柴油高压共轨式喷油系统于1990年代中后期才正式进入实用化阶段。这类电控系统可分为三类,蓄压式电控燃油喷射系统、液力增压式电控燃油喷射系统和高压共轨式电控燃油喷射系统。柴油高压共轨系统可实现在传统喷油系统中无法实现的一些功能,其优点有:
a.共轨系统中的喷油压力可调,可根据不同工况需要确定所需的最佳喷射压力,从而优化柴油机性能。
b.可独立地控制喷油时刻,配合较高的喷射压力(120MPa~200MPa),可同时控制NOx和微粒(PM)在较理想的数值内,以满足排放要求。
c.能够控制喷油速率变化,实现理想喷油规律,容易实现喷油器预喷射和多次喷射,既可降低排气中NOx的含量,又能保证柴油机的动力性和经济性。
d.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,各缸供油不均匀现象得到改善,从而减轻柴油机的振动和满足排放要求。由于高压共轨系统具有以上的优点,现在国内外柴油机的研究机构均投入了很大的精力对其进行研究。比较成熟的系统有:意大利的FIAT集团的unijet系统、德国BOSCH公司的CR系统、英国的DELPHIDIESELSYSTEMS公司的LDCR系统、日本电装公司的ECD-U2系统等。
高压共轨柴油机不能采用传统的方法进行故障诊断。在诊断故障之前,必须详细阅读高压共轨柴油机的维修手册和操作指南,严格按照维修步骤工艺执行,否则可能在操作过程中,由于共轨管内的高压油喷出造成人身安全事故。只有经过专业技术培训的维修技师才能从事新型高压共轨柴油机的维修。现以工程机械中常用的日本电装公司的ECD-U2燃油共轨供给系统为例,结合自身经验介绍其常见故障的排查方法。
ECD-U2燃油共轨供给系统如图1所示,其主要由低压输油泵、燃油箱、油水分离器、燃油滤清器、高压泵、溢流阀、高压油轨、PCV控制阀、ECU电控单元、限压阀、油压传感器、高压油管、共轨喷油器以及各种传感器等组成。
燃油箱的油箱盖处设置通气孔,从而避免吸油时产生负压,造成吸油阻力以至燃油流动不畅。燃油箱的出口处设置油水分离器,用于将燃油中的水分分离出来,低压输油泵将燃油箱中的燃油吸出,燃油经低压输油泵的出口至燃油滤清器,经过燃油滤清器过滤的燃油至高压油泵部位,在燃油滤清器中设置旁通阀,当燃油滤清器堵塞时,燃油可不经燃油滤清器从旁通阀流出。在低压油路中设置有溢流阀,用于控制低压油路的压力。输入高压泵的燃油经高压泵加压后,输入高压油轨高压泵出口设置PCV控制阀,用于控制输入高压油轨的流量,油压传感器用于检测高压油轨的燃油压力,该压力信号传输给ECU电控单元,经过处理后输至限压阀,由限压阀对高压油轨的燃油压力进行调节。高压油轨内的燃油经高压油管输至共轨喷油器,共轨喷油器将燃油喷入柴油机气缸。ECU电控单元根据发动机的运行状态,从预设的数据中选定合适的喷油定时、喷油持续期,便可控制电子喷油器的喷油量。
经分析认为,共轨发动机常出现的突然降速或自动熄火故障,可能由于电器系统、低压油路、限压阀和喷油器故障所致,可以采用逐步诊断法,即先分析故障的可能原因,然后从容易拆装的便于检查的外围设备开始,逐步寻找故障所在的部位,最后才检查电控单元(ECU)是否正常。
1.电气系统故障
首先通过故障解码器读取故障信息。对于大多数共轨柴油发动机,如果曲轴转速传感器损坏,发动机将无法起动。但是康明斯电控高压共轨柴油发动机上有两个曲轴转速传感器,一个安装在飞轮壳上,用于测量曲轴的转速和活塞的上止点。另一个安装在高压油泵上,用于测量油泵凸轮轴的相位。其中任何一个转速传感器损坏,柴油机都能够起动,只有这两个转速传感器同时损坏,柴油机才无法起动。如果位于飞轮壳上的转速传感器损坏,可以将它的插接器拔下,利用高压油泵上的转速传感器来判断正时。若出现故障代码,可按照故障代码查找相关电气元件的故障。通常情况下电气元件很少损坏,只是连接松脱所至。个人建议在找不到故障点的情况下可以把所有插接器都重新的插拔一次。
2.低压油路故障
检验时发动机无故障码,用起动机多次带动发动机运转均无法起动,可在起动机运转条件下测量低压供油管路压力,若其低于0.15MPa,则低压油路有故障。现场排放低压部分油路空气,可以顺利起动,但着火后很快熄火或熄火约5min左右后再次起动困难,可怀疑低压油路密封不严。一般情况下为燃油箱至低压输油泵之间有泄漏,导致低压油路进入空气,直接导致轨压难以建立。此时需检查燃油箱油位是否过低,油箱盖通气孔是否堵塞,油水分离器是否存有大量水份,油水分离器、燃油滤清器及其旁通阀是否堵塞,油管是否弯折,低压输油泵输油压力是否过低等。
3.检查限压阀的故障
在柴油机高怠速状态下,若高压油轨燃油压力超过140MPa时,限压阀应开启泄压保护系统不至受损,当高压油轨燃油压力低于30MPa时,限压阀应关闭以提高系统压力。如果测量共轨油压时,压力不在规定范围内,可能是限压阀不能按照规定的压力开闭,应将限压阀更换。此外,还应测量限压阀的回油量,若其高于允许最大值(10mL),则可判断为限压阀内部出现泄漏,更换限压阀即可排除故障。
4.检查喷油器故障
在额定转速下检测喷油器回油量,若其超过正常工作极限值(960~1200mL),则可判断为喷油器内部电磁阀芯或喷油嘴针阀等运动部件出现卡滞。上述部件卡滞后,导致回油量异常增大,高压油经喷油器溢流孔处回流至油箱,便引起柴油机熄火,此时更换喷油器即可。拆卸高压共轨系统的喷油器时,应当标记其所在的气缸号,安装时必须“对号入座”,使喷油器与气缸逐个对应,千万不能将喷油器与原来所在的气缸混淆。不允许松开喷油器的接头做“断缸”试验。传统柴油机做断缸试验时,通常是松开某缸喷油器的高压油管接头,如果发动机的转速没有变化,说明这个缸的喷油器工作不良。但是这种“断缸”试验不能用于电控高压共轨柴油机,一旦松开共轨柴油机喷油器上的高压油管接头,共轨柴油机马上就会熄火。这是因为松开任何一只喷油器上的高压油管接头,将无法建立共轨高压油压。必要时,可以松开喷油器的回油管接头,通过回油的情况进行判断。作法是将各喷油器的回油管拆下后,单独放入到一个量杯中,起动发动机,喷油器回油管流出的油将被引导到量杯内,通过比对各量杯中的油量差,能够快速确定有问题的喷油器。如果某缸的回油量明显偏多或偏少,说明该喷油器偶件卡滞或泄漏量过大。
注意:喷油器的密封圈为一次性零件,拆卸后不能继续使用。
5.高压油路故障
发动机起动后,运转5min左右就自动熄火。现场检测,无任何闪码。初步分析,属于油路问题。经过排查,排除低压油路空气后,仍无法起动。可怀疑是高压油路进了空气。松开油泵端的2个高压油管接口,用起动机带动,若发现无燃油排出,可确认应该是高压泵内进空气。折住回油管,再次用起动机带动排气,经过几次带动后,燃油就可从接口端流出。连接油管接头,起动正常。
注意:高压油路的排气,有时候单靠起动机运转带动管路排气,并不容易排除。可通过弯折喷油器回油管,然后再运转起动机,就比较容易排净高压油路的空气,一般起动运转2~3次后就可以排除。
柴油机高压共轨系统的故障除燃油供给系统外,其它系统方面的故障和普通柴油机相同,大多的维修技术人员早已掌握了检验方法,在此提醒大家注意柴油共轨管内的压力较高,拆装的时候要先泄压,以免高压油喷出造成损伤。