高压共轨电控柴油喷射系统：原理与故障检修

现代汽车柴油机一般采用电控喷射、共轨、涡轮增压中冷等技术，在质量、噪声、烟度等方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平，而且相比汽油机更环保。目前，国外轻型汽车用柴油机日益普遍，奔驰、大众、宝马、雷诺和沃尔沃等欧洲名牌车都有采用柴油发动机的车型，我国在奥迪、捷达等轿车上也有使用。

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，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，即由发动机的转速和加速踏板位置（油门拉杆位置）来决定。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，然后根据冷却液温度、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信号传输装置、电控单元（ECU）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，使柴油机运转状态达到最佳。

1.共轨技术

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。为了解决柴油机这个燃油压力变化的缺陷，在现代柴油机上采用了一种称“共轨”的技术。

注意

共轨技术是指在高压油泵、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（共轨管），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，喷油量的大小取决于公共供油管压力和电磁阀开启时间的长短。高压共轨系统可实现在传统喷油系统中无法实现的功能，其优点如下。

注意

1）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。

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

3）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NO_x，又能保证优良的动力性和经济性。

4）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。

2.高压共轨电控燃油喷射系统及基本单元

高压共轨电控燃油喷射系统主要由电控单元、高压油泵、蓄压器（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（蓄压器），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，根据发动机的运行状态，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与燃油喷射过程无关，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转矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计。

博世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，使其峰值转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。

日本电装公司的ECD—U2高压油泵采用了一个三作用凸轮的直列泵来产生高压。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，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）高压油轨（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，起到蓄压器的作用。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，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600mL，共轨管容积为94000mL。

高压共轨管上还安装了压力传感器、流量限制器和压力限制器。压力传感器向ECU提供高压油轨的压力信号；流量限制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。

（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，它的作用是根据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。

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、喷油压力和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、动力性和排放性能有进一步的提高，随着共轨技术的进一步发展和完善，柴油机的应用水平必将跨上一个新的台阶。三、喷油器工作原理

1.概述

在电控喷油系统中，喷油过程主要是在控制器的控制下进行的，把电信号转变为机械信号，实现机电一体化控制。这个转变过程在电磁阀控制的电控喷油器系统中，主要由电磁阀来执行。因此，电磁阀在时间控制系统中的作用至关重要。

高压共轨系统中，由于泵油与喷油功能分开，进入喷油器的燃油压力能基本保持不变，整个喷油过程中的喷油始点及喷油脉宽，几乎都是在控制器的控制下由电磁阀执行的。通过电磁阀的作用，泵油过程中的压力波动，不再干扰喷油过程。因此，电磁阀的作用尤显重要。

2.电控喷油器结构

高压共轨系统中的电磁阀喷油器，是通过一根较短的高压油管与共轨连接的。电控喷油器与气缸盖的固定方式与传统的喷油器一样。电磁阀控制喷油器结构如图1-23所示，主要由电磁阀2、压力放大系统和孔式针阀偶件等几部分组成。

压力放大系统主要由压力控制室6、控制活塞14及针阀体盛油槽12、针阀11等部分组成。与共轨压力相等的高压燃油由高压油入口16进入喷油器后，分两路流动。

一路由进油节流孔15进入控制活塞14顶部的压力控制室6内，控制室内的燃油压力作用在控制活塞的A面上，直接压在针阀11尾部，能控制针阀升程。

另一路由针阀体上的进油孔13进入盛油槽12内，作用在针阀锥面B上的燃油压力，其垂直向上的分力均与共轨压力相等，但由于控制活塞承压面A的面积要大于针阀锥面B上的垂直向上的环形承压面积，因此，作用在控制活塞A面上的总压力，要大于针阀环形锥面上的垂直向上的总压力，使向下的作用力能得到一定比例的放大。

3.电控喷油器工作原理

根据柴油机运行工况和共轨轨道向喷油器提供的高压燃油，喷油器可分为四个工作状态（图1-24）。

（1）针阀关闭状态（图1-24a）电磁阀未通电时，衔铁4在电磁阀弹簧18的作用下，克服了衔铁弹簧3的弹力，使球阀5关闭了出油节流孔17，这时压力控制室6内虽有很高的燃油压力，但由于出油节流孔孔径不大，作用在球阀上的压力很小，无法推开球阀，球阀因此处于关闭状态，这时针阀承受着下列几种作用力。

1）使针阀向上开启的作用力，即具有轨道压力的燃油作用在针阀锥面B上的垂直向上分力。

图1-23 电磁阀控制喷油器(www.xing528.com)

1—回油管（流回油箱） 2—电磁阀 3—衔铁弹簧 4—衔铁 5—球阀 6—压力控制室 7—针阀弹簧 8—高压油路 9—喷孔 10—针阀压力室 11—针阀 12—盛油槽 13—针阀体进油孔 14—控制活塞 15—进油节流孔 16—高压油入口 17—出油节流孔 18—电磁阀弹簧

A—控制活塞顶面 B—针阀锥面 C—针阀座面

2）使针阀保持在关闭状态时的向下作用力。

①压力控制室6的燃油压力通过活塞作用在针阀顶面上的压力。

②针阀弹簧7作用在针阀上的压力。

在电磁阀不通电的条件下，由于有压力放大作用，使针阀关闭的燃油压力大于使针阀升起的油压推力，加上针阀弹簧7的压力，因此，针阀处于喷油前的关闭状态。

（2）针阀开始升起（喷油始点，图1-24b）针阀处于喷油前的静止状态时，由控制器发出指令，为提高电磁阀的响应速度，以高电压、大电流对电磁阀线圈通电，线圈2迅速产生强大的电磁吸力，使衔铁4克服了电磁阀弹簧18的预紧力，快速上移，球阀5被打开，出油节流孔17开通，压力控制室6内的燃油从出油节流孔流向其上方空腔，并从该空腔经回油管1流回油箱。出油节流孔打开后，压力控制室6内的燃油立即卸压。压力控制室内作用在控制活塞14上的燃油压力会迅速降低，而这时作用在针阀锥面B上的向上作用力，依

图1-24 电磁阀控制喷油器工作原理

a）针阀关闭状态（喷油开始前） b）针阀升起喷油 c）喷油结束针阀关闭

1—回油管（流回油箱） 2—线圈 3—衔铁弹簧 4—衔铁 5—球阀 6—压力控制室 7—针阀弹簧 8—高压油路 9—喷孔 10—压力室 11—针阀 12—盛油槽 13—针阀体进油孔 14—控制活塞 15—进油节流孔 16—高压油入口 17—出油节流孔 18—电磁阀弹簧

A—控制活塞顶面 B—针阀锥面 C—针阀座面

然保持为轨道压力未变，因此，会产生压差，使针阀能克服针阀弹簧7的预紧力快速升起，并打开针阀座面，使具有轨道压力的高压燃油，从阀芯座面通道经压力室10的喷孔9喷入燃烧室，如采用无压力室针阀偶件，则针阀升起后，高压燃油会直接从喷孔喷入气缸。与此同时，由于衔铁上升，磁路中气隙δ减小，起动时的大电流可以及时降低到电磁铁所需的维持电流。

针阀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 针阀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，在这区间喷油一直在进行。

针阀升程由零到最大的过程中，针阀座面开度由全关到全开。流经座面的燃油节流阻力由最大到最小，不同的开度会产生不同的节流规律，对喷油量产生不同的影响。

针阀在升起过程中，控制活塞14同时上移，使压力控制室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，并将阻挡针阀升程的加大。因此，在针阀上移的过程中，压力控制室内必须继续有部分燃油从出油节流孔17流出，保持一定的压降才行。

由于与压力控制室相通的不仅有出油节流孔17，还有进油节流孔15，当压力控制室内因部分燃油流出后，产生一定压降的同时，具有轨道压力的高压燃油，从进油节流孔15经节流后不断向压力控制室内补充，又使控制室内压力回升。由此可见，针阀在升起过程中，压力控制室内燃油有出有进，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17直径大于进油节流孔15时，会使针阀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；如果出油孔与进油孔直径相差过小，针阀上升速度会过慢，造成初始喷油速率过低，同样会影响柴油机性能。

控制活塞14随针阀升起而上移，当针阀达到最大升程时，控制活塞移到最高位置，压力控制室6内的燃油在控制活塞上移过程中，其顶部形成一层近似于垫片的油垫，限制了控制活塞的继续上移。控制活塞到达上止点，如无油垫存在，则属机械限位，控制活塞每次上移时，必受一次机械撞击，容易磨损。而有油垫存在后，控制活塞到达上止点时属于液压限位，只有柔性撞击，零件寿命可以延长。

从针阀开始升起的喷油始点到喷油终点，喷油压力始终保持与轨道压力相等的高压状态。

（4）针阀关闭（喷油结束，图1-24c）当喷油脉宽满足要求后，电磁阀在控制器指令下，切断线圈2的电流，电磁力消退，电磁阀弹簧18开始压衔铁4，使球阀5又处于关闭状态，出油节流孔17被堵塞。

出油节流孔的关闭，高压燃油从进油节流孔15进入压力控制室6内后，控制室内的燃油只有进，没有出，因此，压力会很快升高，达到相等的高压。这种高压作用在控制活塞顶部的A面上，所形成的压力与针阀弹簧力的合力，很快超过了针阀锥面上向上的燃油压力后，针阀就会快速关闭，喷油结束。

针阀的关闭速度取决于通过进油节流孔的流量，针阀从下移开始直至座面落座，才把喷孔通道关闭，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，这也是脉动时间控制系统无法与之比拟的。

4.电控喷油器的控制

电磁阀的控制可以分为五个区（图1-25）进行分析。

图1-25 电磁阀喷油器电流波形

a—大电流起动 b—大电流吸合 c—最大电流到维持电流 d—维持电流 e—电流断开

（1）电流陡峭上升区 为了使静止的电磁阀衔铁能迅速起动，由控制器对电磁阀施加约50V的高压，电流会快速上升到约20A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1-25中的a区即电流波形的陡峭上升区。

（2）大电流区 起动电流上升到约20A，由电流调节系统限制不再上升，电流到达约20A时，电磁阀衔铁开始移动，为保证衔铁能连续移动，大电流维持片刻不变，如图1-25中的b区。在b区内衔铁快速移动，行程h迅速加大。

（3）电流由最大到维持过渡区 当电磁阀衔铁行程h移到最大位置，衔铁与铁心间的气隙最小，关闭出油节流孔的球阀全开，喷油已开始，这时把电流降到较低的维持电流，所产生的电磁吸力足够把衔铁吸合在最小气隙位置，球阀保持在开启状态。球阀开启，针阀上升。图1-25中的c区即由最大电流向维持电流的过渡区。

（4）维持电流区 为降低能耗，防止烧坏线圈，将最大电流降低到维持电流，如图1-25中的d区。在d区内电流为约13A，是维持电流，电磁阀衔铁与球阀也处于开启状态。针阀升程保持在最高位置。

（5）电流断开区 喷油结束后，切断电磁阀电流，电磁阀衔铁在弹簧3的作用下，关闭球阀，针阀落座。