一種電控共軌柴油機低溫起動失效模式分析

夏秀娟

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

一種電控共軌柴油機低溫起動失效模式分析

夏秀娟

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

針對一臺電控共軌柴油機在冷起動過程中的起動失敗，從多個方面查找、分析了可能的原因，發現飛輪轉動慣量不夠會使轉速傳感器信號變形，導致ECU誤判，從而造成發動機冷起動失敗。增加飛輪質量后，該問題順利解決。

柴油機冷起動轉速信號

1 前言

柴油機低溫起動能力是衡量柴油機性能的重要指標之一。與傳統機械式柴油機相比，電控柴油機由于可實現對發動機各種運行工況的精確控制，因而更容易通過靈活的控制策略和精確的標定來獲得良好的起動性能。但另一方面，電控柴油機除了受傳統機械式柴油機起動失效模式的影響外，還會受到電控控制策略及各種控制參數的影響。本文針對一臺電控高壓共軌柴油機在臺架冷起動過程中出現的一種失效模式，闡述了其分析及解決過程，為其它電控柴油機冷起動問題提供分析思路。

2 試驗樣機配置及試驗條件

本試驗是在一臺8.3L電控高壓共軌柴油機上進行，電控系統為日本電裝公司生產的ECD-U2高壓共軌燃油噴射系統。柴油機主要技術參數如表1所示。

冷起動試驗在冷凍試驗室進行，室溫最低可達-40℃，且溫度可控。主要試驗條件及相關配置規格如表2所示。試驗過程中發動機不帶空氣濾清器、排氣消聲器、風扇、中冷器、離合器等附件。

表1 柴油機主要技術參數

3 試驗過程分析及結果

3.1 試驗現象及初步分析

該柴油機置于-30℃冷庫環境中冷凍一整夜，待冷卻液、機油、柴油及電瓶電解液的溫度均達到-30℃左右時進行起動試驗。連續起動2次，發動機均未起動成功。起動電機拖動過程中發動機有幾次短暫著火，但未能形成連續燃燒，發動機轉速最高上沖至350 r/min左右后回落，轉速沒有進一步增加，起動失敗。

來稿日期：2013-03-29

表2 主要試驗條件

對發動機進行了全面的檢查：（1）電瓶電壓情況正常，拖動轉速足夠；（2）燃油路正常，排氣管內可見明顯白煙（未燃燒的柴油）排出；（3）氣路未有明顯氣阻現象，進氣壓力正常；（4）PTC預熱裝置工作正常，拖動過程中進氣溫度有明顯上升。

從以上起動現象及檢查情況來看，導致該柴油機起動失敗的最直接原因是缸內油氣混合氣著火不良，大部分柴油未經完全燃燒就被直接排出氣缸了。究其原因，一是氣缸內沒有足夠的壓縮壓力和溫度，柴油不能達到其自燃溫度而無法燃燒；二是柴油進入氣缸時刻不對，當缸內壓縮溫度滿足柴油自燃條件時沒有適時的柴油進入氣缸以供燃燒。

由于試驗條件的限制，很難對低溫起動過程中氣缸壓縮壓力和溫度進行測量，本文將分析的重點放在對柴油噴射時刻的確認上。

電控柴油機的噴油時刻是靠ECU控制的。從采集到的ECU參數來看，柴油機起動過程中的噴油正時指令和ECU的設定是相符的，但實際的噴油正時是否與噴油正時指令相符則需要進一步確認。通過對ECU參數的監控發現，在冷起動過程中，發動機的轉速傳感器信號標識（XNEACT）出現多次跳變，并最終變為0（正常情況下發動機運轉過程中XNEACT應始終為1的狀態），如圖1所示。該信號的異常會對柴油機的噴油正時產生影響嗎？下面根據轉速傳感器信號原理及作用來對此問題進行分析。

圖1 起動過程中曲軸轉速傳感器信號情況

3.2 轉速傳感器信號對柴油機的影響分析

轉速傳感器脈沖（NE Pulse）信號的主要作用是計算柴油機轉速，并聯合凸輪相位傳感器脈沖（G Pulse）信號來確定發動機運行的角度相位，從而使ECU能按氣缸的發火順序發出設定的噴油時刻指令。圖2為該電控柴油機曲軸轉角相位計算原

理圖。

圖2 柴油機曲軸轉角相位計算原理圖

從轉速傳感器脈沖信號的作用來看，該信號異常會直接影響ECU對噴油時刻的計算。在起動過程中，通過示波器對第一缸噴油器電磁閥信號（TWV1）進行了監控，發現第一缸噴油器在發動機的2個工作循環內，一次噴油時刻正常，另一次則與ECU指令的噴油時刻不符，如圖3所示。由此可得出，轉速傳感器信號的異常會導致噴油時刻錯亂，從而直接影響發動機冷起動過程。

圖3 轉速傳感器信號異常時第一缸噴油器噴油監控情況

基于以上分析及測試結果，將該柴油機不能起動的原因鎖定為轉速傳感器信號異常而導致的噴油時刻錯亂。

3.3 轉速傳感器信號異常原因分析

該柴油機以飛輪為曲軸轉速信號盤，在飛輪圓周上有56個信號孔，每孔間隔6°，如圖4所示。正常情況下，當曲軸轉動一周，轉速傳感器應檢測到56個脈沖信號，轉速脈沖信號標識狀態為XNEACT=1；當曲軸轉動一周，若轉速傳感器檢測到的脈沖信號個數不等于56時，ECU據此判斷轉速傳感器信號異常，置曲軸轉速脈沖信號標識狀態為XNEACT=0。

② 良妻賢母這個概念http:///www.rui.jp/ruinet.html？i=200&c=400&m=179488

圖4 曲軸轉速傳感器信號盤

用示波器對該發動機拖動過程中（拖動轉速約100 r/min）的轉速傳感器脈沖信號進行了采集和分析，采集局部放大圖如圖5、圖6所示。正常情況下，轉速傳感器在曲軸轉動一周（即2個缺孔信號之間）過程中會檢測到56個正弦波電壓信號，相鄰正弦波之間應該是平滑的過渡曲線。而從圖6可看出，采集到的波形中可明顯看見許多小的雜波，即兩正常的波峰之間會多出些“小的波峰”，本文中暫且稱為“異常雜波”。ECU是否會將這些“異常雜波”誤判為正常的轉速脈沖信號呢？

圖5 曲軸轉速信號波形

圖6 曲軸轉速波形信號局部放大圖

根據ECU控制要求，只有當轉速電壓信號大于其最低閾值要求時，才會被ECU識別為正常的信號；當該電壓信號小于該閾值時，則不會被ECU識別，繼而不會參與正常的信號計算。那么，上述信號中的“異常雜波”的電壓值是否已經超過了該閾值呢？示波采集的數據表明，曲線中出現的“異常雜波”的最大電壓值確實已經超過了該轉速下對應的最低閾值要求，即該“異常雜波”信號已經被ECU識別為正常的轉速脈沖信號。此時ECU在360℃A中計算出來的轉速脈沖信號數量就會超過設計值，從而導致轉速傳感器信號異常的發生。

那么導致轉速信號中出現“異常雜波”的原因又是什么呢？根據經驗，列出了以下可能因素，并逐一進行排查確認。

（1）轉速信號盤加工質量是否符合要求。針對這種因素，先更換了新的信號盤，進行起動驗證，問題依然存在；同時對拆下來的信號盤進行了目測檢查和三坐標測量，測量結果表明該信號盤加工精度都在設計要求之內，無明顯超差情況，見圖7。

圖7 冷起動用曲軸轉速信號盤外觀情況

（2）轉速傳感器本身問題。通過更換幾個全新的轉速傳感器進行試驗，問題依然存在，這表明并不是轉速傳感器問題導致“異常雜波”出現。

（3）轉速傳感器和信號盤安裝位置不符合要求。根據設計要求，傳感器和信號盤之間的安裝間隙為1.2±0.5 mm，測量結果顯示傳感器的安裝位置符合設計要求。圖8為常溫下在該機型上測量的不同傳感器安裝位置對應的轉速傳感器電壓情況（圖中A/G為傳感器和信號盤間的縱向安裝間隙，Offset則為傳感器軸線和信號孔軸線間的橫向偏移）。該測量結果表明，信號盤和傳感器安裝位置只要在要求的偏差范圍內，其信號均能滿足ECU正常識別要求。因此，轉速傳感器當前安裝位置也不是導致“異常雜波”出現的原因。

（4）ECU本身故障導致其對信號的識別錯誤。更換新的ECU進行試驗，問題仍然存在。排除該可能性。

圖8 不同安裝位置下轉速傳感器電壓信號

（5）電磁干擾。電磁干擾主要考慮來源于發動機線束及實驗室用電設備。線束方面對照設計要求檢查實物，相關屏蔽處理均滿足設計要求。同時更換了全新生產的線束進行試驗，問題依然存在；試驗室用電設備方面則采取起動過程中關閉一切用電設備（包括制冷設備）的方式進行了驗證排除。驗證結果表明，線束和臺架電氣設備可能產生的電磁干擾也不是導致“異常雜波”出現的原因。

上述可能因素最終均被排除，但在整個試驗排查過程中，轉速傳感器信號也曾出現過多次正常的情況，只是這些正常狀況在后續的驗證中不能有效地重復和再現。因此，對所有試驗過程中的ECU采集數據進行了匯總和篩選分析，篩選出的試驗關鍵信息情況如表3所示。

根據表3結果，當發動機拖動轉速高于120 r/min時，曲軸轉速信號標識XNEACT基本正常；當拖動轉速低于120 r/min時，曲軸轉速信號標識則會出現跳變（一會置1，一會置0）的現象，且拖動轉速越低，XNEACT出現異常的概率就越高。由此得出轉速信號正常與否和發動機拖動轉速高低有較直接的關系，繼而進一步聯想到：在低溫情況下，由于拖動轉速低，發動機飛輪轉動慣量不夠導致飛輪（即信號盤）“抖動”過大，從而使轉速傳感器脈沖信號變形，最終導致ECU判斷出轉速信號異常的故障。

為了驗證以上假設，在飛輪上連接了一塊過渡盤，增加飛輪重量以提高飛輪的轉動慣量，并在不

同溫度、不同拖動轉速下進行了多次起動試驗，試驗過程中XNEACT情況如表4所示。試驗結果表明，連接過渡盤后，曲軸轉速傳感器信號異常的情況得以消除。

表3 冷起動試驗XNEACT信號匯總分析表

表4 飛輪盤加重后XNEACT情況

圖9 -38℃拖動轉速37 r/min時的曲軸轉速脈沖信號監控情況

圖9為通過示波器采集的-38℃左右，拖動轉速為37 r/min時的轉速脈沖信號情況。由曲線看出，即便是在如此低的轉速情況下，轉速脈沖波形也正常，兩波峰之間過渡平滑，未有“異常雜波”出現。曲軸傳感器信號異常的原因確認為低轉速下飛輪轉動慣量不夠造成的脈沖信號變形。

3.4 結果驗證

基于上述試驗及分析結果，該柴油機冷起動的失效過程如圖10所示。在冷起動過程中，由于拖動轉速低，信號盤轉動至上止點附近由于慣量不夠而“抖動”造成信號變形，致使ECU對噴油相位判斷錯誤，從而造成噴油時刻異常，并最終導致了柴油機的冷起動失敗。

采用對飛輪加重的方式提高其轉動慣量，并進行了柴油機冷起動驗證試驗。ECU監控參數顯示，

整個起動過程中轉速傳感器信號標識XNEACT始終保持為1的正常狀態。柴油機在-30℃及-35℃情況下均一次起動成功，起動情況分別如圖11、圖12所示，起動能力滿足開發設計要求。

圖11 -30℃柴油機起動情況

圖12 -35℃柴油機起動情況

4 結論

在本案例中，導致柴油機冷起動失敗的表面原因是轉速傳感器信號異常，然而更深層次的原因則是飛輪質量偏輕導致柴油機在低溫起動過程中轉動慣量不夠，實質為設計問題所致。

本文通過對該故障分析及其解決過程的詳細描述，為今后電控柴油機冷起動問題的分析和解決提供了參考和借鑒。

Analysis on a Cold Start Failure Mode of Common Rail Diesel Engine

Xia Xiujuan
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

To work out a cold start failure of a common rail diesel engine in test bench,analysis on possible causes was made.As a result,the real cause of the failure was located.It is the moment of inertia of the flywheel that causes the deformation of the speed signal,which leads to the wrong judgment of the ECU. The issue is successfully solved by increasing the mass of the flywheel.

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夏秀娟（1979-），女，在讀工程碩士，工程師，主要研究方向為柴油機電控標定及性能開發。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.02.005