电控高压共轨直喷柴油机技术

电控高压共轨直喷柴油机技术图文教程

●Pizezo喷射器(压电式喷油器)

Piezo 喷射器具有极快和精确的燃油量分配。Piezo喷射器的响应时间是原系统的4倍，允许在预喷和主喷之间更短和更多可变距离的喷射。

图为Piezo喷射器

由于通过能量恢复获得必需的触发能的可能，必需的触发能会相当地减少。另外，通过简单的电控制，可达到忍受较大的电磁和基本减少感应错误。

Piezo喷射器安装在油轨上，将燃油喷入燃烧室。每冲程的喷入量由预喷量和主喷量构成。这种分层喷射使得柴油机燃烧过程变得柔和。由于Piezo喷射器的配置，使其具有极快的响应速度（时间）。因此，喷射的燃油量和剂量可以非常准确的控制，而且确保极好的循环。

喷射器由发动机控制单元控制（ECU）。与以前的系统比较，Piezo喷射器需要相当小的触发能，它可通过可能的能量恢复得到。

注意：在发动机工作期间，连接线束连接器到发动机控制装置，喷射器必须连接可靠，否则有损坏发动机的危险。

在维修工作时，喷射器不应拆散。每个件都不许被松动或没有拧紧，否则将引起喷射器的损坏。

●柴油共轨泵DCP

柴油共轨泵由布置在一个单一壳体里的下列部件组成：

内置传输泵ITP

内置叶片泵的作用是将燃油从燃油箱经过燃油滤抽出，供给带有柴油的高压燃油泵。除此之外，还有润滑高压油泵的目的。

柴油共轨泵DCP是需求控制中心，由凸轮盘驱动具有相差120°的三个排量装置的柱塞泵。DCP提供体积流量以保证油轨正常的高压，同时也提供喷射器在发动机所所有工作条件下必需的燃油量和在DCP里的燃油压力。

油箱中的柴油完整的内置传输泵ITP(1)经燃油滤清器抽出。燃油也被传送至润滑阀(6)和体积控制阀(2)。平行位于燃油供应泵里的预压控制阀，当体积控制阀关闭时打开，使燃油再次到燃油泵的吸入端。燃油经润滑阀(6)到泵里边，并从那到燃油回油管。

体积控制阀由发动机控制装置控制，计量输送到高压元件(3)的燃油量，同时到高压泵HPP。

三个泵元件的高压输出口将再结合并传送到DCP的高压出口(b)高压控制阀(4)。体积控制阀到高压出口的燃油量，同时保证油轨中的压力，并位于高压通道和回油管线之间。

体积控制阀VCV

体积控制阀控制输入高压泵的燃油流量比并根据要求确保向高压泵的输入准确。体积控制阀VCV调节从内置传输泵来的燃油传送到高压泵元件，内置传输泵安装在柴油共轨泵内。

随即，在系统的低压侧，由高压泵HPP输送的燃油量就能按发动机的要求被调节好。高压泵的吸入功能可以减低，由此发动机的效率将得到改善。体积控制阀VCV直接拧紧到柴油共轨泵DCP上。

注意：如果必须进行维修时，体积控制阀不得从柴油共轨泵DCP上拆下。

高压泵HPP

高压泵是由3缸凸轮盘驱动的柱塞泵，提供油轨必需的系统压力。

压力控制阀PCV

压力控制阀控制高压泵的出口压力。

压力控制阀PCV控制柴油共轨泵DCP在高压出口及油轨内的燃油压力。另外，压力控制阀衰减在柴油供轨泵供油期间和喷射过程中产生的压力波动。

压力控制阀由ECU装置控制，使得在发动机每个工况下油轨中存在最佳压力。压力控制阀直接由法兰连接到柴油共轨泵DCP上。

高压油管

高压油管连接柴油共轨泵和油轨，油轨和喷射器。

注意：高压油管在必须进行维修时，由于在拧紧的过程中密封环已卷曲变形，所以高压油管总是被更换。

油轨

油轨负贮存由柴油共轨高压泵DCP来的高压燃油，在发动机各个工况向喷射器提供必须的燃油量。由于贮存的功能，使得在喷射过程产生的波动被衰减。油轨中的燃油压力可以用压力传感器测量，压力传感器拧紧在油轨打标记3的地方。

注意：维修时，压力传感器不能从油轨上拆下。

高压传感器

压力传感器测量燃油轨中的压力。即时的压力被转换为发动机控制单元ECU可以识别的电位信号。根据

发动机控制单元（ECU）已记录的性能特性，在喷射器期间压力信号可用来做控制计算，通过高压控制阀实现高压调节。高压传感器直接固定在油轨上，用柔软的铁垫圈密封。

注意：维修时高压传感器不能拆下。

高压传感器的功能：钢薄膜(2)的变形与油轨中的即时压力有关。传感器内的阻值由于要附加到钢膜(2)上而被改变。阻置的改变由电子仪器(3)和发动机控制单元作为电位信号识别。

发动机控制单元（ECU）

发动机控制单元检查发动机系统控制的所有必须的过程。按驾驶者的要求，计算发动机必须的输出数据（如：燃油喷射量，废气再循环比等），和发动机整车数据（如，发动机速度，车速，发动机冷却温度，进气质量，）以及检查防盗码。发动机控制单元与其他控制装备的通讯。

高电压警告：当不得不在发动机控制单元上工作的时候，必须认真遵守相关高压装备防止意外的原则和规章。

注意：当发动机运转时，不能拆除发动机控制单元，否则将导致发动机损坏。

●初始启动（车辆第一次启动）：

1、燃油系统必须自动充满。发动机厂出厂时，燃油滤充有2/3的燃油。从燃油箱到燃油滤的燃油管线充满燃油。

2、安装在进游管线的手泵(1)应操作3到4次。

注意：为操作手泵必须用手握住，用力挤压。

3、这种启动操作最多20秒。

笨重、噪音大、喷黑烟，令许多人对柴油机的直观印象不佳，加上柴油机的构造比较复杂，不少人对柴油机缺乏了解，尤其对现代先进的柴油机缺乏了解，因此柴油机汽车在一些城市成了“被限制的对象”，受到种种歧视。其实经过多年的研究和新技术应用，现代柴油机的现状已与往日不可同喻。

现代先进的汽车柴油机一般采用电控喷射、共轨、涡轮增压中冷等技术，在重量、噪音、烟度等方面已取

得重大突破，达到了汽油机的水平。目前国外轻型汽车用柴油机日益普遍，奔驰、大众、宝马、雷诺、沃尔沃等欧洲名牌车都有采用柴油发动机的车型。

在电控喷射方面柴油机与汽油机的主要差别是，汽油机的电控喷射系统只是控制空燃比（汽油与空气的比例），柴油机的电控喷射系统则是通过控制喷油时间来调节输出的大小，而柴油机喷油控制是由发动机的转速和加速踏板位置（油门拉杆位置）来决定的。

因此，基本工作原理是计算机根据转速传感器和油门位置传感器的输入信号，首先计算出基本喷油量，然后根据水温、进气温度、进气压力等传感器的信号进行修正，再与来自控制套位置传感器的信号进行反馈修正，确定最佳喷油量的。

电控柴油喷射系统由传感器、ECU（计算机）和执行机构三部分组成。其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、温度、压力等传感器，将实时检测的参数同步输入计算机，与已储存的参数值进行比较，经过处理计算按照最佳值对喷油泵、废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，驱动喷油系统，使柴油机运作状态达到最佳。

什么是共轨技术,为什么要采用共轨技术呢? 在汽车柴油机中，高速运转使柴油喷射过程的时间只有千分之几秒，实验证明，在喷射过程中高压油管各处的压力是随时间和位置的不同而变化的。

由于柴油的可压缩性和高压油管中柴油的压力波动，使实际的喷油状态与喷油泵所规定的柱塞供油规律有较大的差异。油管内的压力波动有时还会在主喷射之后，使高压油管内的压力再次上升，达到令喷油器的针阀开启的压力，将已经关闭的针阀又重新打开产生二次喷油现象，由于二次喷油不可能完全燃烧，于是增加了烟度和碳氢化合物（HC）的排放量，油耗增加。

此外，每次喷射循环后高压油管内的残压都会发生变化，随之引起不稳定的喷射，尤其在低转速区域容易产生上述现象，严重时不仅喷油不均匀，而且会发生间歇性不喷射现象共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式，由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，因此也就减少了传统柴油机的缺陷。

ECU控制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。

柴油机的涡轮增压器已作过介绍。至于增压中冷技术就是当涡轮增压器将新鲜空气压缩经中段冷却器冷却，然后经进气歧管、进气门流至汽缸燃烧室。有效的中冷技术可使增压温度下降到50℃以下，有助于减少废气的排放和提高燃油经济性。

●发动机共轨系统

共轨压力传感器安装在高压共轨管上，感应燃油压力。它采用压力作用在硅体上，可改变电阻值的半导体压力传感器。

喷油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下柴油机的喷油量与控制油量之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的产生与燃油喷射过程无关，且喷油正时也不由喷油泵的凸轮来保证，因此喷油泵的凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计凸轮。

电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，它的作用根据ECU 发出的控制信号，通过电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油时间及喷油量喷入燃烧室。

柴油机电控系统的控制内容：喷油量控制；喷油正时控制；怠速控制；各缸喷油量不均匀的修正；废气再循环；起动预热控制；故障自诊断功能；故障保护功能。

加速踏板位置传感器内部是霍尔感应式的，通过踏板位置的改变，改变传感器传送给ECU的反馈电压，是ECU控制喷油量的一个主要参数

提高柴油机的经济性和降低排放

最佳喷油提前角受发动机转速、负荷、冷却液温度、燃油温度、进气温度及压力等多种因素的影响。柴油机电控系统应能在不同的工况及工作条件下精确地控制喷油提前角，并始终保持在最佳值，以降低燃油消耗和减少排放污染。

共轨系统主要生产厂家：德国ROBERT BOSCH 公司的CR系统；日本电装公司的ECD-U2系统；美国的DELPHI 公司的LDCR 系统等；意大利的FIAT 集团的unijet 系统。

轨式喷油系统于二十世纪90 年代中后期才正式进入实用化阶段。这类电控系统可分为：蓄压式电控燃油喷射系统、液力增压式电控燃油喷射系统和高压共轨式电控燃油喷射系统。高压共轨系统可实现在传统喷油系统中无法实现的功能，其优点有：

a. 共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能。

b. 可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力（120MPa-200MPa），可同时控制NOx和微粒（PM）在较小的数值内，以满足排放要求。

c. 柔性控制喷油速率变化，实现理想喷油规律，容易实现预喷射和多次喷射，既可降低柴油机NOx，又能保证优良的动力性和经济性。

d. 由电磁阀控制喷油，其控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，因此在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀可得到改善，从而减轻柴油机的振动和降低排放。由于高压共轨系统具有以上的优点，现在国内外柴油机的研究机构均投入了很大的精力对其进行研究。

高压共轨燃油喷射系统主要部件介绍

它主要由电控单元、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨，高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元从预设的map图中确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入气缸。

1 、高压油泵

高压油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的喷油量与控制油量之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的产生于燃油喷射过程无关，且喷油正时也不由高压油泵的凸轮来保证，因此高压油泵的压油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计凸轮。

bosch公司采用由柴油机驱动的三缸径向柱塞泵来产生高达135Mpa的压力。该高压油泵在每个压油单元中采用了多个压油凸轮，使其峰值扭矩降低为传统高压油泵的1/9，负荷也比较均匀，降低了运行噪声。该系统中高压共轨腔中的压力的控制是通过对共轨腔中燃油的放泄来实现的，为了减小功率损耗，在喷油量较小的情况下，将关闭三缸径向柱塞泵中的一个压油单元使供油量减少。

日电装公司采用了一个三作用凸轮的直列泵来产生高压，如图2所示。该高压油泵对油量的控制采用了控制低压燃油有效进油量的方法，其基本原理如图3所示。

a 、柱塞下行，控制阀开启，低压燃油经控制阀流入柱塞腔；

b、柱塞上行，但控制阀中尚未通电，处于开启状态，低压燃油经控制阀流回低压腔；

c、在达到供油量定时时，控制阀通电，使之关闭，回流油路被切断，柱塞腔中的燃油被压缩，燃油经出油阀进入高压油轨。利用控制阀关闭时间的不同，控制进入高压油轨的油量的多少，从而达到控制高压油轨压力的目的；

d、凸轮经过最大升程后，柱塞进入下降行程，柱塞腔内的压力降低，出油阀关闭，停止供油，这时控制阀停止供电，处于开启状态，低压燃油进入柱塞腔进入下一个循环。

该方法使高压油泵不产生额外的功率消耗，但需要确定控制脉冲的宽度和控制脉冲与高压油泵凸轮的相位关系，控制系统比较复杂。

2 、共轨管

共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用，ECD-U2 系统的供轨管如图4所示。

它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡，使高压油轨中的压力波动控制在5Mpa之下。但其容积又不能太大，以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。ECD-U2 系统的高压泵的最大循环供油量为600mm3 ，共轨管容积为94000mm3 。

高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器（限流器）和压力限制器。压力传感器向ECU 提供高压油轨的压力信号；液流缓冲器（限流器）保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油，并可减小

共轨和高压油管中的压力波动；压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时，迅速将高压油轨中的压力进行放泄。

从上述分析可见，精确设计高压共轨管的容积和形状适合确定的柴油机是并不容易的。

3 、电控喷油器

电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，它的作用根据ECU 发出的控制信号，通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。

BOSCH和ECD-U2的电控喷油器的结构基本相似，都是由于传统喷油器相似的喷油嘴、控制活塞、控制量孔、控制电磁阀组成，图5为BOSCH 的电控喷油器结构图。

在电磁阀不通电时，电磁阀关闭控制活塞顶部的量孔A，高压油轨的燃油压力通过量孔Z作用在控制活塞上，将喷嘴关闭；当电磁阀通电时，量孔A被打开，控制室的压力迅速降低，控制活塞升起，喷油器开始喷油；当电磁阀关闭时，控制室的压力上升，控制活塞下行关闭喷油器完成喷油过程。

控制了喷油率的形状，需对其进行合理的优化设计，实现预定的喷油形状。控制室的容积的大小决定了针阀开启时的灵敏度，控制室的容积太大，针阀在喷油结束时不能实现快速的断油，使后期的燃油雾化不良；控制室容积太小，不能给针阀提供足够的有效行程，使喷射过程的流动阻力加大，因此对控制室的容积也应根据机型的最大喷油量合理选择。

控制量孔A、Z的大小对喷油嘴的开启和关闭速度及喷油过程起着决定性的影响。双量孔阀体的三个关键

性结构是进油量孔、回油量孔和控制室，它们的结构尺寸对喷油器的喷油性能影响巨大。

回油量孔与进油量孔的流量率之差及控制室的容积决定了喷油嘴针阀的开启速度，而喷油嘴针阀的关闭速度由进油量孔的流量率和控制室的容积决定。进油量孔的设计应使喷油嘴针阀有足够的关闭速度，以减少喷油嘴喷射后期雾化不良的部分。

此外喷油嘴的最小喷油压力取决于回油量孔和进油量孔的流量率及控制活塞的端面面积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后，就确定了喷油嘴针阀完全开启的稳定、最短喷油过程，同时就确定了喷油嘴的稳定最小喷油量。控制室容积的减少可以使针阀的响应速度更快，使燃油温度对喷油嘴喷油量的影响更小。

但控制室的容积不可能无限制减少，它应能保证喷油嘴针阀的升程以使针阀完全开启。两个控制量孔决定了控制室中的动态压力，从而决定了针阀的运动规律，通过仔细调节这两个量孔的流量系数，可以产生理想的喷油规律。

由于高压共轨喷射系统的喷射压力非常高，因此其喷油嘴的喷孔截面积很小，如BOSCH 公司的喷油嘴的喷孔直径为0.169mm×6，在如此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下，燃油流动处于极端不稳定状态，油束的喷雾锥角变大，燃油雾化更好，但贯穿距离变小，因此应改变原柴油机进气的涡流强度、燃烧室结构形状以确保最佳的燃烧过程。

对于喷油器电磁阀，由于共轨系统要求它有足够的开启速度，考虑到预喷射是改善柴油机性能的重要喷射方式，控制电磁阀的响应时间更应缩短。关于电磁阀的研究已由较多的文献报道，本文不再对此进行分析。

4 、高压油管

高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道，它应有足够的燃油流量减小燃油流动时的压降，并使高压管路系统中的压力波动较小，能承受高压燃油的冲击作用，且起动时共轨中的压力能很快建立。

各缸高压油管的长度应尽量相等，使柴油机每一个喷油器有相同的喷油压力，从而减少发动机各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能短，使从共轨到喷油嘴的压力损失最小。

BOSCH公司的高压油管的外经为6mm，内径为2.4mm，日本电装公司的高压油管的外经为8mm，内径为3mm。

由于高压共轨式燃油喷射系统具有可以对喷油定时、喷油持续期、喷油压力、喷油规律进行柔性调节的特点，该系统的采用可以使柴油机的经济性、动力性和排放性能都会有进一步的提高。这就需要我们加大对高压共轨系统的研究力度，使我国的柴油机水平跨上一个新的台阶。