博世共轨压力泄压阀打开故障解析
2024-07-30杨月海韩芷迪
收稿日期:2023-11-25
作者简介
杨月海(1974—),男,高级讲师;韩芷迪(1999—),女,助理讲师;均从事汽车维修教学工作,主要研究方向为汽车电子电器。
【摘 要】文章主要对泄压阀的结构原理、故障发生机理进行系统介绍,并结合故障诊断与排除思路进行说明,以期能够为维修人员提供一些启发和帮助。
【关键词】博世共轨;泄压阀;故障解析
中图分类号:U463.61 文献标识码:B 文章编号:1003-8639( 2024 )07-0084-04
Analysis of the Opening Failure of Bosch Common Rail Pressure Relief Valve
YANG Yuehai,HAN Zhidi
(Unit 31620 of the Chinese People's Liberation Army,Lu’an 237010,China)
【Abstract】The article mainly provides a systematic introduction to the structural principle and fault occurrence mechanism of the pressure relief valve,and explains it in combination with fault diagnosis and troubleshooting ideas,in order to provide some inspiration and assistance for maintenance personnel.
【Key words】bosch common rail;pressure relief valve;fault analysis
1 引言
在柴油机电控高压共轨系统中,共轨管起着积聚、临时储存和分配高压柴油,降低燃油的压力波动,为电磁喷油器提供系统设定压力的燃油等作用。为了保证共轨系统安全运行,在共轨管上设置了一个泄压阀,泄压阀安装位置如图1所示。泄压阀是一个安全阀,起到限制共轨管中油压的作用,当共轨压力超出预设的上限值时,泄压阀打开,一部分燃油经泄压阀和回油管流回油箱,从而达到卸去压力的目的。共轨系统正常工作时,泄压阀是关闭的。如果共轨系统存在某些故障,泄压阀会打开,系统进入“跛行回家模式”,发动机限速限扭,但共轨管会保持一定油压,使车辆能够继续维持行驶能力,以便得到及时维修。在车辆维修工作中,泄压阀打开故障经常出现,故障诊断仪报“泄压阀打开”故障码的频率很高,而泄压阀打开的故障原因比较复杂。本文以博世共轨系统泄压阀为例,对其结构原理、故障机理和诊断方法进行详细阐述。
2&nbsV9fdDkNR4vssJ+YrYEY+u/0hob862aPcgaDctCn4O8A=p; 博世共轨系统泄压阀结构原理
泄压阀PLV(Pressure Limiting Valve)又称为限压阀,一般开启压力设定在165MPa左右,能够开启的次数累计小于50次,能够开启的时间累计小于5h。博世共轨系统的泄压阀有PLV2和PLV4两种,PLV2在外形上较大,相对粗壮,PLV4外形相对短小、精细。目前国内车型中,使用PLV2泄压阀的典型机型有东风康明斯ISDe/ISLe发动机,使用PLV4泄压阀的典型车型和机型有蓝擎、奥威、天龙等。
2.1 PLV2泄压阀结构原理
PLV2泄压阀结构上主要有圆形金属中空的阀体,阀体一端有外螺纹,便于旋装在共轨管上,阀体内部有1级活塞、2级活塞、弹簧和弹簧座等部件,1级活塞圆锥头与阀体的锥面座孔配合密封。PLV2泄压阀内部结构如图2所示,其工作过程如图3所示。
1)正常工况下泄压阀关闭状态。密封面在1级活塞的小锥头与阀体的锥形座孔配合面,小锥头下方承受共轨管内部的燃油压力,上方是回油通道压力。此时,小锥头锥面上的液压力等于管内燃油压力减去回油压力再乘以小锥头承压的锥面积,用公式表示为:推小锥头的液压力=(燃油压力-回油压)×小锥头承压面积。液压力通过小锥头向上推1级活塞,泄压阀弹簧弹力则把1级活塞向下紧压在阀体的密封锥面上,由于是静密封,所以只考虑液压力和阀弹簧力的相互作用。在系统正常工作情况下,系统最高油压可达135MPa,小于泄压阀弹簧的弹力,弹簧力使泄压阀活塞紧压在阀体密封锥面上,泄压阀保持密封状态,没有燃油经过泄压阀回流。
2)泄压阀1级活塞打开状态。在系统发生某些故障,发动机电控单元ECU无法正常监测共轨压力或无法控制共轨压力时,泄压阀才会主动或者被动打开。此时,共轨压力超过系统设定的最大压力160MPa,轨压通过阀体上的节流孔作用在1级活塞密封小锥面上,由于液压力超过了弹簧力,弹簧被压缩,1级活塞首先被顶起,共轨管内的部分燃油经阀座上的节流孔溢出,进入阀体内1级活塞周围的空腔,同时,柴油压力经1级活塞密封大锥面上的节流孔作用在2级活塞的密封锥面上。
3)2级活塞打开状态。1级活塞打开后,共轨压力同时作用在1级活塞和2级活塞上,油压作用面积增大,液压力增大,进一步压缩泄压阀弹簧,2级活塞被顶开,高压燃油通过活塞内部通道和弹簧座节流孔、回油管流回油箱,从而使共轨管内的燃油压力下降。需要注意的是,如果液压力大小超过泄压阀弹簧弹力时,锥阀将被液压力顶开,此时回油管就有一定的回流量,泄压阀由于回油的压力产生背压,背压越高,液压力就越小,顶开泄压阀就需要更高的轨压。通常背压升高都是由于回油管堵塞造成的。
4)系统维持较低轨压的跛行回家状态。系统跛行回家(Limp-home)功能指共轨系统中某些部件发生故障后,发动机控制单元ECU为防止潜在故障造成系统和发动机进一步损坏,打开泄压阀,降低轨压(工作轨压为50~100MPa),以控制喷油量,使发动机低速低扭运行,避免危险运行,从而保护系统和发动机,同时保持故障车辆的继续行驶性能,以便故障车辆能够及时得到维修。跛行回家状态时泄压阀1级活塞和2级活塞完全打开,共轨管内燃油溢流出阀体节流小孔产生流量,该液流通过1级活塞大锥面上的阻尼孔,由于节流阻尼作用,阻尼孔两侧的液流就会产生压差,此压差就是系统在跛行回家状态时共轨管内能够保持的油压。阻尼孔越大,跛行回家状态时的轨压就越小,如果阻尼为0,轨压就等于回油管内油压。泄压阀弹簧座中心的通孔也是个阻尼孔,再加上泄压阀阀体上的节流阻尼孔,泄压阀打开时回流的液流经过以上3级阻尼。当泄压阀完全打开以后,3级阻尼产生的压差使得轨压与燃油回流量趋于平衡,轨压就稳定在一个较低压力值,系统保持跛行回家工况。
2.2 PLV4泄压阀结构原理
PLV4泄压阀结构主要由外部带螺纹的金属阀体、阀体内腔弹簧、调节垫片、活塞、密封块以及阀体外部的O形密封圈等组成,其内部结构如图4所示。
PLV4泄压阀工作过程如图5所示。发动机在正常工作情况下,泄压阀是完全封闭的,回油管也没有燃油回流,仅在发动机发生某些故障时,才会出现泄压阀主动打开或者被动打开的情形。PLV4泄压阀的活塞下端小锥头为第1密封面,上端的圆柱体部分为第2密封面,中部有3个楔形切面,活塞上移,楔形切面与密封块之间的间隙增大,流通截面积增大,回油量增多;反之,活塞下移,楔形切面与密封块之间的间隙减小,流通截面积减小,回油量减少。发生故障时,泄压阀活塞被液压力顶开,由于液压力大,活塞升程大,活塞楔形切面流通截面积大,燃油回流量就大。随着回油压力增大,液压力减小,弹簧推动活塞下移,楔形切面流通截面积减小,燃油回流量减小,直至达到共轨管内油压与燃油回流量平衡,轨压就稳定在较低的压力,系统保持跛行回家工况。
3 泄压阀打开的故障机理
在高压共轨发动机正常工作时,轨压绝对低于发动机控制程序设定的各工况所要求的压力值,泄压阀也完全密封没有燃油回流。但是,如果高压油泵、共轨管、喷油器和发动机电控系统其中有一个出现故障时,就可能引起轨压失控、轨压过高。没有泄压阀的情况下,超高压力的燃油将会破坏高压燃油系统,将高压油路中的最薄弱处冲破,燃油外流泄压,甚至会发生爆炸或高压喷射而伤人、伤物。有了泄压阀,当轨压达到泄压阀开启压力时,在阀活塞和弹簧的控制下,让一部分燃油回流使系统泄压,轨压调节至较低压力。泄压阀是否打开取决于共轨管内液压力是否大于泄压阀弹簧力,而共轨管内液压力与瞬时轨压值成正比。为什么说是瞬时轨压值呢?在柴油机工作时,共轨管内油压并不是数据流或压力表显示的那样是一个稳定值,而是始终处于阻尼振荡状态。因为高压泵的柱塞泵对共轨管输送燃油是脉冲供油,不是简单地使共轨管内油压平稳升高,而是每次供油都会在共轨管内产生一次压力的阻尼振荡波动,压力先升高后降低,然后又升高后降低,如此反复波动,波动的幅值逐渐减小,振荡的频率和共轨管的弹性性能等因素有关。轨压传感器检测到的油压也是波动的,但发动机ECU是不能识别和采用波动数据的,所以波动数据被ECU多次取平均数后得到一个稳定的值来控制发动机。一般设定瞬时轨压值高于共轨系统额定压力5MPa左右,泄压阀打开,车辆进入跛行回家模式。
博世共轨系统为了保护发动机,让泄压阀在实际轨压超过165MPa时被打开泄压,发动机轨压持续下降,然后维持在较低的72MPa左右,而且轨压值稳定不受发动机转速变化的影响。此时系统进入跛行回家模式,发动机转速最高只能达到1700r/min,发动机在1700r/min转速以下加速踏板可以控制转速。如果实际轨压升高到165MPa以上,泄压阀还没有打开,6s后,发动机控制单元ECU会直接发出断油指令,使发动机强制熄火。
泄压阀打开故障分为主动打开和被动冲开两种情况。主动打开故障为:共轨系统出现可能会造成系统或发动机严重损坏的故障码,发动机ECU会发送命令强制打开泄压阀降低轨压以保护发动机。导致系统主动打开泄压阀的故障码有:轨压传感器故障、燃油计量阀故障、供电模块3故障、轨压传感器信号受到外界干扰、ECU重启故障和ECU本身故障等。如果是由于以上故障码的原因造成系统主动打开泄压阀泄压,在排除故障时,要优先检查排除故障码所指示的故障原因。泄压阀被动冲开故障为:由于某种原因造成共轨系统的轨压过高,超过了泄压阀的弹簧弹力导致泄压阀被动冲开。造成系统轨压过高冲开泄压阀的故障原因有:高压油泵的回油管背压过大、燃油计量阀的阀芯卡在最大开度位置、溢流阀的阀芯卡在最大开度位置等。
4 故障排除步骤
以博世EDC7系统为例,简要介绍泄压阀打开故障的检查排除步骤。泄压阀一旦打开系统,一般会生成并存储故障码P100E,发动机会限速限扭,进入跛行回家模式。如果确认系统发生泄压阀打开故障后,可以按照故障原因发生的概率由大到小逐个检查排除。
首先用检测仪读取系统故障码,一是看是否还有其他故障码,如果有其他故障码,则可能是其他故障造成ECU主动打开泄压阀,应优先排除其他故障码所指示的故障;二是要确认故障车辆是一直存在泄压阀打开故障还是偶然发生的,若是偶发故障,应通过跟车观察发生故障时车辆运行的数据流来判定故障原因,着重查看数据流的实际轨压和理论轨压的变化。
若车辆在满载和上坡时,出现实际轨压瞬时值比理论轨压值突然大很多的情况,故障原因最有可能是回油不畅导致的泄压阀被动冲开,因为回油不畅造成的故障通常都在发动机大负荷(满载和上坡)工作时出现。此时可以检测高压油泵回油口的油压,判断是否回油不畅,油泵回油口压力值正常情况下应小于0.12MPa绝对压力。若不小于0.12MPa,则应该是油泵回油管回油不畅或者堵塞。为进一步确认故障原因,应再完全松开油泵回油管,然后起动发动机查看故障现象是否消失,若故障现象消失,说明确实是油泵回油管堵塞造成的;若故障现象没有消失,说明故障可能在高压油泵,应排除高压油泵故障,条件允许时可以更换新油泵做替换试验来确认。如果系统有其他故障码,可能是发动机ECU为保护系统和发动机而主动打开泄压阀,应先排除其他故障码所示故障。
4.1 轨压传感器故障
1)轨压传感器故障,其故障码为P0191。
2)发动机可能出现的故障现象:①故障报警灯亮;②泄压阀打开,发动机限扭限速。
3)轨压传感器为压敏电阻式,其线束有3根线,插接件中间为轨压信号线,其余2根分别为5V电源线和搭铁线。故障排查时,可用万用表测量轨压传感器电源电压和信号电压进行判断,拔下传感器插接件,点火开关置于ON挡,用万用表测量传感器电源电压和信号电压,电源电压正常值为5V,轨压信号电压此时也应为5V;断开点火开关,插上传感器线束插接件,将点火开关置于ON挡,不起动发动机,再测量轨压传感器信号电压,此时信号电压正常值应为0.5V±0.05V,如果信号电压高于0.65V或低于0.35V,发动机ECU会认为传感器有故障,生成P0191故障码。除了用万用表检测轨压传感器信号电压外,也可以用检测仪的数据流功能读取轨压传感器信号电压值。若检测出电压值不正常,应检查传感器线路是否有故障,若线路正常,说明轨压传感器可能损坏,应更换。
4.2 燃油计量阀故障
1)相关故障码如下:燃油计量阀与电源短路(P0254);燃油计量阀与地短路(P0253);主继电器1与地短路(P160F);燃油计量阀开路(P0251);燃油计量阀超温(P0252)。
2)发动机在故障发生时可能出现的故障现象如下:①故障报警灯点亮,生成P160F故障码时燃油计量阀断电;②泄压阀打开,发动机进入跛行模式,限扭限速。
3)故障排查步骤:①检查燃油计量阀与电源短路故障,拔下燃油计量阀线束插接件,将点火开关置于ON挡,用万用表分别检测线束插接件2个针脚的电压,正常情况下一个针脚电压为电源电压24V,另一个针脚电压为3.5V;如测出2个针脚的电压均为电源电压,则为燃油计量阀回路线与电源短路,应排除该线与电源线的短路点;②检查燃油计量阀对地短路故障,将点火开关置于OFF挡,拔下燃油计量阀线束插接件,用万用表测量插接件上回路线对地电阻,正常值为200kΩ,若电阻为0,说明传感器回路线搭铁,应检查排除该搭铁故障点;③检查燃油计量阀电源线搭铁故障,用万用表测量燃油计量阀电源线对地电阻,阻值无穷大为正常,若阻值太小,说明燃油计量阀电源线搭铁,应检查排除;④检查燃油计量阀内部故障,拔下燃油计量阀线束插接件,用万用表检测燃油计量阀两端子间电阻,阻值在2.6~3.15Ω之间为正常,若阻值无穷大,应更换燃油计量阀;⑤检查燃油计量阀线路断路故障,断开点火开关,拔下ECU线束插头和燃油计量阀线束连接插头,用万用表分别测量燃油计量阀至ECU的2根导线均应导通,如不导通,则为该线存在断路故障,应检查排除;另外,故障检测仪可以读取“燃油计量阀设定电流”值,该电流值在发动机正常运转时为700~1500mA;在发动机不启动、点火开关处于ON挡时,以及在计量阀内部故障、线路开路时,该电流值为400mA,可将检测仪读取的电流值与上述值对比来判断计量阀是否有故障;⑥检查燃油计量阀超温故障,检查有无其它信号干扰计量阀线束或ECU控制模块,若无干扰,则应更换燃油计量阀;⑦检查点火信号是否丢失,若发动机运转时点火信号丢失,电磁喷油器因断电而停止喷油,使用常闭型燃油计量阀的系统,由于发动机惯性转动带动油泵继续泵油,已通过计量阀的燃油会被加压送到共轨管,使轨压瞬间超高冲开泄压阀;使用常开型燃油计量阀的系统,燃油计量阀因断电而完全打开,油泵以最大油量供油造成轨压瞬间超高也会冲开泄压阀。可以用故障检测仪跟车读取数据流中的发动机状态值来判断点火信号是否丢失,发动机运行时若点火信号丢失,发动机状态值会显示为48。
4.3 电磁喷油器故障
若电磁喷油器堵塞或工作不良,发动机在大负荷工况下也会造成泄压阀打开故障。可使用故障检测仪的数据流功能读取轨压积分量来判断喷油器工作是否正常,在发动机怠速工况时,轨压积分量应在-2000~2000mm/s的正常范围内,若轨压积分量超出上述范围且偏差过多,并伴随有“轨压控制模式故障7、10”的故障码生成,通常是电磁喷油器故障或喷油器导管装配问题,可能性较大的是电磁喷油器堵塞。
4.4 信号干扰、ECU相关故障
1)相关故障码有:ECU内部芯片CJ940通信受干扰(P060A);ECU内部芯片错误,如模数转换器参考电压超出上限门槛值、模数转换器参考电压低于下限门槛值、模数转换器测试脉冲电压高出门槛值、数摸转换器队列错误、数摸转换时间超时、不是所有A/D数据流被转换等(P060B);电压过高(P1607);电压过低(P1608);倒拖时喷油器加电时间超过门槛值(P1613);倒拖时发动机转速过高(P1614);系统修复故障、电压过高、ECU重新复位次数4s超过3次(P0607)。
2)故障发生时发动机可能出现的故障现象如下:ECU被重置造成发动机熄火;发动机故障报警灯点亮,ECU控制泄压阀主动打开,发动机限速限扭;更为严重的会造成发动机无法起动。
3)故障排查步骤:①首先检查车辆电源电压是否正常;②仔细检查轨压传感器线束插接件是否存在接触不良现象,检查轨压传感器信号是否被其它电磁信号干扰,如距离强干扰源(喷油器、起动机、发电机等线束)太近;③排除发动机线路和控制系统传感器及其线路故障;④发动机熄火后,等待ECU Afterrun结束,电控单元ECU继续通电控制冷却风扇或EGR自清洁等工作完成;⑤检查飞轮上传感器信号齿是否损坏或变形;⑥若出现故障码P1613、P1614时,很有可能是ECU内部故障,尝试将开关完全断电后再次读取并清除故障码,若故障码不能清除,应更换ECU,验证是否ECU故障。
4.5 传感器供电模块3故障
1)相关故障码为:传感器供电模块3电压太低(P0698)。
2)故障发生时发动机可能出现的故障现象:故障报警灯点亮、泄压阀主动打开、发动机限速限扭。
3)故障排查步骤:①用万用表测量电控单元ECU线束插头1.77引脚或加速踏板位置传感器线束插头电源线的电压,正常情况下电压值应为4.9~5V;②测量电控单元ECU线束插头2.13引脚或轨压传感器线束插头电源线的电压,正常情况下电压值应为4.9~5V;③由于油门踏板位置传感器、轨压传感器、废气压差传感器和风扇转速传感器的电源均由供电模块3提供,所以,检查时应断开点火开关,拔下上述传感器线束插头,用万用表分别测量各传感器电源线与搭铁之间的电阻,正常情况下应均为15kΩ左右;④若测量值与上述各值不符,则应更换ECU。
5 结束语
在车辆维修工作中,泄压阀打开故障经常出现,故障诊断仪报“泄压阀打开”故障码的频率很高,而泄压阀打开的故障原因比较复杂。本文以博世共轨系统泄压阀为例,系统介绍了泄压阀的结构原理、故障发生机理,给车辆维修保障人员检修该故障打下一定的理论基础。对诊断排除该故障给出了参考性的检查排除思路,以期能够给维修人员一定的启发和帮助。
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