立的工作過(guò)程，最終高壓油管內(nèi)燃油壓力大小與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，明顯減小了燃油壓力因應(yīng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化所產(chǎn)生的波動(dòng)，噴油量的大小僅取決于共軌內(nèi)的燃油壓力和噴油器電磁閥開(kāi)啟時(shí)間的長(zhǎng)短[1]。

高壓共軌噴射系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括：

（1）噴油壓力高，燃油顆粒更細(xì)小、霧化更好、更均勻，有利于提高燃燒質(zhì)量；

（2）可以實(shí)現(xiàn)多次噴射，調(diào)節(jié)不同階段的噴射油量以及與主噴射的間隔，改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能，實(shí)現(xiàn)高效燃燒，降低氮氧化合物和PM（煙）的排放；

（3）噴油精度高，循環(huán)噴油量變動(dòng)小，改善了各缸供油不均，減輕了震動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)；

（4）故障診斷及安全保護(hù)，系統(tǒng)具有故障存儲(chǔ)，自診斷和保護(hù)功能，必要時(shí)能自動(dòng)限制輸出或停機(jī)[2]。

2.主要故障分析

高壓共軌噴射系統(tǒng)的主要功能可以概括為：向共軌提供連續(xù)穩(wěn)定的高壓燃油，按照發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況，精確控制噴油器的開(kāi)啟和關(guān)閉。在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，記錄異常并發(fā)出警示，并按實(shí)際情況啟動(dòng)備用保護(hù)措施。其核心是軌壓建立和燃油噴射兩個(gè)工作過(guò)程。因此，高壓共軌噴射系統(tǒng)的故障最終都會(huì)表現(xiàn)在共軌油壓異?；蛉加蛧娚洌〞r(shí)刻和噴油量）異常兩方面。

2.1.軌壓建立故障

油路故障直接影響軌壓的建立，此類(lèi)故障可分為三類(lèi)：低壓部分供油不足、高壓泄漏和高壓油泵故障（切斷閥和高壓油泵自身）。

2.1.1.低壓部分供油不足

低壓油路故障主要表現(xiàn)為滲氣、堵塞和泄漏。滲氣會(huì)使氣體在管路中積聚，影響燃油輸送，必須排除，然后做好密封，確保無(wú)滲漏；堵塞造成系統(tǒng)供油不暢，使共軌壓力過(guò)低，導(dǎo)致啟動(dòng)困難或不能啟動(dòng)、加速熄火等故障。檢查是否發(fā)生堵塞的方法有兩種。一種是傳統(tǒng)的壓力檢測(cè)法：如果某段管路或某個(gè)元件兩端的壓力差超過(guò)正常值，多為發(fā)生了堵塞；另一種方法是檢查回油：在各回油接口處檢查回油量并與正常情況比較，回油量過(guò)大過(guò)小都有管道堵塞的可能。需注意的是由于輸油泵的供油量遠(yuǎn)大于共軌的進(jìn)油量，所以高壓油泵有連續(xù)的較大量的回油。

2.1.2.高壓部分泄漏

泄漏對(duì)高壓部分的影響遠(yuǎn)大于低壓，高壓部分泄漏直接導(dǎo)致軌壓不穩(wěn)或無(wú)法建立軌壓。

在共軌系統(tǒng)中，可能發(fā)生泄漏的地方有高壓油管、壓力限制閥和噴油器等。通常高壓油管泄漏可以從外部發(fā)現(xiàn)。解決高壓油管泄漏應(yīng)嚴(yán)格遵照油管安裝規(guī)范操作；壓力限制閥用來(lái)防止共軌壓力超過(guò)設(shè)定最大值。在正常工作壓力下，閥保持關(guān)閉。在壓力限定值被超出時(shí)，通過(guò)打開(kāi)溢流口來(lái)限制油軌中的最大壓力。有回油管接到壓力限制閥。確認(rèn)壓力限制閥是否正常，可以檢查回油，正常時(shí)壓力限制閥無(wú)回油或回油極少；噴油器泄漏同樣會(huì)導(dǎo)致共軌油壓?jiǎn)栴}，不過(guò)在多數(shù)系統(tǒng)中，噴油器與油軌之間有流量限制閥。如果噴油器有泄漏，流量限制閥會(huì)關(guān)閉燃油流往該噴油器的通道，切斷該噴油器。

2.1.3.高壓油泵故障

高壓油泵的故障可能來(lái)自泵本身或切斷閥。

切斷閥安裝在高壓油泵上。作用是改變流入到高壓油泵的油量，以適應(yīng)不同工況的燃油需求。如果高壓油泵油量維持不變，低速時(shí)就會(huì)有過(guò)多的燃油被高壓油泵加壓后又通過(guò)回油返回。切斷閥按需要減少高壓油泵進(jìn)油。若此閥一直處于切斷位置，會(huì)造成高壓油泵無(wú)進(jìn)油，相應(yīng)的也就沒(méi)有高壓燃油供應(yīng)至共軌。檢查時(shí)可以分別松開(kāi)高壓油泵進(jìn)出油端，檢查來(lái)油量和出油量。故障特征是來(lái)油量正常，出油端無(wú)油。

2.2.燃油噴射故障

燃油噴射包括噴油時(shí)刻和噴油持續(xù)時(shí)間，即噴油提前角和噴油量，他們都取決于電控系統(tǒng)。電控系統(tǒng)包括各種傳感器(如曲軸位置傳感器、加速踏板位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、各種溫度和壓力傳感器等)及執(zhí)行器（如噴油器電磁閥）和電控單元（ECM）。ECM接收和處理信號(hào)，發(fā)出指令，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終處在最優(yōu)工作狀態(tài)。ECM還具有自我診斷功能，它隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)主要部件的工作進(jìn)行監(jiān)控，如果某個(gè)部件出現(xiàn)了故障，ECM會(huì)存儲(chǔ)記錄故障情況，維修時(shí)可以使用診斷設(shè)備讀取記錄內(nèi)容。

電控系統(tǒng)故障可以分為執(zhí)行器（噴油器）故障、傳感器故障和ECM故障。

2.2.1 噴油器故障

與傳統(tǒng)噴油器不同，高壓共軌噴射系統(tǒng)采用的是電控噴油器。電控噴油器是高壓共軌噴射系統(tǒng)最關(guān)鍵、最精密、最復(fù)雜的部件。結(jié)構(gòu)上由類(lèi)似傳統(tǒng)噴油器的噴油嘴、液壓機(jī)構(gòu)和高速電磁閥等組成。為保證響應(yīng)速度高和噴射量精準(zhǔn)，制造和精度高，安裝要求高，對(duì)水分和雜質(zhì)非常敏感，如果水分和雜質(zhì)過(guò)濾不凈，會(huì)造成噴油器卡滯、銹蝕、堵塞和密閉不良。

噴油器高速電磁閥受ECM的指令工作，電磁閥故障會(huì)導(dǎo)致噴油器無(wú)法按指令打開(kāi)或關(guān)閉。

噴油器故障可以利用噴油試驗(yàn)或斷缸試驗(yàn)來(lái)檢查。需注意的是高壓共軌噴射系統(tǒng)進(jìn)行斷缸試驗(yàn)時(shí)，不可像常規(guī)系統(tǒng)一樣擰松噴油器的高壓油管，這樣會(huì)造成共軌壓力無(wú)法建立。可以使用診斷儀進(jìn)行斷缸試驗(yàn)來(lái)檢查。也可以通過(guò)比較各缸噴油器回油量來(lái)分析，方法是將各缸噴油器回油管拆下，引入量杯中，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，噴油器的回油在量杯內(nèi)儲(chǔ)存起來(lái)，比較各缸回油量，若有明顯的差別，則該缸噴油器可能有故障（卡滯或泄漏）。

2.2.2 傳感器故障

高壓共軌噴射系統(tǒng)中，噴油量由基本噴油量和修正噴油量?jī)刹糠纸M成，決定基本噴油量的主要參數(shù)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和加速踏板位置信號(hào)，其他如溫度、壓力等是修正噴油量參考信號(hào)。

曲軸位置傳感器測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，是噴油量的主要參考信號(hào)；凸輪軸位置傳感器確定發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火順序，二者的結(jié)構(gòu)是一樣的。多數(shù)情況下這兩者只要有一個(gè)正常，發(fā)動(dòng)機(jī)就可以啟動(dòng)。只有在曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器信號(hào)都喪失的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)才不能啟動(dòng)。不過(guò)在只有曲軸信號(hào)，沒(méi)有凸輪軸信號(hào)時(shí)，由于ECM接收不到判缸信號(hào)，就需要以試噴油的方式來(lái)識(shí)別1缸，所以發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)。曲軸和凸輪軸信號(hào)都有的情況下，這兩個(gè)信號(hào)需要同步，即凸輪軸信號(hào)和曲軸信號(hào)之間應(yīng)該有正確的相位關(guān)系，否則也會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障。造成信號(hào)同步故障的原因可能有：信號(hào)齒變形或位置偏移、傳感器與信號(hào)齒的安裝固定等。

進(jìn)氣壓力傳感器檢測(cè)進(jìn)氣量，ECM根據(jù)進(jìn)氣量大小,按空燃比控制噴油量。在發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)啟動(dòng)或溫度較低時(shí)，ECM根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度傳感器和空氣溫度傳感器的信號(hào)對(duì)噴油始點(diǎn)、預(yù)噴油量、主噴射量及其他參數(shù)進(jìn)行匹配。

加速踏板位置傳感器將駕駛員的意圖以電信號(hào)傳遞給ECM，它也是噴油量的主要參考信號(hào)；加速踏板位置傳感器有兩路輸出信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)間有相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系，輸出信號(hào)隨加速踏板位置改變而變化。ECM通過(guò)比對(duì)其輸出的兩路信號(hào)，監(jiān)控加速踏板運(yùn)動(dòng)情況，判斷其工作是否正常。

軌壓傳感器安裝在共軌管上，作用是監(jiān)控共軌壓力。ECM依靠軌壓傳感器和壓力控制閥實(shí)現(xiàn)對(duì)共軌壓力的閉環(huán)控制。

高壓共軌柴油機(jī)電控系統(tǒng)故障會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、暖車(chē)、怠速、尾氣排放等。有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)能順利啟動(dòng)，但是加速無(wú)力、動(dòng)力不足，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速只能增加到某一數(shù)值（多為約1600r/min）的現(xiàn)象。這可能是因?yàn)镋CM已經(jīng)檢測(cè)到某些特定故障，但按照程序設(shè)定不必立即停機(jī)，此時(shí)ECM會(huì)采取限制發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出的保護(hù)措施，使汽車(chē)可以繼續(xù)行駛到最近的維修廠進(jìn)行修理。影響發(fā)動(dòng)機(jī)輸出限制的原因較多，如噴油器故障、加速踏板位置傳感器故障、曲軸與凸輪軸信號(hào)同步故障、溫度與壓力過(guò)高等，一旦ECM檢測(cè)到這些方面的故障，ECM會(huì)自動(dòng)進(jìn)入失效保護(hù)策略并根據(jù)故障的嚴(yán)重程度，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速進(jìn)行限制，嚴(yán)重時(shí)會(huì)令發(fā)動(dòng)機(jī)熄火停機(jī)。所以必須在故障排除之后才能解除ECM對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)速的限制[3]。

ECM判斷系統(tǒng)存在故障時(shí)，會(huì)將故障碼和故障發(fā)生時(shí)的運(yùn)行參數(shù)記錄下來(lái)。因此，解決電控系統(tǒng)故障的重要方法是讀取故障碼和系統(tǒng)數(shù)據(jù)流。故障碼可以指示故障的查找方向，數(shù)據(jù)流可以作為進(jìn)一步分析的依據(jù)。需要注意的是故障碼反映的是檢測(cè)到特定參數(shù)超出系統(tǒng)默認(rèn)的極限值范圍，并非一定是顯示的某個(gè)零部件元件有問(wèn)題。要確認(rèn)故障源還需要進(jìn)一步分析線路和系統(tǒng)部件以及信號(hào)之間的相互影響。比如軌壓信號(hào)異?？赡艽_實(shí)是軌壓傳感器故障，也可能是傳感器線路故障或油路故障。再者沒(méi)有故障碼不一定表示沒(méi)有故障，比如水溫傳感器輸出值與實(shí)際溫度不符，但是尚在極限范圍內(nèi)，此時(shí)沒(méi)有故障碼輸出，但是噴油量和噴油時(shí)刻會(huì)受到影響，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作異常。

3.結(jié)語(yǔ)

從本質(zhì)上看，高壓共軌噴射系統(tǒng)的功能仍然是控制好供油壓力、噴油起止時(shí)刻和噴油量，即在正確的時(shí)間，將精確配劑的燃油以正確的壓力噴射到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，并具有反饋控制。所以，已有的汽車(chē)診斷、檢查、維修的一般原則仍然對(duì)該系統(tǒng)適用；另一方面，由于共軌噴射系統(tǒng)在組成、結(jié)構(gòu)、控制原理和性能上的發(fā)展變化，舊有機(jī)型的維修經(jīng)驗(yàn)固然重要，但更需要新的維修思路、方法與設(shè)備。維修中要檢測(cè)必要的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析，進(jìn)而鎖定故障部位，這樣才能快速排除故障。維修高壓共軌噴射系統(tǒng)，必須要理解系統(tǒng)組成原理，熟悉傳感器、執(zhí)行器、控制單元之間的邏輯關(guān)系。另外還要明白在不同工況下，以及在不同的故障情況之下，ECM的后備控制策略。在此基礎(chǔ)之上，才能正確分析問(wèn)題、解決問(wèn)題。

【參考資料】

[1]魯植雄，汽車(chē)電控柴油機(jī)故障診斷[M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

[2]徐生明，柴油機(jī)共軌電控噴射系統(tǒng)故障診斷與分析[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車(chē)輛技術(shù)，2015（01）.

[3]宋福昌，汽車(chē)電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與故障檢修圖解[M].北京：金盾出版社，2009.