柴油机电控系统：汽车发动机燃油喷射技术

知识目标:

(1)了解柴油机电控燃油喷射系统发展、特点、功能;

(2)了解位置控制式电控燃油喷射系统的结构与控制特点;

(3)了解时间控制式电控燃油喷射系统的结构与控制特点;

(4)掌握柴油机电控燃油喷射系统的基本组成;

(5)掌握共轨式电控燃油喷射系统的结构与控制特点。

能力目标:

(1)能够认识柴油机电控燃油喷射系统的零部件;

(2)能够分析各类电控燃油喷射系统工作过程;

(3)能够对柴油机电控燃油喷射系统的零部件进行检修。

一、任务分析

柴油机电控燃油喷射系统经历了从位置控制共轨式、时间控制式、共轨式三个阶段的变化，每一阶段都有不同的结构与控制特点。本任务主要学习，柴油机电控燃油喷射系统的发展、特点、功能、基本组成，第一代、第二代、第三代电控燃油喷射系统结构与控制特点。通过任务学习，掌握柴油机电控燃油喷射系统零部件的检修方法。

二、相关知识

(一)柴油机电控燃油喷射系统概述

1. 柴油机电控燃油喷射技术的发展

自20世纪70年代以来，以微机为控制单元的电控技术在汽车发动机上被广泛应用并逐步形成现代汽车发动机电控系统，柴油机也开始了电子控制的进程。电控技术在柴油机供给系统中的应用，主要体现在喷油量、喷油正时、喷油速率和喷油压力等控制方式上。在柴油机的电控系统中，最早研究并实现产业化的是电控柴油喷射系统，到目前为止已经经历了三代变化。

(1)第一代电控柴油喷射系统:位置控制式。其特点是不仅保留了传统的喷油泵——高压油管——喷油器系统，而且还保留了喷油泵中齿条、齿圈、滑套、柱塞上控油螺旋槽等控制油量的传动机构，只是对齿条或滑套的运动位置控制，由原来的机械调速器控制改为电子控制，使控制精度和响应速度得以提高。但是控制自由度小，喷油率和喷射压力难于控制。典型系统有直列泵和分配泵，直列泵通过控制喷油泵齿杆位移来控制喷油量，通过控制液压提前器来实现喷油正时控制;分配泵是通过控制滑套位移来控制喷油量，控制VE泵上的提前器或改变凸轮相位来进行喷油正时控制。

(2)第二代电控柴油喷射系统:时间控制式。采用高速电磁阀直接控制高压燃油的喷射。其特点是可以保留原来的喷油泵——高压油管——喷油器系统，也可以用新型的燃油系统。喷油泵的设计自由度提高，高压喷油能力大大加强。但是喷油系统喷油压力对转速的依赖性很大。在低速、低负荷时，其喷油压力不高，而且难以实现多次喷射，极不利于降低柴油机的噪声和振动。

(3)第三代电控柴油喷射系统:共轨式。这是一种新型柴油机电控喷油系统，它使用一个高压油泵在柴油机的驱动下，以一定的速比连续将高压燃油输送到公共容器内，称为共轨，高压燃油再由共轨送入各缸喷油器。这种系统喷射压力高(最高已达200MPa)，且不依赖发动机转速，可以改善发动机低速、低负荷性能;可以实现预喷射，调节喷油速率形状，实现理想喷油规律;使发动机油耗、烟度、噪声及排放等性能指标得到明显改善，并有利于改进发动机转矩特性;结构简单，可靠性好，适应性强。

2. 柴油机电控燃油喷射系统的特点

(1)提高发动机的动力性和经济性。

传统的柴油机燃料供给系统中喷油量、供油正时都是通过机械装置调整的，工作过程中会产生误差。柴油机采用电控技术后，ECU根据传感器信号精确计算喷油量和供油正时。由于其控制精度高、控制自由度大、控制功能齐全，因而能实现整个运行范围内参数优化，从而提高发动机的动力性和经济性。

(2)降低氮氧化物和微粒的排放。

为了减少NOx排放量，采用废气再循环(EGR)系统，而废气再循环又会增加微粒的排放。柴油机排放的微粒，主要是在燃烧时燃料暴露在局部高温缺氧的环境中，产生热分解而生成的游离碳。采用柴油机电控燃油喷射系统，可精确地将喷油量控制在不超过冒烟界限的适当范围内，同时根据发动机工况调节喷油时刻，从而有效地抑制发动机排放。

(3)提高发动机运转稳定性。

采用柴油机电控燃油喷射系统，电子式反馈控制电路的响应特性很好，故不会产生游车。无论负荷怎样增减，都能保证发动机怠速工况下以最低的转速稳定运转，有利于提高其经济性。

(4)改善低温起动性。

在常规起动时，驾驶员先使发动机减压以提高转速，再返回压缩状态，起动预热塞使之迅速着火，这一系列操作十分麻烦，如果操作不熟练，很容易因反复起动而导致蓄电池放电过度;而电子控制系统则能够以最佳的程序替代驾驶员进行这种起动操作，并能精确地控制预热塞通电时间，使柴油机低温起动更容易控制。

(5)控制涡轮增压。

普通的增压器不能够兼顾柴油机的高速工况和低速工况。在柴油机的低速工况下，废气流量和能量相对较小，很难将增压器的转速提高到期望的水平;而在高速工况下，由于废气流量和能量都较高，导致涡轮速度过高，可靠性和寿命下降。为了兼顾高速和低速工况，有必要对增压装置进行精确地控制，采用电子控制技术无疑是最好的选择。

(6)适应性广。

只要改变ECU的控制程序和数据，一种喷油泵就能广泛应用在各种柴油机上，而且柴油机燃油喷射控制可与变速器控制、怠速控制等各种控制系统进行组合实现集中控制，有利于缩短柴油机电控燃油喷射系统开发周期，并降低成本，从而扩大柴油机电控燃油喷射系统的应用范围。

(7)控制精度高、响应快。

由于输入、输出信号实现了数字化传输，计算机控制系统的控制精度远远高于机械控制和模拟电路控制。控制系统从接收到一个信息开始，到处理完毕并输出控制信号所需的时间一般为毫秒级，这个时间要远远小于发动机或其他机械控制机构的响应时间。因此，一旦发动机及其系统的运行参数或状态稍微偏离目标值，微机控制系统就能立即进行跟踪并予以实时调解和控制。正是由于响应快这一特点，使得计算机控制系统能实现机械控制系统所不能实现的一系列功能。

3. 柴油机电控燃油喷射系统的功能

随着柴油机电控技术的发展，柴油机电控燃油喷射系统从最基本的燃油喷射控制，即喷油量控制和喷油正时控制，已发展到对喷油速率控制和喷油压力控制在内的多项控制功能;即从单一的燃油喷射控制发展到怠速控制、进气控制、增压控制、排放控制、起动控制、巡航控制、故障自诊断和失效保护等控制。

(1)燃油喷射控制。

燃油喷射控制主要包括:喷油量控制、喷油正时控制、喷油速率控制和喷油压力控制等。

①喷油量控制。

喷油量控制是指在柴油机起动、怠速、正常运行等各种工况下，ECU根据发动机转速信号、负荷信号(加速踏板位置信号)和内存控制模型来确定基本喷油量，再根据冷却液温度信号、进气温度信号、起动开关信号、空调开关信号、反馈信号等对喷油量进行修正，是柴油机电控燃油喷射系统最主要的控制功能之一。

②喷油正时控制。

喷油正时控制是指在柴油机电控燃油喷射系统中，ECU根据发动机转速信号、负荷信号和内存的控制模型来确定基本的喷油提前角，再根据反馈信号进行修正，是柴油机电控燃油喷射系统最主要的控制功能之一。

③喷油速率和喷油规律的控制。

喷油速率和喷油规律的控制是指在柴油机电控燃油喷射系统中，ECU以柴油机转速信号和负荷信号作为主控制信号，按预设的程序确定最佳的喷油速率和喷油规律。

④喷油压力的控制。

喷油压力的控制是指在柴油机电控燃油喷射系统中，ECU以柴油机转速信号和负荷信号作为主控制信号，按预设的程序确定最佳的喷油压力，并对喷油压力进行闭环控制。

(2)怠速控制。

柴油机的怠速控制主要包括怠速转速的控制和怠速时各缸均匀性的控制。

①怠速转速的控制。

怠速转速的控制是指怠速工况时，ECU以柴油机转速信号和负荷信号作为主控制信号，按内存程序确定怠速时的喷油量，并根据冷却液温度信号、进气温度信号、空调开关信号、转速(反馈)信号等，对怠速喷油量进行修正控制，使怠速转速保持稳定。

②各缸均匀性的控制。

各缸均匀性的控制是指在共轨式第二代柴油机电控燃油喷射系统中，由ECU分别对各缸的喷油器进行控制(顺序喷射控制)，ECU可以通过精确测定曲轴转速，根据各缸做功行程中曲轴转速的变化确定各缸喷油量的偏差，然后进行补偿调节。

(3)进气控制。

柴油机的进气控制主要包括进气节流控制、可变进气涡流控制和可变配气正时控制。

①进气节流控制。

进气节流控制是指ECU主要根据柴油机转速信号和负荷信号，控制设在进气管中的节气门开度，以满足不同工况对进气流量的不同要求。

②可变进气涡流控制。

可变进气涡流控制是指ECU以柴油机转速和负荷作为主控制信号，按内存的程序对进气涡流强度进行控制，以满足不同工况对进气涡流强度的不同要求。

③可变配气正时控制。

可变配气正时控制是指ECU根据柴油机转速信号和负荷信号，按内存程序对配气正时进行控制，以满足不同工况对配气正时的不同要求。

(4)增压控制。

柴油机工作时，ECU根据转速信号、负荷信号、增压压力信号等，通过控制废气旁通阀的开度或废气喷射器的喷射角度、增压器涡轮废气进口截面大小等措施，实现对废气涡轮增压器工作状态和增压压力的控制，以改善柴油机的扭矩特性，提高加速性能，降低排放和噪声。

(5)排放控制。

柴油机工作时，ECU主要根据柴油机转速和负荷信号，按内存程序控制EGR阀开度，以调节EGR率。

(6)排放后处理系统控制。

为了进一步降低柴油机有害气体的排放，除了在燃烧环节尽量降低有害排放物的生成外，还可采取排放后处理措施。

(7)起动控制。

柴油机冷起动时，ECU根据起动时的冷却水温度决定电加热装置是否通电以及通电持续时间，并在柴油机起动后或起动温度较高时，自动切断电加热装置电源。

(8)巡航控制。

当巡航控制开关工作时，ECU可根据车速信号等自动维持汽车以一定车速行驶。

(9)故障自诊和失效保护。

当柴油机电控燃油喷射系统出现故障时，自诊系统将点亮仪表盘上的“故障指示灯”，提醒驾驶员注意，并储存故障码，检修时可通过一定的操作程序调取故障码等信息;同时失效保护系统起动相应保护程序，使柴油能够继续保持运转或强制熄火。

(10)柴油机与自动变速器的综合控制。

在装有电控自动变速器的柴油车上，将柴油机控制ECU和自动变速器控制ECU合为一体，实现柴油机与自动变速器的综合控制，以改善汽车的变速性能。

4. 柴油机电控燃油喷射系统的基本组成

图7-1 柴油机电控燃油喷射系统基本组成

不同柴油机电控燃油喷射系统的区别在于控制功能、传感器的数量和类型、执行元件的类型、ECU控制软件、主要电控元件的结构原理和安装位置，但基本组成与其他电控系统一样，都是由传感器、ECU和执行元件三部分组成，如图7-1所示。传感器采集转速、温度、压力、流量和加速踏板位置等信号，并将实时检测的数据输入计算机;ECU是电控系统的核心部件，对来自传感器的信息同储存的参数值进行比较、运算，确定最佳运行参数;执行机构按照最佳参数对喷油压力、喷油量、喷油时间、喷油规律等进行控制，驱动喷油系统，使柴油机工作状态达到最佳。

(1)传感器。

传感器是柴油机实现电控的关键技术之一，其作用是感知和检测发动机与车辆的运行状态，并将检测结果转换成电信号输送给ECU。柴油机电控燃油喷射系统所用的传感器多数与汽油机电控系统相同。在柴油机电控燃油喷射系统中常用的传感器有压力传感器、温度传感器、位置传感器、转速传感器、空气流量传感器及氧传感器等。此外，在电控系统中还有开关量采集电路，用于检测空调、离合器、挡位、制动、巡航控制等开关量的状态信息。所有的信息经过电控单元的信号采集模块处理后送到发动机电控单元，作为发动机控制的依据。

(2)柴油机电控单元(ECU)。

柴油机电控单元的结构与汽油机电控单元的结构基本相同，主要是控制程序(即软件)有较大差别，如图7-2所示。电控单元由微处理器及其外围硬件和一整套的控制软件组成，通常放置在金属盒内，传感器、执行器和电源通过一个多针电器插头与之相连。一个典型的电控单元的硬件电路包括电源模块、信号处理、微电脑、通信接口、输出电路等部分。

图7-2 柴油机电控燃油喷射系统ECU工作示意图

(3)执行器。

执行器主要是接收ECU传来的指令，并完成所需调控的任务。不同柴油机电控燃油喷射系统的执行元件有很大差异，如电控直列泵和分配泵中的线性螺线管，电控单体泵和泵喷嘴中的电磁阀，电控共轨系统中的调压阀和喷油器电磁阀，以及空气系统控制中的各种阀门控制器等。在前述的各种形式电控燃油喷射系统和空气系统中，执行器都是关键核心之一，可以说，执行器的水平决定了最终柴油机能够达到的性能。

(二)第一代位置控制式电控燃油喷射系统

在柴油机电控燃油喷射系统中，最早研究并实现产业化的是电控柴油喷射系统。随着排放法规的日益严格以及制造技术的进步，先后出现了三代电控燃油喷射系统，这些电控燃油喷射系统是在不同机械式系统的基础上发展起来的，从而形成了多种类型的电控燃油喷射系统。

传统的机械控制式柴油机供给系统中，都是由驾驶员或调速器通过改变喷油泵供油量调节机构的位置来调节供油量，即最终喷油量的控制是通过油泵的齿条(齿杆)或滑套的位置来实现的，其控制精度、供油特性和响应性等比较差。第一代位置控制式柴油机电控燃油喷射系统就是保留了传统的喷油泵高压油管喷油器系统，而且还保留了喷油泵中齿条、齿圈、滑套、柱塞上螺旋槽等控制油量的传动机构，只是对齿条或滑套的运动位置由原来的机械调速器控制改为电子控制。为了进一步改善发动机的排放，正时机构也实施了电子控制，从而达到不同工况下不同供油正时的精确控制。由于第一代位置控制式电控燃油喷射系统只是在原有的机械调速器的位置实施电控，所以又被称为“电子调速器”。有的电控系统在加装了电子控制执行器的同时，还保留了原有的机械调速器，形成了“机电混合调速器”。位置控制式电控喷油泵主要是在直列泵和分配泵上进行改进的。

1. 位置控制式直列柱塞泵

直列柱塞泵供油量“位置控制”系统如图7-1所示。ECU根据加速踏板位置传感器信号(即负荷信号)和柴油机转速信号，并参考供油齿条位置、冷却液温度、进气压力等传感器信号，按内存控制程序计算供油量和供油提前角控制参数值，再通过ECU中行程或位置伺服电路，使电子调速器内的线性螺线管控制喷油泵供油齿条的行程或位置。而供油齿条的实际位置则由装在电子调速器内的供油齿条位置传感器检测，检测结果反馈给ECU中的行程或位置伺服电路，再对齿条位置进行修正，使供油齿杆实际位置与目标位置间的差值趋于零。采用反馈控制，有助于对供油齿杆位置进行高精度的控制和定位，提高循环供油量的控制精度，同时也能用来监测控制系统是否发生故障。

(1)喷油量的控制。

喷油量的控制是由ECU控制电子调速器来实现的。位置控制式直列柱塞泵供油量控制装置既有旋转运动的电机，也有直线运动的电机。图7-3所示为位置控制式直列柱塞泵电子调速器结构，采用的是直线运动的线性电磁铁作为油量控制装置。线性螺线管安装在原喷油泵供油齿条的一端，螺线管中的铁芯与喷油泵的供油齿条连成一体。当控制电流通过螺线管时，产生一个作用在铁芯上的与螺线管中电流成正比的电磁力，推动油量调节齿杆移动，当推力与回位弹簧力平衡时，齿杆就停留在某一位置上。齿杆位置传感器将信号传给ECU，ECU根据齿杆的实际位置和预定位置间的偏差量，发出改变输入螺线管电流的驱动信号来精确控制齿杆的位置，从而改变喷油量。如图7-4所示为位置控制式直列柱塞泵电子调速器工作示意图。直列柱塞泵的供油齿条位置传感器和发动机转速传感器一般安装在电子调速器内。

(2)供油正时的控制。

电控直列柱塞泵供油正时的控制通常是通过供油正时控制阀来实现的。直列柱塞泵供油正时电控系统的组成如图7-5所示，工作的液压油来自柴油机润滑系统。正时控制阀安装在喷油泵驱动轴与凸轮轴之间，正时控制阀可使喷油泵凸轮轴相对驱动轴在一定范围内转动。柴油机转速传感器安装在喷油泵驱动轴上，ECU主要根据柴油机转速和负荷传感器信号确定基本供油提前角，再根据冷却液温度等传感器信号进行修正，并通过两个正时控制电磁阀来实现对喷油泵供油正时的控制。正时控制阀位置传感器安装在喷油泵凸轮轴上，用来检测凸轮轴的位置和转角，ECU根据此传感器信号对供油正时进行闭环控制。

图7-3 位置控制式直列柱塞泵电子调速器结构图

图7-4 位置控制式直列柱塞泵电子调速器工作示意图

如图7-6所示为正时控制阀工作原理图。当需要减小供油提前角时，ECU控制电磁阀使正时控制阀的进油通道关闭而回油通道开启，液压腔内的油压下降，在回位弹簧作用下活塞向右轴向移动，而滑块和滑块销向内径向移动，安装在滑块销上的大小偏心轮转动，使凸轮轴相对驱动盘沿转动相反的方向转过一定角度，从而使喷油泵供油提前角减小，如图7-6(a)所示。反之，需要使喷油泵供油提前时，ECU控制电磁阀使正时控制阀的进油通道开启而回油通道关闭，润滑油进入液压腔使油压升高，并推动活塞向左移动，活塞推动滑块和滑块销向外移动，偏心轮转动使凸轮轴相对驱动盘沿转动方向转过一定角度，喷油泵供油提前角增大，如图7-6(b)所示。喷油泵的供油正时随正时控制阀液压腔内的油压而变化，ECU通过电磁阀控制液压腔内的油压，即可控制供油正时。

图7-5 直列柱塞泵供油正时电控系统的组成图

1—转速表;2—故障指示灯;3—供油齿条位置传感器;4—柴油机;5—喷油泵;6—正时传感器;7—正时控制阀;8—转速传感器;9—正时控制电磁阀;10—冷却液温度传感器

图7-6 正时控制阀工作原理

1—凸轮轴;2—液压腔;3—液压活塞;4—大偏心轮;5—小偏心轮;6—驱动轴;7—驱动盘;8—滑块销;9—滑块;10—电磁阀

2. 位置控制式电控分配泵系统

位置控制式电控分配泵系统就是将VE分配泵中的机械调速器换成电子控制的执行机构，利用油量控制滑套的位置反馈来实现对油量的灵活控制。位置控制式电控分配泵的结构如图7-7所示。

图7-7 位置控制式电控分配泵结构图

(1)喷油量的控制。

位置控制式电控分配泵也是由ECU控制电子调速器中控制滑套的位置来实现油量调节的。电子调速器的构造如图7-8所示，由定子、线圈、转子轴和转速传感器等组成，转子轴下端的偏心球伸入油量控制滑套的凹槽中。由于定子是不对称的，当给线圈通入的直流电电流变化时，就会产生使转子轴转动的电磁力矩。当电磁力矩与转子轴回位弹簧力矩平衡时，转子轴就会固定在某一位置。转子轴转动时，通过伸入滑套凹槽内的偏心球使滑套轴向移动，从而改变喷油泵的供油量。ECU根据发动机的工况计算出目标喷油量，通过驱动回路控制流经线圈的电流方向来控制转子轴的转动方向，控制通电占空比来控制转子轴转动的角度，从而实现喷油量的控制。滑套位置传感器安装在转子轴上，ECU通过该传感器检测的转子轴位置信号确定油量控制滑套的实际位置，并对滑套位置(即供油量)进行闭环控制。转子分配泵供油量“位置控制”系统的组成和工作原理与直列柱塞泵基本相同，只是由控制齿条位置变为控制滑套位置，ECU控制的执行元件和指令信号不同。此外，在采用转子分配泵的柴油机电控燃油喷射系统中，柴油机转速传感器一般安装在转子分配泵驱动轴或曲轴上。

(2)供油正时的控制。

位置控制式电控分配泵供油正时的控制通常是在原供油提前角自动调节器活塞两侧高、低压油腔之间增加一条液压通道，依靠占空比控制的正时控制阀使活塞两侧的油压发生变化，从而控制供油正时。正时控制阀结构如图7-9所示，由ECU传来的信号使电磁线圈产生电磁力吸动滑动铁芯，铁芯带动阀门移动，这样就改变了正时活塞右侧(高压腔)与左侧(低压腔)之间的压力差，从而使正时活塞移动，带动分配泵滚轮座转动，以实现供油时刻的调整。

图7-8 位置控制式电控分配泵电子调速器结构图

1—滑套位置传感器;2—转子;3—定子;4—转子轴;5—滑套;6—偏心钢球;7—线圈;8—复位弹簧

图7-9 正时控制阀结构示意图

ECU主要根据柴油机转速和负荷传感器信号确定基本供油提前角，再根据冷却液温度传感器信号进行修正，并通过正时控制阀控制正时活塞左右两侧油腔内的燃油压力差，以改变正时活塞的位置。正时活塞左右移动时，通过传动销带动转子分配泵内的滚轮架转动，从而改变供油泵的供油正时。当正时控制阀线圈通电时，高压腔与低压腔连通，活塞两端的油压差消失，在弹簧的作用下，活塞复位，供油时间推迟。当正时控制阀线圈断电时，高压腔与低压腔断开，活塞在高压油压力的作用下压缩弹簧向左移动，使凸轮盘相对于滚柱的位置产生偏转，供油时间提前。通电时间长，供油提前角减小;通电时间短，供油提前角增大，如图7-10所示。正时活塞位置传感器检测出正时活塞的位置，从而进行反馈控制。

图7-10 供油正时的控制

1—控制阀;2—溢流阀;3—滚轮架;4—正时活塞;5—高压腔;6—正时控制阀;7—弹簧;8—低压腔;9—正时活塞位置传感器

3. 第一代位置控制式电控燃油喷射系统的控制特点

(1)保留了传统的喷油泵、高压油管、喷油器系统，取消了机械调速器，改用电子执行器来完成分配转子与滑套或柱塞和柱塞套之间的相对位置控制。柴油机的结构几乎无需改动，故生产继承性好，便于对现有设备进行升级改造。

(2)增加反馈位置的传感器、转速传感器以及燃油温度传感器等，从而实现对喷油泵的精确控制。

(3)电子控制系统的优点在于，不同转速与负荷下的喷油量可以灵活标定，因此在发动机的整个稳态工况范围，发动机的工作特性可以按照性能最佳的方式来确定，且响应速度快。

第一代位置控制式电控燃油喷射系统的最大优点是相对原有系统改动简单，成本低。但是由于燃油喷射压力相对原有系统没有提高，因此对发动机的排放性能改善有限，只是对动力性和经济性以及整车的驾驶性能有所改善。但是第一代位置控制式电控燃油喷射系统相对传统机械系统已经改变整个发动机的控制和匹配模式，在柴油机电子控制的道路上迈出了第一步。

(三)第二代时间控制式电控燃油喷射系统

所谓时间控制，就是用高速电磁阀直接控制高压燃油的适时喷射。与第一代电控系统相比，第二代时间控制式电控燃油喷射系统最大的变化是油泵内柱塞套的位置被固定，喷射过程由专门的电磁阀来完成。具有代表性的第二代电控燃油喷射系统如图7-11所示。

1. 电控分配泵燃油喷射系统

电控分配泵燃油喷射系统的主要执行元件是转子分配泵，它通常是利用一个油量控制滑套的位置变化来控制高压腔与低压腔之间回油通道相通的时间，就能实现供油量的控制。因此，只要在回油通道中安装一个由ECU控制的高速电磁溢流阀来取代滑套控制回油通道的开闭，也就实现了供油量的时间控制。时间控制的转子分配泵不仅取消了油量控制滑套，还取消了泵油柱塞上的回油槽(或孔)。

图7-11 时间控制式电控燃油喷射系统图

(1)喷油量的控制。

时间控制式转子分配泵结构如图7-12所示。高速电磁溢流阀安装在泵油柱塞顶部高压油腔的回油通道中。为精确控制电磁阀开启和关闭的时刻，在喷油泵内安装有泵角传感器，检测喷油泵驱动轴的位置和转角，传感器信号输送给控制器，再由控制器将泵角传感器输入的转角信号传送给ECU，以便ECU确定柴油机转速。

图7-12 时间控制式转子分配泵结构图

转子分配泵的喷油量控制原理如图7-13所示。控制ECU根据各种传感器信号计算出供油量后，向控制器发出指令和相关信息，控制器则根据ECU的指令和相关信息，并参考燃油温度传感器信号对分配给各缸的供油量进行平衡(均匀性控制)，并通过驱动器(放大电路)直接控制高速电磁溢流阀工作。传统转子分配泵中的柱塞工作过程可分为吸油、泵油和回油过程，而“时间控制”的转子分配泵柱塞只有吸油和泵油两个行程，即柱塞没有回油作用。高速电磁溢流阀为常闭式，在柱塞吸油行程中电磁阀处于关闭状态，泵油过程开始后高压油腔即产生高压，喷油泵向某缸喷油器供油。当控制器发出指令使电磁阀通电时，电磁阀打开高压腔回油通道，柱塞顶部的高压腔内油压迅速下降，喷油泵向某缸的供油停止。从柱塞泵油行程开始到高速电磁阀开启，这段时间的长短决定了喷油泵供油量的多少，柱塞泵油行程开始越早，高速电磁溢流阀开启越晚，供油量越多。柱塞泵油行程开始时刻由供油正时确定。电磁阀关闭时间传感器信号用于供油量闭环控制，喷油始点传感器信号用于供油正时闭环控制。

图7-13 转子分配泵的喷油量控制原理图

高速电磁溢流阀结构如图7-14所示。溢流阀由一个导向阀和一个主阀组成。导向阀是电磁阀，其开闭由电磁线圈控制，电磁线圈又受ECU控制。主阀为液压阀，开闭受燃油压力控制。

电磁溢流阀工作原理如图7-15所示。当电磁溢流阀通电时，高压燃油通过主阀上的小孔作用于主阀的背面。由于电磁溢流阀通电过程中线圈产生激磁，导向阀压在阀座上。主阀座面的密封截面小于主阀直径，作用于主阀背面的力大于作用于主阀正面的力，故主阀压向阀座，此时高压燃油不会溢流。当电磁溢流阀中没有电流流过时，导向阀在弹簧力的作用下开启，主阀背面的燃油溢流，主阀正面的燃油压力由于有小孔节流，下降比较慢，这样主阀就自动开启，高压腔内的燃油迅速卸压，停止喷油。结果，达到了用较小的激磁力产生高压密封(导向阀密封面积小)，而在溢流时又有足够大的流通截面积(主阀密封面积大)，保证迅速溢流，而且响应灵敏的效果。(www.xing528.com)

(2)供油正时的控制。

供油正时控制机构与位置控制式电控分配泵一样，即通过正时活塞的移动来改变端面凸轮与滚轮的相对位置来实现供油提前角的控制，而正时活塞的位置则由加在上面的液压大小决定。ECU通过控制正时控制电磁阀线圈电流的通断来控制作用在正时活塞上的油压，从而实现对供油提前角的控制，但取消了定时活塞位置传感器，反馈信号来自曲轴位置信号和喷油泵转角传感器的无齿段信号间的相位差。在喷油泵驱动轴上装有泵角脉冲发生器，泵角传感器向ECU输入燃油何时开始喷射的信号，曲轴位置传感器向ECU输入曲轴基准位置的参考信号。ECU根据这两个信号才能确定供油提前角。

图7-14 高速电磁溢流阀结构示意图

1—电枢;2—电磁线圈;3—导向阀;4—主阀

图7-15 电磁溢流阀工作原理图

2. 电控泵喷嘴系统

电控泵喷嘴系统将产生高压的柱塞泵与喷油器和控制单元(喷嘴电磁阀)组合在一起，并去除了高压油管。该系统安装在气缸盖上，每个缸均有一个。由于无高压油管，消除了高压油管中压力波和燃油压缩的影响，高压容积大大减少，因此可产生200MPa以上的喷油压力。电控泵喷嘴系统用高速强力电磁阀来控制供油正时和喷油量，属于时间控制类型。高速电磁阀受ECU控制，即控制流过线圈电流的通断时刻及通断时间的长短，从而控制供油提前角与喷油量。

(1)电控泵喷嘴系统的组成。

凸轮驱动式电控泵喷嘴系统由低压部分、高压部分和电控系统等部分组成，如图7-16所示。

图7-16 凸轮驱动式电控泵喷嘴系统组成图

①低压部分:低压部分是指燃油供给部分。燃油供给部分的任务是储存所需要的燃油，并在所有工况下以规定的压力向燃油喷射系统提供燃油。燃油供给部分主要包括:燃油箱、滤清器、输油泵、手动泵和回油阀等。

②高压部分:高压部分是指泵喷嘴。泵喷嘴的功用是在所有工况下，按电控单元计算出的时刻，以精确的数量和要求的压力将燃油喷射到发动机气缸内。

③电控系统:电控系统分三个系统模块，即传感器、电控单元及执行器。

(2)泵喷嘴。

泵喷嘴由以下三部分组成，其结构如图7-17所示。

①产生高压的部件:产生高压的主要部件是泵体组件、泵柱塞和回位弹簧。

②高压电磁阀(电磁溢流阀):高压电磁阀由线圈、电磁阀针阀、衔铁、磁心和电磁阀弹簧等主要部件组成，其任务是控制喷油起始时刻和喷油持续时间。

图7-17 泵喷嘴结构图

③喷油嘴:喷油嘴将燃油雾化，精确定量并分布到燃烧室中。喷油嘴是利用压紧螺母安装到泵喷嘴体上去的。

(3)泵喷嘴工作原理。

泵喷嘴的工作过程可分成四个状态，如图7-18所示。

①吸油行程:泵柱塞在回位弹簧的作用下往上运动，始终处于低压状态下的燃油从供油系统的低压部分通过集成于发动机机体中的进油孔和进油通道流入电磁阀阀腔。电磁阀是开启着的，燃油通过一个连接孔流入高压腔(又称泵腔)。

②预备行程:由于驱动凸轮的转动，泵柱塞往下运动。此时，电磁阀是开启着的，燃油由泵柱塞通过回油通道被压回到供油系统的低压部分。

③输油行程和喷油过程:电控单元在一个确定的时刻输出指令使电磁铁的线圈通电，将电磁阀针阀吸入阀座，切断了高压腔和低压腔之间的联系。这个时刻称为喷油起始点。高压腔内的燃油压力因为泵柱塞的运动而上升。一旦腔内压力达到大约3×107Pa的喷油嘴开启压力，喷油嘴针阀升起，燃油喷入燃烧室。

④残余行程:如果电磁阀线圈断电，电磁阀将在经过一段短暂的滞后时间后开启，高压腔和低压部分之间重新连通。此后压力迅速下降，当压力低于喷油嘴关闭压力时，喷油嘴关闭，喷油过程结束。

图7-18 泵喷嘴工作过程图

1—凸轮;2—柱塞;3—回位弹簧;4—高压腔;5—电磁阀针阀;6—电磁阀阀腔;7—进油通道;8—回油通道;9—线圈;10—低压腔

3. 第二代时间控制式电控燃油喷射系统的控制特点

(1)产生高压的装置与机械式喷油系统、第一代位置控制式系统相同，都需要用凸轮轴来驱动柱塞，用压缩燃油来产生喷射需要的压力。

(2)油量控制和调节装置与第一代位置控制式系统已经完全不同。在第一代位置控制系统中，油量调节装置是油量控制套筒，而第二代时间控制式的电控系统中，控制油量的执行器是电磁阀，直接由电磁阀的动作完成每个喷射过程。

(3)喷射过程更加直接和精确。喷射过程中，电磁阀关闭的时间决定供油正时，电磁阀关闭的持续时间决定喷油量和喷射压力，电磁阀直接调整发动机的工况。

(4)由于仍需要用凸轮型线的驱动来产生喷射所需的高压，其喷射压力严重依赖于凸轮型线的设计，使得喷油压力控制、喷油速率控制和喷油定时控制都没有得到充分的发挥，从而也限制了发动机性能的进一步改善。

(四)第三代共轨式电控燃油喷射系统

针对第二代时间控制式电控燃油喷射系统存在的不足，人们进一步研发了第三代共轨式电控燃油喷射系统。所谓共轨式(公共轨道式的简称)电控燃油喷射系统是指该系统中有一条可独立控制的燃油压力公共油轨，高压供油泵向公共油轨中泵油，用电磁阀进行油压调节并根据压力传感器信号对共轨中的油压进行闭环控制。有一定压力的柴油经由公共油轨分别通向各缸喷油器，而喷油器上的电磁阀控制供油正时和喷油量。

在共轨式电控燃油喷射系统中，压力的形成和燃油的喷射过程是独立的，相互之间没有影响。喷油压力的形成取决于发动机的转速和喷油的数量。高压油轨中存储了待喷射的高压燃油，喷油始点和喷油压力通过ECU比较预先存储的基本喷油特性图计算出来， ECU再触发电磁阀，最终喷油器将一定量的燃油喷入气缸。

1. 共轨式电控燃油喷射系统的组成

从功能方面分析，共轨式电控燃油喷射系统(简称电控共轨系统)可分为两部分:电控系统和燃油供给系统。

(1)燃油供给系统。

如图7-19所示，燃油供给系统由高压供油泵、燃油共轨和喷油器等部分组成，该系统的功用是:高压供油泵向燃油共轨提供高压燃油，存储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内。电控共轨系统中的喷油器受电磁阀控制，电磁阀的开启和关闭由发动机电控单元控制。

图7-19 共轨式电控燃油喷射系统组成图

(2)电控系统。

如图7-20所示，电控系统由传感器、电控单元和执行器组成，其中电控单元是电控共轨系统的核心部分。电控单元根据各个传感器传来的信息计算出最佳喷油时间和最合适的喷油量，使发动机在各种工况下都能在最佳状态下工作。

2. 共轨式电控燃油喷射系统工作原理

共轨式电控燃油喷射系统(简称共轨系统)的基本工作原理(参见图7-21)是，高压供油泵从油箱中吸出柴油并将油压提高后输入共轨，多余的燃油经回油管流回油箱。共轨上设有油压传感器，传感器将共轨油压的信号输送给电控单元，由电控单元对调压阀实施闭环控制，使共轨中油压稳定于目标值。电控单元控制的调压阀则通过调整电磁阀线圈中电流的大小来调节共轨中的油压。共轨中的燃油压力由电控单元根据柴油机工况的要求进行调节，并由共轨上的油压传感器向电控单元提供油压反馈控制信号。共轨油压决定喷油压力，而喷油压力和喷油器中电磁阀通电持续时间决定了循环喷油量，通电时刻决定了喷油起始点。下面以Bosch公司的共轨系统为例，说明系统零部件的组成及工作原理。

图7-20 电控系统框图

图7-21 燃油供给系统组成图

(1)高压供油泵。

在共轨系统中，高压供油泵的功能是向共轨中提供高压燃油。供油压力由压力限制器进行设定。高压供油泵结构如图7-22所示，油泵上有三套柱塞组件，彼此成120°分布;柱塞由偏心凸轮驱动。从图上可以看出，这种偏心轮驱动平面和柱塞垫块之间为面接触，比传统的凸轮与滚轮之间的线接触的接触应力要小得多，更有利于高压喷射。高压供油泵的基本工作原理如下:当柱塞下行时，来自输油泵的压力为0.05～0.15MPa的燃油流过安全阀5，经过低压油路6到达各柱塞组件的进油阀，并由进油阀11进入柱塞腔10，实现进油过程。还有一部分燃油经节流小孔流向偏心凸轮室8供润滑冷却用。当偏心凸轮转动使柱塞上行时，进油阀11关闭，燃油建立起高压。当柱塞腔10压力高于共轨中的压力时，出油阀1被顶开，柱塞腔10的燃油在调压阀3的控制下进入共轨中。

在怠速或小负荷时，输出油量有剩余，可以经调压阀3流回油箱;还可以通过控制电路使柱塞单向阀12通电，使电枢上的销子下移，顶开进油阀11，切断某缸柱塞供油，以减少供油量和功率损耗。

图7-22 高压供油泵结构示意图

1—出油阀;2—密封件;3—调压阀;4—球阀;5—安全阀;6—低压油路;7—驱动轴;8—偏心凸轮室;9—柱塞泵油元件;10—柱塞腔;11—进油阀;12—柱塞单向阀

(2)调压阀。

调压阀安装在高压供油泵旁或共轨管上，其作用是根据发动机负荷状况调整和保持共轨管中的压力。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。调压阀结构示意如图7-23所示，球阀的一侧是来自共轨的燃油压力，另一侧衔铁受弹簧预紧力和电磁阀电磁力的作用。电磁阀产生电磁力的大小与电磁阀线圈中的电流大小有关。当电磁阀不通电的时候，弹簧预紧力使球阀紧压在密封座面上，当燃油压力超过10MPa时，才能将其打开，即共轨中的燃油压力至少达到10MPa时，才有可能从调压阀处泄流到低压回路。若要提高共轨中的油压，需使调压阀通电。燃油压力除了要克服弹簧预紧力之外，还要克服电磁力，即电磁阀的电磁力通过衔铁作用在球阀上的力的大小也决定了共轨中的燃油压力。电磁阀的电磁力可以通过调整电磁阀线圈中电流的大小来控制。

图7-23 调压阀结构示意图

(3)共轨组件。

共轨组件包括共轨本身和安装在共轨上的高压燃油接头、共轨压力传感器、起安全作用的压力限制阀、连接共轨和喷油器的流量限制阀等，其作用是存储高压油，保持压力稳定，如图7-24所示。共轨本身容纳高达150MPa以上的高压燃油，材料和高压容积对于共轨压力的控制都是至关重要的。

图7-24 共轨组件

①限压阀。

限压阀的作用是限制共轨中的压力。当共轨中的燃油压力过高时，限压阀连通共轨到低压的燃油回路，实现安全泄压，保证整个共轨系统中的最高压力不超过极限安全压力。共轨内允许的短时间最高压力为150MPa。如图7-25所示，当压力超过压力弹簧的弹力时，阀门打开卸压，高压油经通孔和回油孔流回油箱。

图7-25 限压阀结构示意图

②流量限制阀。

流量限制阀的作用是在非正常情况下防止喷油器常开并导致持续喷油的现象。一旦共轨输出的油量超出规定的水平，流量限制阀就关闭通往喷油器的油路。流量限制阀的一侧通过螺纹连接到共轨上，另一侧通过螺纹拧入喷油器的进油管。流量限制阀外壳两端有孔，以便与共轨或喷油器进油管建立液压联系。流量限制阀内部有一个活塞，一根弹簧将此活塞向共轨方向压紧，如图7-26所示。正常工作时，活塞在静止状态，由于受弹簧的作用力，总是靠在堵头一端。在一次喷油后，喷油器端压力下降，活塞在共轨压力作用下向喷油器端移动。在喷油终了时，活塞停止运动，但并不关闭密封座面，这时弹簧将活塞重新压回到静止位置。当喷油量过大时，由于出油量过多，活塞从静止位置被压到喷油器端的密封面上，从而关闭通往喷油器的进油口，这种情况一直停留到发动机停机。

③共轨压力传感器。

共轨压力传感器的作用是测定共轨中的实时燃油压力，并向ECU提供电信号。如图7-27所示，高压燃油经压力室的小孔流向膜片，膜片上装有半导体压敏元件，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ECU。当膜片形状改变时，膜片上涂层的电阻发生变化，使5V供电的电阻电桥中产生的电压也发生变化。电压在0～70m V之间变化，经电路放大到0.5～4.5V，并通过连接导线将产生的电信号传送到ECU。

图7-26 流量限制阀结构示意图

图7-27 共轨压力传感器结构示意图

(4)喷油器。

喷油器是共轨柴油喷射系统中的核心部件，其作用是准确控制向气缸喷油的时间、喷油量和喷油规律。图7-28为Bosch共轨式喷油器的结构简图，喷油器的顶端装有电磁阀，用来控制喷射过程。

当电磁阀断电时，球阀在弹簧力的作用下压紧在电磁阀的阀座上，高压和低压之间的流通通道被隔断，来自共轨的高压燃油流经喷油器上的高压燃油接口、进油截流孔进入到柱塞控制腔中，并作用在控制柱塞上，同时另有一部分高压燃油还经喷油器体的斜油道流入喷油器底部喷嘴针阀承压锥面上。由于柱塞截面面积大于喷嘴针阀承压锥面面积，加上弹簧的预紧力，作用在柱塞顶部的燃油压力便克服喷油器底端针阀承压锥面上的燃油压力，使得柱塞和针阀向下紧压在喷油器针阀座面上，针阀关闭，喷油器不喷射。

当电磁阀通电后，球阀受电磁力的作用离开阀座，柱塞控制腔和燃油回油口连通，高压和低压之间的流通通道打开，柱塞控制腔中的部分高压燃油经过溢流截流孔、球阀进入低压回路。由于进油截流孔和溢流截流孔都很小，因此流体的截流作用导致柱塞控制腔的压力小于来自共轨的高压燃油的压力，高压燃油在喷油器针阀承压面上的压力使柱塞和针阀抬起，喷油器就开始喷油。电磁阀断电时，球阀再次关闭，共轨中的燃油压力又重新作用在控制柱塞的上方，针阀重新关闭。

图7-28 Bosch共轨式喷油结构简图

整个喷射过程简述如下:当电磁阀通电时，针阀抬起，喷射开始;当电磁阀断电时，针阀落座，喷射结束。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，这是与第二代时间控制式系统喷油器电磁阀的不同之处。

由此可见，在此共轨式电控燃油喷射系统中，ECU控制供油压力调节阀使喷油器的喷油压差保持不变，再通过控制电磁阀工作实现喷油量和供油正时的控制。电磁阀通电开始时刻决定了喷油的开始时刻，其通电时间决定喷油量。

3. 共轨式电控燃油喷射系统的特点

(1)可实现高压喷射，喷射压力比一般喷油泵高出一倍，最高已达200MPa。

(2)共轨式燃油喷射系统喷油压力独立于发动机转速，可改善发动机低速及低负荷性能。

(3)具有良好的喷油特性，喷油器电磁阀直接对喷油定时和喷油脉宽进行控制，可优化燃烧过程，使发动机油耗、噪声及排放等性能指标得到明显改善，并有利于改进发动机转矩特性。

(4)可实现共轨压力的闭环控制。共轨上的压力传感器实时反馈共轨中的压力，通过控制调压阀的电流来调整进入共轨的燃油量和共轨压力，形成独立的共轨压力闭环系统。

(5)共轨沿发动机纵向布置，高压供油泵、共轨和喷油器各自的位置相互独立，便于在发动机上安装和布置。

(6)从技术总体实现难度上看，共轨系统组成较复杂，机械、液力和电子、电磁阀耦合程度高，加工制造、控制匹配要求的水平高，与第二代时间控制式相比，具有好性能的同时，开发难度也加大。

三、任务实施

(一)教学设备

(1)捷达电控柴油机;

(2)万用表、诊断仪VAG1552、喷油压力测试仪;

(3)常用工具。

(二)电控柴油机主要元件检测

1. 冷却液温度传感器检测

(1)连接诊断仪VAG1552，起动发动机并怠速运转，观察冷却液温度变化情况，应均匀上升，否则应检查传感器本身及线路。

(2)关闭点火开关，拔下线束插头，如图7-29所示。测量3、4之间阻值，参照表7-1。若不符合要求，应更换传感器。

(3)检查线路是否断路，线路间是否有短路。要求导线阻值应小于1.5Ω。

图7-29 冷却液温度传感器检测

表7-1 冷却液温度传感器阻值与温度之间的对应关系

2. 进气温度传感器检测

(1)连接诊断仪VAG1552，起动发动机并怠速运转，观察进气歧管温度变化情况，应均匀上升，否则应检查传感器本身及线路。

(2)关闭点火开关，拔下线束插头，如图7-30所示。测量1、2之间阻值，参照冷却液温度传感器阻值与温度之间的对应关系表7-1。若不符合要求，应更换传感器。

(3)检查线路是否断路，线路间是否有短路。要求导线阻值应小于1.5Ω。

图7-30 进气温度传感器线束插头

3. 发动机转速传感器检测

(1)关闭点火开关，拔下传感器插头，如图7-31所示，测量端子1与2之间阻值，应为1.1～1.6kΩ，否则应更换转速传感器。

(2)检查线路是否有短路或断路。

图7-31 发动机转速传感器检测

4. 喷油泵检测

喷油泵控制电路如图，7-32(a)所示，线束连接器如图7-32(b)所示，1、2、3分别为油量控制滑套位置传感器的电源端子、信号端子和搭铁端子，4、7分别为燃油温度传感器的信号端子和搭铁端子，5、6分别为电源端子和控制端子，8为断油电磁阀的控制端子，9、10分别为正时控制电磁阀控制端子和电源端子。

(1)测量端子4与7之间阻值，若不符合要求，说明燃油温度传感器损坏，应更换喷油泵。

(2)测量端子1与2、端子2与3之间的阻值，应在4.9～7.5Ω之间。若不符合要求，说明调节活塞位移传感器损坏，应更换喷油泵。

(3)测量端子5与6之间的阻值，应在0.5～2.5Ω之间。若不符合要求，说明油量调节器损坏，应更换喷油泵。

(4)测量端子9与10之间的阻值，应在12～20Ω之间。若不符合要求，说明油量调节器损坏，应更换喷油泵。

(5)测量各导线是否有短路和断路情况。

图7-32 捷达柴油机电控分配泵的控制电路

5. 喷油器检测

(1)压力检查。连接喷油压力测试仪，连接方法如图7-33所示，然后，缓慢压下泵杆，观察开始喷油时的压力值，应在190～200bar之间，若低于170bar时，应更换。

(2)渗漏检查。缓慢压下泵杆，当燃油压力达到150bar时，保持10s，观察喷油器处不应有油渗出，否则，应更换喷油器。

图7-33 喷油压力测试仪连接方法

1—量杯;2—喷油器;3—压力测试仪;4—泵杆

6. 预热塞检测

(1)预热塞系统的控制电路如图7-34所示，首先检查蓄电池电压应不低于11.5V。

(2)将预热塞拔下，用二极管测试灯逐一测试预热塞，灯应亮，否则更换预热塞。

7. 进气翻板电动机检测

(1)连接诊断仪，使发动机怠速运转，通断翻板电动机，观察燃烧噪声有无改变，若无变化，说明翻板电动机没工作。

图7-34 预热塞系统的控制电路

(2)关闭点火开关，拔下翻板电动机插头，如图7-35所示。

(3)接通点火开关，测量1与4端子之间的电压，应为蓄电池电压。

(4)检查线路是否短路或断路，导线阻值不应大于1.5Ω。

图7-35 进气翻板电动机线束插头

四、检查与评估

本次课程主要依据表7-2考核学生对任务的完成情况。

表7-2 柴油机电控燃油喷射系统考核卡

续表