高壓共軌燃油系統噴油器電路故障診斷原理與應用研究

張恒平　陳玉俊　鄒郁筱

【摘? 要】電磁閥噴油器作為高壓共軌燃油系統中最復雜、核心的零部件，其工作狀態直接影響發動機的動力性能和排放結果，對電磁閥噴油器在工作過程中的電路故障進行實時監測是保證發動機正常工作的前提條件，且也是滿足法規要求的必要條件。本文通過研究電磁閥噴油器電路故障診斷原理，對比研究不同故障模式下電路狀態，并結合具體案例應用研究，對指導故障診斷設計和維修排查具有實際指導意義。

【關鍵詞】噴油器；電路故障；故障診斷原理；維修排查

中圖分類號：U464.136? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）06-0050-05

Research on Fault Diagnosis Principle and Application of Injector Circuit

in High Pressure Common Rail Fuel System

ZHANG Heng-ping，CHEN Yu-jun，ZOU Yu-xiao

（Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center，Wuhan 430000，China）

【Abstract】As the most complex and core component in the high-pressure common rail fuel system，the working state of the solenoid valve injector directly affects the power performance and emission results of the engine. Real time monitoring of the circuit faults of the solenoid valve injector in the working process is a prerequisite to ensure the normal operation of the engine，and also a necessary condition to meet the requirements of laws and regulations. This paper studies the principle of fault diagnosis of the solenoid valve injector circuit，The comparative study of circuit states under different fault modes，combined with specific case application research，has practical guiding significance for fault design and maintenance troubleshooting.

【Key words】fuel injector；circuit fault；fault diagnosis principle；maintenance troubleshooting

1? 引言

隨著排放法規的不斷升級，發動機控制系統的精度和要求不斷提升，電控高壓共軌系統是目前廣泛使用于柴油機控制領域的一套燃油系統控制裝置。該系統不僅可達到較高的噴射壓力，且可獨立靈活地控制噴油正時、噴射脈寬以及噴油量，使得其在不同的工況下都能讓柴油燃燒達到理想工況，實現理想的噴射效果，在降低排放的同時，大大提升燃油經濟性和發動機動力性能[1]。在高壓共軌控制系統中，噴油器是系統中的一個非常關鍵的零部件，其工作狀態將直接影響柴油機的運行功率及發動機排放結果，因此對噴油器的故障實時監測尤為重要，是保證發動機正常工作的必要條件。國Ⅵ排放法規《重型柴油機污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》也對噴油器的電路故障監測做出明確要求[2]，所以對高壓共軌燃油系統噴油器電路故障診斷原理進行研究，可指導故障設置，滿足法規要求，也可指導維修人員進行故障原因判斷和故障維修。

電控噴油器是高壓共軌燃油系統中最關鍵和最復雜的部件，它根據ECU發出的控制信號，通過控制電磁閥的開啟與關閉，將高壓油軌中的燃油以最佳的噴射角度、噴射脈寬與噴射速率噴入燃燒室。對噴油器電路故障監測就是監測從ECU到電磁鐵線圈的整個線束回路，若出現故障，則噴油器電磁線圈失去工作能力，導致噴油器失去噴油能力，影響發動機正常運行。掌握噴油器電路故障診斷原理，設計匹配不同發動機平臺的故障診斷方案，使發動機能夠實現動力性能、經濟性能的顯著提升，更好地滿足排放與市場要求，提升車輛可靠性。

2? PT2001芯片介紹

目前ECU內部電路通常采用專用驅動芯片PT2001進行噴油器的驅動，噴油器電路故障診斷也是基于PT2001進行診斷。PT2001芯片是一款SMARTMOS可編程柵極驅動器IC，專為汽車發動機控制應用而設計的12通道門驅動器芯片，常用于汽車中電磁閥執行器的控制。圖1為PT2001芯片結構框圖，該芯片的主要特征如下[3]。

1）內置4個可編程微處理器，分成2組進行管理，各組有對應的Code RAM和Data RAM存儲空間，可實現復雜的驅動邏輯控制。

2）集成5路高邊預驅和7路低邊預驅，驅動頻率可達100kHz，每路驅動均具備基于可編程電壓比較器的診斷模塊，BOOST電壓最高支持72V。

3）具備4個通用電流采集模塊，可實現4擋放大倍數可配的電流采樣，有效電流范圍可達38A，具備與BOOST電壓產生電路配合的專用快速和反向電流采集模塊。電流采樣結果通過比較器快速參與電流波形的閉環控制邏輯。

4）具備9路開關信號通道，其中6路開關信號用于控制脈寬輸入，另外3路信號可靈活配置為信號輸入或輸出。

一般柴油4缸機的4個高邊驅動通過PT2001芯片組成2個BANK電路，其中一個BANK電路驅動2支噴油器的高邊，BANK電路的一個高邊接蓄電池電壓，用來供給噴油器驅動信號1階和2階保持階段的電壓，另外一個高邊接BOOST電壓，用于供給噴油器驅動信號PEAK階段電壓，從而驅動電磁閥工作，所以一個BANK電路驅動2支噴油器，且是不重疊2支噴油器，其余噴油器的4路低邊分別單獨驅動，共同組成4缸機的驅動電路。

而柴油6缸機也是通過PT2001芯片的4個高邊驅動組成2個BANK，與4缸機相同的是，6缸機的一個BANK電路也是由2個高邊組成，其中一個高邊接蓄電池電壓，用來供給噴油器驅動信號1階和2階保持階段的電壓，另外一個高邊接BOOST電壓，用于供給噴油器驅動信號PEAK階段電壓來驅動電磁閥工作。但是與4缸機不同的是，6缸機的一個BANK電路驅動3支噴油器，且是不重疊3支噴油器，其余噴油器的6路低邊分別單獨驅動，共同組成6缸機的驅動電路。

3? PT2001芯片診斷電路

PT2001芯片診斷的關鍵電路如圖2所示，主要由3個比較器電路和2個MOS組成，MOS管和負載上的電壓通過高低邊預驅通道集成的電壓比較器實時比較并將狀態輸出至單片機微處理核，從而實現對噴油器不同故障的實時診斷。

其中比較器1為高邊預驅集成比較器hs_vds_fbk，該比較器正極接VBATT或VBOOST的設定閾值，對應于高邊MOS管電流，與高邊MOS管內阻相關，作為噴油器電路故障高邊VDS診斷閾值，而比較器負極接高邊MOS管源極電壓。它的診斷過程主要分為2個狀態：當高邊MOS管關斷時，可監測負載正極電壓超高限狀態；而當高邊MOS管導通時，可監測高邊MOS管過流狀態。

比較器2為hs_src_fdk，也為一個高邊預驅集成的比較器，該比較器正極接高邊MOS管源極電壓，比較器負極為高邊診斷閾值電壓，可編程設置，根據負載電阻值進行相關計算設置，通過該比較器可監測負載正極電壓超低限狀態。

比較器3為低邊預驅集成比較器Is_vds_fbk，該比較器的正極接低邊MOS管漏極電壓，負極為低邊診斷設定閾值，根據低邊MOS管電流進行編程設置，與低邊MOS管內阻強相關。該比較器的診斷過程也分為2個階段：在低邊MOS管關斷時，可監測負載負極電壓超低限狀態；而在低邊MOS管導通時，可監測低邊MOS管過流狀態。

噴油器的電路故障診斷功能通過以上3個比較器在不同故障下的狀態進行綜合判斷，主要通過對高低邊MOS管壓差、源極和漏極電壓等電壓狀態進行故障識別和判斷，在MOS管導通過程中，MOS管上電壓主要受電流和驅動電壓影響，在MOS管關閉時，負載理論為懸空狀態，為了讓負載及MOS管處于一個穩定電平狀態，高邊預驅和低邊預驅分別內置了弱電流能力的上拉（SRCpu）和下拉（SRCpd）電路，受上述電路的作用，負載正常連接時，將有5V電平狀態施加在負載兩端，根據PT2001芯片內部電路特點進行噴油器各類型電路故障診斷。

4? 噴油器電路故障診斷原理

噴油器在工作過程中，首先應用層軟件計算噴油脈寬信號，然后給底層軟件來驅動硬件電路PT2001芯片，PT2001芯片對噴油器電路故障診斷操作主要分為2個階段實施，如圖3所示，其中在收到應用層噴射信號到噴油器開始驅動這一段稱為預診斷階段（Idle Diagnostics），在噴油器整個驅動信號這一段稱為自動診斷階段（Automatic Diagnostics），在不同的診斷階段對不同的故障進行診斷[2]。

1）預診斷階段（Idle Diagnostics）是在應用層噴射信號Start脈沖信號到來時開始觸發，到噴油器實際驅動信號觸發時結束，經過噴射電流的Idle階段后，MOS管和負載上的電平狀態已經穩定，此時可以通過前面提到的各電壓比較器的檢測狀態準確識別開路、短路到電源和短路到搭鐵故障狀態。當發現故障時，不再進行后續噴射驅動，并報送故障。由于預診斷階段持續時間會造成噴射脈寬縮短幾個μs，所以在Start脈寬控制算法中適時加入補償策略，以實現對噴油器驅動無影響。

2）自動診斷階段（Automatic Diagnostics）包含整個噴油器驅動信號階段，該診斷階段在進入正常噴射驅動階段時觸發，并在整個噴射驅動過程中保持激活狀態，在自動診斷階段持續時間內，比較器電平與MOS開關狀態關聯，利用微處理器的故障中斷功能，在電平狀態跳變為配置的故障狀態時，自動觸發中斷。利用PT2001芯片可編程功能中斷處理程序編寫故障處理措施，為了避免驅動過程中MOS管開關時產生的干擾信號造成故障誤報，可配置禁止窗口大小和濾波參數，實現對比較器信號的過濾處理。

在預診斷階段噴油器高邊MOS管和低邊MOS管處于打開狀態，而在自動診斷階段，由于噴油器的噴射信號的驅動，所以MOS管處于閉合狀態，根據預診斷階段和自動診斷階段的特點，可對噴油器的各類電路故障進行準確診斷。

4.1? 噴油器無電路故障狀態

噴油器正常工作時，噴油器驅動信號通過高邊MOS管、噴油器線圈和低邊MOS管導通，在噴油器信號不驅動時，高邊MOS管與低邊MOS管均處于打開狀態，3個比較器處于初始狀態，均為HIGH；當噴油器信號驅動時，由于高邊MOS管、噴油器線圈和低邊MOS管導通，導致噴油器線圈負載正極與負極電壓拉低，所以比較器1與比較器3的狀態發生改變，各比較器和MOS管工作狀態如圖4所示，PT2001芯片內部3個比較器的狀態如表1所示。

4.2? 搭鐵短路故障狀態

噴油器搭鐵短路時，電路工作狀態如圖5所示，該故障診斷識別發生在預診斷階段（Idle Diagnostics），由于噴油器線圈相當于一根導線，所以導致比較器2和比較器3的狀態為LOW，但是具體是高邊搭鐵短路故障還是低邊搭鐵短路故障只靠3個比較器還無法完全區分，需要進一步地分析，所以如果在預診斷階段監測到比較器狀態發生改變，則增加一個測試操作，通過測試操作可以進一步準確識別高邊或者低邊搭鐵短路故障。

當檢測到搭鐵短路故障后，不進入正常噴射模式，而進入測試模式，最容易識別的是檢測高邊是否過流，如果高邊搭鐵短路，那么高邊MOS管在測試模式閉合一下，高邊MOS管會瞬間過流而被保護，且比較器1和2的輸入變成0V，狀態會變成HIGH和LOW，根據該變化特點從而判斷高邊搭鐵短路故障。

而低邊MOS管如果測試打開，低邊MOS管不會有過流現象；如果是低邊搭鐵短路故障，測試過程打開高邊MOS管，電流會經過負載然后到低邊的搭鐵，所以電流不是瞬間過流，而是會由于噴油器線圈電感的影響而緩慢變化。根據該特點可準確判斷是高邊對電源短路還是低邊對電源短路。

另外如果低邊搭鐵短路，則比較器3的輸入為0V，在測試階段也是0V，如果沒有發生高邊MOS管過流，且低邊比較器3輸入為0V，低邊比較器3輸出為LOW，則為低邊搭鐵短路故障，綜合以上特點可準確判斷噴油器搭鐵短路故障狀態。在發生搭鐵短路故障時，根據PT2001電路特點各比較器狀態如表2所示。

4.3? 對電源短路故障狀態

當發生噴油器對電源短路故障時，電路工作狀態如圖6所示。該故障診斷識別發生在預診斷階段，由于噴油器線圈在不工作時相當于一根導線，所以噴油器高邊或低邊對電源短路后，比較器1的狀態發生改變，狀態為LOW，但是針對具體是高邊對電源短路故障還是低邊對電源短路故障只靠3個比較器還無法完全區分，需要進一步地分析，通過測試操作可以進一步準確識別高邊或者低邊電源短路故障。

在預診斷階段（Idle diagnostic）中發現對電源短路故障后，進入測試模式。在測試模式中，開高邊MOS管沒有效果，所以對同BANK各個缸的低邊MOS管依次嘗試打開，如果是低邊對電源短路故障，則低邊MOS管會發生過流，而相反如果是高邊對電源短路，則由于電磁鐵線圈電感的影響，低邊MOS管并不會馬上發生過流現象，如果在設定時間內均未發生低邊MOS管過流故障，由于噴油器線圈電感的影響，高邊電壓并不會馬上到低邊，則判定為高邊對電源短路故障，否則判定為低邊對電源短路故障，綜合以上特點可準確判斷噴油器對電源短路故障狀態。PT2001比較器狀態如表3所示。

4.4? 開路故障

如圖7所示，當發生開路故障時，高邊MOS管與低邊MOS管之間斷開，由于在Idle階段，MOS管不是閉合，而是打開狀態，上拉電壓5V輸入到比較器1和2，但是由于負載開路，則低邊比較器3沒有輸入電壓，從而是0V，所以比較器3狀態為LOW，不管是高邊開路還是低邊開路，效果一樣。開路故障診斷識別發生在Idle diagnostics階段，且故障識別較準確，只通過3個比較器就可準確識別，不需要區分高邊開路還是低邊開路，故障發生時比較器狀態如表4所示。

4.5? 高低邊短路故障

當噴油器的高低邊發生短路故障時，相當于一根導線短接整個負載，由于噴油器線圈在不通電時也相當于一根導線，所以對高低邊短路故障的診斷識別需要在自動診斷階段進行。如圖8所示，發生負載高低邊短路故障時，當預診斷階段（Idle diagnostics）未發現故障時，進入正常噴射階段；在自動診斷階段（Automatic diagnostics）內，如果識別到3個比較器在高邊MOS管和底邊MOS管導通后還是處于HIGH狀態，則說明高邊或低邊MOS管識別到電流超限，此現象表明負載發生了高低邊短路故障，如果高低邊短路，則在噴射開始時的一段時間內，由于沒有線圈電感的影響，所以高邊或者低邊MOS管會發生過流現象，發生該故障后3個比較器狀態如表5所示。

5? 應用研究

結合以上診斷原理分析研究，針對試驗車輛運行、測試過程中出現的故障及問題進行具體應用研究。

5.1? 問題描述

某試驗車輛進行OBD電路故障模擬測試，在模擬某支噴油器高邊電源短路后，通過監控軟件發現噴油器高邊短路到電源故障底層狀態時報時消，無法保持穩定，由于應用層經過故障防抖處理后，導致該故障無法在應用層成功報出，儀表無法顯示，測試結果不符合要求。

5.2? 原因分析

根據以上噴油器電路故障診斷原理分析，噴油器高邊短路到電源的識別發生在噴射開始前的預診斷階段，在該階段先判斷出高邊電壓高于PT2001芯片對應高邊通道的VDS設定閾值，然后在噴射過程中，通過低邊MOS過流、高邊SRC比較器高于閾值或Hold階段調制超時來識別。

通過軟件監控相關變量并結合示波器信號采集，發現如下規律：當噴射工況是1次預噴+1次主噴時，PT2001報送的故障次數只有噴射次數的一半，因故障報送閾值是70%噴射次數，故障無法報出；當噴射工況為1次主噴時，PT2001報送的故障次數和噴射次數相同，故障可以正常報出，結合該現象說明故障無法報出可能與噴射間隔有關。

通過示波器監測2次噴射時噴油器高邊電壓、低邊電壓和噴油器上的電流波形，波形如圖9所示。從圖9可以看出，受預噴高邊電源短路影響，主噴開始時，DCDC電壓明顯低于正常值，只有36V左右。而PT2001在診斷時，會根據BOOST高邊MOS管的VDS電壓狀態進行短路故障預判斷，但因為電路上電容的存在，用作診斷對比的BOOST電壓參考不會馬上降低，導致其電壓要高于噴油器高邊的電壓，從而無法在噴射預診斷階段識別出電源短路現象，即主噴在噴射前預診斷階段未識別到電源短路故障。在噴射過程中因高邊電源短路觸發了高邊預驅SRC比較器自動故障識別，但因沒有預診斷階段的電源短路故障標識，無法確認故障，僅進行保護截止，導致主噴階段未正確報出高邊電源短路故障。

綜上分析，造成多次噴射時后續噴射未正常報出故障的根本原因是BOOST電壓因在第一次噴射時對電源短路大幅消耗，未在后續噴射前恢復正常電壓值，從而未觸發短路到電源的故障識別。

5.3? 解決方法

由于當前的診斷策略是通過正常噴射驅動過程中的故障表現來識別的，這會導致故障判斷前電路中有較長時間的大電流流動過程，會造成如BOOST電容過度放電，需要對設計的診斷策略進行修改，應避免該情況的出現。當高邊電源短路或低邊短路到電源時，同BANK的噴油器均無法正常工作，所以可以通過測試模式來進行故障識別，新設計診斷策略中，當在預診斷階段中發現短路到電源故障后，進入測試模式。測試模式中，對同BANK各個缸的低邊開關依次嘗試打開，如果在設定時間內均未發生低邊MOS管過流故障，則判定為高邊電源短路，否則判定為對應測試低邊短路到電源故障。新設計策略診斷過程中不會出現高邊MOS管處于開啟狀態，也不會消耗BOOST電容電量，通過實車驗證測試，未出現故障時報時消的問題，故障狀態可持續穩定報出，問題得到解決。

6? 結論

本文通過對PT2001芯片結構和不同類型噴油器電路故障診斷原理的研究，利用PT2001芯片可編程特點，設置合理的診斷程序和診斷閾值可準確有效診斷出噴油器電路故障，并結合具體應用研究，介紹如何根據PT2001診斷原理進行故障原因分析和問題排查，指導設計人員進行策略設計，也指導維修人員進行快速準確地維修排查，大大提升車輛可靠性。

參考文獻：

[1] 王尚勇. 現代柴油機電控噴油技術[M]. 北京：機械工業出版社，2013：11-18.

[2] STD-GB-ENG_GB_17691—2018_重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[S]. 2018：187-225.

[3] MC33PT2001芯片手冊[Z]. 2019.

（編輯? 楊? 景）