拖拉機起動過程故障分析與研究

周立春，楊明波，劉世浩

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

拖拉機作為農業生產中最重要的動力設備，目前已全部切換為非道路三階段排放水平，預計2022年底全面升級非道路四階段[1]。排放升級帶來的是發動機技術水平的不斷提高。為了滿足排放要求，各品牌柴油機基本都采用電控高壓共軌技術。因為增加許多精密零部件，起動過程出現的故障會比機械泵時期更難排查和解決。

拖拉機的起動過程是指：機手發出起動要求，旋轉鑰匙開關；ECU收到指令后首先判斷發動機和整車狀態，然后控制起動機工作；起動機的驅動齒輪嚙合入飛輪齒圈，將起動機的轉矩傳遞給發動機曲軸；在發動機起動后，起動機自動脫開齒圈；與此同時，曲軸通過凸輪軸控制氣門完成進排氣工作，齒輪帶動油泵完成供油工作，ECU控制噴油器實現精確噴油。燃油系統、進排氣系統、電器系統、電控系統多個系統共同協作，實現順利起動。

根據農機推廣鑒定《農用柴油機》（DG-T 003-2019）起動試驗通用要求，柴油機與測功機脫開或測功機處于空載位置，開啟起動按鈕使柴油機起動，在15 s內柴油機可自行運轉，為起動成功。重復起動3次，每次間隔2 min，3次起動中至少成功2次即通過試驗。

從以上步驟可以看出，拖拉機的多個系統都參與到了起動這一過程，這就導致容易出現起動故障，如起動困難、無法起動等。本文主要梳理和總結各系統參與起動時可能出現的問題，方便后續遇到起動故障時，有層次、有條理地排查和解決故障。

1 起動故障分類

按照整車各系統分類，可以將起動故障起因件分為：燃油系統、進排氣系統、電器電控系統，見圖1。

圖1 起動故障分類Fig.1 The classification of starting fault

2 燃油系統分析

根據售后統計，燃油系統導致的起動故障數量名列前茅。之所以油路故障多，原因是柴油經過的零部件種類多、數量多。這些零部件中低壓油路部分由各整車廠負責，水平參差不齊，容易出現設計上或者工藝上的問題。油路故障可以分為兩大類：低壓油路故障、高壓油路故障。

2.1 低壓油路故障分析

低壓油路故障主要起因件有：燃油管路、燃油濾清器、燃油箱、燃油。

2.1.1 燃油油管分析

燃油油管內徑匹配不合適，油管內徑小導致發動機供油不足。優化建議：整車油路按照發動機低壓管路內徑推薦值進行設計。

燃油油管材質軟，且管路中間缺少固定導致油管有折彎部分，供油不暢。優化建議：燃油管路須用管夾在間隔約300 mm的位置上進行固定，避免折彎。

2.1.2 燃油濾清器分析

燃油濾清器高度低于噴油泵＞1 m，油液因重力下落，管路易產生空腔，起動瞬間無法供油。優化建議：燃油濾清器的位置盡量靠近噴油泵。推薦使用帶電動泵的燃油濾清器，可以在整車上電時泵油，使燃油提前充滿管路。

2.1.3 燃油箱分析

燃油箱內進回油口高度不合適，導致特定情況時吸空，無法供油。優化建議：燃油箱進回油口在發動機運行及停車放置時均應沒入最低油面，且回油管口位置應低于進油管口。以免出現油箱內燃油較少、車輛顛簸時進油管吸空的現象及停車后空氣沿回油管進入油泵的情況，從而避免發動機起動困難的發生。

2.1.4 燃油分析

燃油選用不合適，低溫環境中使用常溫柴油，導致柴油結蠟。優化建議：發動機的性能和可靠性受燃油品質的影響很大，要正確使用燃油。一般根據使用環境，按燃油的冷凝點選擇柴油的牌號。溫度在0℃以下時，使用低溫時具有低黏度的冬季燃油。如果長時間在寒區工作，可以使用帶燃油加熱功能的燃油濾清器。

2.2 高壓油路故障分析

高壓油路故障主要起因件有：噴油泵、共軌管、噴油器。起因件分析與優化建議如下。

2.2.1 噴油泵分析

噴油泵流量計量單元出現故障導致起動困難。發動機起動時，ECU會根據起動轉速、起動扭矩計算出噴油泵流量計量單元的打開角度，實現軌壓控制。如果油品問題導致流量計量單元卡滯，則ECU無法實時調節軌壓，造成軌壓過低起動困難或無法起動。

2.2.2 共軌管分析

共軌管泄壓閥故障導致起動困難。共軌管的主要作用是存儲高壓燃油。目前高壓共軌柴油機系統壓力比傳統柴油機要高出3倍，最高能達到200 MPa的燃油噴射壓力[2]。如果共軌管的泄壓閥不正常開啟，燃油壓力會瞬間泄漏，造成噴油器的輸入壓力下降，噴油量大幅度減少，造成無法起動。

2.2.3 噴油器分析

噴油器卡滯、霧化不良導致起動困難。ECU根據發動機起動時的各種工況控制噴油器的開啟，提供精確地噴射。如果使用劣質燃油，油內有大顆粒雜質，進入噴油器造成卡滯，霧化不良，燃燒不充分，從而影響起動[3]。

優化建議：通過以上3個典型故障分析可以得出，高壓油路系統本身都是高精度零部件，質量控制嚴格，自身出現故障的概率很小。絕大多數高壓油路故障最根本原因是油品質量差。燃油中如果含水比較多，會造成零部件銹蝕。如果雜質比較多，會造成零部件卡滯損壞[4]。這就要求用戶加強保養意識，拒絕低價劣質柴油，不要因貪圖一時便宜反而造成更大的損壞，得不償失。

3 進排氣系統故障分析

進排氣系統同樣是拖拉機正常運行的關鍵系統。中拖、大拖拖拉機絕大多數都采用增壓或增壓中冷技術。增壓機型相比自吸機型，可以在排量不變的情況下，燃燒更多的燃油，提高升功率。但是隨增壓技術的出現，進排氣故障點也隨之增多，特別是起動相關的故障。

3.1 進氣系統故障分析

進氣系統的作用是：向發動機提供新鮮、清潔、干燥的空氣進行燃燒。避免灰塵對發動機零件的磨損，延長使用壽命。對發動機的性能和壽命至關重要[5]。

進氣系統故障主要起因件有：空氣濾清器、進氣管路、緊固卡箍。起因件分析與優化建議如下。

3.1.1 空氣濾清器分析

空氣濾清器堵塞，進氣不足，導致氣缸內燃油燃燒不充分造成起動困難。優化建議：空氣濾清器增加進氣阻力電子報警器。報警器通過線束連接到駕駛室儀表盤。當空濾阻力變大時，儀表盤警示燈閃爍，提醒用戶及時清理更換濾芯。

3.1.2 進氣管路分析

進氣管路材質軟，進氣負壓將管路吸扁，進氣流量減少，導致燃燒不充分。優化建議：空濾至增壓器前的進氣管路應有足夠的耐負壓要求，防止吸扁或振動變形。膠管可通過增加纖維夾層或鋼絲以提高抗負壓能力。

3.1.3 緊固卡箍分析

增壓后氣體壓力大，如果管路卡箍松脫，管路會大量漏氣，進氣流量減少，導致燃燒不充分。優化建議：硬管與橡膠連接位置應用無縫鋼管制作并且管口部位有凸緣，保證橡膠管與硬管為過盈配合連接。卡箍必須具有360°密封作用但又不損壞膠管，推薦T型強力卡箍。

3.2 排氣系統故障分析

排氣系統的主要作用是保證發動機最佳性能的同時把發動機在工作時產生的廢氣經由排氣管路輸送到消聲器或后處理進行降噪處理、空氣凈化后排放到大氣中。排氣系統故障主要起因件有：消聲器、排氣管路。起因件分析與優化建議如下。

消聲器、排氣管路如果堵塞或折彎太多，造成排氣背壓過大。排氣背壓增大會導致充氣損失增加，排氣消耗的功率增多[6]。如果背壓太大會導致起動困難。優化建議：拖拉機嚴格按照發動機要求設計，排氣系統背壓不能大于發動機要求。排氣管路應盡可能直，根據布置情況當需要折彎時，彎曲半徑應盡可能加大，以減小排氣阻力。另外拖拉機裝配完成后及時測試排氣背壓，確認排氣背壓是否符合發動機性能要求。

4 電器電控系統

國三電控柴油機相比傳統柴油機在電器系統部分增加了控制單元（ECU）、發動機線束、整車線束、各種傳感器、各種執行器等電子元件。另外為了滿足拖拉機高端化、智能化的發展，ECU內部設計集成了各項電控功能。這些電器件與電控功能給拖拉機帶來技術升級的同時，也給起動過程帶來了更多的故障點。電器電控系統故障主要起因件有：起動機、蓄電池、傳感器、整車線束、電控功能。起因件分析與優化建議如下。

4.1 起動機分析

起動機是起動過程的主要零部件。起動機主要故障是起動機進水、進油、進塵損壞。優化建議：飛輪殼不密封，有進水風險時，建議選用無鼻結構且前端無排水孔的起動機。若拖拉機有水田工作需求建議選用防護等級達到IP67及以上的全密封起動機[7]。

4.2 蓄電池分析

在起動過程中，蓄電池將內部的化學能轉化成電能，然后通過起動機轉化為機械能。蓄電池虧電會導致電壓下降，起動機的轉速也隨之下降，造成起動無力或者無法起動[8]。優化建議：拖拉機設計時重點關注蓄電池，根據起動機的功率等選擇合適的蓄電池容量。拖拉機在寒區工作應選用專用低溫蓄電池。拖拉機日常使用時及時充電，起動前檢查蓄電池電壓。

4.3 傳感器分析

傳感器中與起動關系最大的是曲軸轉速傳感器和凸輪軸轉速傳感器。曲軸轉速傳感器用于確定曲軸位置，進行噴油時刻、噴油量的計算。凸輪軸轉速傳感器用于信號校驗，與曲軸轉速傳感器共同配合確定起動點火的各項參數設置[9]。如果其中一個傳感器損壞，會導致起動時間長、起動困難。如果兩個傳感器同時損壞，會導致無法起動。優化建議：傳感器發生故障ECU會報故障碼，拖拉機上電后及時查看故障碼，按照故障碼提示解決相應故障。

4.4 整車線束分析

整車線束是拖拉機上電源和ECU、傳感器、執行器等電器零部件實現電路連接的關鍵零部件，負責拖拉機各個電器零部件之間的信息傳遞，同時也要保證信號的正確性和即時性。線束出現最多的故障是接插件進水、線束接插件退針、虛接。

優化建議：選用質量可靠的正規品牌接插件，嚴格按照線束要求進行壓線制作。完成整車所有接插件組裝后，未用到的接插件內部孔位需要使用密封件進行密封，以滿足防水防塵要求。在拖拉機后續使用過程中，接插件拆裝時，務必操作到位，避免操作不當造成針腳彎曲、退針，影響使用。

4.5 電控功能分析

起動過程有多個相關的電控功能可供選擇，如果選擇不合適可能導致無法起動。常見的有空擋保護功能、離合保護功能、進氣加熱功能。

（1）空擋保護功能要求拖拉機起動時變速箱在空擋，若不在空擋無法起動。

（2）離合保護功能要求拖拉機起動時，離合器必須分離，若結合狀態無法起動。

（3）進氣加熱功能是用于優化寒區拖拉機的冷起動性能。ECU根據發動機上的溫度傳感器來感應環境溫度，通過繼電器控制進氣加熱柵格的工作。當進氣預熱工作時暫時無法起動，預熱結束后可以正常起動。所以拖拉機在寒區首次運行無法起動是進氣加熱功能在運行，無需擔心故障。

5 總結

以上是對起動故障三大系統的分析，經匯總后，簡化樹狀圖，見圖2。

圖2 起動故障樹狀圖Fig.2 The starting fault tree

故障處理對于農機維修技術人員是綜合能力的考驗，理論知識、實踐操作缺一不可。遇到起動故障時考慮影響因素，逐項排除，找出真正的問題點。只有學習故障產生原理，避免故障的發生，才能使拖拉機發揮出優秀的性能，實現產品價值。