高壓共軌噴射系統的故障分析

四川交通運輸職業學校汽車系 / 陳傳建

高壓共軌噴射系統的故障分析

四川交通運輸職業學校汽車系 / 陳傳建

柴油機高壓共軌噴射系統提高了柴油機的動力性和經濟性，降低了排放，故障率低，同時還具有良好的升級能力，使其在汽車和工程機械等領域得到了廣泛的應用。但是其組成、結構和控制原理的變化，使得維修門檻和成本較高。本文立足高壓共軌噴射系統的工作原理，論述高壓共軌噴射系統故障的分析思路與檢修方法。

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在注重低碳發展的今天，環保和節能是社會的兩大主題。隨著環保法規的日益嚴格，市場越來越傾向清潔節能的車輛，在此背景下，柴油機高壓共軌噴射系統因其技術先進，可以對噴油壓力、噴油量以及噴油提前角進行靈活的控制，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點，很好地解決了傳統柴油發動機工作粗暴、震動大、噪音大、冒黑煙、排放污染嚴重的問題，而且結構相對簡單，技術上具備后期升級滿足法規進一步要求的可能，因而應用越來越廣泛。

1.高壓共軌噴射系統特點

柴油機電控高壓共軌噴射系統由燃油供給系統和電子控制系統組成。高壓油泵負責產生高壓燃油，然后輸送到公共的、具有較大容積的油軌（共軌）內，將高壓燃油蓄積起來，再通過高壓油管輸送到噴油器，即把多個噴油器并聯在公共油軌上，同時在油軌上設置了軌壓傳感器、壓力限制閥和流量限制閥等裝置。與傳統柴油機不同的是，共軌壓力的建立和燃油噴射是兩個獨立的工作過程，最終高壓油管內燃油壓力大小與發動機的轉速無關，明顯減小了燃油壓力因應柴油機轉速變化所產生的波動，噴油量的大小僅取決于共軌內的燃油壓力和噴油器電磁閥開啟時間的長短[1]。

高壓共軌噴射系統的優點包括：

（1）噴油壓力高，燃油顆粒更細小、霧化更好、更均勻，有利于提高燃燒質量；

（2）可以實現多次噴射，調節不同階段的噴射油量以及與主噴射的間隔，改善發動機性能，實現高效燃燒，降低氮氧化合物和PM（煙）的排放；

（3）噴油精度高，循環噴油量變動小，改善了各缸供油不均，減輕了震動，運轉平穩；

（4）故障診斷及安全保護，系統具有故障存儲，自診斷和保護功能，必要時能自動限制輸出或停機[2]。

2.主要故障分析

高壓共軌噴射系統的主要功能可以概括為：向共軌提供連續穩定的高壓燃油，按照發動機不同工況，精確控制噴油器的開啟和關閉。在系統出現異常時，記錄異常并發出警示，并按實際情況啟動備用保護措施。其核心是軌壓建立和燃油噴射兩個工作過程。因此，高壓共軌噴射系統的故障最終都會表現在共軌油壓異常或燃油噴射（時刻和噴油量）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，此類故障可分為三類：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為滲氣、堵塞和泄漏。滲氣會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，確保無滲漏；堵塞造成系統供油不暢，使共軌壓力過低，導致啟動困難或不能啟動、加速熄火等故障。檢查是否發生堵塞的方法有兩種。一種是傳統的壓力檢測法：如果某段管路或某個元件兩端的壓力差超過正常值，多為發生了堵塞；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，回油量過大過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大于共軌的進油量，所以高壓油泵有連續的較大量的回油。

2.1.2.高壓部分泄漏

泄漏對高壓部分的影響遠大于低壓，高壓部分泄漏直接導致軌壓不穩或無法建立軌壓。

在共軌系統中，可能發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現。解決高壓油管泄漏應嚴格遵照油管安裝規范操作；壓力限制閥用來防止共軌壓力超過設定最大值。在正常工作壓力下，閥保持關閉。在壓力限定值被超出時，通過打開溢流口來限制油軌中的最大壓力。有回油管接到壓力限制閥。確認壓力限制閥是否正常，可以檢查回油，正常時壓力限制閥無回油或回油極少；噴油器泄漏同樣會導致共軌油壓問題，不過在多數系統中，噴油器與油軌之間有流量限制閥。如果噴油器有泄漏，流量限制閥會關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，以適應不同工況的燃油需求。如果高壓油泵油量維持不變，低速時就會有過多的燃油被高壓油泵加壓后又通過回油返回。切斷閥按需要減少高壓油泵進油。若此閥一直處于切斷位置，會造成高壓油泵無進油，相應的也就沒有高壓燃油供應至共軌。檢查時可以分別松開高壓油泵進出油端，檢查來油量和出油量。故障特征是來油量正常，出油端無油。

2.2.燃油噴射故障

燃油噴射包括噴油時刻和噴油持續時間，即噴油提前角和噴油量，他們都取決于電控系統。電控系統包括各種傳感器(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)及執行器（如噴油器電磁閥）和電控單元（ECM）。ECM接收和處理信號，發出指令，使發動機始終處在最優工作狀態。ECM還具有自我診斷功能，它隨時對系統主要部件的工作進行監控，如果某個部件出現了故障，ECM會存儲記錄故障情況，維修時可以使用診斷設備讀取記錄內容。

電控系統故障可以分為執行器（噴油器）故障、傳感器故障和ECM故障。

2.2.1 噴油器故障

與傳統噴油器不同，高壓共軌噴射系統采用的是電控噴油器。電控噴油器是高壓共軌噴射系統最關鍵、最精密、最復雜的部件。結構上由類似傳統噴油器的噴油嘴、液壓機構和高速電磁閥等組成。為保證響應速度高和噴射量精準，制造和精度高，安裝要求高，對水分和雜質非常敏感，如果水分和雜質過濾不凈，會造成噴油器卡滯、銹蝕、堵塞和密閉不良。

噴油器高速電磁閥受ECM的指令工作，電磁閥故障會導致噴油器無法按指令打開或關閉。

噴油器故障可以利用噴油試驗或斷缸試驗來檢查。需注意的是高壓共軌噴射系統進行斷缸試驗時，不可像常規系統一樣擰松噴油器的高壓油管，這樣會造成共軌壓力無法建立。可以使用診斷儀進行斷缸試驗來檢查。也可以通過比較各缸噴油器回油量來分析，方法是將各缸噴油器回油管拆下，引入量杯中，啟動發動機，噴油器的回油在量杯內儲存起來，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

高壓共軌噴射系統中，噴油量由基本噴油量和修正噴油量兩部分組成，決定基本噴油量的主要參數為發動機轉速和加速踏板位置信號，其他如溫度、壓力等是修正噴油量參考信號。

曲軸位置傳感器測定發動機的轉速，是噴油量的主要參考信號；凸輪軸位置傳感器確定發動機的發火順序，二者的結構是一樣的。多數情況下這兩者只要有一個正常，發動機就可以啟動。只有在曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器信號都喪失的情況下，發動機才不能啟動。不過在只有曲軸信號，沒有凸輪軸信號時，由于ECM接收不到判缸信號，就需要以試噴油的方式來識別1缸，所以發動機啟動時間會變長。曲軸和凸輪軸信號都有的情況下，這兩個信號需要同步，即凸輪軸信號和曲軸信號之間應該有正確的相位關系，否則也會導致發動機故障。造成信號同步故障的原因可能有：信號齒變形或位置偏移、傳感器與信號齒的安裝固定等。

進氣壓力傳感器檢測進氣量，ECM根據進氣量大小,按空燃比控制噴油量。在發動機冷機啟動或溫度較低時，ECM根據發動機冷卻液溫度傳感器和空氣溫度傳感器的信號對噴油始點、預噴油量、主噴射量及其他參數進行匹配。

加速踏板位置傳感器將駕駛員的意圖以電信號傳遞給ECM，它也是噴油量的主要參考信號；加速踏板位置傳感器有兩路輸出信號，兩個信號間有相應的數學關系，輸出信號隨加速踏板位置改變而變化。ECM通過比對其輸出的兩路信號，監控加速踏板運動情況，判斷其工作是否正常。

軌壓傳感器安裝在共軌管上，作用是監控共軌壓力。ECM依靠軌壓傳感器和壓力控制閥實現對共軌壓力的閉環控制。

高壓共軌柴油機電控系統故障會影響到發動機啟動、暖車、怠速、尾氣排放等。有時還會出現發動機能順利啟動，但是加速無力、動力不足，發動機轉速只能增加到某一數值（多為約1600r/min）的現象。這可能是因為ECM已經檢測到某些特定故障，但按照程序設定不必立即停機，此時ECM會采取限制發動機功率輸出的保護措施，使汽車可以繼續行駛到最近的維修廠進行修理。影響發動機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、曲軸與凸輪軸信號同步故障、溫度與壓力過高等，一旦ECM檢測到這些方面的故障，ECM會自動進入失效保護策略并根據故障的嚴重程度，對發動機的功率、轉速進行限制，嚴重時會令發動機熄火停機。所以必須在故障排除之后才能解除ECM對發動機功率和轉速的限制[3]。

ECM判斷系統存在故障時，會將故障碼和故障發生時的運行參數記錄下來。因此，解決電控系統故障的重要方法是讀取故障碼和系統數據流。故障碼可以指示故障的查找方向，數據流可以作為進一步分析的依據。需要注意的是故障碼反映的是檢測到特定參數超出系統默認的極限值范圍，并非一定是顯示的某個零部件元件有問題。要確認故障源還需要進一步分析線路和系統部件以及信號之間的相互影響。比如軌壓信號異常可能確實是軌壓傳感器故障，也可能是傳感器線路故障或油路故障。再者沒有故障碼不一定表示沒有故障，比如水溫傳感器輸出值與實際溫度不符，但是尚在極限范圍內，此時沒有故障碼輸出，但是噴油量和噴油時刻會受到影響，導致發動機工作異常。

3.結語

從本質上看，高壓共軌噴射系統的功能仍然是控制好供油壓力、噴油起止時刻和噴油量，即在正確的時間，將精確配劑的燃油以正確的壓力噴射到發動機內部，并具有反饋控制。所以，已有的汽車診斷、檢查、維修的一般原則仍然對該系統適用；另一方面，由于共軌噴射系統在組成、結構、控制原理和性能上的發展變化，舊有機型的維修經驗固然重要，但更需要新的維修思路、方法與設備。維修中要檢測必要的數據，進行分析，進而鎖定故障部位，這樣才能快速排除故障。維修高壓共軌噴射系統，必須要理解系統組成原理，熟悉傳感器、執行器、控制單元之間的邏輯關系。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。在此基礎之上，才能正確分析問題、解決問題。

【參考資料】

[1]魯植雄，汽車電控柴油機故障診斷[M].南京：江蘇科學技術出版社，2007.

[2]徐生明，柴油機共軌電控噴射系統故障診斷與分析[J].小型內燃機與車輛技術，2015（01）.

[3]宋福昌，汽車電控柴油發動機結構與故障檢修圖解[M].北京：金盾出版社，2009.