高压共轨燃油系统喷油器电路故障诊断原理与应用研究

张恒平　陈玉俊　邹郁筱

【摘  要】电磁阀喷油器作为高压共轨燃油系统中最复杂、核心的零部件，其工作状态直接影响发动机的动力性能和排放结果，对电磁阀喷油器在工作过程中的电路故障进行实时监测是保证发动机正常工作的前提条件，且也是满足法规要求的必要条件。本文通过研究电磁阀喷油器电路故障诊断原理，对比研究不同故障模式下电路状态，并结合具体案例应用研究，对指导故障诊断设计和维修排查具有实际指导意义。

【关键词】喷油器；电路故障；故障诊断原理；维修排查

中图分类号：U464.136    文献标志码：A    文章编号：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

隨着排放法规的不断升级，发动机控制系统的精度和要求不断提升，电控高压共轨系统是目前广泛使用于柴油机控制领域的一套燃油系统控制装置。该系统不仅可达到较高的喷射压力，且可独立灵活地控制喷油正时、喷射脉宽以及喷油量，使得其在不同的工况下都能让柴油燃烧达到理想工况，实现理想的喷射效果，在降低排放的同时，大大提升燃油经济性和发动机动力性能[1]。在高压共轨控制系统中，喷油器是系统中的一个非常关键的零部件，其工作状态将直接影响柴油机的运行功率及发动机排放结果，因此对喷油器的故障实时监测尤为重要，是保证发动机正常工作的必要条件。国Ⅵ排放法规《重型柴油机污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》也对喷油器的电路故障监测做出明确要求[2]，所以对高压共轨燃油系统喷油器电路故障诊断原理进行研究，可指导故障设置，满足法规要求，也可指导维修人员进行故障原因判断和故障维修。

电控喷油器是高压共轨燃油系统中最关键和最复杂的部件，它根据ECU发出的控制信号，通过控制电磁阀的开启与关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷射角度、喷射脉宽与喷射速率喷入燃烧室。对喷油器电路故障监测就是监测从ECU到电磁铁线圈的整个线束回路，若出现故障，则喷油器电磁线圈失去工作能力，导致喷油器失去喷油能力，影响发动机正常运行。掌握喷油器电路故障诊断原理，设计匹配不同发动机平台的故障诊断方案，使发动机能够实现动力性能、经济性能的显著提升，更好地满足排放与市场要求，提升车辆可靠性。

2  PT2001芯片介绍

目前ECU内部电路通常采用专用驱动芯片PT2001进行喷油器的驱动，喷油器电路故障诊断也是基于PT2001进行诊断。PT2001芯片是一款SMARTMOS可编程栅极驱动器IC，专为汽车发动机控制应用而设计的12通道门驱动器芯片，常用于汽车中电磁阀执行器的控制。图1为PT2001芯片结构框图，该芯片的主要特征如下[3]。

1）内置4个可编程微处理器，分成2组进行管理，各组有对应的Code RAM和Data RAM存储空间，可实现复杂的驱动逻辑控制。

2）集成5路高边预驱和7路低边预驱，驱动频率可达100kHz，每路驱动均具备基于可编程电压比较器的诊断模块，BOOST电压最高支持72V。

3）具备4个通用电流采集模块，可实现4挡放大倍数可配的电流采样，有效电流范围可达38A，具备与BOOST电压产生电路配合的专用快速和反向电流采集模块。电流采样结果通过比较器快速参与电流波形的闭环控制逻辑。

4）具备9路开关信号通道，其中6路开关信号用于控制脉宽输入，另外3路信号可灵活配置为信号输入或输出。

一般柴油4缸机的4个高边驱动通过PT2001芯片组成2个BANK电路，其中一个BANK电路驱动2支喷油器的高边，BANK电路的一个高边接蓄电池电压，用来供给喷油器驱动信号1阶和2阶保持阶段的电压，另外一个高边接BOOST电压，用于供给喷油器驱动信号PEAK阶段电压，从而驱动电磁阀工作，所以一个BANK电路驱动2支喷油器，且是不重叠2支喷油器，其余喷油器的4路低边分别单独驱动，共同组成4缸机的驱动电路。

而柴油6缸机也是通过PT2001芯片的4个高边驱动组成2个BANK，与4缸机相同的是，6缸机的一个BANK电路也是由2个高边组成，其中一个高边接蓄电池电压，用来供给喷油器驱动信号1阶和2阶保持阶段的电压，另外一个高边接BOOST电压，用于供给喷油器驱动信号PEAK阶段电压来驱动电磁阀工作。但是与4缸机不同的是，6缸机的一个BANK电路驱动3支喷油器，且是不重叠3支喷油器，其余喷油器的6路低边分别单独驱动，共同组成6缸機的驱动电路。

3  PT2001芯片诊断电路

PT2001芯片诊断的关键电路如图2所示，主要由3个比较器电路和2个MOS组成，MOS管和负载上的电压通过高低边预驱通道集成的电压比较器实时比较并将状态输出至单片机微处理核，从而实现对喷油器不同故障的实时诊断。

其中比较器1为高边预驱集成比较器hs_vds_fbk，该比较器正极接VBATT或VBOOST的设定阈值，对应于高边MOS管电流，与高边MOS管内阻相关，作为喷油器电路故障高边VDS诊断阈值，而比较器负极接高边MOS管源极电压。它的诊断过程主要分为2个状态：当高边MOS管关断时，可监测负载正极电压超高限状态；而当高边MOS管导通时，可监测高边MOS管过流状态。

比较器2为hs_src_fdk，也为一个高边预驱集成的比较器，该比较器正极接高边MOS管源极电压，比较器负极为高边诊断阈值电压，可编程设置，根据负载电阻值进行相关计算设置，通过该比较器可监测负载正极电压超低限状态。

比较器3为低边预驱集成比较器Is_vds_fbk，该比较器的正极接低边MOS管漏极电压，负极为低边诊断设定阈值，根据低边MOS管电流进行编程设置，与低边MOS管内阻强相关。该比较器的诊断过程也分为2个阶段：在低边MOS管关断时，可监测负载负极电压超低限状态；而在低边MOS管导通时，可监测低边MOS管过流状态。

喷油器的电路故障诊断功能通过以上3个比较器在不同故障下的状态进行综合判断，主要通过对高低边MOS管压差、源极和漏极电压等电压状态进行故障识别和判断，在MOS管导通过程中，MOS管上电压主要受电流和驱动电压影响，在MOS管关闭时，负载理论为悬空状态，为了让负载及MOS管处于一个稳定电平状态，高边预驱和低边预驱分别内置了弱电流能力的上拉（SRCpu）和下拉（SRCpd）电路，受上述电路的作用，负载正常连接时，将有5V电平状态施加在负载两端，根据PT2001芯片内部电路特点进行喷油器各类型电路故障诊断。

4  喷油器电路故障诊断原理

喷油器在工作过程中，首先应用层软件计算喷油脉宽信号，然后给底层软件来驱动硬件电路PT2001芯片，PT2001芯片对喷油器电路故障诊断操作主要分为2个阶段实施，如图3所示，其中在收到应用层喷射信号到喷油器开始驱动这一段称为预诊断阶段（Idle Diagnostics），在喷油器整个驱动信号这一段称为自动诊断阶段（Automatic Diagnostics），在不同的诊断阶段对不同的故障进行诊断[2]。

1）预诊断阶段（Idle Diagnostics）是在应用层喷射信号Start脉冲信号到来时开始触发，到喷油器实际驱动信号触发时结束，经过喷射电流的Idle阶段后，MOS管和负载上的电平状态已经稳定，此时可以通过前面提到的各电压比较器的检测状态准确识别开路、短路到电源和短路到搭铁故障状态。当发现故障时，不再进行后续喷射驱动，并报送故障。由于预诊断阶段持续时间会造成喷射脉宽缩短几个μs，所以在Start脉宽控制算法中适时加入补偿策略，以实现对喷油器驱动无影响。

2）自动诊断阶段（Automatic Diagnostics）包含整个喷油器驱动信号阶段，该诊断阶段在进入正常喷射驱动阶段时触发，并在整个喷射驱动过程中保持激活状态，在自动诊断阶段持续时间内，比较器电平与MOS开关状态关联，利用微处理器的故障中断功能，在电平状态跳变为配置的故障状态时，自动触发中断。利用PT2001芯片可编程功能中断处理程序编写故障处理措施，为了避免驱动过程中MOS管开关时产生的干扰信号造成故障误报，可配置禁止窗口大小和滤波参数，实现对比较器信号的过滤处理。

在预诊断阶段喷油器高边MOS管和低边MOS管处于打开状态，而在自动诊断阶段，由于喷油器的喷射信号的驱动，所以MOS管处于闭合状态，根据预诊断阶段和自动诊断阶段的特点，可对喷油器的各类电路故障进行准确诊断。

4.1  喷油器无电路故障状态

喷油器正常工作时，喷油器驱动信号通过高边MOS管、喷油器线圈和低边MOS管导通，在喷油器信号不驱动时，高边MOS管与低边MOS管均处于打开状态，3个比较器处于初始状态，均为HIGH；当喷油器信号驱动时，由于高边MOS管、喷油器线圈和低边MOS管导通，导致喷油器线圈负载正极与负极电压拉低，所以比较器1与比较器3的状态发生改变，各比较器和MOS管工作状态如图4所示，PT2001芯片内部3个比较器的状态如表1所示。

4.2  搭铁短路故障状态

喷油器搭铁短路时，电路工作状态如图5所示，该故障诊断识别发生在预诊断阶段（Idle Diagnostics），由于喷油器线圈相当于一根导线，所以导致比较器2和比较器3的状态为LOW，但是具体是高边搭铁短路故障还是低边搭铁短路故障只靠3个比较器还无法完全区分，需要进一步地分析，所以如果在预诊断阶段监测到比较器状态发生改变，则增加一个测试操作，通过测试操作可以进一步准确识别高边或者低边搭铁短路故障。

当检测到搭铁短路故障后，不进入正常喷射模式，而进入测试模式，最容易识别的是检测高边是否过流，如果高边搭铁短路，那么高边MOS管在测试模式闭合一下，高边MOS管会瞬间过流而被保护，且比较器1和2的输入变成0V，状态会变成HIGH和LOW，根据该变化特点从而判断高边搭铁短路故障。

而低边MOS管如果测试打开，低边MOS管不会有过流现象；如果是低边搭铁短路故障，测试过程打开高边MOS管，电流会经过负载然后到低边的搭铁，所以电流不是瞬间过流，而是会由于喷油器线圈电感的影响而缓慢变化。根据该特点可准确判断是高边对电源短路还是低边对电源短路。

另外如果低边搭铁短路，则比较器3的输入为0V，在测试阶段也是0V，如果没有发生高边MOS管过流，且低边比较器3输入为0V，低边比较器3输出为LOW，则为低边搭铁短路故障，综合以上特点可准确判断喷油器搭铁短路故障状态。在发生搭铁短路故障时，根据PT2001电路特点各比较器状态如表2所示。

4.3  对电源短路故障状态

当发生喷油器对电源短路故障时，电路工作状态如图6所示。该故障诊断识别发生在预诊断阶段，由于喷油器线圈在不工作时相当于一根导线，所以喷油器高边或低边对电源短路后，比较器1的状态发生改变，状态为LOW，但是针对具体是高边对电源短路故障还是低边对电源短路故障只靠3个比较器还无法完全区分，需要进一步地分析，通过测试操作可以进一步准确识别高边或者低边电源短路故障。

在预诊断阶段（Idle diagnostic）中发现对电源短路故障后，进入测试模式。在测试模式中，开高边MOS管没有效果，所以对同BANK各个缸的低边MOS管依次尝试打开，如果是低边对电源短路故障，则低边MOS管会发生过流，而相反如果是高边对电源短路，则由于电磁铁线圈电感的影响，低边MOS管并不会马上发生过流现象，如果在设定时间内均未发生低边MOS管过流故障，由于喷油器线圈电感的影响，高边电压并不会马上到低边，则判定为高边对电源短路故障，否则判定为低边对电源短路故障，综合以上特点可准确判断喷油器对电源短路故障状态。PT2001比较器状态如表3所示。

4.4  开路故障

如图7所示，当发生开路故障时，高边MOS管与低边MOS管之间断开，由于在Idle阶段，MOS管不是闭合，而是打开状态，上拉电压5V输入到比较器1和2，但是由于负载开路，则低边比较器3没有输入电压，从而是0V，所以比较器3状态为LOW，不管是高边开路还是低边开路，效果一样。开路故障诊断识别发生在Idle diagnostics阶段，且故障识别较准确，只通过3个比较器就可准确识别，不需要区分高边开路还是低边开路，故障发生时比较器状态如表4所示。

4.5  高低边短路故障

当喷油器的高低边发生短路故障时，相当于一根导线短接整个负载，由于喷油器线圈在不通电时也相当于一根导线，所以对高低边短路故障的诊断识别需要在自动诊断阶段进行。如图8所示，发生负载高低边短路故障时，当预诊断阶段（Idle diagnostics）未发现故障时，进入正常喷射阶段；在自动诊断阶段（Automatic diagnostics）内，如果识别到3个比较器在高边MOS管和底边MOS管导通后还是处于HIGH状态，则说明高边或低边MOS管识别到电流超限，此现象表明负载发生了高低边短路故障，如果高低边短路，则在喷射开始时的一段时间内，由于没有线圈电感的影响，所以高边或者低边MOS管会发生过流现象，发生该故障后3个比较器状态如表5所示。

5  应用研究

结合以上诊断原理分析研究，针对试验车辆运行、测试过程中出现的故障及问题进行具体应用研究。

5.1  问题描述

某试验车辆进行OBD电路故障模拟测试，在模拟某支喷油器高边电源短路后，通过监控软件发现喷油器高边短路到电源故障底层状态时报时消，无法保持稳定，由于应用层经过故障防抖处理后，导致该故障无法在应用层成功报出，仪表无法显示，测试结果不符合要求。

5.2  原因分析

根据以上喷油器电路故障诊断原理分析，喷油器高边短路到电源的识别发生在喷射开始前的预诊断阶段，在该阶段先判断出高边电压高于PT2001芯片对应高边通道的VDS设定阈值，然后在喷射过程中，通过低边MOS过流、高边SRC比较器高于阈值或Hold阶段调制超时来识别。

通过软件监控相关变量并结合示波器信号采集，发现如下规律：当喷射工况是1次预喷+1次主喷时，PT2001报送的故障次数只有喷射次数的一半，因故障报送阈值是70%喷射次数，故障无法报出；当喷射工况为1次主喷时，PT2001报送的故障次数和喷射次数相同，故障可以正常报出，结合该现象说明故障无法报出可能与喷射间隔有关。

通过示波器监测2次喷射时喷油器高边电压、低边电压和喷油器上的电流波形，波形如图9所示。从图9可以看出，受预喷高边电源短路影响，主喷开始时，DCDC电压明显低于正常值，只有36V左右。而PT2001在诊断时，会根据BOOST高边MOS管的VDS电压状态进行短路故障预判断，但因为电路上电容的存在，用作诊断对比的BOOST电压参考不会马上降低，导致其电压要高于喷油器高边的电压，从而无法在喷射预诊断阶段识别出电源短路现象，即主喷在喷射前预诊断阶段未识别到电源短路故障。在喷射过程中因高边电源短路触发了高边预驱SRC比较器自动故障识别，但因没有预诊断阶段的电源短路故障标识，无法确认故障，仅进行保护截止，导致主喷阶段未正确报出高边电源短路故障。

综上分析，造成多次喷射时后续喷射未正常报出故障的根本原因是BOOST电压因在第一次喷射时对电源短路大幅消耗，未在后续喷射前恢复正常电压值，从而未触发短路到电源的故障识别。

5.3  解决方法

由于当前的诊断策略是通过正常喷射驱动过程中的故障表现来识别的，这会导致故障判断前电路中有较长时间的大电流流动过程，会造成如BOOST电容过度放电，需要对设计的诊断策略进行修改，应避免该情况的出现。当高边电源短路或低边短路到电源时，同BANK的喷油器均无法正常工作，所以可以通过测试模式来进行故障识别，新设计诊断策略中，当在预诊断阶段中发现短路到电源故障后，进入测试模式。测试模式中，对同BANK各个缸的低边开关依次尝试打开，如果在设定时间内均未发生低边MOS管过流故障，则判定为高边电源短路，否则判定为对应测试低边短路到电源故障。新设计策略诊断过程中不会出现高边MOS管处于开启状态，也不会消耗BOOST电容电量，通过实车验证测试，未出现故障时报时消的问题，故障状态可持续稳定报出，问题得到解决。

6  结论

本文通过对PT2001芯片结构和不同类型喷油器电路故障诊断原理的研究，利用PT2001芯片可编程特点，设置合理的诊断程序和诊断阈值可准确有效诊断出喷油器电路故障，并结合具体应用研究，介绍如何根据PT2001诊断原理进行故障原因分析和问题排查，指导设计人员进行策略设计，也指导维修人员进行快速准确地维修排查，大大提升车辆可靠性。

参考文献：

[1] 王尚勇. 现代柴油机电控喷油技术[M]. 北京：机械工业出版社，2013：11-18.

[2] STD-GB-ENG_GB_17691—2018_重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S]. 2018：187-225.

[3] MC33PT2001芯片手冊[Z]. 2019.

（编辑  杨  景）