电控柴油机起动过程故障研究

引言

电控柴油发动机起动是指ECU根据驾驶员的起动请求，通过对发动机和整车状态的判断，控制起动机工作从而带动发动机起动的过程[1]。在起动过程中，起动机带动发动机运转，同时曲轴通过凸轮轴控制气门共同完成进排气动作。齿轮室中的中间齿轮则带动高压油泵齿轮完成高低压油路的供油。对于柴油机的起动而言，供油、供气和起动机带动柴油机所达到的起动转速是直接左右起动是否成功的三要素。

此外，起动还受环境、负载等诸多因素影响。因此研究柴油机的起动过程故障对于提高发动机的整体性能具有重要意义[2]。

1　起动过程故障分类

1.1　按照系统分类

柴油机起动过程涉及的因素较多[3]，其中供油、供气和起动机转速是主要的因素。三者需相互配合才能使柴油机顺利起动。任何一方出现问题都会造成发动机起动困难或无法起动。起动机的运转受柴油机电控单元ECU的控制，控制起动机运转的电路故障也会影响柴油机的起动。如果起动机所带动的柴油机传动件出现故障，会造成柴油机转速达不到起动要求而无法起动的故障。如果装配发动机的车辆或机械出现故障造成发动机承受扭矩过大，同样会造成起动转速达不到起动要求，致使柴油机无法起动。

  

图1　起动过程故障按系统分类图

从系统角度可将起动故障划分为油路故障、气路故障、电路故障、柴油机硬件故障和负载故障。如图1所示。

以上五类故障又可根据系统分类方法进行细分。按照供油系统的结构，可将油路故障进行细分为如图2所示。

某台推土机，起动时起动机不动作，测量控制器端供电电压为0，仪表上不显示发动机信息，如图9所示。

柴油机的气路主要包括进气管、空气滤清器、中冷器、涡轮增压器、排气管、消声器、排气制动蝶阀等部件。往往故障点也在这些部件上。气路故障按系统分类如图3所示。

  

图2　油路故障按系统分类细分图

  

图3　气路故障按系统分类细分图

  

图4　起动系统电路图

电路故障对于普通工程维修人员是比较难于解决的一类故障。维修人员首先要了解电控柴油机系统的原理，熟悉电路，才能有目的有针对性的检查电路。否则有可能产生处处都正常或者处处是故障的错觉。

(1)用Anycasting模拟仿真技术，对壳体结构进行了分析．结合设计准则及经验设计出一种浇注系统，再对浇注系统进行模拟并就模拟结果进行优化，以铸件缺陷情况确定选择最适合该壳体生产的浇注系统．

在《四库全书》编纂基础上，由纪昀任总纂，自乾隆三十八年（1773年）开始，历时八年，将《四库全书》著录的图书79309卷与存目的图书93551卷，共172860卷，分别编写提要，按经、史、子、集四部分类法编排，编撰完成《四库全书总目》。全书200卷，是中国古典目录学的集大成之作。《四库全书总目》的编撰完成，结束了我国分类法历史上七分法、六分法与四分法之争的局面，四部分类法从此占居了统领地位。《四库全书总目》是我国古代最大的一部目录学著作，“四库法”分类体系，具有较强的权威性，现今的《全国善本总目》仍继续沿用，是我国宝贵的文化遗产。

图4为某款柴油机起动系统的电路图，T15为驾驶室钥匙的上电开关，T50为起动开关。

根据系统电路图，将电路故障进行分类，如图5所示。

在电路故障中有的故障是由外界电路引起的。比如大电流输入造成系统内某些零部件损坏。此类故障不仅要切换损坏零部件，还需要找到零部件损坏的根本原因，这样才能避免类似故障再次发生。

  

图5　电路故障按系统分类细分图

在以上分类中没有提到环境因素，可将环境对柴油机的影响细分到各个系统中，外在表现即为进气温度过低、燃油过于黏稠、燃油温度过低、柴油机摩擦扭矩过大等。

柴油机是—种复杂的往复式动力机械,其结构复杂,运动部件多[5]。电控柴油机硬件故障即是指由柴油机的各个零部件引起的故障，与机械泵柴油机类似。其中曲轴和凸轮轴的同步信号错误经常会造成柴油机无法起动和起动困难。由凸轮轴和曲轴安装角度问题引起的故障也属于机械故障。发动机起动除了要克服空气压缩阻力和自身各个部件摩擦阻力外[6]，还需克服所带负载阻力，负载故障即是由于与柴油机飞轮连接的设备出现故障造成负载过大而导致的起动故障。硬件和负载这两类故障可以通过诊断工具进行监测确认故障的原因。

1.2　按照产品开发过程分类

从产品开发过程考虑，可将起动过程故障分为首台样机起动故障和批量产品起动故障。首台样机起动故障产生的原因多由于产品不成熟，没有经过实践的检验造成柴油机无法正常起动。其中有ECU数据设计原因造成的故障、装配错误造成故障、柴油机与整车匹配造成故障等。这些故障在产品进行批量生产时是极少发生的。首台样机起动时同样会遇到批量产品起动产生的故障。

1.3　按照起动机工作情况分类

从起动机工作情况的角度考虑，可以将起动过程故障分为起动机转起动故障和起动机不转起动故障。这种分类便于对故障进行针对性的处理。起动机转动说明起动电路的连接没有问题，可以省去检查电路连接的复杂工作。如果起动机不转说明电路不通，可将注意力集中到检查电路问题上去。

向量和物理学有着密切的联系，物理学研究的基本对象之一是矢量，矢量是既有大小又有方向的量.如力、位移、速度、加速度、动量、电场强度等，这些量贯穿于物理学的许多分支，矢量是现实存在的，可以观察、感受到的，物理学中的矢量是向量的现实模型；向量的加法运算可以以位移的合成为背景；向量的数乘运算以位移或速度的倍数为背景，可使学生对数与向量的数乘运算的结果仍然是向量有直观的认识；两个向量的数量积运算以力所做的功为背景.所以，向量及其运算是物理学中矢量及运算的抽象，教学中应引导学生从物理情境中抽象出数学概念和问题，培养学生的问题意识、创新意识和应用意识.

1.4　按照故障指示情况分类

柴油机采用电控和机械泵的区别除了喷油受ECU 控制之外，电控柴油机还具有完善的故障诊断管理系统。因电路连接等造成的故障均可通过故障灯或者总线仪表给出的提示进行处理，给故障处理工作带来极大的便利。可将起动故障按照故障指示情况分为有故障指示故障和无故障指示故障。

解决电控柴油机故障时应充分利用柴油机给出的故障指示，有针对性的进行处理。如果没有故障指示，则需要根据现象和产品开发过程分类进行初步判断，再根据起动机工作情况进行初步分类，最后按照系统分类进行逐项检查。

2　起动过程故障分析

因柴油机是靠起动机带动起动，起动机又是由ECU控制，起动机的电控回路影响起动机的工作状态。起动过程故障分类中的油路故障和气路故障不会造成起动机不转。因此可以通过起动过程中起动机的转与不转将故障进行划分。如果起动机转动而柴油机无法起动，那么说明电路连接是通的，无法起动的原因有可能是油路、气路或者电瓶问题。如果起动机不转导致柴油机无法起动，则说明导致起动机不转的原因是电路故障，但此时不能排除油路、气路就一定没有问题。在解决了起动机不转的故障后，也可能出现由于油路不畅和气路不通造成的柴油机无法起动故障。

（3）裂纹金相分析 对小吨位铸造引导轮体裂纹区进行剖切后进行金相分析，如图4、图5所示。裂纹分布在铸造引导轮体的斜面及变截面的圆弧处，在变截面处产生的裂纹主要是由于铸造外形时存在尖角，修磨不光滑，感应淬火时存在应力集中。

发动机出现油路或气路故障时，起动机带动柴油机运转，柴油机开始喷油，因供油或者供气不足造成柴油机功率不足，达不到克服摩擦扭矩和负载扭矩的功率，在摩擦扭矩和负载的共同作用下柴油机熄火。

6)通过现场操作人员对故障过程的描述，了解到在上一次作业完成后，发动机即无法起动，起动机也不工作，之后就没有用过。由此判断开始时的电瓶电压13.6 V是不正常的，有可能是发电机不发电造成电瓶亏电，从而使发动机无法起动。

推断为电路问题。有两种可能，一是控制器损坏，二是控制器连接断开。排查过程如下：

3　起动过程故障处理过程及方法

  

图6　起动故障处理流程

某厂家在装配中的首台挖机无法起动，起动机无动作。故障的排查处理过程如下：

4)重新给电瓶充电，再起动，发动机起动成功。

4　起动过程故障举例

4.1　故障案例一

处理起动过程故障可分门别类进行检查。遵循先易后难、由表及里的诊断原则[8]。首先通过产品的开发过程确定该产品是样机还是成熟的批量产品，之前是否起动正常。再从起动故障的现象查看柴油机起动过程中故障灯或总线仪表是否报出故障，起动机是否旋转。然后进行电路、气路、油路的检查。柴油机硬件故障很少会导致起动问题，更多的是导致动力不足。柴油机出厂前会经过试车，大多数硬件故障均会被排除。负载问题遵循先进行检查最后做出判断的原则。由于负载和柴油机分属不同厂家，过早考虑负载问题会对柴油机故障检查产生干扰。在完全排除柴油机故障的前提下才能做出判断，将故障点定位在负载上，通过对负载扭矩的监测进一步核实。图6为起动故障处理流程。

  

图7　信号监测情况

1)用INCA软件检查，报出起动继电器对地短路故障，监测信号如图7所示，T15处于闭合状态，ECU可以接收到T50开关起动信号。发动机没有停止请求。但是起动继电器状态Strt_st没有随钥匙的起动请求而起动，因此判断有可能是起动继电器电路存在问题。

2)用万用表测量线束起动继电器针脚两端的通断情况，发现继电器两针脚的线束两端均是连通状态。

3)将线束连好，进行起动复现故障，用万用表测量继电器输入端的电压变化情况，发现起动继电器输入端线路没有电压信号输入。由此可判断故障在起动机继电器上游的电路连接和ECU处。

4)为了判断ECU是否有问题，将ECU拆下，单独连接到电控回路中进行起动模拟，监测起动继电器的针脚电压输出情况，发现电压输出正常。由此判断ECU没有问题，问题在电路连接上。

  

图8　ECU单独连接试验场景

5)检查ECU和起动机之间的电路连接，发现起动机的供电端通过进气预热继电器直接接到电瓶负极，导致对地短路。ECU单独连接试验场景如图8所示。

4.2　故障案例二

油路故障有时候只是表面现象，因燃油系统部件都是精密件，制造精密，质量相对较好，自身出现故障的可能性比较小。油路故障受外因的影响较大，这个外因主要是燃油。燃油含水较多会造成锈蚀，杂质多会造成堵塞，燃油成分不过关会造成喷油器的损坏等。当遇到油路零部件故障需追根究底，找到根本原因，否则换了部件还会造成损坏[4]。

  

图9　仪表显示图

在解决故障过程中，故障处理经验及对电控系统中控制逻辑的理解非常重要。例如轨压高故障，主要是供油过多或者回油过少造成的，造成这两种情况的原因很多，不了解电控喷油系统就可能无从查起，经验丰富的工程师可能首先会检查油量计量单元和回油管路，因为这两个故障点造成轨压的高概率较大。然后检查电动油泵、喷油器、最后再检查高压油泵。

(1)满载紧急制动减速：输送机在紧急制动过程中各处的胶带张力均应大于零，严防胶带松弛、撒煤或叠带事故。F1= 484.15 kN，F2= 285.2 kN ，F3=156 kN；

1158分段1#盘区三分层上盘界限以外的贫矿资源属于东部贫矿开发项目范围内，但考虑到1158分段1#盘区三分层回采结束后就转入978分段，中段接替过程中未知因素较多，如果发生突发问题，则可考虑将上盘贫矿作为临时过渡时期完成全年计划的矿石来源。1158分段1#盘区围岩条件较好，地应力稳定，可以考虑采用边缘进路作为临时沿脉道进行施工。该部分矿石回采结束后，也是为以后1#盘区以上贫矿回收做好了人工假底。如中段衔接顺利，则该部分矿体依旧根据东部贫矿项目设计方案进行回采。

1)从控制器端检查供电电压。电压为0，处于断电状态。

2)检查钥匙端供电电压。电压较低为13.6 V，判断可能中间有断路的情况。

3)将电从钥匙直接引到控制器端。起动机转但是还是无法起动，说明电路通了，电压不足造成无法起动。

如图6所示，在查完负载没有找到故障的情况下如果是样车要考虑ECU内部数据标定问题。批量车型因数据经过验证可以排除数据造成的故障。

5)将电路接回原来的状态，此时发现仪表上显示发动机信息。测量控制器端供电电压不再是0，而是17.8 V。测量钥匙端也是17.8 V,电路导通。由此判断在保险盒里装有类似二极管的电子元件，当电压低时不导通，电压超过一定限值才导通。

电路故障是较难解决的一类故障，当起动机不转时首先应考虑电路不通。在故障分类中电瓶问题归入电路故障，电瓶出现问题时起动机虽然工作但无法起动，这是电瓶特殊之处，是影响电控柴油机起动性能的重要因素[7]，另外电路中的空挡保护开关、车下停止开关如果所在位置为非空挡和车下停止按下状态，总线发送停止起动命令等同样会造成起动机停止工作。因此需要检查电路中的各个电气件和线路。

7)起动发动机，检查发电机供电电压，发现只有18 V左右。由此验证了之前的判断，发电机内部损坏，无法发电。

4.3　故障案例三

某厂家首台扫雪车，车的挂车最后部装有一台柴油机带动扫雪泵工作。在起动过程中起动机工作几秒即停止，无法起动,仪表不报故障。排查和处理过程如下：

  

图10　现场信号监测

1)起动机能够工作说明电路连接没有问题。

2)检查电瓶电压25 V，电量充足。

3)检查油路、气路均没有发现问题。

4)用INCA连接柴油机监测轨压、电瓶电压等参数，如图10所示。发现电瓶电压起动过程中由25 V降到14 V左右,转速随即迅速下降直至熄火,说明起动机起动电压不足。

5)检查电路及各部分原件，发现电瓶与起动机的距离较长，且导线发热严重,因此判断该导线分压过大。现场照片如图11所示。

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图11　现场车辆照片

6)将正负极各并联一条导线后重新起动,起动正常。

通过以上现实中的真实案例可以得到解决起动故障的一些规律：首先依据具有确定指导意义的现象判断故障来自哪个系统，然后根据前面提到的由外到内，由易到难的原则对该系统的各个部件和线路进行检查，逐段排除，最终找到问题的根源。

5　结论

故障处理是对工程师综合能力的考验。工程师不仅需要了解柴油机的结构、原理等基础知识，还需具有丰富的操作能力和故障诊断经验[9]。尽可能全面考虑影响起动过程的各种因素[10],有侧重的进行故障判断和处理。本研究在总结经验的基础上从理论的角度对柴油机的起动过程故障及处理方法进行了系统地分析和分类，并通过三个故障案例结合分类和处理方法的运用介绍了处理起动过程故障的流程，可为故障处理人员提供参考和借鉴。

参考文献：

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在导航过程中，定位是实现自主能力的核心问题之一，其功能是获得机器人相对于坐标系的位置。机器人定位一般可划分为相对定位和绝对定位。

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“两个单位的井交织在一起，就像将一把红豆、一把绿豆撒在盘子里，最近井距仅几百米，长期混采为油藏研究带来很大干扰。”采油一厂开发研究所所长王佳乐说。

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