柴油机管理系统组成与故障特征分析

2023-11-24陈国辉王宝祥

农机使用与维修 2023年11期

陈国辉,王宝祥

(榆树市环城乡综合服务中心农业服务科,吉林榆树 130400)

0 引言

在现代工业技术的快速发展和内燃机技术的持续进步下,柴油机性能得到了快速提升与进步,尤其在电控柴油机技术普及的驱使下,柴油机的各项工作性能逐渐向着精确控制发展。现代化柴油机已经逐渐由传统的单纯机械结构向着多学科融合发展,逐渐融入了传感器技术、可控系统、数据传输技术、通信功能、信息处理与故障预警等新技术,实现了对柴油机工况的智能判断,尤其在智能管理系统的加持下,对于柴油机的健康监测、运行状态分析、故障预测等功能精确性不断提升,为研究柴油机基础理论与技术优化,保障柴油机稳定可靠使用创造了有利条件。

1 柴油机管理系统

1.1 基础特征及作用

柴油机管理系统(ECM)是在传统的电子控制系统功能基础上发展而来的,其集成有多个电脑控制单元和传感器,并利用通信电缆实现数据传输及控制信号发送,绝大部分柴油机管理系统元件安装于密封的金属外壳内部,可实现长久稳定的运行。柴油机管理系统主要功能包括以下几点:1)基础控制功能,用于控制发动机的启动、停止,实现发动机转速与控制挡位的匹配;2)运行监控功能,系统利用传感器等设备获取柴油机运转信息,有效保护发动机处于良好工况状态,监控过程中如发现异常情况并判定为故障后,可自动启动报警或启动停机功能,避免柴油机发生严重损害;3)性能优化调整功能,通过监控系统的数据分析,管理系统可利用不同的负载特性发出指令实时调整发动机响应状态,实现对喷油量、转速等众多参数的快速调整;4)辅助故障判断功能,柴油机配套的微处理器利用柴油机管理系统获取的众多数据信息能够直观分析柴油机运行状态,实现整机运行的异常状况监测,当发现柴油机产生异常状态时,自动辨别故障原因并输出和存储故障代码,同时启动报警功能,严重故障时启动停机功能,有效避免柴油机受到严重损害,并对日常维修工作提供故障数据输出支持[1]。

1.2 系统组成

现阶段应用的柴油机管理系统功能呈现多样化发展,但系统的总体组成大体相同,主要包括电子控制器(ECU)、传感器、电子喷油器、附属软件程序、数据接口等组成。

1.2.1 电子控制器(ECU)

ECU是柴油机系统数据的核心处理器,能够处理柴油机进排气压力、转速、工作温度、机油压力、机油温度、燃油量等数据信息,生成柴油机水温、油压、水位、油温、超速等多方面的数据保护指令,并保证其处于最佳数据状态下工作。

1.2.2 传感器

传感器是获取柴油机各项数据的重要元件,其种类众多,例如转速传感器、正时传感器、机油压力传感器、机油温度传感器、进气温度传感器、进气压力传感器、冷却液温度传感器、柴油温度传感器等,各个功能传感器分别安装于柴油机运转、冷却、润滑系统中,实现数据实时获取。

1.2.3 电子喷油器

电子喷油器是柴油机系统中最重要的控制执行器,发动机输出特性由供油量决定,其能够被ECU直接控制,电子喷油器的重要组成结构包括电枢、电磁阀、线圈、柱塞、针阀、喷管、喷嘴等,系统可通过控制电磁阀的开启时间长短控制喷油量,发动机控制单元每秒钟会进行约85～95次的发动机燃油需求分析,先进的电子喷油器能够实现单个喷嘴的精确控制,实现按照所在的工况调整最佳喷油参数,改善汽缸供油参数,促进柴油机维持最佳性能,并具有更好的可靠性及瞬态特性[2]。

1.2.4 附属软件程序

软件程序是协调、联系各个硬件功能的软件载体,实质是数字程序与算法的集合,具有人工智能的软件特征。利用附属软件程序与先进的ECU性能,能够实现控制柴油机的各个功能,并应对柴油机运行过程中的各种突发情况,同时配备有电喷控制器、子系统控制单元等其他微机单元。软件程序设计之初充分考虑的发动机的控制逻辑和运行合理性,其内部包含有数据库用以鉴别柴油机的工况状态,如图1所示为康尔信公司生产的SAM柴油机系统配套的故障分析基础逻辑,能够针对复杂工况进行分类鉴别。目前,常规的电控柴油机软件程序中通常带有超过100种的保护功能,性能先进的新型柴油机系统配套的软件程序更是将保护功能项增加至200～300种。同时,在系统判定柴油机故障后,将自动执行指示灯闪烁、预报警、故障停机等功能,并将存在的故障以代码形式储存在存储器中[3]。

图1 康尔信SAM柴油机系统故障分析逻辑

1.2.5 数据接口

柴油机的数据接口主要用于数据互通及硬件功能扩展使用,常见接口包括通用RS232接口、USB接口、通信电缆串行端口、RP系列接口等。不同的数据接口能够实现ECU与传感器、执行机构之间的连通,全面保障控制功能实施;利用数据接口还能够实现对柴油机功能的扩展,实现功能升级,如图2所示为欧曼CLE8180N柴油发控制器扩展及保护模块,能够为柴油机提供更丰富的硬件接口,并为继电器提供电压、电流等安全保护[4-5]。

图2 欧曼CLE8180N柴油发控制器扩展及保护模块

2 故障特征与表现

在电控柴油机的技术支持下,尽管柴油机结构趋于复杂,但将传统的故障诊断经验与现代的故障数字代码技术相结合,能够更精确地确定故障原因、所处位置,并通过数据支持获得故障维修建议。

2.1 常见故障特征

2.1.1 柴油机无法启动

当出现柴油机无法启动故障时,表现为启动点火开关后柴油机无反应,此时飞轮壳和高压油泵位置的转速传感器没有信号反馈,ECU控制启动继电器工作后出现起动机不运转或柴油机无法点火等问题[6]。

2.1.2 柴油机启动困难

柴油机启动困难表现为启动过程费力,尽管柴油机启动成功,但是启动周期明显变长,启动成功率降低,可能在启动过程中伴随有明显振动或异响,或存在启动过程水温过低、机油压力异常等故障警示,启动后产生怠速转速异常等问题[7]。

2.1.3 柴油机功率不足

柴油机功率不足多为机械故障和接线故障导致,表现为输出动力明显降低。导致功率不足的很多机械故障原因会伴随管理系统的故障警报和故障代码提示,例如针阀卡滞、线束磨损虚接、怠速不稳、水温异常、机油温异常等故障多会伴随有故障报错及相应代码[8-9]。

2.2 故障处理方法

2.2.1 无法启动检修

首先,通过柴油机表现及故障代码提示进行判断,明确故障原因和故障部件的可能位置;其次,理清维修思路后进行拆检与维修:1)检查电瓶电量,部分新型柴油机具有低电警示,是否因电压过低而不能带动起动机,做好电瓶充电工作;2)检查喷油器、传感器等重要位置线束有无断路,及时修复起动机继电器等关键元器件周围的接线;3)检查空挡开关、点火开关、启动开关是否损坏,及时更换损坏开关;4)是否存在低压油路故障报警,检查油路内是否进入空气,及时排出粗滤中的空气;5)检查起动机是否烧损,及时更换损坏的起动机。

2.2.2 启动困难检修

启动困难的常见原因与环境和整机密封状态关系较大,结合故障码通常易于定位故障位置。1)可能是软件系统调试不当,若曲轴转速信号、凸轮轴信号弱,则可能引起同步判断时间延长,导致启动检测过程系统误报而启动困难,此时应对传感器和通信功能进行重新调整;2)柴油或汽油品质不达标,部分先进机型能够检测油液品质并进行警报,此时应及时更换优质油液;3)活塞环、缸套磨损或气门密封不严,会造成工作压力异常,产生报警,此时应对燃烧室进行检修调整。

2.2.3 功率不足检修

导致功率不足的很多原因均会伴有系统故障报错,可结合错误代码进行精准检查和维修:1)水温、机油温度异常或进气温度过高,柴油机管理系统会启动保护程序,限制柴油机的功率提升,此时应针对故障代码显示位置,对冷却系统的水箱、管路、水泵,润滑系统的机油泵、滤芯等进行检查维修及更换,并对中冷器进行维修调整;2)喷油器故障,应针对性调整针阀、喷油器、供油时机,确保喷油器功能正常;3)检查汽缸等关键部位的密封性,及时修复和更换老怀、损坏的密封件。