柴油机高压共轨系统的故障诊断与维修.docx
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柴油机高压共轨系统的故障诊断与维修
编号
淮安信息职业技术学院
毕业论文
题目柴油机高压共轨系统的故障诊断与维修
学生姓名
学号
院系
汽车工程系
专业
汽车检测与维修技术
班级
指导教师
顾问教师
二〇一五年十一月
摘要
柴油发动机高压共轨电控燃油喷射技术从结构上彻底改变了柴油发动机燃料供给方式,实现了高压喷射、精确控制、喷油压力与喷油过程分开,使柴油发动机经济性、排放性、动力性有了大幅提高,并在柴油发动机系统中广泛使用。
机械结构、电子控制、液压系统多种先进技术的综合运用,使系统的复杂程度、精密程度大大增加。
对使用维护提出了更高的要求。
了解、掌握高压共轨电控燃油喷射系统,对维修人员有着重要意义。
本文简单介绍了高压共轨电控燃油喷射系统,并根据自己的维修经验,结合案例分析总结了高压共轨电控燃油喷射系统故障诊断的基本思路。
关键词:
高压共轨;电控喷射;故障诊断
Abstract
Dieselenginehighpressurecommonrailelectronicfuelinjectiontechnologyhascompletelychangedthedieselenginefuelsupplymode,realizedthehighpressureinjection,accuratecontrol,injectionpressureandinjectionprocessseparately,sothatthefueleconomy,emissionsandpowerofthedieselenginehasbeengreatlyimproved,andwidelyusedinthedieselenginesystem.Mechanicalstructure,electroniccontrol,hydraulicsystemofavarietyofadvancedtechnology,comprehensiveuse,sothatthecomplexityofthesystem,thedegreeofprecisionisgreatlyincreased.Higherrequirementsfortheuseofmaintenance.Tounderstandandmasterthehighpressurecommonrailfuelinjectionsystem,whichhasimportantsignificanceforthemaintenancepersonnel.
Thispaperbrieflyintroducesthehighpressurecommonrailfuelinjectionsystem,andaccordingtotheirownmaintenanceexperience,combinedwithcaseanalysis,summarizesthebasicideasoffaultdiagnosisofhighpressurecommonrailfuelinjectionsystem.
Keywords:
Highpressure;Faultdiagnosis;Electroniccontrolinjection
目录
摘要I
AbstractII
第一章概述1
1.1高压共轨的发展1
1.2高压共轨的优点3
第二章柴油机高压共轨系统组成及工作原理4
2.1组成4
2.1.1低压供油部分4
2.1.2高压供油部分5
2.1.3电控系统7
2.2工作原理8
2.2.1燃油供给系工作原理8
2.2.2电控系统工作原理8
2.2.3控制策略8
第三章常见故障诊断与维修12
3.1主要部件维修12
3.1.1高压油泵检测与维修12
3.1.2喷油器的检测与维修13
3.1.3电子控制单元ECU的检查14
3.1.4油轨压力传感器15
3.1.5电磁阀检修16
3.2柴油机高压共轨系统常见故障17
3.2.1柴油机运行中自行熄灭17
3.2.2柴油机启动困难19
3.2.3柴油机工作粗暴20
3.2.3发动机动力不足21
3.2.4发动机工作不稳22
3.3其他部件常见故障与维护方法23
第四章柴油机高压共轨系统的典型故障案例25
4.1东风天锦行驶中无力25
4.2瑞风商务车里程表不工作26
4.3长城哈弗CUV车发动机冒烟27
4.4金龙客车电控高压共轨喷油器损坏29
第五章总结与展望31
5.1总结31
5.2展望31
致谢32
参考文献33
第一章概述
1.1高压共轨的发展
随着人们对柴油机智能化、强度化、经济性和排放性的要求越来越高,燃油喷射系统的研究也越来越受到重视。
未来柴油机必须满足更严格的排放法规,而高压共轨系统具有高度的控制灵活性,其已成为降低柴油机排放的主要核心技术之一。
高压共轨燃油喷射系统作为一种高度柔性控制的燃油喷射系统,以其显著的优越性已经成为现代柴油机技术的发展趋势之一。
在汽车及工程机械用柴油机中,每工作循环柴油喷射过程的时间大约只有千分之几秒,实验证明,在喷射过程中高压油路各位置的压力随时间不同而变化的。
由于高压油路中柴油的压力波动,使实际的喷油状态与喷油泵所规定的供油规律存在着较大的差异。
油管内的压力波动可能会导致喷油器在主喷射之后产生二次喷油现象,但是二次喷油不可能完全燃烧,于是增加了废气排放量和柴油消耗。
另外,每次喷射完成后,高压油管内的残余油压都会发生变化波动,并且产生不稳定的喷射,特别在低转速情况下容易发生上述现象,通常引起不均匀喷油,严重时会发生间歇性不喷射现象。
为了解决这个燃油喷射系统结构上的缺陷,现代柴油机采用了“高压共轨”的技术。
共轨式电控燃油喷射技术通过共轨形成恒定的高压燃油,再将燃油分送到每2个喷油器,并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合,定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量,从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化,以及最佳的点火时刻、足够的点火能量和最少的污染排放。
共轨系统将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开,电磁阀控制的喷油器替代了传统的机械式喷油器,共轨内燃油压力由压力调节阀控制,可在一定范围内自由设定。
ECU(计算机)根据转速传感器、油门位移传感器送来的转速信号、油门位置信号,首先计算出基本喷油量,基本喷油特性保证发动机具有整体优良的动力性、经济性、排放性及调速性;然后根据冷却水温、进气三力、进气温度等传感器送来的信号进行修正计算,精确地确定柴油机在各种环境下运转的最佳供油时刻,并将喷油时刻信号通过发动机线束传给喷油器电磁开关阀,实现最佳喷油量。
共轨内有个压力传感器,它时时监测共轨内压力,并将这一压力信号传给ECU,ECU通过对燃油量的调节来控制共轨内压力达到希望值,从而实现共轨内燃油压力恒定。
共轨系统在喷油过程中,除了可实现主喷射外,还可方便地加人一次或多次预喷射或后喷射,使每个循环的柴油喷射次数达到2~4次之多。
系统构成电控高压共轨燃油喷射系统,主要由电控单元(ECU)、高压油泵、共轨管、电控喷油器、各种传感器及管理软件等组成。
低压燃油泵将燃油输入高压油泵,高压油泵将高压燃油加压送入油轨。
高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节,高压油轨内的燃油经过高压油管,根据机器的运行状态,电控单元(ECU)从预设的MAP图中找到合适的喷油定时和喷油持续期,控制喷油器电磁阀的开闭,从而控制喷油定时和喷油量。
柴油燃油喷射系统从机械控制式发展到电子控制式系统后,电子喷射系统又经历了三次变革,即位置式燃油喷射系统、时间式燃油喷射系统和时间压力式燃油喷射系统(共轨系统)。
高压共轨系统实现了压力建立和喷射过程的分离,从而使控制过程更具有柔性,能更准确地实现小油量的精确控制,更好地实现多次喷射。
德国4000系列柴油机高压共轨喷射系统德国MTU公司和L'Orange公司合作开发的4000系列高压共轨燃油喷射系统主要由高压泵、共轨管、喷油器和电子控制装置(ECS-发动机控制系统),该系统可任意调整喷油始点、喷油量和喷油压力,其喷油量是通过高压径向柱塞泵的行程利用率来控制的。
在泵的进油口装有节流阀,通过其截面确定泵的输送流量,克服了旧式喷油泵中采用柱塞斜边控制时存在的高压侧液压效率低与低压侧有穴蚀的问题。
电子控制的喷油器可以灵活控制喷油始点和喷油量。
喷油始点的喷油率陡度与针阀关闭过程完全无关,它可通过进出节流截面的比例关系来确定。
目前,共轨燃油喷射系统应用十分普遍,博世公司已生产出2500万套共轨系统,并在江苏无锡投资建设了技术中心和工厂,实现了本地化生产。
长城汽车与博世公司开发出了高压共轨柴油发动机,此外奥迪、奔驰、华泰等品牌也推出了采用共轨系统的汽车。
我国部分大学、研究所和企业也通过合作或独立自主研发,取得了各具特色的研究成果,并有数十项专利公布。
因此,我国在电控直喷式柴油机方面已积累了一定的经验,但总体来说与国外还存在差距,主要体现在制造工艺和批量生产的质量控制。
此外,国内共轨系统相关配套体系不健全,部分零部件还依靠进口,如单片机芯片、共轨压力传感器等。
从1997年博世与奔驰公司联合开发了共轨柴油喷射系统(CommonRailSystem)开始。
到现在柴油共轨系统已开发了三代。
第一代共轨系统总是保持燃油在最高压力,造成能量的浪费和较高的燃油温度。
第二代共轨系统根据发动机需求可以改变燃油的输出压力,并且具有预喷射和后喷射功能。
预喷射是在主喷射之前的百万分之几秒内将少量的燃油被喷进了气缸压燃,预加热燃烧室。
预热后的气缸使主喷射后的压燃更加容易,缸内的压力和温度不再是突然地增加,有利于降低燃烧噪音和减少突然爆震燃烧的可能。
在膨胀过程中进行后喷射,产生二次燃烧,将缸内温度增加200℃~250℃,降低了排气中的碳氢化合物,优化了发动机排放。
第三代——压电式(piezo)共轨系统,压电执行器代替了电磁阀,于是得到了更加精确的喷射控制。
取消了燃油回油管,在结构上更简单;压力可从5200~20000巴范围内弹性调节;最小喷射量可控制在0.5mm,减小了烟度和NOX的排放。
比如博世公司最近推出带piezo压电直列式喷油器的第三代共轨系统与前几代产品相比,它能有效降低尾气近20%,提高发动机动力5%,降低嘈音3分贝。
这是北京福田康明斯发动机公司研发的新一代发动机高压共轨技术。
高压共轨电控燃油喷射技术的出现使得柴油机的发展获得了新生,它不仅保留了传统柴油机卓越的燃油经济性能,还开辟了降低柴油发动机排放和噪音的新途径。
在此,就共轨喷射系统在国内的发展提出一点看法。
政府应该在制定环保法规的同时,采取措施确保燃油质量。
以目前低劣的柴油质量,根本无法适应电子控制高压共轨燃油喷射系统的要求。
目前我国对高压共轨燃油喷射系统的研究与开发尚处于起步阶段,发动机燃油喷射系统由机械式喷射系统向电控式喷射系统过渡还主要依靠国外技术来实现。
为尽快提高我国的自主开发和核心竞争力,应不遗余力地在电控喷油器、液力控制阀、喷油嘴偶件和高速执行器、ECU软硬件等关键零部件的制造以及控制策略和功能、匹配标定技术、提高产品可靠性和安全、降低制造成本等方面开展研究。
1.2高压共轨的优点
1.共轨系统中的喷油压力柔性可调,对不同工况可确定所需的最佳喷射压力,从而优化柴油机、综合性能。
2.可独立地柔性控制喷油正时,配合高的喷射压力(120MPa~200MPa),可同时控制NOx和微粒(PM)在较小的数值内,以满足排放要求。
3.柔性控制喷油速率变化,实现理想喷油规律,容易实现预喷射和多次喷射,既可降低柴油机NOx,又能保证优良的动力性和经济性。
4.由电磁阀控制喷油,其控制精度较高,高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象,因此在柴油机运转范围内,循环喷油量变动小,各缸供油不均匀可得到改善,从而减轻柴油机的振动和降低排放。
第二章柴油机高压共轨系统组成及工作原理
2.1组成
1.低压系统
由燃料供给系统组成。
2.高压系统
由高压油泵、高压蓄压器、喷嘴和高压油管等组成。
3.电子控制系统
由传感器,控制单元和执行器等组成。
图2-1高压共轨系统示意图
如图2-1所示为高压共轨系统示意图,共轨系统中最重要的部件是喷油器通过高速电磁阀控制喷油器的开启和关闭,这使得对每个汽缸的单独喷射控制成为可能,和其他电磁阀控制的燃油喷射系统不同的是,高压共轨系统是在电磁阀打开时喷油。
因为所有的喷油器中的燃油都来自共轨系统的公用轨道,所以称共轨燃油系统。
2.1.1低压供油部分
共轨喷油系统的低压供油部分包括:
燃油箱、输油泵、燃油滤清器及低压油管。
低压部分向高压部分提供足够的燃油。
1.油箱
燃油的存储。
2.压油管
燃油的输送。
更换低压管路要注意管径和长度应符合原设计要求。
低压供油部分,除采用钢管外还可使用阻燃的包有钢丝编织层的柔性管。
油管的布置必须能够避免机械损伤,并且在其上滴落的燃油既不能聚积,也不会被引燃。
3.输油泵
输油泵的主要作用是使燃油产生一定得压力,以克服滤清器及低压管路的油流阻力,把油箱内的燃油不断地输入高压泵,在柴油机的任何工况下,都能提供充足的燃油。
目前输油泵有2种类型,即电动输油泵和机械驱动的齿轮泵。
4.滤清器
燃油滤清器将进入高压泵前的燃油滤清净化,从而防止高压泵、出油阀和喷油器等精密件过早磨损和损坏。
2.1.2高压供油部分
共轨喷油系统的高压供油部分包括:
带调压阀的高压泵、高压油管、作为高压存储器的共轨、限压阀和流量限制器、喷油器、回油管。
1.高压泵
高压泵组成如图2-1所示,高压泵是高压共轨系统中的重要部件之一,主要作用是对输油泵输入的低压油作功,使其变成高压油,之后不断向高压蓄压器提供高压燃油。
同时要保证足够高的供油速度,使共轨轨道内能快速建压。
Bosch公司的高压共轨喷油系统采用3缸径向柱塞高压油泵,并集成了燃油计量单元MEUN,由之控制轨压。
图2-2高压泵组成
1、驱动轴2、偏心凸轮3、柱塞泵油元件4、柱塞腔5、吸油阀6、柱塞偶键电磁阀7、排油阀8、密封件9、通向共轨的高压接头10、调压电磁阀11、球阀12、回油口13、进油口14、带节流孔的安全阀15、通往泵油元件的低压通道
2.共轨
在共轨中燃油仍保持其压力,即使喷油器喷油时,由于燃油的弹性而产生蓄压作用,燃油压力基本保持不便。
燃油压力由共轨压力传感器测定,通过调压阀调节到规定数值。
限压阀的任务是将共轨中的燃油压力限制在150MPa以内。
3.喷油器
喷油器既是电子控制系统执行器,又是燃油供给系统高压系统的关键元件。
可以拆分为一系列功能部件:
孔式喷油嘴,液压伺服系统和电磁阀。
喷油器的工作原理,燃油来自于高压油路,经通道流向喷油嘴,同时经节流孔流向控制腔。
控制腔与燃油回路相连,途径一个受电磁阀控制其开关的泄油孔。
泄油孔关闭时,作用于针阀控制活塞的液压力超过了它在喷油嘴针阀承压面的力,针阀被迫进入阀座且将高压通道与燃烧室隔离,密封。
当喷油器的电磁阀被触发,泄油孔被打开,引起控制腔的压力下降,活塞上的液压力也随之下降,一旦液压力降至低于作用于喷油嘴针阀承压面上的力,针阀被打开,燃油经喷孔喷入燃烧室。
这种对喷油嘴针阀的不直接控制采用了一套液压力放大系统,因为快速打开针阀所需的力不能直接由电磁阀产生,所谓的打开针阀所需的控制作用,是通过电磁阀打开泄油孔使得控制腔压力降低,从而打开针阀。
此外,燃油还在针阀和控制柱塞处产生泄漏,控制和泄漏的燃油量,经连接回油管,会同高压泵和压力控制阀的回油流回油箱。
4.高压油管
也称之共轨管,是一根锻造钢管,各缸喷油器通过各自的油管与油轨连接。
高压蓄压器将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中,起蓄压器的作用,它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡,使高压油轨中的压力波动控制在5Mpa之下。
但其容积又不能太大,以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。
图2-3高压蓄压器
1、共管2、来自高压泵的供油3、共管压力传感器4、限压阀5、回油6、流量限制器7、到喷油器的高压管
高压蓄压器如图2-3所示,高压蓄压器上还安装了轨压传感器、液流缓冲器(限流器)和压力控制阀。
共轨压力传感器向ECU提供高压油轨的压力信号。
流量限制器(限流器)保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油,并可减小共轨和高压油管中的压力波动。
限压阀(压力控制阀)在正常压力下,弹簧使柱塞紧紧压在密封座上,使共轨管保持关闭;当压力超过系统最大压力时,弹簧被压缩,柱塞被顶起,燃油从油轨溢出,油轨压力下降,保证高压油轨在出现压力异常时,迅速将高压油轨中的压力进行放泄。
2.1.3电控系统
电控系统示意图如图2-6所示,由传感器、ECU、执行器三部分组成
图2-6电控系统示意图
1.传感器——采集发动机实际运行状态信息参数,传给ECU。
主要传感器有
(1)发动机转速传感器(曲轴转速传感器、凸轮轴转速传感器)
曲轴转速传感器检测发动机转速信号,凸轮轴转速传感器确定工作顺序。
(2)加速踏板位置传感器
检测油门踏板位置信号(驾驶员转矩的要求)。
(3)空气流量传感器(进气压力传感器)
检测发动机空气流量信号。
(4)增压压力传感器
检测增压器增压压力。
(5)冷却液温度传感器、进气温度传感器
ECU根据温度传感器的数值对喷油始点、喷油率及其它参数进行最佳匹配。
(6)共轨压力传感器
采集共轨内燃油压力,进行反馈,控制共轨内的燃油压力。
2.ECU
根据各种传感器传来的发动机实际运行状态信息,进行计算、分析、发出控制指令,对喷油时间、喷油量、喷油率、喷油压力进行控制。
同时具有故障自诊断和故障应急功能。
3.执行器——电磁阀
由ECU控制各种电磁阀的开启和关闭时刻,对共轨内的喷油压力,喷油器的喷油时间、喷油量、喷油率进行控制。
2.2工作原理
2.2.1燃油供给系工作原理
低压燃油泵将燃油输入高压油泵,高压油泵将燃油加压送入高压油轨,高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节,高压油轨内的燃油经过高压油管,根据机器的运行状态,由电控单元从预设中确定合适的喷油定时、喷油持续期,由电液控制的电子喷油器将燃油喷入气缸。
2.2.2电控系统工作原理
高压共轨电子控制系统,是由ECU-电子控制单元、各种传感器及相关执行器组成多条闭环控制回路。
工作时由不同的传感器把汽车行驶中和柴油机运行时的曲轴转速、轨道压力、增压压力、(进气、冷却液、燃油)温度和行驶加速度等有关实际值,实时采集并传输给电子控制单元。
电子控制单元对上述输入信号进行计算,使与对应的期望作比较,确定合适的喷油点,预喷油量和其他参数的额定值,进行修正后发出指令到各个执行机构。
2.2.3控制策略
在电控高压共轨系统中,共轨压力(轨压)的精确控制是众多控制量优化控制的一个前提,它不仅决定了喷油压力的高低。
而且是喷油量计算的重要参数,其稳定性和动态响应直接影响发动机起动、怠速、加速等动力性能。
特别是喷油量的精确控制,严重的依赖于共轨压力。
1.起动轨压控制
在起动过程中,转速较低,内部泄漏较大,为促进燃油与空气的混合,必须迅速建立起足够的喷射压力;同时需要根据柴油机的冷热状态确定合适的低速加浓油量,在不冒黑烟的前提下保证柴油机顺利起动。
按照起动过程的状态变化,将压力控制划分为如下两个阶段。
阶段1为柴油机起动初期,ECU未检测到判缸信号时,为了尽快建立共轨内油压,ECU的起动程序是采取查取轨压MAP图去控制油泵电磁阀,电磁阀电流为零,即PWM占空比为零,进油量最大,加速起动过程中目标轨压的建立。
阶段2为轨压达到目标值(一般取为40Mpa)后、柴油机未达到最低怠速转速前,ECU以闭环控制的方式,采用合适的PWM占空比,维持起动目标油压,直到转入怠速过程。
2.起动后轨压控制
当共轨压力达到所需压力后,进入共轨压力的闭环控制方式,保持共轨压力的稳定。
稳态工况下,共轨压力要求维持在根据柴油机状态确定的压力值上,由于喷油器喷油和燃油泄漏的影响,每次喷油后均需进行压力调节。
ECU首先根据最终喷油量和转速,通过查油压MAP确定目标轨压基本值,结合进气温度、进气压力和冷却水温对基本值进行修正,得到的结果即为最终目标轨压Ⅱ,后将当前轨压反馈值与目标值相比较,两者通过实时控制算法求得轨压实际控制量,查询MAP图得到相应的PWM驱动占空比,输出至高压油泵进油量比例电磁阀,完成共轨压力控制。
3.轨压闭环控制算法
轨压闭环控制效果直接决定于控制器特别是控制算法的设计。
轨压闭环控制算法,是高压共轨的核心控制算法之一,为了精确控制轨压。
对PID和PID模糊自适应两种控制算法进行了对比研究。
现代柴油机技术的关键在于如何降低PM、NO排放和噪声水平,提高柴油机冷起动性能,并降低起动时的白烟排放水平。
优化喷油定时及喷油规律是降低排放的重要方法。
对于高压共轨系统,除可以随工况灵活调整的喷油压力外,更为重要的是精确控制喷油量和喷油时刻,才能形成理想的喷油规律,达到提高混合气质量、改善排放的目的。
4.喷油量控制策略
在高压共轨柴油机系统中,喷油量不仅取决于电控单元(ECU)控制作用在喷油器电
起动工况的油量控制主要考虑转速和冷却水温的影响,在转速低时喷油量大,随转速提高喷油量逐渐减小至怠速油量;ECU根据冷却水温度判断柴油机的冷热状态,冷机时增大喷油量使燃油蒸发、雾化的数量增大,以改善起动性能;热机时适当减小喷油量以避免冒黑烟。
ECU根据起动开关及转速传感器的信号,判断柴油机是否处于起动状态。
起动喷油控制的特点是,起动时程序不查控制喷油量MAP,喷油定时取设定值,以固定的喷油脉宽开始,每次喷射以一定的步长增加,但喷油脉宽不大于最大脉宽,直到柴油机转速超过设定怠速,随后转入正常运行工况。
(1)起动后喷油量控制
起动后,ECU首先根据柴油机工况信息,即油门开度和平均转速。
结合燃油温度、增压压力和冷却水温对基本油量进行修正,得到的结果与当前转速下的最大喷油量作比较,较小的值即为最终总喷油量。
然后根据当前的共轨压力,通过查油量和脉宽的对应关系MAP,计算出喷油脉宽,通过喷射控制软件驱动喷油器电磁阀完成喷滴量控制。
5.喷油正时控制策略
柴油机喷油正时的控制,实际上是对喷油器的喷油提前角的控制.喷油提前角是相对压缩上止点的角度,为了确定上止点,柴油机曲轴齿盘采用缺齿形式,产生转速信号Ne,凸轮轴上设置气缸检测器,在接近上止点的地方产生信号G。
G信号和Ne信号安装时的配合原则是,当ECU同时检测到G信号和Ne的缺口时,随后Ne信号出现的第一个脉冲上升沿处于压缩上止点前30。
,对应的时间由Ne唯一确定,记作1k。
电控共轨柴油机不仅要把精确计算后得到一定压力的燃油喷入气缸,而且要根据工况选择合适的喷油始点,燃油过早喷入缸内导致燃烧爆发压力过大,影响发动机寿命;过迟则喷入缸内的燃油雾化质量变差,造成燃烧不良,油耗增加,排气冒黑烟。
能使燃烧点发生在最佳位置所对应的喷油提前角称为最佳喷油提前角,也是控制过程中的最终喷油提前角。
ECU根据发动机转速决定基本喷油提前角,同时,还要根据发动机负荷、冷却永温、进气压力等对喷油提前角进行修正。
(1)起动
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