非道路柴油机共轨技术及电器故障案例分析

高彦玉+杨陆强+陈凯+时玲+赵玉清

摘 要：随着高压共轨技术的不断完善，非道路移动机械用柴油机的性能得到较大地改进。我国根据柴油机排放污染物含量、氮氧化物等制订了相关标准，目前非道路高压共轨产品进入到第三阶段，该阶段将非道路柴油机喷油器作了特殊设计，能实现多次喷射，同时降低油耗，减少排放。叙述了高压共轨技术的组成及原理，对柴油机中比较典型的三种传感器故障案例进行了分析，并提出了部分关于共轨燃油系统的日常维护意见，为非道路移动机械驾驶员提供一些参考意见。

关键词：非道路移动机械；电控共轨；故障分析；日常维护

中图分类号：S219.031 文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.07.006

Analysis of common rail technology and electrical failure of non-road diesel engine

Gao Yanyu ， Yang Luqiang， Chen Kai， Shi Ling， Zhao Yuqing

（School of mechanical and electrical engineering， Yunnan Agricultural University， Kunming 650201， China）

Abstract： With the continuous improvement of the high pressure common rail technology， the performance of the diesel engine for non-road mobile machinery has been greatly improved. Our country has established the relevant standards according to the diesel engines emissions， nitrogen oxides and other pollutants content， the non-road high pressure common rail products has entered into the third stage， the stage of non-road diesel injector made a special design， can achieve multiple injection at the same time， reduce fuel consumption， reduce emissions. In this paper， the composition and principle of the high voltage common rail system are analyzed， and the three important sensors and the fault of the diesel engine are analyzed. Some suggestions about the daily maintenance of common rail fuel system are put forward in this paper.

Keywords： Non-road mobile machinery； Electric-control common rail injection； Malfunction analysis； Daily maintenance

0 引言

当今社会，道路车辆的排放污染控制效果越来越好，而非道路移动机械的排放污染物却成了环境污染的主要来源，通常所说的非道路移动机械主要有工程机械、农业机械、小型通用机械和柴油机发电机组等几种[1]。目前，柴油机是非道路移动机械的主要能源动力之一，过去，柴油机由于工作过程中振动和噪声较大，且排放气体严重污染环境，影响着人类生活，所以对其进行改善是必要的。科学技术在不断提高，人类将高压共轨技术使用于柴油机方面，高压共轨技术经过多年的发展，达到了稳定成熟阶段。该技术中由于共轨管内有稳定的高压燃油输送到喷油器，通过喷油器上的高速电磁开关阀控制喷油量[2]，能使柴油机实现最好的燃烧比、雾化质量高、点火时间适当、点火能量足够、排放污染最少，较好地解决了柴油机冒黑烟、噪音大等问题[3]。

1 高压共轨技术

1.1 高压共轨系统简介

我国根据柴油机排气污染物制订了一系列的排放标准，其中，在中华人民共和国国家标准《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国三、四阶段）》中规定了非道路移动机械用柴油机第三阶段排气污染物排放限值和测量方法，该阶段的标准相当于欧盟非道路移动机械排放标准的ⅢA阶段，并提出了第四階段的预告性要求。

国三阶段高压共轨柴油机相比传统柴油机在电器部分增加了电子控制单元（ECU）、发动机端线束、整车端线束、各传感器（曲轴传感器、凸轮轴传感器、电子油门踏板、轨压传感器、水温传感器、空气流量计）、各执行器（带电磁阀喷油器、燃油计量单元（VCV阀、EGR阀）等电器元件，具有启动性能好、油耗低等优点。

1.2 共轨技术原理

共轨技术分为两大系统模块：高压燃油供给系统和ECU电路控制系统，高压燃油供给系统主要包含了以下几个部分，即高压油泵、高压油管、高压共轨管、电磁式喷油器[4]。ECU电路控制系统由传感器、ECU、线束、执行器组成。它们之间关系及各个部分的功能见图1。

共轨系统的工作原理：在油泵内部的输油泵，把燃油从油箱中抽出经柴油粗滤器（带油水分离器）——燃油细滤器过滤，此时油路分成两部分，一部分经过比例电磁阀（进油计量阀）后送至喷油泵柱塞腔，柱塞加压后送至共

图2 高压共轨油路原理图

轨管（35～180 MPa），经高压油管送至喷油器[5]。另一部分当输油泵内油压大于0.4～0.5 MPa后经过限流阀回至

进油管。共轨管上的轨压传感器监测共轨管内燃油压力，并将信号反馈给ECU，ECU通过调节喷油泵上的比例电磁阀开度，控制轨压压力。其工作原理图如图2所示。

1.3 非道路柴油机第三阶段排放特点

电控高压共轨三阶段产品的主要技术特点有：全范围实现喷油精确闭环控制，油耗低；喷油正时控制精度高，采用预喷技术，噪声低；采用活塞冷却喷嘴，机油消耗率低；24 V/12 V电器系统，缸内预热，启动性能好；优化进气系统，采用中低涡流比的进气道，提高进气流量；技术改进燃烧室，提高燃烧组织的有效性[6]；采用密封和抗爆性能较好的金属汽缸垫，保证燃烧容积和压缩比一致，提高排放控制一致性和整机可靠性；采用供油压力180～220 MPa的国产高压共轨供油系统，保证有效组织燃烧，降低排放和噪声。

在2014年5月15日，国家质量监督检验检疫总局与环境保护部联合颁布中华人民共和国国家标准GB20891-2014 《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）》标准[7]。2015年10月1日起，所有制造和销售的非道路移动机械用柴油机，其排气污染物排放必须符合标准GB20891-2014第三阶段要求[11]。2016年4月1日起，所有制造、进口和销售的非道路移动机械不得装用不符合GB20891-2014标准第三阶段要求的柴油机[8]。

非道路三阶段与二阶段的区别如表1所示。

从表1可以看出：非道路用柴油机国三标准中，对污染物的排放限值要求更严格，即国三比国二排放限值提升较大的是NOx且为THC与NOx的加权值[9]；THC+NOx降低幅度约为30%～40%，CO没有发生任何变化，PM在19≤Pmax<37和Pmax<8功率段有所下降，下降幅度分别为25%和20%；我国19 kW以下机型数量较大，排放水平低，污染物排放占非道路移动机械较大比例，国家应重点关注控制。此外，在国三阶段柴油机中燃油得到精确喷射，使得其燃油经济性提高，从一定程度上节约资源。

2 共轨柴油机故障分析

2.1 非道路柴油机故障分析

柴油机在工作中由于不同的原因会导致不同的故障，非道路移动机械故障从用途上大致分为四种，即装载机故障、收割机故障、叉车故障和拖拉机故障；从导致故障的原因上大致分为以下四种：电路故障、油路故障（低压油路故障和高压油路故障）、气路故障（进气故障和排气故障）、机械故障。对故障进行诊断的工具有诊断仪、故障指示灯和万用表三种，此外，还可以根据工作人员的经验进行判断。

非道路高压共轨柴油机中使用较多的传感器，在整个柴油机中传感器的作用便是检测所有的信号，并将这些检测到的信号反馈到执行器。各个传感器都起着一定的作用，缺一不可。在这些传感器中常用且较重要的有轨压传感器（测量共轨管内的实际压力，用于轨压控制计算）、曲轴传感器（确定曲轴的位置，进行喷油时刻、瞬态转速、喷油量的计算）、凸轮轴传感器（进行判缸、信号校验，与曲轴传感器配合工作确定基本点火时刻）三种。

2.2 柴油机电器故障案例分析

在柴油机出现的故障中，一种异常的现象可能由几种故障造成。对柴油机异常现象进行分析查找故障具有重要作用。

（1）动力不足，冒黑烟

对柴油机出现动力不足，冒黑烟现象进行分析，总结可能的原因建立表2所示。

现对一发动机出现此现象进行分析，按图3进行检测。燃油品质符合使用要求，用故障诊断仪进行监测故障灯常亮，检测的故障码为P0302，单缸喷油器接插件为插拔到位，初步判断故障原因为电器故障[9]。重新插拔喷油器传感器后故障消失，分析认为出现该故障时由发动机震动造成传感器松脱，喷油器电磁阀失效，发动机单缸不工作，造成发动机动力不足。

（2）启动困难

一发动机在启动过程中较难启动，在启动过程中有故障灯常亮现象，监控故障代码为P0335，按表3的分析，可以判断出现该故障的原因是对凸轮轴传感器进行干扰导致曲轴传感缺失。参考图4，发动机未启动，用示波器对曲轴传感器与凸轮轴传感器信号进行监控发现，钥匙通电的瞬间凸轮轴会产生一个电流脉冲（干扰源）。控制系统会默认发动机处于运转状态，但ECU没有接收到曲轴信号，所以才会报出曲轴传感器缺失故障。现场对凸轮轴传感器附近的电路进行排查发现整车的搭铁线接在凸轮轴传感器处。在通电瞬间有电流通过，对凸轮轴传感器信号进行干扰[10]。现场将此处的搭铁线移至车架上后故障排除。

3 共轨燃油系统日常维护需要注意的问题

（1）高压电控共轨对燃油的清洁度与含水量要求较高。不清洁的燃油会导致油轨腐蚀，缩短使用寿命[11]。因此在对电控燃油系统维护保养时要保持操作现场清洁。

（2）定期更换燃油滤清器和油水分离器。

（3）应加注符合国家标准的燃油。

（4）燃油管路在拆装过程中应妥善保管，避免有脏物进入。高压油管中的油压较高，发动机在运转过程中禁止拆卸高压油管，一定要停机静置15 min以上才能拆卸[11]。

（5）柴油滤清器更换周期：每运行1.5万km或累计运行300 h更换一次滤清器。在柴油滤清器的更换中，用力需均匀，以免发生变形[11]。

4 结语

高压共轨技术具有改善生产力、科学维修更便利；经济省油，节能；改善发动机排放，降低污染等优点。目前大多共轨动力在整车实验过程中，烟度限值均达到国家排放标准要求，没有黑烟排放，无黑烟主要是因为共轨管可以储蓄高压燃油，保证各缸喷射时刻、喷射压力、喷油量一致，燃油均匀喷向气缸，结合进气计算，对燃料实现了最大程度的利用。电控共轨燃油系统无论是在喷射压力还是在柔性控制方面优点都突出[12]。在非道路用柴油机达到第四阶段排放标准限值时，必须采用电控高压共轨和后处理技术，而四气门技术的柴油机也将逐步出现。在未来将高喷油压力和柔性控制集于一身的具有高压和高灵活性的电控共轨系统将具有较好的发展前景[13]。

参考文献：

[1] 黄树海.“国三”在农机行业应缓行[J].农业机械，2015（3）：62.

[2] 孙春鹏.柴油机整体式喷油器设计及有限元分析[D].武汉：华中科技大学，2004.

[3] 莫明立.柴油发动机的特点和发展趋势[J].农村科技，2008（7）：96.

[4] 李明诚.柴油机高压共轨及其油压控制[J].现代农机，2015（2）：54.

[5] 王钧效，陆家祥，谭丕强，等.柴油机高压共轨喷油系統的发展动态[J].柴油机，2001（1）：1.

[6] 胡大志.柴油机高紊流燃烧系统高原特性实验研究[D].昆明：昆明理工大学.

[7] 环境保护部发布锅炉、有色、生活垃圾焚烧、非道路移动机械等四项污染物排放新标准[S]. 2014.

[8] 张真.非道路国三对农机行业的影响[J].农机市场，2015（2）：16.

[9] 张振峰，毛俊，蒋开正.电控柴油机冒黑烟故障诊断与排除[J].科学咨询（决策管理），2010（1）：86.

[10] 白贺.发动机配气凸轮轴扭转振动测量与分析[D].杭州：电子科技大学，2014.

[11] 陈忙.车用（欧Ⅲ）高压共轨柴油发动机使用与维护[J].汉中科技，2008（6）.

[12] 司康.国Ⅳ之后柴油机三种燃油喷射系统对比及其技术发展趋势[J].轻型汽车技术，2012（5/6）：13.

[13] M Lindgren， PA Hansson. Effects of transient conditions on exhaust emissions from two non-road diesel engines[J].Biosystems Engineering，2004，87（1）：57.