电控泵喷嘴及其工作原理

泵喷嘴就是把泵油的柱塞和喷射的喷油器合成在一个统一体内，中间不需要油管连接，因此大大减少了高压系统中的有害容积，可以减轻高压系统内的压力波动和燃油可压缩性所造成的不良影响，再加上泵喷嘴的结构特点，使该系统所承受的泵油压力可提供200MPa以上的喷射压力，成为目前各类喷油系统之首，这对改善柴油机各项性能都有重大意义。泵喷嘴系统在每一气缸上都装有一套，定时、定量、产生高压均在该统一体内完成。由设置在缸盖上的顶置式凸轮驱动工作。泵喷嘴有机械式和电控式两种。以下主要介绍时间控制式电控泵喷嘴。

1.商用车电控泵喷嘴

图3-74所示为商用车辆电控泵喷嘴（UIS）和电控单体泵（UPS）系统图，主要由低压系统、高压系统和电子控制系统组成。

（1）商用车电控泵喷嘴结构 泵喷嘴采用电控后，由电磁阀直接控制喷油过程，通常电磁阀通电时，电磁阀阀芯17（图3-75）与电磁阀阀座18间的密封面会关闭，并切断高、低压燃油通道才能产生高压开始供油。因此，电磁阀阀芯密封面关闭的时刻，即供油始点。由于泵喷嘴系统无高压油管，柱塞泵油到针阀喷油之间的距离很短，这对以声速推进的燃油压力波所产生的喷油迟后可略去不计，所以把供油始点看成是喷油始点，喷油量的多少取决于电磁阀阀芯座面关闭时间的长短，即供油脉宽（其对应的凸轮转角相当于机械控制中的供油延续角）。

在电磁阀控制喷油定时和喷油脉宽的同时，泵喷嘴内柱塞的运动规律直接受控于驱动凸轮表面的型线，柱塞3的运动速度对喷油延续期内的喷油速率及喷油规律都有影响，所以对凸轮精度要求很高。在运行中各缸周期的泵油对凸轮轴会产生扭振，为减少扭振的影响，必须把凸轮轴及各缸驱动机构中的相关零部件进行强化，提高刚度，以减轻对喷油规律产生的不良后果。

图3-74 电控泵喷嘴（UIS）和单体泵（UPS）系统图

A—低压系统 BI—UIS高压系统 BP—UPS高压系统 C—电子控制器 D—外设装置

1—油箱 2—输油泵 3—燃油滤清器 4—压力限制阀 5—燃油冷却器 6—泵喷嘴 7—单体泵 8—高压油管 9—喷油器 10—燃油温度传感器 11—控制器 12—踏板位置传感器 13—加速传感器 14—制动触点 15—空气温度传感器 16—凸轮轴转速传感器 17—进气温度传感器 18—增压压力传感器 19—冷却液温度传感器 20—曲轴转速传感器 21—仪表板 22—点火时间控制器 23—电热塞 24—离合器 25—加速度传感器 26—空气压缩机 27—空气压缩机管理 28—控制开关 29—诊断开关 30—蓄电池 31—废气涡轮增压器 32—充电压力调节器 33—真空泵 34—发动机 CAN—通信系统

电控泵喷嘴与机械式泵喷嘴相比，最大的区别是加装了一套电子控制系统，电磁阀部件直接安装在泵喷嘴内部，如图3-75所示。由衔铁15、电磁线圈16、电磁阀阀芯17、电磁阀弹簧19等零部件组成。在电控系统中电子控制器的指令下，对喷油担负着执行定时、定量

图3-75 商用车电控泵喷嘴结构图

1—球座 2—回位弹簧 3—柱塞 4—泵体 5—电气接头 6—高压腔 7—缸体 8—回油孔 9—进油孔 10—过渡套 11—弹簧下座 12—垫块 13—针阀偶件 14—紧帽 15—衔铁 16—电磁线圈 17—电磁阀阀芯 18—电磁阀阀座 19—电磁阀弹簧 20—针阀弹簧

的重要任务，但其泵油、喷油仍按以下方式进行：

1）燃油由低压变成高压的过程与机械式泵喷嘴相似，在驱动凸轮和回位弹簧2的作用下，由柱塞3往复运动完成。

2）喷油器部分由针阀偶件13、针阀弹簧20及紧帽14等部件组成，负责将高压燃油雾化，并定时喷入柴油机燃烧室，保证获得良好的混合气。

（2）商用车电控泵喷嘴工作原理 电控泵喷嘴系统工作原理通常按照四个行程进行分析，如图3-76所示。

1）吸油行程。凸轮转向基圆半径时，柱塞2在回位弹簧3的作用下，向上移动，具有一定压力的低压燃油，由进油孔9进入低压油路8，同时因吸油行程时电磁阀尚未通电，电磁阀阀芯17在电磁阀弹簧13的作用下，脱离电磁阀座14，使低压油路8与高压油路15相通，因此，进入低压油路的低压燃油，可以经过高压油路直接进入高压腔5，也有部分燃油由回油孔6流出。

图3-76中的A、B、C、D分别为线圈电流I、电磁阀阀芯行程h_M、喷油压力p_e波形、针阀升程h_N曲线。从图中可以看出各条波形及曲线的变化规律，在吸油行程的a区内均处于零位。

2）预备行程。随着凸轮轴的旋转，在驱动凸轮1的作用下，柱塞2向下移动，并开始对高压腔5内的燃油施压，但这时由于电磁阀阀芯17仍处于开启状态，高、低压油路依然相通，由低压油路进入高压油路内的燃油，在柱塞的作用下，高压腔内燃油压力将大于低压腔内燃油压力，因此，高压腔内的燃油将会经低压油路从回油孔6流出，整个高压油路内无法建立起高压。

图3-76b中的线圈电流I、电磁阀阀芯行程h_M、喷油压力p_e、针阀升程h_N依然处于零位。但因柱塞已开始下移，进入了泵油行程，为喷油做好了准备。

3）喷油行程。柱塞2在凸轮的驱动下继续下移，同时控制器ECU在规定的时刻发出控制信号，电磁阀线圈通电，产生电磁吸力，由衔铁带动电磁阀阀芯17，克服了电磁阀弹簧13的预紧力向下移动，关闭了电磁阀阀芯座面与电磁阀座14间的燃油通道，切断了高、低压油路，因此，这时柱塞下移，高压腔5内的燃油将被压缩，压力会迅速上升，使与高压腔相通的针阀体盛油槽12内作用在针阀锥面上的燃油压力很快升高，当达到针阀开启压力时，克服针阀弹簧10的预紧力，并打开针阀座面，开始喷油。一般直喷式柴油机的针阀开启压力为25～30MPa。通常把电磁阀阀芯座面开始关闭的瞬间，称为喷油始点。

喷油延续时间由ECU通过电磁阀通电时间长短来控制。由于在喷油延续期内，柱塞继续向下移动，高压腔内燃油压力不断升高，因此，在喷油延续期内的喷油压力p_e是不断升高的，如图3-76c。

4）剩余行程。在ECU控制下，切断电流，电磁力消失，电磁阀阀芯17在电磁阀弹簧13的作用下很快上移，脱离阀座14重新打开高、低压油路，使高压油路内的燃油迅速卸压，与此同时，针阀11在针阀弹簧10的作用下，很快落座，关闭座面，喷油停止。

喷油虽然结束，凸轮轴却仍在旋转，柱塞继续下移，对高压腔内燃油继续施压，但这时由于电磁阀阀芯座面已开启，高、低压油路相通，柱塞的继续加压，只能把燃油压回到低压油路中去，高压腔内已无法建立起高压。柱塞一直下移到下止点都是如此，这样从喷油结束到凸轮下止点的这段柱塞行程，称为剩余行程。

图3-76 商用车电控泵喷嘴工作原理

a）吸油行程 b）预备行程 c）喷油行程 d）剩余行程

1—驱动凸轮 2—柱塞 3—回位弹簧 4—电线接头 5—高压腔 6—回油孔 7—衔铁 8—低压油路 9—进油孔 10—针阀弹簧 11—针阀 12—针阀体盛油槽 13—电磁阀弹簧 14—电磁阀座 15—高压油路 16—电磁阀线圈 17—电磁阀阀芯

通常从喷油始点到喷油终点的延续期内，柱塞是不断向下移动的，因此喷油终了时的燃油压缩量最大，使喷射压力达到最高值。对于不同型号的喷油系统，最高喷射压力一般可达100～205MPa。

由于低压系统燃油通路需经气缸盖，因此，喷油泵在泵油中产生的热量，由大量的回油流经气缸盖油路，可利用气缸盖冷却水套对高温燃油进行冷却散热，保证喷油系统在工作中不致过热，并有利于各缸温度均匀。(www.xing528.com)

2.轿车用电控泵喷嘴

图3-77所示为轿车电控泵喷嘴系统图，主要由低压系统、高压系统和电子控制系统组成。

图3-77 轿车PKW电控泵喷嘴系统图

A—低压系统 B—高压系统 C—电子控制系统 D—外设装置

1—油箱 2—燃油滤清器 3—输油泵 4—压力限制阀 5—燃油冷却器 6—泵喷嘴 7—燃油温度传感器 8—控制器 9—加速踏板位置传感器 10—加速传感器 11—制动触点 12—空气温度传感器 13—凸轮轴转角传感器 14—进气温度传感器 15—增压压力传感器 16—节气门 17—热膜空气流量计 18—冷却液温度传感器 19—曲轴转速传感器 20—仪表板 21—点火时间控制器 22—电热塞 23—离合器开关 24—加速度调节器 25—空气压缩机 26—空气压缩机管理 27—开关 28—诊断接口 29—蓄电池 30—废气涡轮增压器 31—废气循环冷却器 32—废气循环调节器 33—增压压力调节器 34—真空泵 35—发动机 CAN—通信系统

（1）轿车用电控泵喷嘴结构 轿车用电控泵喷嘴的结构如图3-78所示，与商用车电控泵喷嘴相比，在结构上除了加装一个由机械、液压控制的预喷控制阀23外，电磁阀安装位置也有区别，其他零部件则基本相似。

（2）轿车用电控泵喷嘴工作原理 轿车电控泵喷嘴系统工作原理如图3-79所示，可通过以下四个工作过程进行分析：

图3-78 轿车用电控泵喷嘴结构

1—球头销 2—回位弹簧 3—柱塞 4—泵体 5—铁心 6—衔铁 7—电线接头 8—平衡弹簧 9—电磁阀芯 10—线圈 11—回油孔 12—密封圈 13—进油孔（滤清网） 14—液压挡块 15—紧帽 16—密封垫片 17—针阀 18—针阀座面 19—燃烧室 20—针阀体 21—气缸盖 22—针阀弹簧 23—预喷控制阀 24—预喷控制室 25—高压腔 26—电磁阀弹簧 27—驱动凸轮 28—摇臂

图3-79 带预喷功能的泵喷嘴工作原理

a）起始位置 b）预喷 c）主喷准备 d）主喷

1—柱塞 2—高压腔 3—预喷控制阀 4—预喷控制室 5—针阀弹簧 6—高压油孔 7—盛油槽 8—针阀 9—针阀体 10—压力室 11—喷孔 12—节流孔 A—预喷控制阀上端面 B—预喷控制阀座面 C—预喷控制阀下平面 E—针阀锥面 F—针阀密封座面

1）起始位置（图3-79a）。当电磁阀未通电时，阀芯密封面处于开启状态，高、低压油路相通，泵内油路及油腔内的燃油尚未建立起高压。在针阀弹簧5的作用下，向上通过喷油控制阀3的下平面C把预喷控制阀上的座面B压在关闭状态，向下把针阀8的密封座面F压到关闭位置。

2）预喷（图3-79b）。柱塞1在凸轮的作用下，向下移动时，高压腔2内的燃油受压，产生压力。同时在控制器ECU的控制下，对电磁阀通电，因有电磁力的作用，电磁阀阀芯与阀座的密封面关闭，切断了高、低压的燃油通路。高压腔内具有一定压力的燃油分为两路流动：一路经高压油孔6流入针阀体9的盛油槽7内，作用在针阀锥面E上的垂直分力，能使针阀向上运动。另一路由节流孔12作用在预喷控制阀3的上端面A上，通过预喷控制阀3及针阀弹簧5，作用在针阀8上，阻挡针阀向上升起。

预喷控制阀在关闭状态时，作用在其上端面A的面积为πd²/4，因直径d很小，近似于节流孔12的直径，因此，其受压面积明显小于针阀锥面E的环形面积。由于作用在A面、E面上单位面积上的压力均为高压腔2内燃油压力。因此，使针阀升起的作用力要大于阻挡针阀升起的作用力。当高压腔2内的燃油压力达到针阀开启压力p₀时，会克服针阀弹簧5的预紧力，使具有压力p₀的燃油，经压力室10，从喷孔11喷入燃烧室，形成针阀第一次升起喷油，即称为预喷。预喷量通常很小，原因如下：

①电磁阀阀芯在关闭高、低压油路时，高压腔内开始产生高压到顶开针阀喷油的时刻，柱塞下移行程不大，高压腔内容积变化较小，燃油压力升高不多，因此，预喷时的压力较低（见图3-79b区的波形），到预喷结束时的最高压力p_b也不高，且针阀一旦升起，会产生预喷，预喷一旦开始，盛油槽内的燃油压力会立即下降，影响针阀继续上升。

②针阀在上升过程中，由于受预喷控制阀上端面A燃油压力的作用，限制了针阀的升起高度。预喷阶段中的最大升程也很小（见图3-79针阀升程曲线中h_b）。

由于上述喷射压力不高，针阀升程较小等因素，因此，第一次预喷量很少，大约为1.5mm³。

在预喷阶段的预喷控制阀3一直处于关闭状态。见图3-79中预喷控制阀开关位置曲线B。

3）主喷前的准备（图3-79c）由于预喷的影响，盛油槽内燃油压力迅速下降，作用在预喷控制阀下部C面上的作用力同时减小。而柱塞在凸轮的作用下，继续向下运动，高压腔2内的燃油进一步被压缩，会产生更大的压力，并通过节流孔12作用在预喷控制阀上端面A面上。因为预喷后作用在预喷控制阀下部C面的压力减小，而作用在上端面A面上的压力，由于柱塞下移却在加大，预喷控制阀会很快被向下压到机械限位位置，并通过针阀弹簧5把压力传递到针阀上，使针阀快速落座，关闭座面，预喷结束。

预喷控制阀向下移动，座面B就被打开。座面B一旦打开，高压腔2内的高压燃油立即由节流孔12快速进入预喷控制室。同时预喷控制阀上承受燃油压力的面积不再是π/4×d²，而是加大到π/4×D²，使阻挡针阀升起的作用显著加大。因此，针阀再度升起进行主喷时，必须在更大的喷油压力下才能打开座面而喷油。

4）主喷（图3-79d）。随着凸轮的旋转，柱塞继续下降，高压腔内燃油压力不断升高，当燃油压力升高到p_c时，针阀才会再度开启喷油。

由图3-79d可见，主喷时的开启压力p_c比预喷时的最高喷射压力p_b还要高，这是由于预喷控制阀打开压到机械限位位置时。针阀弹簧5压缩量最大，加上作用在预喷控制阀3上的燃油压力加大，因此，必须有更大的开启压力才能克服针阀弹簧力及作用在预喷控制阀上的燃油压力，再度打开针阀而喷油。这次喷油，由于压力高，使针阀升程由零会很快升到最大升程h_d位置。针阀升到h_d的高度后，不能继续上升。而柱塞仍在压油行程中，因此，喷油压力会不断升高，使最高喷油压力能达到p_d值，见图3-79中喷射压力波形。泵喷嘴最高喷油压力可达205MPa。喷油压力到达最大值时，喷油速率最快，喷出的油量最多。当高压腔内的燃油向盛油槽内的补充速度满足不了喷出量的要求后，喷油压力会开始降低。

由于整个主喷阶段内针阀升程大，喷油压力高，喷射速率快，延续时间长，因此，总的喷油量远大于预喷阶段的喷油量。

预喷和主喷虽然是两次喷出，但是在一个工作循环内完成，通常电磁阀通电，电磁阀阀芯密封面关闭的时刻，即为预喷的始点，关闭时间的长短，决定了喷油量的多少。

从预喷开始到主喷结束的整个喷油延续期内，针阀经历了两次升起，中间出现过落座停喷，但并未断过电，高压腔内燃油压力随柱塞下移，总在不断加大，预喷控制阀始终处于开启状态，见图3-79中预喷控制阀位置曲线S。

预喷和主喷间的短暂停喷，是由机械力和液压力来实现的，只有具备了带预喷功能的装置后，才会按上述规律喷油。