拖拉机起动过程故障分析与研究

2022-10-21周立春杨明波刘世浩

农业技术与装备 2022年8期

周立春，杨明波，刘世浩

（潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261061）

拖拉机作为农业生产中最重要的动力设备，目前已全部切换为非道路三阶段排放水平，预计2022年底全面升级非道路四阶段[1]。排放升级带来的是发动机技术水平的不断提高。为了满足排放要求，各品牌柴油机基本都采用电控高压共轨技术。因为增加许多精密零部件，起动过程出现的故障会比机械泵时期更难排查和解决。

拖拉机的起动过程是指：机手发出起动要求，旋转钥匙开关；ECU收到指令后首先判断发动机和整车状态，然后控制起动机工作；起动机的驱动齿轮啮合入飞轮齿圈，将起动机的转矩传递给发动机曲轴；在发动机起动后，起动机自动脱开齿圈；与此同时，曲轴通过凸轮轴控制气门完成进排气工作，齿轮带动油泵完成供油工作，ECU控制喷油器实现精确喷油。燃油系统、进排气系统、电器系统、电控系统多个系统共同协作，实现顺利起动。

根据农机推广鉴定《农用柴油机》（DG-T 003-2019）起动试验通用要求，柴油机与测功机脱开或测功机处于空载位置，开启起动按钮使柴油机起动，在15 s内柴油机可自行运转，为起动成功。重复起动3次，每次间隔2 min，3次起动中至少成功2次即通过试验。

从以上步骤可以看出，拖拉机的多个系统都参与到了起动这一过程，这就导致容易出现起动故障，如起动困难、无法起动等。本文主要梳理和总结各系统参与起动时可能出现的问题，方便后续遇到起动故障时，有层次、有条理地排查和解决故障。

1 起动故障分类

按照整车各系统分类，可以将起动故障起因件分为：燃油系统、进排气系统、电器电控系统，见图1。

图1 起动故障分类Fig.1 The classification of starting fault

2 燃油系统分析

根据售后统计，燃油系统导致的起动故障数量名列前茅。之所以油路故障多，原因是柴油经过的零部件种类多、数量多。这些零部件中低压油路部分由各整车厂负责，水平参差不齐，容易出现设计上或者工艺上的问题。油路故障可以分为两大类：低压油路故障、高压油路故障。

2.1 低压油路故障分析

低压油路故障主要起因件有：燃油管路、燃油滤清器、燃油箱、燃油。

2.1.1 燃油油管分析

燃油油管内径匹配不合适，油管内径小导致发动机供油不足。优化建议：整车油路按照发动机低压管路内径推荐值进行设计。

燃油油管材质软，且管路中间缺少固定导致油管有折弯部分，供油不畅。优化建议：燃油管路须用管夹在间隔约300 mm的位置上进行固定，避免折弯。

2.1.2 燃油滤清器分析

燃油滤清器高度低于喷油泵＞1 m，油液因重力下落，管路易产生空腔，起动瞬间无法供油。优化建议：燃油滤清器的位置尽量靠近喷油泵。推荐使用带电动泵的燃油滤清器，可以在整车上电时泵油，使燃油提前充满管路。

2.1.3 燃油箱分析

燃油箱内进回油口高度不合适，导致特定情况时吸空，无法供油。优化建议：燃油箱进回油口在发动机运行及停车放置时均应没入最低油面，且回油管口位置应低于进油管口。以免出现油箱内燃油较少、车辆颠簸时进油管吸空的现象及停车后空气沿回油管进入油泵的情况，从而避免发动机起动困难的发生。

2.1.4 燃油分析

燃油选用不合适，低温环境中使用常温柴油，导致柴油结蜡。优化建议：发动机的性能和可靠性受燃油品质的影响很大，要正确使用燃油。一般根据使用环境，按燃油的冷凝点选择柴油的牌号。温度在0℃以下时，使用低温时具有低黏度的冬季燃油。如果长时间在寒区工作，可以使用带燃油加热功能的燃油滤清器。

2.2 高压油路故障分析

高压油路故障主要起因件有：喷油泵、共轨管、喷油器。起因件分析与优化建议如下。

2.2.1 喷油泵分析

喷油泵流量计量单元出现故障导致起动困难。发动机起动时，ECU会根据起动转速、起动扭矩计算出喷油泵流量计量单元的打开角度，实现轨压控制。如果油品问题导致流量计量单元卡滞，则ECU无法实时调节轨压，造成轨压过低起动困难或无法起动。

2.2.2 共轨管分析

共轨管泄压阀故障导致起动困难。共轨管的主要作用是存储高压燃油。目前高压共轨柴油机系统压力比传统柴油机要高出3倍，最高能达到200 MPa的燃油喷射压力[2]。如果共轨管的泄压阀不正常开启，燃油压力会瞬间泄漏，造成喷油器的输入压力下降，喷油量大幅度减少，造成无法起动。

2.2.3 喷油器分析

喷油器卡滞、雾化不良导致起动困难。ECU根据发动机起动时的各种工况控制喷油器的开启，提供精确地喷射。如果使用劣质燃油，油内有大颗粒杂质，进入喷油器造成卡滞，雾化不良，燃烧不充分，从而影响起动[3]。

优化建议：通过以上3个典型故障分析可以得出，高压油路系统本身都是高精度零部件，质量控制严格，自身出现故障的概率很小。绝大多数高压油路故障最根本原因是油品质量差。燃油中如果含水比较多，会造成零部件锈蚀。如果杂质比较多，会造成零部件卡滞损坏[4]。这就要求用户加强保养意识，拒绝低价劣质柴油，不要因贪图一时便宜反而造成更大的损坏，得不偿失。

3 进排气系统故障分析

进排气系统同样是拖拉机正常运行的关键系统。中拖、大拖拖拉机绝大多数都采用增压或增压中冷技术。增压机型相比自吸机型，可以在排量不变的情况下，燃烧更多的燃油，提高升功率。但是随增压技术的出现，进排气故障点也随之增多，特别是起动相关的故障。

3.1 进气系统故障分析

进气系统的作用是：向发动机提供新鲜、清洁、干燥的空气进行燃烧。避免灰尘对发动机零件的磨损，延长使用寿命。对发动机的性能和寿命至关重要[5]。

进气系统故障主要起因件有：空气滤清器、进气管路、紧固卡箍。起因件分析与优化建议如下。

3.1.1 空气滤清器分析

空气滤清器堵塞，进气不足，导致气缸内燃油燃烧不充分造成起动困难。优化建议：空气滤清器增加进气阻力电子报警器。报警器通过线束连接到驾驶室仪表盘。当空滤阻力变大时，仪表盘警示灯闪烁，提醒用户及时清理更换滤芯。

3.1.2 进气管路分析

进气管路材质软，进气负压将管路吸扁，进气流量减少，导致燃烧不充分。优化建议：空滤至增压器前的进气管路应有足够的耐负压要求，防止吸扁或振动变形。胶管可通过增加纤维夹层或钢丝以提高抗负压能力。

3.1.3 紧固卡箍分析

增压后气体压力大，如果管路卡箍松脱，管路会大量漏气，进气流量减少，导致燃烧不充分。优化建议：硬管与橡胶连接位置应用无缝钢管制作并且管口部位有凸缘，保证橡胶管与硬管为过盈配合连接。卡箍必须具有360°密封作用但又不损坏胶管，推荐T型强力卡箍。

3.2 排气系统故障分析

排气系统的主要作用是保证发动机最佳性能的同时把发动机在工作时产生的废气经由排气管路输送到消声器或后处理进行降噪处理、空气净化后排放到大气中。排气系统故障主要起因件有：消声器、排气管路。起因件分析与优化建议如下。

消声器、排气管路如果堵塞或折弯太多，造成排气背压过大。排气背压增大会导致充气损失增加，排气消耗的功率增多[6]。如果背压太大会导致起动困难。优化建议：拖拉机严格按照发动机要求设计，排气系统背压不能大于发动机要求。排气管路应尽可能直，根据布置情况当需要折弯时，弯曲半径应尽可能加大，以减小排气阻力。另外拖拉机装配完成后及时测试排气背压，确认排气背压是否符合发动机性能要求。

4 电器电控系统

国三电控柴油机相比传统柴油机在电器系统部分增加了控制单元（ECU）、发动机线束、整车线束、各种传感器、各种执行器等电子元件。另外为了满足拖拉机高端化、智能化的发展，ECU内部设计集成了各项电控功能。这些电器件与电控功能给拖拉机带来技术升级的同时，也给起动过程带来了更多的故障点。电器电控系统故障主要起因件有：起动机、蓄电池、传感器、整车线束、电控功能。起因件分析与优化建议如下。

4.1 起动机分析

起动机是起动过程的主要零部件。起动机主要故障是起动机进水、进油、进尘损坏。优化建议：飞轮壳不密封，有进水风险时，建议选用无鼻结构且前端无排水孔的起动机。若拖拉机有水田工作需求建议选用防护等级达到IP67及以上的全密封起动机[7]。

4.2 蓄电池分析

在起动过程中，蓄电池将内部的化学能转化成电能，然后通过起动机转化为机械能。蓄电池亏电会导致电压下降，起动机的转速也随之下降，造成起动无力或者无法起动[8]。优化建议：拖拉机设计时重点关注蓄电池，根据起动机的功率等选择合适的蓄电池容量。拖拉机在寒区工作应选用专用低温蓄电池。拖拉机日常使用时及时充电，起动前检查蓄电池电压。

4.3 传感器分析

传感器中与起动关系最大的是曲轴转速传感器和凸轮轴转速传感器。曲轴转速传感器用于确定曲轴位置，进行喷油时刻、喷油量的计算。凸轮轴转速传感器用于信号校验，与曲轴转速传感器共同配合确定起动点火的各项参数设置[9]。如果其中一个传感器损坏，会导致起动时间长、起动困难。如果两个传感器同时损坏，会导致无法起动。优化建议：传感器发生故障ECU会报故障码，拖拉机上电后及时查看故障码，按照故障码提示解决相应故障。