某型电控柴油机单缸排气温度异常故障研究

随着对能源危机和环境污染的日益警惕，国家法律法规对柴油机能耗以及排放的控制要求越来越高，传统的机械式燃油系统已经无法满足排放要求。电控柴油机采用先进的电子控制装置，配有高速电磁开关阀，可以自由控制喷油量、喷油率、喷油压力和喷油时间，能提高柴油机经济性、动力性以及排放性能。电控柴油机提高了燃油喷射压力，并且将高压燃油的产生与喷射分隔开，使得喷油系统压力波动小。喷油量控制更加精确，有利于燃油的充分燃烧，降低烟度及污染物的排放。再配合采用增压中冷和共轨技术，可以使柴油机满足非道路国三排放标准的同时，保持良好的动力性和燃油经济性[1-5]。某型电控柴油机在试验过程中出现单缸排气温度异常故障现象．本次研究对此故障的影响因素进行了分析与排查。一、故障现象某型柴油机在试验过程中，发生多次不同类型的单缸排气温度异常情况。针对异常现象进行分类统计，大致可以划分为三种。三种故障现象具体如下。故障现象A：单缸排气温度先升高并且超出正常值，随后单缸排气温度降低。故障现象B：柴油机每次启动后，如果启动过程温度正常，则运行中单缸温度一直正常，如果启动后单缸排气温度低，则运行过程中单缸温度会一直低。故障现象C：柴油机运行过程中，会出现单缸排气温度突然降低的现象。二、故障成因分析1、系统运行原理该型柴油机为电控柴油机，柴油机的电控高压共轨系统主要由共轨泵、共轨管、高压油管、电控喷油器、机械限压阀、限流阀、轨压传感器、电子控制单元(ElectronicControlUnit，ECU)、电子泄压阀、低压燃油管路及燃油滤清器等零部件组成。清洁的燃油通过低压输送泵输入到共轨泵。共轨泵将燃油加压后送入共轨管，共轨管内的燃油经高压油管进人各缸喷油器。进入喷油器的高压燃油一部分直接在针阀腔，一部分经三通阀到液压活塞腔，液压活塞在弹簧作用下，顶在针阀上端。在电信号作用下三通阀开启，液压活塞腔的燃油经三通阀流回油箱，腔内压力剧降。针阀开启，高压燃油喷入燃烧室。关闭三通阀的泄油通道后，共轨油管的高压燃油经三通阀流入液压活塞腔，液压活塞下移，关闭针阀，终止喷油[6]。电子控制单元(ElectronicControlUnit，ECU)根据柴油机的运行状态，由设定程序确定合适的喷油定时和喷油量，通过控制喷油器电磁阀，将燃油喷入气缸内，其工作原理如图1所示。图1电控柴油机燃油系统工作原理导致电控柴油机排气温度出现异常现象的因素较多，重要影响因素涉及4个方面，分别是ECU程序、限流阀、高压连接杆和喷油器。2、ECU程序影响因素分析电控柴油机ECU程序中影响单缸排气温度的因素为各缸上止点的配置参数，即转速传感器从转速零齿到各缸压缩冲程上止点的角度。此外，凸轮轴相位传感器信号和转速传感器缺齿信号之间的对应关系对单缸排气温度也有影响。相位传感器信号和转速传感器信号分别为一用一备（常用转速1和相位1对应，备用转速2和相位2对应)，正常工作情况下，转速1和相位1在工作，此时在传感器中同步转速1和相位1的相关参数，同步状态为1，若转速1或者相位1出现问题，则传感器转为同步转速⒉和相位2的相关参数，同步状态为2。在ECU参数配置过程中，如果出现同步参数配置错误的情况，会导致电控柴油机无法启动。如果某一缸上止点参数配置错误，柴油机的单缸喷油提前角也会出现异常。喷油提前角的大小对柴油机的影响很大，当喷油提前角过大时，缸内着火延迟期随喷油提前角的提前而变长，着火延迟期越长,着火延迟期内喷入燃烧室的燃料就越多，燃油与空气混合时间越长，在着火前形成的可燃混合气就越多。这些燃料在急燃期内几乎同时燃烧，使爆发压力急剧升高[7-8]，导致柴油机运动件在工作过程中受到强烈的冲击负荷。而当喷油提前角过小时，会使燃烧过程过度延后，燃料在排气管内出现一定程度的后燃，导致单缸排气温度低，柴油机热效率下降，在寒冷天气运行时易出现白烟现象。3、限流阀影响因素分析图2高压连接杆内部结构示意图该柴油机的限流阀集成在高压连接杆内部，结构示意图如图2所示，其工作原理为：当喷油器打开时，进油口压力大于出油口压力，弹簧向出油口方向进行压缩。当喷油器关闭时，弹簧向进油口方向进行伸缩。当喷油器出现故障时，燃油流量异常增大，如果过多的燃油喷入气缸，可能引起柴油机失控,对设备和人员带来危害。限流阀在喷油器流量过大时会关闭限流阀芯，阻止高压燃油从共轨管流入喷油器，起到安全保护的作用。同时，限流阀对喷油器端的高压泄漏也会起到保护作用。当限流阀关闭时，单缸排气温度将会异常降低。限流阀关闭的原因分为正常关闭和非正常关闭，正常关闭为喷油器故障或者喷油器和高压连接杆组成的密封不严而导致限流阀关闭;非正常关闭为限流阀故障导致，一般是内置弹簧卡滞造成的。4、高压连接杆和喷油器影响因素分析高压连接杆和喷油器的安装结构如图3所示。从安装结构图中可以看到，在缸内的密封结构中，喷油器上下两层О型圈和高压连接杆处的О型圈组成了一个密闭空间，如果任何一个О型圈密封不严，就会导致喷油器的回油从该О型圈密封处流出，但是回油不会再次流人缸内燃烧，因此也无法造成单缸排气温度异常的情况。从安装结构图中还可以看到，高压连接杆和喷油器通过喷油器压板和高压连接杆压板进行固定，如果高压连接杆、压板或者喷油器压板的固定螺栓松动，就会造成高压连接杆和喷油器的接口连接处密封不严，使高压连接杆的进油量增大，从而导致限流阀关闭，单缸排气温度降低。5、喷油器影响因素分析喷油器可以根据ECU的指令精确的控制喷油量和喷油时间以及喷油规律，主要由电磁阀、控制室、球阀、针阀等组成，如图4所示。图4喷油器组成机构当电磁阀不通电时，球阀关闭，控制室压力加针阀内部弹簧压力大于针阀腔压力，将使针阀关闭，不喷射燃油。当电磁阀通电时，电磁阀产生的磁力克服弹簧的阻力，使球阀开启，控制室压力加针阀内部弹簧压力小于针阀腔压力，将使针阀开启，喷射燃油。喷油器失效分为两种类型:一是喷油器处于常开状态，二喷油器是处于常闭状态。当喷油器处于常开状态时，高压燃油将直接喷射到缸内，会导致单缸排气温度升高。当喷油器处于常闭状态时，高压燃油将无法喷射到缸内，会导致单缸排气温度降低。三、故障排查通过对ECU程序、限流阀、高压连接杆和喷油器工作原理和结构影响因素的分析梳理，结合该柴油机出现的故障现象作进一步排查，以确定该柴油机的故障原因。针对故障现象A，结合相关零部件工作原理，可以判断出是由于喷油器卡滞造成喷油器处于长通状态，缸内喷入大量燃油，造成单缸排气温度升高且超出限流阀的流量量程，触发限流阀关闭程序，进而导致单缸排气温度低。针对故障现象B，初步判断为软件程序问题。通过进一步排查软件程序，发现程序中上止点角度出现错误，但该程序错误无法解释有时运行正常的情况。再通过对ECU监控程序进行深入检查，发现同步状态在单缸排气温度低和正常时，分别为1和2。因此判断转速传感器或者相位传感器有问题，对其细化排查，发现是相位传感器发生了信号故障。针对故障现象C，柴油机在运行过程中突然出现单缸排气温度降低的情况，结合前述对ECU程序、限流阀、高压连接杆和喷油器影响因素的分析，可以判断故障成因是喷油器故障、限流阀故障或其他故障导致限流阀关闭。图5高压连接杆压板螺栓松动通过系统性检查，发现高压连接杆压板螺栓松动，如图5所示，造成高压连接杆与喷油器连接处漏油，燃油进油量超出限流阀的量程，从而导致单缸排气温度降低。四、结论结合某电控型柴油机系统运行原理，分