高压共轨喷油器的基本工作原理

下面以典型德国BOSCH公司车用柴油机使用的两位两通高速电磁阀控制的高压共轨喷油器为例介绍高压共轨喷油器的基本工作原理。如图5-26所示，其中图5-26a为喷油器总体结构，图5-26b为两位两通高速电磁阀的局部放大图，图5-26c为喷油器的控制腔的局部放大图。

其中包括：

①高速电磁阀部件。包括：动铁心（衔铁）21、励磁线圈3、复位弹簧20、静铁心19、回油口1、辅助弹簧17、动铁心支撑杆23、大调整垫圈18、小调整垫圈16、钢球5。

②控制柱塞及控制柱塞套部件。包括：控制柱塞9、控制柱塞套15、出油阻尼孔6、进油阻尼孔7。

③喷油嘴部件。包括：针阀12、针阀体13、针阀复位弹簧14以及喷油器体22等。

根据图5-26所示的喷油器的结构简化的该喷油器的工作原理示意图，如图5-27所示。

高压共轨喷油器的工作过程可以分为四个阶段：

①针阀关闭（喷射开始前）。

②针阀开始升起时刻（喷油始点）。

③针阀最大升程。

④针阀关闭（喷油结束）。

1.针阀关闭状态（见图5-27a）

喷油器的高速电磁阀未通电时，衔铁4在电磁阀复位弹簧11的作用下，向下运动，使球阀5落座关闭了出油节流孔12，这时控制腔6内虽有高压燃油作用，但由于球阀5的直径很小（大约为1.3mm），此钢球与圆锥形阀座形成的密封圆锥面的内径更小，因此高压燃油作用在球阀5上压力很小，无法推开球阀5，球阀5因此处于关闭状态，这时针阀16承受着下列几种作用力。

1）使针阀16抬起开启的作用力：来自共轨管的高压燃油作用在针阀锥面8和针阀下端圆锥面上的垂直向上分力。

2）使针阀16保持在关闭状态时的向下作用力：

①控制柱塞15上端面的燃油压力通过控制柱塞15作用在针阀16上端面上的压力。

②针阀复位弹簧7作用在针阀上的压力。

图5-26 德国BOSCH公司的典型高压共轨喷油器总成

a）高压共轨喷油器总成 b）高压共轨喷油器的高速电磁阀 c）高压共轨喷油器的控制腔 1—回油口 2—电气接头 3—励磁线圈 4—高压油进口 5—钢球 6—出油阻尼孔 7—进油阻尼孔 8—控制腔 9—控制柱塞 10—高压油道 11—针阀盛油槽 12—针阀 13—针阀体 14—针阀复位弹簧 15—控制柱塞套 16—小调整垫圈 17—辅助弹簧 18—大调整垫圈 19—静铁心 20—复位弹簧 21—动铁心（衔铁） 22—喷油器体 23—动铁心支撑杆

图5-27 德国BOSCH公司的典型高压共轨喷油器的工作原理图

a）未开始喷油 b）开始喷油 c）结束喷油 1—回油孔 2—静铁心励磁线圈 3—辅助弹簧 4—动铁心（衔铁） 5—球阀 6—控制腔 7—针阀复位弹簧 8—针阀锥面 9—高压油道 10—喷油孔 11—电磁阀的复位弹簧 12—出油节流孔 13—高压燃油进口 14—进油阻尼孔 15—控制柱塞 16—针阀

此时，喷油器体中控制柱塞套中控制腔6和针阀16中的蓄压腔（盛油槽）的压力都等于共轨压力，而控制柱塞15上端面的燃油作用面积大于针阀锥面8和针阀下端圆锥面上的垂直投影面积，因此作用于控制柱塞15上端的控制腔6的燃油压力与针阀复位弹簧7的作用力一起使针阀16关闭，喷油器处于不喷油状态，如图5-27a所示。

2.针阀开始升起（喷油始点，见图5-27b）

针阀16处于喷油前的静止状态，当电控单元发出指令开始喷油时，电磁阀的线圈2开始通电，为提高电磁阀的响应速度，以高电压、大电流驱动电磁阀线圈2，使电磁铁迅速产生足够的电磁吸力，吸合衔铁4克服电磁阀复位弹簧11的预紧力，快速上移，球阀5在控制腔6内高压燃油的作用下升起，出油节流孔12开启，控制腔6内的高压燃油从出油节流孔12流向其上方低压腔，并从该低压腔经回油管1流回油箱。出油节流孔12开启后，控制腔6内的燃油立即卸压，使作用在控制活塞15上端面的燃油压力迅速降低，而这时作用在针阀锥面8和针阀下端圆锥面上的垂直向上燃油压力，由于进油节流孔的阻尼作用，虽然有一定程度的下降（因为此时进、出油节流孔均开启，因此来自共轨管的一部分高压燃油会经过进油节流孔14、控制腔6、出油节流孔12泄走），但基本保持有足够的压力，使针阀16能克服针阀复位弹簧11的预紧力快速升起，使来自共轨管的高压燃油，从针阀下端圆锥面和与其配合的针阀体内圆锥形座面之间形成的通道经针阀压力室的喷孔10喷入燃烧室，如采用无压力室针阀偶件，则针阀16升起后，高压燃油会直接从喷孔喷入气缸。与此同时，由于衔铁4上升被吸合，电磁铁的静铁心和衔铁4之间的吸合面气隙δ减小，此时电磁铁的吸力大幅度的增长，因此电磁阀起动时的大电流可以降低到电磁铁保持吸合所需的维持电流即可。

因为针阀16升起与喷油开始几乎是同时发生，因此，把针阀升起的瞬间称为喷油始点。

3.针阀最大升程(www.xing528.com)

针阀16从静止状态的升程为零，开始升起到最大升程，需要一个升起过程，在这过程中喷油一直在进行。

针阀升程由零到最大的过程中，针阀尖端圆锥面和与其配合的针阀体内圆锥形座面之间形成的通道的开度由全关到全开，流经此通道的高压燃油的节流阻力由最大到最小，不同的开度会产生不同的节流阻力，对喷油量产生不同的影响。

针阀的升起速度影响着喷油量和喷油规律，而针阀的上升速度取决于进、出节流孔尺寸大小的绝对值，及两孔间的相对值（即孔径比）以及针阀的复位弹簧等诸多因素。

针阀在升起过程中，控制活塞15同时上移，使控制腔6内的容积逐渐减小，这时如果控制室内无燃油流出，则其内部压力会不断升高，并将阻挡针阀16升程的加大。由于与控制腔6相通的不仅有出油节流孔12，还有进油节流孔14，当控制腔6内因部分燃油流出后，产生一定压降的同时，来自共轨管的高压燃油，从进油节流孔15经节流后不断向控制腔6内补充，又使控制腔6内压力回升，由此可见，针阀16在升起过程中，控制腔6内燃油有出、有进，为了保证针阀升起能连续进行，要求出得快、进得慢，因此，出油节流孔的直径一般要大于进油节流孔的直径。

上述分析表明，出油节流孔12直径大于进油节流孔14时，会使针阀16具有一定的上升速度，但如果出油节流孔直径与进油节流孔直径差距过大，会使针阀上升速度过快，造成初始喷油速率过高，会影响柴油机的噪声及排放；如果出油节流孔12与进油节流孔14直径差距过小，针阀上升速度又会过慢，造成初始喷油速率过低，同样会影响柴油机性能。

从针阀开始升起的喷油始点到喷油终点，喷油压力基本保持在与共轨管的燃油压力相等的高压状态下进行。喷油量决定于针阀的开启持续期（决定于电控单元输出的脉宽）、针阀16的喷孔10流量特性、喷油压力及针阀16升程。

4.针阀关闭（喷油结束，见图5-27c）

当喷油脉宽满足要求后，电磁阀在电控单元的指令下，切断电磁铁线圈2的电流，电磁力消退，电磁阀复位弹簧11推衔铁4使其向下运动，使球阀5落座关闭出油节流孔12。

虽然出油节流孔12关闭，但由于进油节流孔14始终开启，因此来自共轨管的高压燃油从进油节流孔14进入控制腔6内后，控制腔6内的燃油只进不出，因此，压力会很快升高，达到共轨管的燃油压力。这种高压作用在控制活塞上端面上，所形成的压力与针阀复位弹簧7的作用力，很快超过了针阀锥面8和针阀下端圆锥面向上的燃油压力，针阀迅速下降落座，关闭喷孔10，喷油结束。

针阀的关闭速度取决于通过进油节流孔14的流量，针阀从下移开始直至最后落座，才把喷孔10通道关闭，喷油停止。

由于共轨中的压力一直存在，所以任何时刻喷油器都可以在电磁阀的控制下喷油、停油，这也为柴油机在每个工作循环内实现多次喷射，创造了有利条件，这也是传统的脉动时间控制系统无法与之比拟的。

5.高压共轨喷油器的高速电磁阀的控制

电磁阀的控制可以划分为五个阶段（见图5-28）。

1）电磁铁大电流起动阶段。为了使静止的电磁阀衔铁4能迅速起动，由电控单元对电磁阀的电磁铁线圈施加约50V（不同的电磁铁的驱动高电压会不同）的高电压，使电磁铁的线圈电流快速上升到约20A（不同的电磁铁的大电流不同）的大电流，所产生的电磁力能使电磁阀克服静态惯性迅速起动，图5-28中的a区所示。

2）电磁铁大电流保持阶段。起动电流上升到约20A，电控单元的电流调节系统限制其不再上升，此刻，电磁阀衔铁4开始移动，为保证衔铁4能高速移动，需要大电流维持片刻不变，见图5-28中的b区，在b区内衔铁在快速移动，衔铁4的升程h迅速加大。

3）电磁铁从大电流到保持电流的过渡阶段。当电磁阀衔铁4升程h到最大位置，衔铁4与静铁心吸合极面间的气隙最小，关闭出油节流孔的球阀5已全开，喷油己开始，这时把电磁铁的线圈的驱动电流降到较低的维持（保持）电流，所产生的电磁吸力就足够把衔铁4吸合在最小气隙位置，球阀5保持在开启状态。球阀5开启，针阀上升。图5-28中的c区即电磁铁线圈驱动电流由最大电流向维持电流的过渡区。

4）电磁铁的保持电流阶段。为降低能耗，防止烧坏电磁铁的线圈，将最大电流降低到维持电流，见5-28中的d区，在d区内保持电流约为13A（不同的电磁铁的保持电流不同），球阀5处于开启状态。针阀16升程保持在最高位置。

图5-28 德国BOSCH公司的典型高压共轨喷油器的单次喷射时的时序图

a—电磁铁大电流启动阶段 b—电磁铁大电流保持阶段 c—电磁铁从大电流到保持电流的过渡阶段 d—电磁铁的保持电流阶段 e—电磁铁断电

5）电磁铁断电。喷油结束后，切断电磁阀线圈的驱动电流，电磁阀衔铁4在复位弹簧11的作用下，关闭球阀，针阀落座。

6.高压共轨喷油器中的针阀偶件

中小功率柴油机装上高压共轨喷油系统后，其高压共轨喷油器中一般采用直径为4mm的P系列孔式针阀偶件。这些针阀偶件通常有两类：

①有压力室针阀偶件。

②无压力室针阀偶件。

上述P系列针阀偶件的结构和尺寸与机械控制的喷油系统针阀偶件基本相同。但由于高压共轨喷油系统对性能要求很高，因此，对针阀偶件的精度要求更高、质量控制更严，另外为了提高喷射特性，针阀要进行特殊的表面处理。