陳有兵，魏志友，夏東徽，張成國，張宗英，曹東明

(1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊　261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊　261061)

引言

電控柴油發(fā)動機起動是指ECU根據(jù)駕駛員的起動請求，通過對發(fā)動機和整車狀態(tài)的判斷，控制起動機工作從而帶動發(fā)動機起動的過程[1]。在起動過程中，起動機帶動發(fā)動機運轉(zhuǎn)，同時曲軸通過凸輪軸控制氣門共同完成進排氣動作。齒輪室中的中間齒輪則帶動高壓油泵齒輪完成高低壓油路的供油。對于柴油機的起動而言，供油、供氣和起動機帶動柴油機所達到的起動轉(zhuǎn)速是直接左右起動是否成功的三要素。

此外，起動還受環(huán)境、負載等諸多因素影響。因此研究柴油機的起動過程故障對于提高發(fā)動機的整體性能具有重要意義[2]。

1　起動過程故障分類

1.1　按照系統(tǒng)分類

柴油機起動過程涉及的因素較多[3]，其中供油、供氣和起動機轉(zhuǎn)速是主要的因素。三者需相互配合才能使柴油機順利起動。任何一方出現(xiàn)問題都會造成發(fā)動機起動困難或無法起動。起動機的運轉(zhuǎn)受柴油機電控單元ECU的控制，控制起動機運轉(zhuǎn)的電路故障也會影響柴油機的起動。如果起動機所帶動的柴油機傳動件出現(xiàn)故障，會造成柴油機轉(zhuǎn)速達不到起動要求而無法起動的故障。如果裝配發(fā)動機的車輛或機械出現(xiàn)故障造成發(fā)動機承受扭矩過大，同樣會造成起動轉(zhuǎn)速達不到起動要求，致使柴油機無法起動。

圖1　起動過程故障按系統(tǒng)分類圖

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

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

油路故障有時候只是表面現(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，這個外因主要是燃油。燃油含水較多會造成銹蝕，雜質(zhì)多會造成堵塞，燃油成分不過關(guān)會造成噴油器的損壞等。當遇到油路零部件故障需追根究底，找到根本原因，否則換了部件還會造成損壞[4]。

柴油機的氣路主要包括進氣管、空氣濾清器、中冷器、渦輪增壓器、排氣管、消聲器、排氣制動蝶閥等部件。往往故障點也在這些部件上。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)分類細分圖

圖3　氣路故障按系統(tǒng)分類細分圖

圖4　起動系統(tǒng)電路圖

電路故障對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系統(tǒng)的原理，熟悉電路，才能有目的有針對性的檢查電路。否則有可能產(chǎn)生處處都正常或者處處是故障的錯覺。

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

根據(jù)系統(tǒng)電路圖，將電路故障進行分類，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)分類細分圖

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

柴油機是—種復(fù)雜的往復(fù)式動力機械,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,運動部件多[5]。電控柴油機硬件故障即是指由柴油機的各個零部件引起的故障，與機械泵柴油機類似。其中曲軸和凸輪軸的同步信號錯誤經(jīng)常會造成柴油機無法起動和起動困難。由凸輪軸和曲軸安裝角度問題引起的故障也屬于機械故障。發(fā)動機起動除了要克服空氣壓縮阻力和自身各個部件摩擦阻力外[6]，還需克服所帶負載阻力，負載故障即是由于與柴油機飛輪連接的設(shè)備出現(xiàn)故障造成負載過大而導(dǎo)致的起動故障。硬件和負載這兩類故障可以通過診斷工具進行監(jiān)測確認故障的原因。

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，可將起動過程故障分為首臺樣機起動故障和批量產(chǎn)品起動故障。首臺樣機起動故障產(chǎn)生的原因多由于產(chǎn)品不成熟，沒有經(jīng)過實踐的檢驗造成柴油機無法正常起動。其中有ECU數(shù)據(jù)設(shè)計原因造成的故障、裝配錯誤造成故障、柴油機與整車匹配造成故障等。這些故障在產(chǎn)品進行批量生產(chǎn)時是極少發(fā)生的。首臺樣機起動時同樣會遇到批量產(chǎn)品起動產(chǎn)生的故障。

1.3　按照起動機工作情況分類

從起動機工作情況的角度考慮，可以將起動過程故障分為起動機轉(zhuǎn)起動故障和起動機不轉(zhuǎn)起動故障。這種分類便于對故障進行針對性的處理。起動機轉(zhuǎn)動說明起動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。如果起動機不轉(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

柴油機采用電控和機械泵的區(qū)別除了噴油受ECU 控制之外，電控柴油機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行處理，給故障處理工作帶來極大的便利。可將起動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。

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

2　起動過程故障分析

因柴油機是靠起動機帶動起動，起動機又是由ECU控制，起動機的電控回路影響起動機的工作狀態(tài)。起動過程故障分類中的油路故障和氣路故障不會造成起動機不轉(zhuǎn)。因此可以通過起動過程中起動機的轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)將故障進行劃分。如果起動機轉(zhuǎn)動而柴油機無法起動，那么說明電路連接是通的，無法起動的原因有可能是油路、氣路或者電瓶問題。如果起動機不轉(zhuǎn)導(dǎo)致柴油機無法起動，則說明導(dǎo)致起動機不轉(zhuǎn)的原因是電路故障，但此時不能排除油路、氣路就一定沒有問題。在解決了起動機不轉(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無法起動故障。

發(fā)動機出現(xiàn)油路或氣路故障時，起動機帶動柴油機運轉(zhuǎn)，柴油機開始噴油，因供油或者供氣不足造成柴油機功率不足，達不到克服摩擦扭矩和負載扭矩的功率，在摩擦扭矩和負載的共同作用下柴油機熄火。

電路故障是較難解決的一類故障，當起動機不轉(zhuǎn)時首先應(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)問題時起動機雖然工作但無法起動，這是電瓶特殊之處，是影響電控柴油機起動性能的重要因素[7]，另外電路中的空擋保護開關(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)送停止起動命令等同樣會造成起動機停止工作。因此需要檢查電路中的各個電氣件和線路。

在解決故障過程中，故障處理經(jīng)驗及對電控系統(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)驗豐富的工程師可能首先會檢查油量計量單元和回油管路，因為這兩個故障點造成軌壓的高概率較大。然后檢查電動油泵、噴油器、最后再檢查高壓油泵。

3　起動過程故障處理過程及方法

圖6　起動故障處理流程

處理起動過程故障可分門別類進行檢查。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)品是樣機還是成熟的批量產(chǎn)品，之前是否起動正常。再從起動故障的現(xiàn)象查看柴油機起動過程中故障燈或總線儀表是否報出故障，起動機是否旋轉(zhuǎn)。然后進行電路、氣路、油路的檢查。柴油機硬件故障很少會導(dǎo)致起動問題，更多的是導(dǎo)致動力不足。柴油機出廠前會經(jīng)過試車，大多數(shù)硬件故障均會被排除。負載問題遵循先進行檢查最后做出判斷的原則。由于負載和柴油機分屬不同廠家，過早考慮負載問題會對柴油機故障檢查產(chǎn)生干擾。在完全排除柴油機故障的前提下才能做出判斷，將故障點定位在負載上，通過對負載扭矩的監(jiān)測進一步核實。圖6為起動故障處理流程。

如圖6所示，在查完負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)標定問題。批量車型因數(shù)據(jù)經(jīng)過驗證可以排除數(shù)據(jù)造成的故障。

4　起動過程故障舉例

4.1　故障案例一

某廠家在裝配中的首臺挖機無法起動，起動機無動作。故障的排查處理過程如下：

圖7　信號監(jiān)測情況

1)用INCA軟件檢查，報出起動繼電器對地短路故障，監(jiān)測信號如圖7所示，T15處于閉合狀態(tài)，ECU可以接收到T50開關(guān)起動信號。發(fā)動機沒有停止請求。但是起動繼電器狀態(tài)Strt_st沒有隨鑰匙的起動請求而起動，因此判斷有可能是起動繼電器電路存在問題。

2)用萬用表測量線束起動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，進行起動復(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)起動繼電器輸入端線路沒有電壓信號輸入。由此可判斷故障在起動機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，單獨連接到電控回路中進行起動模擬，監(jiān)測起動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單獨連接試驗場景

5)檢查ECU和起動機之間的電路連接，發(fā)現(xiàn)起動機的供電端通過進氣預(yù)熱繼電器直接接到電瓶負極，導(dǎo)致對地短路。ECU單獨連接試驗場景如圖8所示。

4.2　故障案例二

某臺推土機，起動時起動機不動作，測量控制器端供電電壓為0，儀表上不顯示發(fā)動機信息，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。起動機轉(zhuǎn)但是還是無法起動，說明電路通了，電壓不足造成無法起動。

4)重新給電瓶充電，再起動，發(fā)動機起動成功。

5)將電路接回原來的狀態(tài)，此時發(fā)現(xiàn)儀表上顯示發(fā)動機信息。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。由此判斷在保險盒里裝有類似二極管的電子元件，當電壓低時不導(dǎo)通，電壓超過一定限值才導(dǎo)通。

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

7)起動發(fā)動機，檢查發(fā)電機供電電壓，發(fā)現(xiàn)只有18 V左右。由此驗證了之前的判斷，發(fā)電機內(nèi)部損壞，無法發(fā)電。

4.3　故障案例三

某廠家首臺掃雪車，車的掛車最后部裝有一臺柴油機帶動掃雪泵工作。在起動過程中起動機工作幾秒即停止，無法起動,儀表不報故障。排查和處理過程如下：

圖10　現(xiàn)場信號監(jiān)測

1)起動機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,說明起動機起動電壓不足。

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

圖11　現(xiàn)場車輛照片

6)將正負極各并聯(lián)一條導(dǎo)線后重新起動,起動正常。

通過以上現(xiàn)實中的真實案例可以得到解決起動故障的一些規(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)，由易到難的原則對該系統(tǒng)的各個部件和線路進行檢查，逐段排除，最終找到問題的根源。

5　結(jié)論

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

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