5.1.3.1 电控柴油机简介
电控柴油机的研究开发始于20世纪70年代，80年代进入应用阶段，90年代得到迅速发展。它具有喷油电子控制，反应速度快，喷油量和喷油时间控制精准灵活，喷射压力高（高达200MPa）等优点，有效提高了柴油机的动力性能、经济性能、运转性能和排放性能。
1.电控柴油机总体组成
主要由燃油供给系统（电动输油泵33、燃油滤清器35、高压油泵1、共轨管5、电控喷油器10等）和电子控制系统（各种传感器、执行器和控制器ECU）两大部分组成，如图5-2所示。
图5-2 高压共轨电控柴油喷射系统
1—高压油泵 2—柱塞止回阀 3—高压油管 4—预热时间控制器 5—高压存储器（共轨管） 6—共轨压力传感器 7—柴油温度传感器 8—流量限制器 9—限压阀 10—电控喷油器 11—凸轮轴转速传感器 12—进气温度传感器 13—增压压力传感器 14—空气流量计 15—增压器 16—真空泵 17—增压压力执行器 18—自诊断接头 19—诊断显示 20—空调操纵杆 21—空调机 22—废气再循环执行器 23—行驶速度操纵杆 24—行驶速度传感器 25—离合器开关 26—制动触点 27—加速踏板传感器 28—曲轴转速传感器 29—冷却液温度传感器 30—仪表板 31—蓄电池 32—柴油粗滤器 33—电动输油泵 34—油箱 35—燃油细滤器 36—调压阀
2.电控柴油机基本工作原理
如图5-3所示，各种输入信号通过传感器及开关输入电控单元，经输入回路或模数转换器输入微机。在微机的存储器中，存有发动机各有关的调控参数或状态的目标数据，这些目标数据是柴油机的各种不同参数和最优运行结果的综合，一般通过统计或实测得到。当由传感器检测到发动机的某一实际参数输入微机后，首先与存储器中的相应参数和最优运行结果比较，如果两者相同，则电控系统保持原状态，发动机继续按当前状态运行。当实际参数偏离目标参数时，微机将根据偏离值的大小和方向按一定的控制对策进行有关信息分析处理，再计算出相应的控制指令，控制电控喷油器，实现对喷油正时、喷油量的控制。
图5-3 电控柴油喷射基本原理
5.1.3.2 高压共轨电控柴油喷射系统结构原理
电控柴油机与电控汽油机区别主要在燃油喷射系统，目前普遍采用高压共轨电控柴油喷射系统。
高压共轨电控柴油喷射系统总体组成。如图5-4所示，高压共轨电控柴油喷射系统主要由低压油路和高压油路两部分组成。
（1）低压油路 低压油路部分包括：燃油箱1（带有滤网2）、输油泵3、燃油滤清器4及低压油管5等。
1）燃油箱及低压油管结构与汽油机类似，不再赘述。
2）输油泵。其作用是将柴油从燃油箱中吸出。目前主要有2种类型：机械驱动的齿轮泵和电动输油泵。
①齿轮泵。装在高压泵中，与高压泵共用驱动，或装在发动机旁利用联轴节、齿轮或齿带驱动。
齿轮输油泵的基本构件是2个互相啮合反向转动的齿轮，如图5-5所示，它们将齿隙中的燃油从吸油端送往压油端。齿轮的接触线将吸油端和压油端互相密封以防止燃油倒流。其输油量与发动机转速成正比，输油量的调节借助于吸油端的节流调节阀或压油端的溢流阀进行。
齿轮泵在工作期间无需保养。在第一次起动前或油箱内燃油被用尽时，应用手动泵排出燃油系统内的空气。手动泵常和柴油滤清器做成一体。
图5-4 高压共轨燃油系统
1—燃油箱 2—滤网 3—输油泵 4—燃油滤清器 5—低压油管 6—高压油泵 7—高压油管 8—共轨管 9—电控喷油器 10—回油管 11—ECU
图5-5 齿轮泵结构与工作原理
②电动输油泵。有油管安装式和油箱安装式2种。油管安装式输油泵安装在车辆底盘上油箱与燃油滤清器之间的油管上。而油箱安装式输油泵则安装在油箱内的专用支架上，其总成通常还包括吸油端的吸油滤网、油位显示器、储油罐以及与外部连接的电气和液压接头。
电动输油泵有多种结构形式，乘用车共轨喷油系统采用的是滚子叶片泵（容积式泵），它主要由电动机、滚柱叶片泵、限压阀和油泵壳体等组成，如图5-6所示。
滚柱叶片泵的结构如图5-7所示，装有滚柱3的转子2偏心安装在泵壳4内，当永磁直流电动机转子通电转动时，滚柱在离心力的作用下压靠在泵壳的内表面上，起到密封的作用，在相邻两个滚柱之间形成一个密封油腔。滚柱之间的油腔容积在转子转动时不断发生变化。在进油口时，油腔容积增大，形成一定的真空度，将燃油吸入泵内；在出油口时，油腔容积减小，滚柱之间的油压升高，从出油口输出。
图5-6 电动输油泵
1—压油端 2—电动机 3—滚柱叶片泵 4—限压阀 5—进油端
图5-7 滚柱叶片泵结构原理
1—进油口 2—转子 3—滚柱 4—油泵外壳 5—出油口
燃油在出油口打开以后从电动机流过，并经出油口端（图5-7）的连接盖输出，从而使电动机得到冷却。燃油经燃油滤清器送往高压泵，多余的燃油经溢流阀流回油箱。
电动输油泵运行不受发动机转速影响，且具有安全电路，可防止在停机时向发动机输送燃油。
3）燃油滤清器。燃油滤清器将进入高压泵前的燃油滤清净化，并排除燃油中的水分，从而防止高压泵和喷油器等精密零部件过早磨损和损坏。
燃油滤清器结构如图5-8所示。工作时燃油从进油口2进入，经纸质滤芯3过滤，干净的柴油从出油口7流出。
如果燃油中有水，由于水的密度比油大，在流经滤清器时，水会沉入底部集水槽5中，打开放水螺塞6即可将水放掉。现代汽车大部分设有自动水报警装置，当滤清器内的水到一定高度时，警告灯就会闪亮，提醒驾驶人及时将水排出。
（2）高压油路 共轨喷油系统的高压油路部分包括高压油泵6（带有调压阀）、高压油管7、共轨管8（带有共轨压力传感器、限压阀和流量限制器）、电控喷油器9、回油管10，如图5-4所示。
1）高压油泵。高压泵位于低压油路和高压油路之间，它的作用是产生高压油（120～200MPa之间），以满足系统对燃油的需求。
图5-8 燃油滤清器
1—滤清器盖 2—进油口 3—纸质滤芯 4—外壳 5—集水槽 6—放水螺塞 7—出油口
高压油泵类型较多，以德国博士公司CP1型高压油泵为例，其结构如图5-9所示，它采用三个径向布置的柱塞泵油元件，相互错开120°，由偏心凸轮驱动。
图5-9 CP1型高压油泵
高压泵工作时，从输油泵送来的柴油到达单向阀，当输油压力超过单向阀开启压力（0.05～0.15MPa）时，单向阀打开，燃油一部分经节流小孔流向偏心凸轮室供润滑冷却用，另一部分经低压油路进入柱塞室。当偏心凸轮转动导致柱塞下行时，进油阀打开，柴油被吸入柱塞室；当偏心凸轮顶起时，进油阀关闭，柴油被压缩，压力剧增，达到共轨压力时，顶开出油阀，高压油被送到共轨管。柱塞不断的往复运动，使进油和出油不断进行，不断向共轨管提供高压燃油。
由于油泵每转1圈有3个供油行程，因此出油量大，驱动峰值转矩小，泵驱动装置受载均匀。驱动转矩为16N·m，仅为同等级分配泵所需驱动转矩的1/9左右。所以共轨喷油系统对泵驱动装置的驱动要求比普通喷油系统低。泵驱动装置所需的动力随共轨压力和泵转速（供油量）的增加而增加。排量为2L的柴油机，额定转速下共轨压力为135MPa时，高压泵（机械效率约为90%）所消耗功率为3.8kW。喷油器中的泄漏及调压阀的回油，使其实际消耗功率要更高些。(www.xing528.com)
图5-10 调压阀
1—电气接头 2—弹簧 3—电枢 4—电磁线圈 5—回油孔 6—阀门
在怠速或小负荷时，输出油量有剩余，可以经调压阀流回油箱。还可以通过控制电路给柱塞断油阀通电，使电枢上的销子下移，顶开进油阀，使供油行程中吸入柱塞腔中的燃油不受压缩，又流回到低压油路，柱塞腔内不增加压力，高压泵不再连续供油，而是处于间歇供油阶段。因此，减少了功率消耗。
油泵调压阀的任务是根据发动机的负荷状况调整和保持共轨管中的压力。调压阀结构如图5-10所示。
调压阀有2个调节回路：低速电调节回路，用于调整共轨管中可变化的平均压力值；高速机械液压调节回路，用于补偿高频压力波动。
当调压阀不工作时，电磁线圈4不带电，当高压泵出口压力大于弹簧2的弹力（10MPa左右）时，阀门6被顶开。根据供油量的大小，调压阀调整打开的开度。
当需要提高共轨管中的压力时，电磁线圈通电，给电枢3一个附加作用力，压紧阀门6，使共轨管中的压力升高到与其平衡为止，然后调节阀门停留在一定开启位置，保持压力不变。泵油量变化和燃油从喷油器中喷出时，调压阀通过不同的开度予以补偿。电磁阀的电磁力与控制电流成正比，而控制电流的变化通过脉宽调制来实现，脉宽的调制频率为1kHz。
为了进行润滑和散热，整个电磁阀周围都有燃油流过。
2）共轨管。共轨管也称高压存储器，其作用是存储高压油，对高压泵的供油和喷油所产生的压力波动进行缓冲，保持压力稳定，从而确保喷油器打开时喷油压力不变。
共轨管结构如图5-11所示，共轨管上安装有压力传感器2、限压阀3和流量限制器4（选装）。
共轨压力传感器如图5-12所示，用螺纹6紧固在共轨管上，燃油经共轨中的一个孔流入，传感器膜片将孔末端封住。在共轨压力作用下，膜片形状发生变化（150MPa时约为1mm），膜片上的传感元件电阻值会随之变化，并在用5V供电的电阻电桥中产生电压变化。
限压阀相当于安全阀，其作用是限制共轨管中的压力在150MPa以内。
图5-11 共轨管（高压存储器）
1—共轨管 2—共轨压力传感器 3—限压阀 4—流量限制器
图5-12 共轨压力传感器
1—电气接头 2—分析电路 3—外壳 4—压力传感膜片 5—油道 6—固定螺纹
限压阀结构如图5-13所示，外壳在通往共轨的连接端有一个孔，此孔被外壳内部密封面上的锥形阀头2关闭。在标准工作压力（135MPa）下，弹簧将活塞紧压在座面上，共轨呈关闭状态。只有当压力超过弹簧5的弹力时，阀头2打开卸压，高压油经流通孔3和回油孔8流回油箱，降低了共轨中的压力。
流量限制器的作用是防止喷油器出现持续喷油。其结构如图5-14所示，金属外壳上有外螺纹，以便装在共轨管上，另一端的外螺纹用来拧入喷油器的进油管，与共轨和喷油器进油管建立液压连接。
图5-13 限压阀
1—高压接头 2—锥形阀头 3—流通孔 4—活塞 5—弹簧 6—限位件 7—阀体 8—回油孔
图5-14 流量限制器
1—堵头 2—活塞 3—外壳 4—弹簧 5—节流孔 6—密封座面 7—螺纹
流量限制器内部有一个活塞2，弹簧4将此活塞向共轨方向压紧。活塞对外壳壁部密封。活塞上的纵向孔连接进油和出油口，其直径在末端是缩小的。这种缩小的作用就像流量规定精确的节流孔效果一样。
活塞2在静止时，由于受弹簧4的作用力，总是靠在堵头1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，活塞压下的容积补偿了喷油器喷出的燃油容积。在喷油终止，活塞停止运动，但并不关闭密封座面，弹簧将活塞推回到静止位置，燃油经节流孔5流出。
只有在喷油器出现持续喷油，导致活塞下移量过大，才封闭通往喷油器的通道，切断供油。
流量限制器属于选装件，由于结构较复杂，现大多已省略不用。
3）电控喷油器。电控喷油器是共轨柴油喷射系统的核心部件，其作用是准确控制向气缸的喷油时间、喷油量和喷油规律。一般用卡夹装在气缸盖上。
电控喷油器主要有两大类：电磁阀式和压电晶体式。电磁阀式电控喷油器结构如图5-15所示。
电磁阀式电控喷油器工作原理如图5-16所示，主要由喷嘴、液压伺服系统、电磁阀组件等构成。
发动机停机时，电磁阀没有通电，共轨管中没有压力，喷嘴弹簧使喷油器关闭。
电控喷油器工作分如下三个过程：
①蓄压，如图5-16a所示。发动机工作时，由共轨管来的高压油经进油接头进入喷油器体内，有一部分高压油由进油量孔流向控制活塞上方，并作用在控制活塞上，压向喷嘴针阀，使其关闭密封锥面，停止喷油；另有一部分高压油经喷油器体的进油道进入喷油器体环行油腔，力图顶开针阀喷油。
图5-15 电控喷油器
图5-16 电控喷油器工作原理
a）蓄压 b）喷油 c）结束
在喷油器不喷油时，电磁线圈不通电，泄油孔处于关闭状态，由于控制活塞上部的受压面积比针阀承压锥面大，使得作用在活塞上的液压力大于作用在喷油器针阀承压锥面的向上分力，针阀关闭。
②喷油，如图5-16b所示。当电磁线圈通电时，电磁触发产生的力超过了球阀上的弹簧力，球阀打开，电磁线圈电流降低，维持球阀保持开启。
球阀开启导致活塞上腔与泄油孔连通，燃油经泄油孔、回油管流回燃油箱。同时泄油孔打开破坏了压力平衡，使活塞上方的液压力小于喷油器针阀承压锥面的向上分力，使针阀升起，喷油器喷油，燃油以几乎与共轨内的相同压力喷入燃烧室内。喷油量大小取决于喷嘴开启的持续时间（决定于ECU输出脉宽）、喷油压力及针阀升程等。
③喷油结束，如图5-16c所示。当电磁线圈断电时，弹簧使球阀向下运动，关闭泄油孔，燃油经进油量口进入活塞上腔建立压力，这个压力与共轨内的压力相同，该压力在控制活塞末端面上产生一个增大的力，再加上弹簧力，超过了由针阀锥面产生的向上的力，使喷油器针阀关闭，喷射停止。
电控喷油器一般采用针阀直径为4mm的P系列孔式喷油器，喷油器的喷孔数量、大小及布置必须与喷油量、柴油机燃烧室形状、燃烧室中的空气涡流很好匹配，如BOSCH公司的6孔、直径为0.169mm喷孔的孔式喷油器。
由于喷嘴偶件配合精密，容易卡死，本任务开始所述的长城2.8TC电控柴油机启动困难的案例，就是由于喷嘴偶件卡死在不喷油状态。
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