柴油机电控燃油系统详解

时间：2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：（一）电控燃油系统的分类采用电控燃油喷射系统是达到欧Ⅲ排放标准的必备条件。典型的柴油发动机电控燃油喷射系统主要有电控直列泵、电控分配泵、电控泵、电控单体泵、电控共轨系统五种，常见电控燃油喷射系统见表2-2。柴油机燃料供给系统可分为低压油路和高压油路。

柴油机电控燃油系统详解

（一）电控燃油系统的分类

采用电控燃油喷射系统是达到欧Ⅲ排放标准的必备条件。典型的柴油发动机电控燃油喷射系统主要有电控直列泵、电控分配泵、电控泵、电控单体泵、电控共轨系统五种，常见电控燃油喷射系统见表2-2。

表2-2 常见电控燃油喷射系统

1.电控直列泵燃油喷射系统

电控直列泵燃油喷射系统组件如图2-73所示。

优点：

①预行程可变，因此喷油速率可变。

②由于增加了预喷射口，可以实现预喷射。

③与原来的直列泵具有互换性，因此，汽车的发动机不需要作很大的改造。

缺点：

①喷油正时和预喷射等的控制自由度低。

②由于喷油压力与发动机转速有关，低速时喷油压力较低。

③重量大。

2.电控分配泵（VP44）燃油喷射系统

电控分配泵燃油喷射系统如图2-74所示。

图2-73 电控直列泵燃油喷射系统组件

图2-74 电控分配泵（VP44）燃油喷射系统组件

优点：

①与传统端面凸轮的分配泵相比，可以实现高压喷射。

②由于采用电磁阀来控制供油，因此可以实现预喷射。

③由于尺寸小、重量轻，安装性能好。

缺点：

①与共轨喷油系统相比，控制喷油正时和预喷射的自由度低。

②由于喷油压力与发动机转速有关，低速时的喷油压力低。

3.电控泵喷嘴（EVI）燃油喷射系统

电控泵喷嘴（EVI）燃油喷射系统如图2-75所示。

优点：

①泵喷嘴在现在使用的喷射装置中，具有最高的喷射压力。

②结构简单，可靠性和耐久性最好。

缺点：

①与共轨相比，实现喷射正时和预喷能力有限。

②与传统的直列式喷油泵相比，尽管低速时的喷油压力有所改善，但仍不太高。

③为了能在现有的发动机上安装，需对发动机进行大幅度的改造。

④喷射压力随转速变化，不能动态控制。

图2-75 电控泵喷嘴（EVI）燃油喷射系统组件

4.电控单体泵（EVP）燃油喷射系统

电控单体泵（EVP）燃油喷射系统如图2-76所示。

优点：

①与直列泵相比，由于高压油管等容积减小，故可实现高压喷射。

②结构简单，可靠性和耐久性较好。

③喷油系统成本较低，发动机总成本最低。

缺点：

①与共轨相比，实现喷射正时和预喷能力更加有限，不能后喷。

②尽管喷射压力比直列泵有所改善，但低速时的喷射压力还不够高。

③喷射压力随转速变化，不能动态控制。

④驱动转矩大。

5.电控共轨燃油系统

电控共轨燃油系统如图2-77所示。

图2-76 电控单体泵（EVP）燃油喷射系统组件

图2-77 电控共轨燃油组件

优点：

①喷射压力峰值较EUI/EUP低，但平均有效压力较高，喷油压力与转速无关。

②可以独立改变喷油正时、喷油持续期和喷油压力。

③可以实现多段喷射。

④驱动转矩、机械噪声小。

缺点：

①由于经常处于高的燃料压力下，必须在耐久性和安全性方面比柱塞式喷油泵花费更大的努力。

②由于难于实现靴形喷油率，因此难以有效控制NO_x的产生。

（二）电控共轨燃油系统

1.概述

（1）电控共轨燃油系统作用柴油机燃油供给系统的作用是储存、滤清和输送柴油，并按柴油机不同工况的要求，定时、定量、定压地将柴油以雾状形式喷入燃烧室，使其与空气迅速混合和燃烧，最后将产生的废气排入大气中。燃油供给系统工作原理框图如图2-78所示。

（2）电控共轨燃油系统构成柴油机燃油供给系统由燃料供给装置、空气供给装置、混合气形成装置、废气排气出装置等组成，见表2-3。

图2-78 燃油供给系统工作原理框图

表2-3 柴油机燃油供给系统

注：此系统中，空气滤清器、进气歧管、排气歧管、排气管、消声器及油箱等的结构、功能和工作原理与汽油机供给系统基本相同

（3）共轨喷射燃料供给装置共轨喷射燃料供给装置如图2-79所示。

图2-79 燃料供给装置组成

1—共轨 2—燃油滤清器 3—电磁泵 4—前置滤清器 5—燃油箱 6—供油箱 7—喷油器

输油泵从燃油箱内将柴油吸出，并产生一定的压力，经柴油滤清器滤去杂质后进入喷油泵，喷油泵将燃油压力提高，经高压油管送至喷油器。当燃油压力达到一定值时，喷油器将燃油以雾状喷入燃烧室，喷油器顶部回油孔泄漏的少量燃油及喷油泵低压油腔限压阀流出的过量燃油，经回油管流回燃油箱。柴油机燃料供给系统可分为低压油路和高压油路。

电控共轨燃油系统主要由燃油箱、滤清器、低压输油泵、高压油泵、溢流阀、压力传感器、高压蓄能器（燃油轨）、喷油器、ECU等组成，如图2-80所示。

电控共轨系统是通过各种传感器和开关检测出发动机的实际运行状态，通过计算机计算和处理后，对喷油量、喷油时间、喷油压力和喷油率等进行最佳控制。

图2-80 电控共轨燃油喷射系统

①低压油路。从燃油箱到喷油泵入口的这段油路，该油路中的油压是由输油泵建立的，油压一般为150～300kPa。由于输油泵供油量比喷油泵供油量大，所以过量的柴油经回油管流回油箱。

②高压油路。从喷油泵到喷油器这段油路，该油路中的油压是由喷油泵建立的，一般油压为10MPa。喷油器中渗漏的柴油经回油管流回油箱。

2.电控共轨燃油系统组成

在电控共轨燃油喷射系统中的主要部件有发动机ECU、预热控制单元（GCU）、高压油泵、高压蓄能器（燃油轨）、压力控制阀、燃油共轨压力传感器和喷油器。

（1）发动机ECU 电控各种传感器和开关检测出发动机的实际运行状态，通过发动机ECU计算和处理后，对喷油量、喷油时间、喷油压力和喷油率等进行最佳控制。

发动机ECU（见图2-81）按照预先设计的程序计算各种传感器送来的信息。经过处理后，把各个参数限制在允许的电压电平上，再发送给各相关的执行机构，执行各种预定的控制功能。

微处理器根据输入数据和存储在RAM中的数据，计算喷油时间、喷油量、喷油率和喷油定时等，并将这些参数转换为与发动机运行匹配的随时间变化的电量。由于发动机的工作是高速变化的，而且要求计算精度高，处理速度快，因此ECU的性能应当随发动机技术的发展而发展，微处理器的内存越来越大，信息处理能力越来越高。

发动机ECU主要功能：

喷油方式控制——多次喷射（现用的为主喷射和预喷射两次）。

喷油量控制——预喷射量自学习控制、减速断油控制。

喷油正时控制——主喷正时、预喷正时、正时补偿。

轨压控制——正常和快速轨压控制、轨压建立、喷油器泄压控制、轨压Limp home控制。

转矩控制——瞬态转矩、加速转矩、低速转矩补偿、最大转矩控制、瞬态冒烟控制、增压器保护控制。

其他控制——过热保护、各缸平衡控制、EGR控制、VGT控制、辅助起动控制（电动机和预热塞）、系统状态管理、电源管理、故障诊断。

（2）预热控制单元预热控制单元（GCU）用于确保有效的冷起动并缩短暖机时间，这一点与废气排放有着十分密切的关系。预热时间是发动机冷却液温度的一个函数。在发动机起动或实际运转时电热塞的通电时间由其他一系列的参数（如喷油量和发动机的转速等）确定。

新的电热塞因其能快速达到点火所需的温度（4s内达850°C），以及较低的恒定温度而性能超群，电热塞的温度因此而限定在一个临界值之内。因此，在发动机起动后电热塞仍能保持继续通电3min，这种后燃性改善了起动和暖机阶段的噪声和废气排放。

成功起动之后的后加热可确保暖机过程的稳定、减少排烟、减少冷起动运行时的燃烧噪音。如果起动未成功，则电热塞的保护线路断开，防止了蓄电池过度放电。

（3）高压油泵高压油泵的主要作用是将低压燃油加压成高压燃油储存在共轨内，等待ECU的指令。供油压力可以通过压力限制器进行设定。所以，在共轨系统中可以自由地控制喷油压力。

博世公司电控共轨系统中采用的供油泵如图2-82所示。

供油泵连接低压油路和高压油路，它的作用是在车辆所有工作范围和整个使用寿命期间准备足够的、已被压缩了的燃油。除了供给高压燃油之外，它的作用还在于保证快速起动过程和共轨压力迅速上升时所需要的燃油储备、持续产生高压燃油存储器（共轨）所需的系统压力。

图2-81 博世公司发动机ECU

工作原理：高压油泵产生的高压燃油被直接送到燃油蓄能器或油轨中，高压油泵由发动机通过联轴器、齿轮、链条、齿形带中的一种驱动且以发动机转速的一半转动。高压油泵工作原理如图2-83所示，在高压油泵总成中有三个泵油柱塞，泵油柱塞由驱动轴上的凸轮驱动进行往复运动，每个泵油柱塞都有弹簧对其施加作用力，以免泵油柱塞发生冲击振动，并使泵油柱塞始终与驱动轴上的凸轮接触。当泵油柱塞向下运动时，即通常所称的吸油行程，进油单向阀将会开启，允许低压燃油进入泵油腔，在泵油柱塞到达下止点时，进油阀将会关闭，泵油腔内的燃油在向上运动的泵油柱塞作用下被加压后泵送到蓄能油轨中，高压燃油被存储在蓄能油轨中等待喷射。

（4）高压蓄能器（燃油轨）燃油轨是将供油泵提供的高压燃油经稳压、滤波后，分配到各喷油器中，起蓄压器的作用。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振荡，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，以保证燃油轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。

在燃油轨（如图2-84所示）上还装配有燃油压力传感器、泄压阀、限压阀等。

①燃油压力传感器。燃油压力传感器以足够的精度，在相应较短的时间内，测定共轨中的实时压力，并向ECU提供电信号。燃油压力传感器如图2-85所示。

燃油经一个小孔流向共轨压力传感器，传感器的膜片将孔的末端封住。高压燃油经压力室的小孔流向膜片。膜片上装有半导体型敏感元件，可将压力转换为电信号。通过连接导线将产生的电信号传送到一个向ECU提供测量信号的求值电路。

图2-82 高压油泵结构图

图2-83 高压油泵工作原理

图2-84 燃油轨

图2-85 共轨压力传感器

工作原理：当膜片形状改变时，膜片上涂层的电阻发生变化。这样，由系统压力引起膜片形状变化（150MPa时变化量约1mm），促使电阻值改变，并在用5V供电的电阻电桥中产生电压变化。电压在0～70mV之间变化（具体数值由压力而定），经求值电路放大到0.5～4.5V。精确测量共轨中的压力是电控共轨系统正常工作的必要条件。为此，压力传感器在测量压力时允许偏差很小。在主要工作范围内，测量精度约为最大值的2%。共轨压力传感器失效时，具有应急行驶功能的调压阀以固定的预定值进行控制。

②燃油轨调节阀。调压阀的作用是根据发动机的负荷状况调整和保持共轨中的压力。当共轨压力过高时，调压阀打开，一部分燃油经集油管流回油箱。当共轨压力过低时，调压阀关闭，高压端对低压端密封。

博世公司电控共轨系统中的调压阀（图2-86）有一个固定凸缘，通过该凸缘将其固定在供油泵或者共轨上。电枢将一钢球压入密封座，使高压端对低压端密封。为此，一方面弹簧将电枢往下压，另一方面电磁铁对电枢作用一个力。为进行润滑和散热，整个电枢周围有燃油流过。

调压阀有两个调节回路：一个是低速电子调节回路，用于调整共轨中可变化的平均压力值；另一个是高速机械液压式调节回路，用以补偿高频压力波动。

工作原理：调压阀不工作时，共轨或供油泵出口处的压力高于调压阀进口处的压力。

由于无电流的电磁铁不产生作用力，当燃油压力大于弹簧力时，调压阀打开，根据输油量的不同，保持打开程度大一些或小一些，弹簧的设计负荷约10MPa。

图2-86 燃油轨调压阀结构

调压阀工作时，如果要提升高压回路中的压力，除了弹簧力之外，还需要再建立一个磁力。控制调压阀，直至磁力和弹簧力与高压压力之间达到平衡时才被关闭。然后调压阀停留在某个开启位置，保持压力不变。当供油泵改变，燃油经喷油器从高压部分流出时，通过不同的开度予以补偿。电磁铁的作用力与控制电流成正比。控制电流的变化通过脉宽调制来实现。调制频率为1kHz时，可以避免电枢的干扰运动和共轨中的压力波动。(www.xing528.com)

③限压阀限压阀是控制燃油轨中的压力，防止燃油压力过大，相当于安全阀，当共轨中燃油压力过高时，打开放油孔卸压。丰田公司电控共轨系统中的限压阀（如图2-87所示），主要由球阀、阀座、压力弹簧及回油孔等组成。

当燃油轨油道内的油压大于压力弹簧的压力时，燃油推开球阀，柴油通过泄压孔和回油油路流回燃油箱中。当燃油轨油道内的油压不超过压力弹簧时，球阀始终关闭泄压孔，以保持油道内油压的稳定。

（5）电控喷油器电控喷油器是共轨系统中最关键和最复杂的部件，也是设计、工艺难度最大的部件。ECU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的燃烧室。

为了实现有效的喷油始点和精确的喷油量，共轨系统采用了带有液压伺服系统和电子控制元件（电磁阀）的专用喷油器。博世电控喷油器的代表性结构如图2-88所示。

图2-87 限压阀结构

图2-88 Bosch共轨式喷油器

a）喷油器实物剖面图 b）喷油关闭状态（不喷油） c）喷油器开启状态（喷油）

喷油器可分为以下几个功能组件：孔式喷油器、液压伺服系统和电磁阀等。

工作原理：燃油从高压接头经进油通道送往喷油嘴，经进油节流孔送入控制室。控制室通过由电磁阀打开的回油节流孔与回油孔连接。

回油节流孔在关闭状态时，作用在控制活塞上的液压力大于作用在喷油器针阀承压面上的力，因此喷油器针阀被压在座面上，从而没有燃油进入燃烧室。

电磁阀动作时，打开回油节流孔，控制室内的压力下降，当作用在控制活塞上的液压力低于作用在喷油器针阀承压面上的作用力时，喷油器针阀立即开启，燃油通过喷油孔喷入燃烧室，如图2-88a所示。由于电磁阀不能直接产生迅速关闭针阀所需的力，因此，经过一个液力放大系统实现针阀的这种间接控制。在这个过程中，除喷入燃烧室的燃油量之外，还有附加的所谓控制油量经控制室的节流孔进入回油通道。

在发动机和供油泵工作时，喷油器可分为喷油器关闭（存有高压）、喷油器打开（喷油开始）、喷油器关闭（喷油结束）三个工作状态。

①喷油器关闭（存有高压）。电磁阀在静止状态不受控制，因此是关闭的，如图2-88b所示。

回油节流孔关闭时，电枢的钢球受到阀弹簧弹力压在回油节流孔的座面上。控制室内建立共轨的高压，同样的压力也存在于喷油器的内腔容积中。共轨压力在控制柱塞端面上施加的力及喷油器调压弹簧的力大于作用在针阀承压面上的液压力，针阀处于关闭状态。

②喷油器打开（喷油开始）。喷油器一般处于关闭状态。当电磁阀通电后，在吸动电流的作用下迅速开启，如图2-88c所示。当电磁铁的作用力大于弹簧的作用力时回油节流孔开启，在极短时间内，升高的吸动电流成为较小的电磁阀保持电流。随着回油节流孔的打开，燃油从控制室流入上面的空腔，并经回油通道回流到油箱。控制室内的压力下降，于是控制室内的压力小于喷油器内腔容积中的压力。控制室中减小了的作用力引起作用在控制柱塞上的作用力减小，从而针阀开启，开始喷油。

针阀开启速度决定于进、回油节流孔之间的流量差。控制柱塞达到上限位置，并定位在进、回油节流孔之间。此时，喷嘴完全打开，燃油以近于共轨压力喷入燃烧室。

③喷油器关闭（喷油结束）如果不控制电磁阀，则电枢在弹簧力的作用下向下压，钢球关闭回油节流孔。

电枢设计成两部分组合式，电枢板经一拔杆向下引动，但它可用复位弹簧向下回弹，从而没有向下的力作用在电枢和钢球上。

回油节流孔关闭，进油节流孔的进油使控制室中建立起与共轨中相同的压力。这种升高了的压力使作用在控制柱塞上端的压力增加。这个来自控制室的作用力和弹簧力超过了针阀下方的液压力，于是针阀关闭。针阀关闭速度决定于进油节流孔的流量。

（6）燃烧室柴油混合气的形成和燃烧都是在燃烧室内进行的，所以燃烧室的结构形状对可燃混合气的形成和燃烧有直接的影响。根据混合气的形成方式及燃烧室的结构特点，柴油机燃烧室可分为直接式燃烧室和分隔式燃烧室两种。如图2-89所示。

①直接式燃烧室。直接喷油燃烧室呈浅盆形或t形，喷油器的喷嘴直接伸入燃烧室。这种燃烧室配用孔式喷油器，可选配双孔或多孔喷油嘴，可选用ω形活塞和球形活塞，如图2-90所示。

②分隔式燃烧室。燃烧室被分隔成两部分，一部分位于活塞顶部，称为主燃烧室，另一部分在气缸盖内，称为副燃烧室，副燃烧室又有涡流室和预燃室两种，如图2-91所示为涡流室式燃烧室。主燃烧室与涡流室有通道相连。分隔式燃烧室一般采用轴针式喷油器。

图2-89 ω型直接喷油燃烧室

图2-90 直接喷油燃烧室选配的活塞

图2-91 涡流室式燃烧室

3.电控共轨燃油系统原理

燃油由发动机凸轮轴驱动的齿轮泵经滤清器从油箱中抽出，通过一个电磁紧急关闭阀流入供油泵。此时的压力约为0.2MPa。燃油分为两路，一路经安全阀上的小孔作为冷却油通过供油泵的凸轮轴室流入压力控制阀，然后流回油箱。另一路充入3柱塞供油泵。在供油泵内，燃油压力上升到135MPa，供入共轨。共轨上有一个压力传感器和一个通过切断油路来控制流量的压力控制阀。用这种方法来调节控制单元设定的共轨压力。高压燃油从共轨流入喷油器后又分为两路：一路直接喷入燃烧室，另一路在喷油期间与针阀导向部分和控制柱塞处泄漏的燃油一起流回油箱。电控高压共轨燃油系统原理如图2-92所示。

图2-92 电控高压共轨燃油系统原理

燃油在油箱中，供油泵将燃油加压后供入共轨中。这时，供油泵控制阀（PCV）根据ECU来的控制指令严格控制供入共轨中的燃油量。从而控制共轨中的燃油压力，也就是电控共轨系统的喷油压力。如图2-93所示。

图2-93 共轨系统的概念图

电磁阀①具有三项基本功能：

①控制喷油量（代替调速器）。

②控制喷油时间（代替提前器）。

③控制喷油率。

电磁阀②也具有三项基本功能：

①控制喷油压力。

②降低噪声。

③降低驱动转矩。

目前挖掘机用直喷柴油机大多数采用四气门、涡轮增压、废气再循环（EGR）以及中冷技术，要求配套灵活的燃油喷射系统。高性能的、适应性好的、采用压电晶体管作为执行器的电控共轨燃油系统能够满足将来燃油喷射系统的要求。

图2-94 共轨喷油系统组成

4.电控共轨喷油工作原理

（1）电控共轨喷油按功能分为燃油供给系统和控制系统如图2-94所示。燃油供给系统的基本工作原理是，供油泵将燃油加压成高压，供入共轨内。共轨实际上是一种燃油分配管。储存在共轨内的燃油在适当的时刻通过喷油器喷入发动机气缸。电控共轨系统中的喷油器是一种由电磁阀控制的喷油阀，电磁阀的开启和关闭由计算机控制。

（2）电控共轨燃油喷射的特点与传统喷射系统相比，电控共轨柴油喷射系统主要特点如下：

①自由调节喷油量。以发动机的转速及油门开度信息等为基础，由计算机计算出最佳喷油量，通过控制喷油器电磁阀的通断电时刻直接控制喷油参数。

②自由调节喷油压力（共轨压力）。利用共轨压力传感器测量共轨内的燃油压力，从而调整供油泵的供油量、控制共轨压力。共轨压力就是喷油压力。此外，还可以根据发动机转速、喷油量的大小及设定的最佳值（指令值）始终一致地进行反馈控制。

③自由调节喷油率形状。根据发动机用途的需要，设置并控制喷油率形状：预喷射、后喷射、多段喷射等。

④自由调节喷油时间。根据发动机的转速和负荷等参数计算出最佳喷油时间，并控制电控喷油器在适当的时刻开启，在适当的时刻关闭等，从而准确控制喷油时间。

（3）电控共轨燃油喷射工作过程

①喷油量控制。基本喷油量主要是由加速踏板位置和发动机转速两个基本参数决定；最大喷油量是由发动机转速决定。发动机ECU通过比较基本喷油量和最大喷油量的大小，最后取两个喷油量中小的一个作为最终实际喷油量。电控共轨燃油喷射系统喷油量控制原理如图2-95所示。

图2-95 喷油量控制原理

a.基本喷油量。基本喷油量是由发动机转速和油门开度决定的。如果发动机转速保持一定，油门开度大，则喷油量增加（如图2-96所示）。

b.最大喷油量。由发动机转速决定的最大基本喷油量中，还要加上全负荷喷油量补偿电阻的修正喷油量和燃油温度补偿喷油量，如图2-97所示。

c.起动喷油量。进入起动模式必须满足以下三个条件：起动装置在ON状态；发动机转速低于某一规定值；加速旋钮开大50%。在起动模式下的喷油量取决于发动机转速和冷却液温度这两个参数，如图2-98所示。

图2-96 基本喷油量

图2-97 最大喷油量

图2-98 起动喷油量

另外，发动机在起动时，由喷油器启动Q调整，修正发动机的起动转速和喷油量的关系。如图2-99所示。

喷油量控制、修正预热控制QOS（快速起动/急速起动）系统，ECM根据发动机冷却液温度决定预热（起动前预热、预热、起动后预热）时间，控制预热塞继电器和QOS指示灯的操作。QOS系统是一种可使低温起动变得更容易，同时可降低起动冒白烟和起动噪声的系统。将钥匙开关置于ON后，ECM将根据发动机冷却液温度（ECT）传感器发出的信号检测出发动机冷却液的温度，通过调节预热发光时间，在各种条件下都可获得适当的起动条件。另外，利用起动后预热功能，也可使刚起动后的怠速运转更加平稳。