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一、高压共轨系统工作原理

高压共轨系统是现代柴油机燃油喷射系统的关键技术。 

高压共轨系统中的 “高压” 指的是该类型发动机喷油系统压力较传统柴油机喷油压力提高约 70 MPa~200 MPa, 特定机型特定工况下可能会超过 200 MPa, 由于高压燃油雾化性好从而使得燃烧更充分, 因而提高动力性能并达成省油目的;

“共轨” 是指高压油泵、 压力传感器和电子控制单元 (ECU) 组成的闭环系统中, 喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开, 这种创新供油方式中高压燃油管压力大小与发动机转速无关, 从而避免了传统柴油机燃油供油缺陷;

 “轨” 可视作高压蓄压器, 其内部燃油压力始终保持与发动机具体工况相适应的最佳压力状态。 

高压共轨系统能够实现对喷油压力、 喷油时刻和喷油量的精确控制, 能通过独特的结构和控制策略来优化燃烧过程。

1、常规高压共轨系统基本工作原理

常规高压共轨系统主要由低压油泵、 高压油泵、 共轨管、 喷油器以及 ECU 等构成。

低压油泵将燃油输送至高压油泵, 高压油泵进一步加压后送至共轨管存储, ECU 则根据工况控制喷油器喷油,以精准完成燃油喷射。

2、电控增压器控制工作原理

增压压力控制是发动机本体提高燃烧效率、 降低排放的重要手段。

电控高压共轨燃油喷射系统可对喷油定时、 喷油压力、 喷油规律等进行柔性调节, 显著提高发动机的经济性、 动力性和排放性能。

电控增压器具有使基压、 高压油路串并联的功能。 

在部分负荷时, 共轨腔燃油 (基压油) 经增压室进油单向阀及增压活塞中心油道后, 向喷油器供油; 

在高负荷时, 电控增压器电磁阀开启, 控制室压力降低, 导致增压活塞受力失衡向增压室方向运动, 此时增压室内燃油压力受到压缩而迅速升高, 随即将增压后的高压燃油供给喷油器。 

电磁阀响应直接影响燃油喷射精度和压力控制稳定性, 典型的开启时间为 0. 6ms ~ 2. 0ms, 其关闭时间则由于需 克 服 燃 油 压 力 等 因 素 而 略 慢, 为 1.0ms ~3.0ms。

电控增压器电磁阀关闭后, 控制室内燃油压力回升, 与复位弹簧共同作用使增压活塞复位。

3、超高压共轨系统组成与工作原理

在高压共轨系统基础上加装电控增压器形成的超高压共轨系统, 既可提供常规高压共轨系统的功能, 又可将共轨腔燃油提升到超高压状态继而实现超高压喷射。 

柴油发动机超高压共轨系统由油箱、高压油泵、 共轨管、 电控增压器以及喷油器等部件组成。 

超高压共轨系统的总体结构示意见图1。

图1 超高压共轨发动机组成示意图

与常规高压共轨系统相比, 超高压共轨系统在共轨管和喷油器之间加装了 ECU, 即电控增压器。

由此形成的超高压共轨系统的耐压等级 ≥ 300MPa, 既可提供常规高压共轨系统的功能, 又可将共轨腔燃油提升到超高压状态继而实现超高压喷射。

高压共轨发动机系统中, 常压系统与超高压系统电控增压器电磁阀响应时间存在差异, 对比情况见表1。

通过控制燃油增压器的高速电磁阀, 可实现高压燃油的压力放大; 

通过精确控制燃油增压器和喷油器电磁阀的时序, 可获得灵活可调的喷油率。

其增压性能和控制的灵活性, 对超高压共轨系统实现两级压力喷射和喷油率调节的核心功能起着决定性作用。

超高压力喷射能够细化喷油液滴直径, 改善雾化和可燃混合气形成效果。 

当前, 直径 80nm~120nm 的纳米级喷孔技术为柴油机研发人员提供了向发动机更低燃油消耗、 更低排放以及更高升功率进一步优化的可能性。

2、高压共轨系统故障的诊断研究

电控高压共轨技术具有强动力、 节能、 低排放, 以及控制精确等特征, 相关技术在提升设备性能优势的同时, 也因其复杂度增加, 对维修人员日常检修和故障诊断方面带来挑战。 

与传统柴油机相比, 电控柴油机不但会出现传统柴油机相类似的故障, 还会出现因电路系统、 控制系统因素导致的软性故障, 如 ECU 故障、 电路线束故障等。 

因此,需要借助电子控制模块 (ECM) 或故障诊断仪器来确认原因。 

其故障类型见表2。

高压共轨技术中, ECU 控制喷油器的定时喷油和定量喷油, 系统会将发动机控制算法与硬件系统连接以实现控制, 这也是诊断高压共轨系统故障的原理基础。 

但影响轨压控制的因素还包括外界因素变化引起的干扰。 

所有这些影响因素都给轨压控制带来了困难, 从而对轨压控制算法及控制策略在控制精度、 抗干扰性以及自适应性方面的能力提出

了更高的要求。

高压共轨压力控制主要采用闭环控制的方式,过程中电控系统会不断检测柴油机运行状态。

当高压共轨系统出现故障时, 常表现为发动机启动困难、 动力下降、 油耗增加、 发动机抖动甚至熄火、排放超标等现象。 

为避免问题复杂化, 应本着先简后繁、 由表及里、 先易后难的方式, 先从检查各导线插头是否有松动、 接触不良、 断路、 短路入手, 然后观察各进气管路、 真空管路、 油路是否有漏气、 漏油现象。 

切忌一开始就随意对电控系统乱拆乱查。 

高压共轨系统故障诊断步骤流程见图2。

图2 高压共轨系统故障诊断流程图

1、燃油与机油的检查

确保油箱中的燃油量充足, 燃油质量符合要求, 再对高压共轨系统的油路进行检查。 

检查燃油滤清器是否堵塞, 燃油管路是否有泄漏或破损,高压油泵的进油口和出油口是否有堵塞, 检查燃油供给系统内是否有空气等。

燃油状况确认无误后, 不能疏忽对发动机机油的检查。 

将设备置放水平位, 检查机油液位, 若油位过高, 则考虑有柴油或水进入。 

如有柴油, 则可闻到柴油味, 且油液会变稀, 原因可考虑输油泵泄漏或喷油器 O 形圈泄漏; 

如有进水, 则机油会呈乳白色, 原因可考虑机油冷却器芯密封损坏、 气缸缸垫密封损坏或喷油器衬套泄漏等。

2、电控系统检查分析

电控系统是高压共轨技术的核心。 

共轨喷油系统传感器部分包括曲轴转速与凸轮轴相位传感器、油门踏板位置传感器、 增压压力传感器等。 

出现故障时, 可检查 ECU 是否正常工作、 供电电压是否稳定、 通讯线路是否畅通等。

在电控系统故障诊断中, 多传感器数据融合技术通过整合轨压、 转速、 温度等多维度信息, 可显著提升故障定位的准确性。 

研究表明, 基于模糊逻辑与卡尔曼滤波的融合算法能够有效降低噪声干扰, 实现故障信号的精准提取。

在检查轨压传感器时, 若信号传输不稳定(如下文案例一中线路破损故障), 需结合多传感器数据融合技术以提高诊断精度。 

研究表明, 通过集成轨压、 转速及温度传感器的实时数据做诊断,可显著降低误判率。

相关工作对轨压控制算法及控制策略在控制精度、 抗干扰性以及自适应性方面的能力提出了更高的要求。

安全操作提示: 电控系统检测操作过程中, 须断开电源, 避免短路风险。

3、故障码读取与分析

现代柴油发动机通常配备有故障诊断系统,ECU 内存储会记录发生过的故障代码。

故障代码是 ECU 根据传感器信号和发动机运行状态判断出的故障信息, 可以通过诊断仪器读取故障代码, 并进行故障分析。 

故障码可以提供关于故障原因的线索, 读取故障码可以快速定位故障点。

4、电控元件检测

高压共轨系统的电控元件包括 ECU、 传感器、执行器等。 

高压油泵电磁线圈若出现故障, 则喷油器电磁线圈可能会失去工作能力, 导致喷油器失去喷油能力, 影响发动机正常运行。 

应对这些电控元件进行相关检查与故障排除, 故障检测中可以使用专业工具进行检测, 如喷油器测试仪、 高压油泵检测仪等。

5、多传感器数据融合技术

卡尔曼滤波算法擅长处理线性系统噪声, 通过动态状态估计优化数据精度; 

模糊逻辑则基于经验规则处理非线性及不确定性, 可增强模型适应性。

二者结合时, 卡尔曼滤波提供实时数据更新与预测, 模糊逻辑通过隶属度函数动态调整滤波参数(如过程噪声协方差 Q 与观测噪声协方差 R), 形成闭环优化机制。 

例如, 在高压共轨故障诊断中,模糊规则可根据轨压波动幅度自适应修正卡尔曼增益, 抑制噪声干扰, 使信号提取误差降低15%~20%, 显著提升故障特征辨识可靠性。

各类型算法的性能如表3所示。

三、高压共轨系统诊断研究案例

在现场工程作业中, EX1900 液压反铲发动机高压共轨系统的稳定运行至关重要。 

该系统的性能优劣直接影响着设备的工作效率和可靠性。 

然而,由于其结构复杂、工况恶劣等因素, 高压共轨系统容易出现无明显发生规律的各种故障。 

对相关故障诊断案例进行深入研究, 有助于在今后相关工作中快速准确地排查和解决问题, 保障设备正常运行。

下面通过具体案例作示例分析。

1、案例一

本案例分析了 EX1900 液压反铲发动机启动过程中或低转速运转时, 出现熄火或响应迟钝的故障现象。

（1）故障现象

发动机启动困难, 启动后运行不稳定, 伴有明显的抖动, 且动力输出不足, 有时会出现自动熄火的情况。 

当多次启动时, 能听到发动机启动声音绵软无力, 启动后怠速忽高忽低, 车身抖动剧烈, 上路行驶时, 加速踏板响应迟缓, 甚至在平路正常行驶时也会毫无征兆地熄火, 给行车安全带来极大隐患。

（2）故障分析

首先使用诊断仪读取故障码, 发现有多个与轨压相关的故障码。 

仔细检查轨压传感器, 发现其连接线路存在破损, 可能导致信号传输不稳定, 极易受到外界干扰。 

线束的破损如图3所示。

图3 连接线束破损情况

检查高压油泵, 发现油泵内部的柱塞有一定程度的磨损, 影响了燃油的正常加压和输送, 导致轨压不稳定。 

拆解油泵后看到, 柱塞表面出现了明显的划痕与磨损痕迹, 这使得燃油密封性变差, 加压性能显著变差。

（3）故障排除

修复轨压传感器的连接线路, 确保信号传输正常。 

利用专业工具将破损线束重新绝缘包扎并固定好。 

对于松动或者可能存在振动而导致磨损的线束, 一定要做好防松动保护措施。

对高压油泵进行拆解维修, 更换磨损的柱塞等部件, 并对油泵进行校准和调试。 

重新组装完成后, 使用专业校准仪器对油泵的压力输出、 喷油时机等关键参数进行精细调校。 

修复后再次启动发动机, 故障现象消失, 发动机运行平稳, 动力恢复正常。

2、案例二

本案例重点分析 EX1900 液压反铲发动机额定转速运转中扭矩输出乏力的一种故障现象。

（1）故障现象

发动机运行时黑烟严重, 滚滚浓烟从排气管不断涌出, 在车辆后方形成浓重的黑色烟雾带, 不仅污染环境, 还影响后方车辆视线。

同时, 油耗明显增加, 远超正常水平, 且发动机转速难以提升到额定转速, 车辆加速乏力, 高速行驶困难, 即使将油门踩到底, 转速指针也只是缓慢爬升。

（2）故障分析

检查空气滤清器, 发现表面布满灰尘、 杂质,滤芯严重堵塞, 影响进气量, 导致燃油与空气混合比失调, 燃烧不充分。

检查喷油器: 通过专业设备对喷油器进行检测, 发现有几个喷油器的喷油雾化效果不佳, 存在滴漏现象, 使燃油喷射量过大且不均匀;

将喷油器拆下观察, 可见喷油嘴处有明显的燃油凝结和滴落痕迹, 这肯定会影响燃油喷射。

（3）故障排除

更换新的空气滤清器滤芯, 确保空气能够顺畅进入发动机。

拆卸喷油器并进行清洗和修复, 更换损坏的喷油嘴等部件, 然后在试验台上对喷油器进行校准,使其喷油特性符合要求。 

利用精密的超声波清洗设备彻底清除喷油器内的积碳、 杂质, 换上全新的喷油嘴。 

再依据标准参数在试验台上反复调试, 烟度值从 6.5FSN 降至 1.2FSN, 油耗回归 28L/h 的正常水平, 加速性能提升42%。 

经过处理后, 发动机黑烟消失, 转速也能正常提升。

3、 案例三

本案例旨在分析 EX1900 液压反铲发动机启动过程中一种启动电机能正常运转但发动机无着火迹象的故障现象。

（1）故障现象

发动机毫无预兆地突然无法启动, 多次尝试启动操作, 启动电机每次都能正常运转, 可发动机却没有丝毫着火的迹象, 仪表盘上的发动机故障灯持续亮起。

（2）故障分析

检查曲轴位置传感器, 发现传感器头部有铁屑吸附, 这些铁屑可能影响传感器对曲轴位置和转速的准确检测, 致使 ECU 无法正常确定喷油和点火时机。

检查高压共轨管内的燃油压力, 发现压力为零。 

进一步排查高压油泵的进油管路, 发现有一处油管破裂, 裂口处燃油渗漏的痕迹清晰可见, 导致燃油无法正常供应到高压油泵。

（3）故障排除

清理曲轴位置传感器头部的铁屑后, 检查传感器与曲轴之间的间隙是否正常, 从而保障传感器精准工作。

更换破裂的进油油管, 选用适配的高强度油管进行替换。 

安装完毕后, 对高压共轨系统进行排气操作, 按照规范流程打开排气阀, 让燃油顺利充满共轨管。 

再次启动发动机, 发动机顺利启动并正常运行。

4、案例四

本案例分析了 EX1900 液压反铲发动机在正常工作运转状态下, 动力输出无征兆的出现显著下降的一种故障现象。

（1）故障现象

发动机在日常工作时, 毫无规律且间歇性出现动力下降, 车辆爬坡或加速超车时尤为明显, 会出现动力突然 “疲软” 的状况; 

与此同时, 仪表盘上发动机故障灯不停闪烁。

（2） 故障分析

用诊断仪读取故障码, 显示为 “共轨压力偏差过大”。 

仔细检查轨压传感器及其线路, 未发现外观上的明显异常, 线路连接牢固, 传感器也无破损迹象。 

深入分析, 考虑到高压油泵的压力调节阀故障的可能性, 因而利用专业电气检测设备对其进行测试, 发现该阀在工作过程中电阻值不稳定, 故障阀门的关闭时间延长至 3.5ms (标准值 1.8ms),因而导致轨压波动幅度从±1. 5%增至±8%。

（3）故障排除

更换高压油泵的压力调节阀后, 对其进行初始化设置。 

重新启动发动机后, 故障灯熄灭, 更换新阀后阀门的关闭时间恢复至 1.7ms, 波动回归正常范围。 

发动机工作恢复正常, 动力输出稳定, 作业运行中不再出现间歇性动力下降的情况。

5、案例五

本案例旨在分析 EX1900 液压反铲发动机在工作运行中, 某缸排气出现明显高温的一种故障现象。

（1）故障现象

在发动机运行进程中, 某缸排气温度显著高于其余各缸, 借助红外测温仪监测发动机缸体表面, 可见对应区域温度畸高。 

与此同时, 发动机动力呈现下滑态势, 运转平稳性遭到破坏, 并伴有不易察觉的轻微抖动, 且随着运行时间延长, 抖动愈发剧烈。 

此外, 尾气排放状况恶化, 颜色显著变深,甚至涌出黑烟, 气味刺鼻, 对周边环境造成影响。

（2）故障分析

鉴于某缸排气温度远超其它缸的复杂故障状况, 故障剖析需全方位涵盖喷油系统、 冷却系统、进排气系统乃至发动机机械结构等多个层面。

就喷油系统而言, 故障隐患聚焦于喷油器与高压油泵。 

共轨喷油器是高压共轨系统的核心执行部件。 

喷油器一旦出现堵塞、 磨损或喷油嘴破损, 以及因响应慢导致后喷射 (如关闭时间差异>0. 4ms 则需校准), 这些因素将致使燃油喷射均匀性失控, 造成进入该缸的燃油量失衡或压力紊乱, 令燃烧进程不充分, 并最终引发排气温度急剧攀升, 排气温度居高不下。

冷却系统方面, 冷却液短缺、 管路阻塞、水泵故障皆为潜在诱因。 

冷却液储备不足, 难以高效带走发动机运转产生的大量热量, 促使各缸温度普遍升高, 问题缸自然难以幸免。

冷却水管路系统若存在散热器、 水管等部件内部结垢、 堵塞, 或是散热箱被异物遮蔽, 冷却效能将大打折扣。 

冷却水泵倘若遭遇叶轮损毁、 水泵皮带松弛等状况, 冷却液循环速率则会减缓, 导致无法及时疏散热量。

进排气系统中, 空气滤清器堵塞是常见问题。

空气滤清器如过脏或堵塞严重, 会导致进入发动机的空气量锐减, 燃油与空气混合比例失调, 进而造成燃烧不充分, 该缸排气温度顺势升高, 发动机动力亦随之下降。 

排气管路梗阻、 消音器损坏等情形, 则会增大排气背压, 阻碍废气顺畅排出, 致使发动机内残余废气积聚, 影响新鲜空气进入及燃烧效率提升, 进而导致某缸排气温度异常上扬。

发动机机械故障主要涉及活塞环磨损与气门状态异常。

活塞环磨损严重时, 气缸密封性大打折扣, 燃气泄漏至曲轴箱, 发动机功率下滑, 该缸燃烧效率降低, 排气温度升高。 

气门间隙过大或过小、 气门密封不严, 会干扰进排气正常流程, 引发燃烧异常, 某缸排气温度飙升。

（3）故障排除

针对发动机某缸排气温度显著高于其它缸的棘手故障, 在实际操作中, 除依照常规流程排查冷却系统外, 应着重聚焦喷油系统。 

对该缸喷油器, 首先测量其电磁线圈以评估其状态是否正常, 随后拆卸并运用超声波清洗等先进手段清除积碳, 再置于专业试验台上检测。 

检测内容包括喷油量检测、 动态响应特性、 喷雾形态与雾化质量评估等方面。

该故障数据记录与故障诊断情况列于表4。

对于故障喷油器, 喷油量偏大者可检查针阀磨损或复位弹簧是否疲劳, 雾化不良者可尝试超声波清洗喷孔积碳 (喷油器在清洗剂内浸泡 30 分钟,超声波频率按 40kHz 操作)。

如修复后的喷油量偏差仍超出既定标准范围, 则果断安排更换即可。

6、总体故障情况分析

上述 5 个案例涵盖了燃油输送到燃烧做功的能量递进路径, 以及机械硬件 (案例一、 二、 五)与电控软件 (案例三、 四) 两大维度。 

相关案例体系客观上形成对高压共轨系统’ 油-气-电-热’多要素故障的基本全覆盖, 相应案例的创新工作方案进一步提升了故障预警的准确性与及时性。

相关故障维修前后的总体数据分析见表5。

注: 维修耗时基于 EX1900 液压反铲实际工况, 含诊断、拆装、 调试全流程

系统分析上述维修工作数据可发现: 

本文创新工作方案的故障定位效率和准确率显著提升, 平均诊断时间由原 3.5 小时缩短至 2.1 小时; 

维修经济性明显向好, 超声波清洗+动态校准的复合维修工艺, 使成本降低 45% (据专项工作数据评估), 涉及轨压波动、 喷油量偏差等关键参数相关故障的修复率达 80%以上。

对各类典型故障案例的跟踪研究还发现, 通过本文构建的 “症状-系统-部件” 三级诊断模型,故障定位准确率提升至 92%, 平均维修时间缩短40%。 

跟踪研究还充分证实了防护性维修策略在矿山极端工况下的有效性, 该矿设备连续运行周期已延长至 800 小时以上。

四、结论

本研究工作基于多传感器数据融合技术, 系统分析了 QSKTA38 高压共轨发动机的故障机理, 完成了燃油供给异常、 燃烧系统失效、 电控信号中断、 压力调节故障及热管理失衡等 5 类典型故障案例的实证研究。

跟踪研究表明, 通过构建 “症状-系统-部件” 三级诊断模型, 故障定位准确率提升至 92%, 平均维修时间缩短 40%, 项目实施的矿山极端工况下的防护性维修策略有效性得到验证,矿山设备连续运行周期延长至 800 小时以上。

未来将进一步优化嵌入式诊断工具的实时性,并探索故障预测与健康管理 (PHM) 系统的工程化应用, 以及数字孪生技术在高压共轨系统全生命周期管理中的应用, 为高压共轨系统的智能化维护技术发展提供应用实践基础, 从而依托建立更为精准的故障预测模型, 为露天采矿设备领域的故障处理提供更先进适用的解决方案, 推动行业设备维护与管理工作迈向新高度。

原创作者系：

国家能源集团准能集团公司设备维修中心

王荣钧