高压共轨喷射系统的故障分析

四川交通运输职业学校汽车系 / 陈传建

高压共轨喷射系统的故障分析

四川交通运输职业学校汽车系 / 陈传建

柴油机高压共轨喷射系统提高了柴油机的动力性和经济性，降低了排放，故障率低，同时还具有良好的升级能力，使其在汽车和工程机械等领域得到了广泛的应用。但是其组成、结构和控制原理的变化，使得维修门槛和成本较高。本文立足高压共轨喷射系统的工作原理，论述高压共轨喷射系统故障的分析思路与检修方法。

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在注重低碳发展的今天，环保和节能是社会的两大主题。随着环保法规的日益严格，市场越来越倾向清洁节能的车辆，在此背景下，柴油机高压共轨喷射系统因其技术先进，可以对喷油压力、喷油量以及喷油提前角进行灵活的控制，具有舒适性高、喷油压力柔性控制好、可靠性高以及噪声小等优点，很好地解决了传统柴油发动机工作粗暴、震动大、噪音大、冒黑烟、排放污染严重的问题，而且结构相对简单，技术上具备后期升级满足法规进一步要求的可能，因而应用越来越广泛。

1.高压共轨喷射系统特点

柴油机电控高压共轨喷射系统由燃油供给系统和电子控制系统组成。高压油泵负责产生高压燃油，然后输送到公共的、具有较大容积的油轨（共轨）内，将高压燃油蓄积起来，再通过高压油管输送到喷油器，即把多个喷油器并联在公共油轨上，同时在油轨上设置了轨压传感器、压力限制阀和流量限制阀等装置。与传统柴油机不同的是，共轨压力的建立和燃油喷射是两个独立的工作过程，最终高压油管内燃油压力大小与发动机的转速无关，明显减小了燃油压力因应柴油机转速变化所产生的波动，喷油量的大小仅取决于共轨内的燃油压力和喷油器电磁阀开启时间的长短[1]。

高压共轨喷射系统的优点包括：

（1）喷油压力高，燃油颗粒更细小、雾化更好、更均匀，有利于提高燃烧质量；

（2）可以实现多次喷射，调节不同阶段的喷射油量以及与主喷射的间隔，改善发动机性能，实现高效燃烧，降低氮氧化合物和PM（烟）的排放；

（3）喷油精度高，循环喷油量变动小，改善了各缸供油不均，减轻了震动，运转平稳；

（4）故障诊断及安全保护，系统具有故障存储，自诊断和保护功能，必要时能自动限制输出或停机[2]。

2.主要故障分析

高压共轨喷射系统的主要功能可以概括为：向共轨提供连续稳定的高压燃油，按照发动机不同工况，精确控制喷油器的开启和关闭。在系统出现异常时，记录异常并发出警示，并按实际情况启动备用保护措施。其核心是轨压建立和燃油喷射两个工作过程。因此，高压共轨喷射系统的故障最终都会表现在共轨油压异常或燃油喷射（时刻和喷油量）异常两方面。

2.1.轨压建立故障

油路故障直接影响轨压的建立，此类故障可分为三类：低压部分供油不足、高压泄漏和高压油泵故障（切断阀和高压油泵自身）。

2.1.1.低压部分供油不足

低压油路故障主要表现为渗气、堵塞和泄漏。渗气会使气体在管路中积聚，影响燃油输送，必须排除，然后做好密封，确保无渗漏；堵塞造成系统供油不畅，使共轨压力过低，导致启动困难或不能启动、加速熄火等故障。检查是否发生堵塞的方法有两种。一种是传统的压力检测法：如果某段管路或某个元件两端的压力差超过正常值，多为发生了堵塞；另一种方法是检查回油：在各回油接口处检查回油量并与正常情况比较，回油量过大过小都有管道堵塞的可能。需注意的是由于输油泵的供油量远大于共轨的进油量，所以高压油泵有连续的较大量的回油。

2.1.2.高压部分泄漏

泄漏对高压部分的影响远大于低压，高压部分泄漏直接导致轨压不稳或无法建立轨压。

在共轨系统中，可能发生泄漏的地方有高压油管、压力限制阀和喷油器等。通常高压油管泄漏可以从外部发现。解决高压油管泄漏应严格遵照油管安装规范操作；压力限制阀用来防止共轨压力超过设定最大值。在正常工作压力下，阀保持关闭。在压力限定值被超出时，通过打开溢流口来限制油轨中的最大压力。有回油管接到压力限制阀。确认压力限制阀是否正常，可以检查回油，正常时压力限制阀无回油或回油极少；喷油器泄漏同样会导致共轨油压问题，不过在多数系统中，喷油器与油轨之间有流量限制阀。如果喷油器有泄漏，流量限制阀会关闭燃油流往该喷油器的通道，切断该喷油器。

2.1.3.高压油泵故障

高压油泵的故障可能来自泵本身或切断阀。

切断阀安装在高压油泵上。作用是改变流入到高压油泵的油量，以适应不同工况的燃油需求。如果高压油泵油量维持不变，低速时就会有过多的燃油被高压油泵加压后又通过回油返回。切断阀按需要减少高压油泵进油。若此阀一直处于切断位置，会造成高压油泵无进油，相应的也就没有高压燃油供应至共轨。检查时可以分别松开高压油泵进出油端，检查来油量和出油量。故障特征是来油量正常，出油端无油。

2.2.燃油喷射故障

燃油喷射包括喷油时刻和喷油持续时间，即喷油提前角和喷油量，他们都取决于电控系统。电控系统包括各种传感器(如曲轴位置传感器、加速踏板位置传感器、凸轮轴位置传感器、各种温度和压力传感器等)及执行器（如喷油器电磁阀）和电控单元（ECM）。ECM接收和处理信号，发出指令，使发动机始终处在最优工作状态。ECM还具有自我诊断功能，它随时对系统主要部件的工作进行监控，如果某个部件出现了故障，ECM会存储记录故障情况，维修时可以使用诊断设备读取记录内容。

电控系统故障可以分为执行器（喷油器）故障、传感器故障和ECM故障。

2.2.1 喷油器故障

与传统喷油器不同，高压共轨喷射系统采用的是电控喷油器。电控喷油器是高压共轨喷射系统最关键、最精密、最复杂的部件。结构上由类似传统喷油器的喷油嘴、液压机构和高速电磁阀等组成。为保证响应速度高和喷射量精准，制造和精度高，安装要求高，对水分和杂质非常敏感，如果水分和杂质过滤不净，会造成喷油器卡滞、锈蚀、堵塞和密闭不良。

喷油器高速电磁阀受ECM的指令工作，电磁阀故障会导致喷油器无法按指令打开或关闭。

喷油器故障可以利用喷油试验或断缸试验来检查。需注意的是高压共轨喷射系统进行断缸试验时，不可像常规系统一样拧松喷油器的高压油管，这样会造成共轨压力无法建立。可以使用诊断仪进行断缸试验来检查。也可以通过比较各缸喷油器回油量来分析，方法是将各缸喷油器回油管拆下，引入量杯中，启动发动机，喷油器的回油在量杯内储存起来，比较各缸回油量，若有明显的差别，则该缸喷油器可能有故障（卡滞或泄漏）。

2.2.2 传感器故障

高压共轨喷射系统中，喷油量由基本喷油量和修正喷油量两部分组成，决定基本喷油量的主要参数为发动机转速和加速踏板位置信号，其他如温度、压力等是修正喷油量参考信号。

曲轴位置传感器测定发动机的转速，是喷油量的主要参考信号；凸轮轴位置传感器确定发动机的发火顺序，二者的结构是一样的。多数情况下这两者只要有一个正常，发动机就可以启动。只有在曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器信号都丧失的情况下，发动机才不能启动。不过在只有曲轴信号，没有凸轮轴信号时，由于ECM接收不到判缸信号，就需要以试喷油的方式来识别1缸，所以发动机启动时间会变长。曲轴和凸轮轴信号都有的情况下，这两个信号需要同步，即凸轮轴信号和曲轴信号之间应该有正确的相位关系，否则也会导致发动机故障。造成信号同步故障的原因可能有：信号齿变形或位置偏移、传感器与信号齿的安装固定等。

进气压力传感器检测进气量，ECM根据进气量大小,按空燃比控制喷油量。在发动机冷机启动或温度较低时，ECM根据发动机冷却液温度传感器和空气温度传感器的信号对喷油始点、预喷油量、主喷射量及其他参数进行匹配。

加速踏板位置传感器将驾驶员的意图以电信号传递给ECM，它也是喷油量的主要参考信号；加速踏板位置传感器有两路输出信号，两个信号间有相应的数学关系，输出信号随加速踏板位置改变而变化。ECM通过比对其输出的两路信号，监控加速踏板运动情况，判断其工作是否正常。

轨压传感器安装在共轨管上，作用是监控共轨压力。ECM依靠轨压传感器和压力控制阀实现对共轨压力的闭环控制。

高压共轨柴油机电控系统故障会影响到发动机启动、暖车、怠速、尾气排放等。有时还会出现发动机能顺利启动，但是加速无力、动力不足，发动机转速只能增加到某一数值（多为约1600r/min）的现象。这可能是因为ECM已经检测到某些特定故障，但按照程序设定不必立即停机，此时ECM会采取限制发动机功率输出的保护措施，使汽车可以继续行驶到最近的维修厂进行修理。影响发动机输出限制的原因较多，如喷油器故障、加速踏板位置传感器故障、曲轴与凸轮轴信号同步故障、温度与压力过高等，一旦ECM检测到这些方面的故障，ECM会自动进入失效保护策略并根据故障的严重程度，对发动机的功率、转速进行限制，严重时会令发动机熄火停机。所以必须在故障排除之后才能解除ECM对发动机功率和转速的限制[3]。

ECM判断系统存在故障时，会将故障码和故障发生时的运行参数记录下来。因此，解决电控系统故障的重要方法是读取故障码和系统数据流。故障码可以指示故障的查找方向，数据流可以作为进一步分析的依据。需要注意的是故障码反映的是检测到特定参数超出系统默认的极限值范围，并非一定是显示的某个零部件元件有问题。要确认故障源还需要进一步分析线路和系统部件以及信号之间的相互影响。比如轨压信号异常可能确实是轨压传感器故障，也可能是传感器线路故障或油路故障。再者没有故障码不一定表示没有故障，比如水温传感器输出值与实际温度不符，但是尚在极限范围内，此时没有故障码输出，但是喷油量和喷油时刻会受到影响，导致发动机工作异常。

3.结语

从本质上看，高压共轨喷射系统的功能仍然是控制好供油压力、喷油起止时刻和喷油量，即在正确的时间，将精确配剂的燃油以正确的压力喷射到发动机内部，并具有反馈控制。所以，已有的汽车诊断、检查、维修的一般原则仍然对该系统适用；另一方面，由于共轨喷射系统在组成、结构、控制原理和性能上的发展变化，旧有机型的维修经验固然重要，但更需要新的维修思路、方法与设备。维修中要检测必要的数据，进行分析，进而锁定故障部位，这样才能快速排除故障。维修高压共轨喷射系统，必须要理解系统组成原理，熟悉传感器、执行器、控制单元之间的逻辑关系。另外还要明白在不同工况下，以及在不同的故障情况之下，ECM的后备控制策略。在此基础之上，才能正确分析问题、解决问题。

【参考资料】

[1]鲁植雄，汽车电控柴油机故障诊断[M].南京：江苏科学技术出版社，2007.

[2]徐生明，柴油机共轨电控喷射系统故障诊断与分析[J].小型内燃机与车辆技术，2015（01）.

[3]宋福昌，汽车电控柴油发动机结构与故障检修图解[M].北京：金盾出版社，2009.