5.5 電控共軌燃油系統(tǒng)

5.5.1 概述

柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)70年代，80年代進(jìn)入應(yīng)用階段，90年代得到迅速發(fā)展。它對(duì)提高柴油機(jī)的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能、運(yùn)轉(zhuǎn)性能和排放性能都產(chǎn)生了極大的影響。

（1）電子控制柴油噴射系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)的柴油噴射系統(tǒng)采用機(jī)械方式進(jìn)行噴油量和噴油時(shí)間調(diào)節(jié)和控制，由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)的滯后性，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，精度差，噴油速率、噴油壓力和噴油時(shí)間難于準(zhǔn)確控制，導(dǎo)致柴油機(jī)動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能不能充分發(fā)揮，排氣超標(biāo)。研究表明，一般機(jī)械式噴油系統(tǒng)對(duì)噴油定時(shí)的控制精度為2°CA（曲軸轉(zhuǎn)角）左右。而噴油始點(diǎn)每改變1°CA，燃油消耗率會(huì)增加2%，HC排放量增加16%，NOX排放量增加6%。

與傳統(tǒng)的機(jī)械方式比較，電控柴油噴射系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

① 對(duì)噴油定時(shí)的控制精度高（高于0.5°CA），反應(yīng)速度快；

② 對(duì)噴油量的控制精確、靈活、快速，噴油量可隨意調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射和后噴射，改變噴油規(guī)律；

③ 噴油壓力高（高壓共軌電控噴油系統(tǒng)高達(dá)200MPa），不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響，優(yōu)化了燃燒過(guò)程；

④ 無(wú)零部件磨損，長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好；

⑤ 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性好，適用性強(qiáng)，可以在新老發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用。

（2）電子控制柴油噴射系統(tǒng)的基本原理

電控柴油噴射系統(tǒng)由傳感器、控制單元（ECU）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。傳感器采集轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、流量和加速踏板位置等信號(hào)，并將實(shí)時(shí)檢測(cè)的參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)；ECU是電控系統(tǒng)的“指揮中心”，對(duì)來(lái)自傳感器的信息同儲(chǔ)存的參數(shù)值進(jìn)行比較、運(yùn)算，確定最佳運(yùn)行參數(shù)；執(zhí)行元件主要是執(zhí)行ECU的指令，按照最佳參數(shù)對(duì)噴油壓力、噴油量、噴油時(shí)間、噴油規(guī)律等進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)噴油系統(tǒng)，使柴油機(jī)工作狀態(tài)達(dá)到最佳。不同柴油機(jī)電控系統(tǒng)的執(zhí)行元件有很大差異，常用的執(zhí)行元件有電子調(diào)速器和電磁閥。

（3）電子控制柴油噴射系統(tǒng)的類(lèi)型

柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)可分為兩大類(lèi)，即位置控制系統(tǒng)和時(shí)間控制系統(tǒng)。

第一代柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)采用位置控制系統(tǒng)。

它基本保留了傳統(tǒng)燃油供給系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)，只是采用電控組件，代替調(diào)速器和供油提前器，對(duì)分配式噴油泵的油量調(diào)節(jié)套筒或柱塞式噴油泵的供油齒桿的位置，以及油泵主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的相對(duì)位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且通過(guò)高速電磁閥直接控制高壓燃油的適時(shí)噴射。因此既可實(shí)現(xiàn)供油量控制，又可實(shí)現(xiàn)供油正時(shí)的控制。

其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)須對(duì)柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大改動(dòng)，生產(chǎn)繼承性好，便于對(duì)現(xiàn)有機(jī)型進(jìn)行技術(shù)改造；缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)執(zhí)行頻率響應(yīng)仍然較慢、控制頻率低、控制精度不夠穩(wěn)定。噴油率和噴油壓力難于控制，而且不能改變傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)固有的噴射特性，因此很難較大幅度地提高噴射壓力。

第二代柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)采用時(shí)間控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是在高壓油路中利用電磁閥直接控制噴油開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，以改變噴油量和噴油定時(shí)。它具有直接控制、響應(yīng)快等特點(diǎn)。

時(shí)間控制系統(tǒng)又包括電控泵噴嘴系統(tǒng)和共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)兩類(lèi)。電控泵噴嘴系統(tǒng)除了能自由控制噴油量和噴油定時(shí)外，噴射壓力十分高（峰值壓力可達(dá)240MPa），但其無(wú)法實(shí)現(xiàn)噴油壓力的靈活調(diào)節(jié)，且較難實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射或分段噴射。

第三代柴油機(jī)電控系統(tǒng)中最典型的是電控共軌式燃油噴射系統(tǒng)。在電控共軌式燃油噴射系統(tǒng)中，各缸噴油器共用一個(gè)高壓油軌（即高壓油管），把高壓油泵輸出的燃油蓄積起來(lái)并穩(wěn)定壓力，再通過(guò)高壓油管輸送到每個(gè)噴油器上，由噴油器上的電磁閥控制噴射的開(kāi)始和終止。對(duì)噴油量的控制采用時(shí)間－壓力控制或壓力控制，用的最多的是時(shí)間－壓力控制方式。

5.5.2 柴油機(jī)電控系統(tǒng)的基本原理

1.位置控制系統(tǒng)

（1）特點(diǎn)

位置控制系統(tǒng)的控制特點(diǎn)：

① 用電子調(diào)速器取代傳統(tǒng)的機(jī)械離心式調(diào)速器；

② 用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和加速踏板位置傳感器代替原有的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷傳感機(jī)構(gòu)（如離心飛塊、真空室等）；

③ 用ECU控制的電子執(zhí)行元件來(lái)代替機(jī)械離心式調(diào)速執(zhí)行機(jī)構(gòu)和加速踏板傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

（2）直列式柱塞泵式電控系統(tǒng)

它是在原直列噴油泵基礎(chǔ)上裝有齒桿位移傳感器、凸輪軸或曲軸的轉(zhuǎn)角位移及轉(zhuǎn)速傳感器、線性電磁鐵的執(zhí)行器、電控單元等組成的控制系統(tǒng)，對(duì)噴油量進(jìn)行調(diào)節(jié)。噴油量的計(jì)量按位置控制方式，根據(jù)加速踏板位置、轉(zhuǎn)速等輸入信息，以柱塞的供油始點(diǎn)和供油終點(diǎn)間的物理長(zhǎng)度，即有效行程（位置）來(lái)確定，而有效行程又是由供油齒桿的位置決定的。

圖5-28為德國(guó)博世公司的電控直列泵。

1-供油齒桿；2-比例電磁閥；3-油泵凸輪軸；4-轉(zhuǎn)速傳感器；5-電控單元

直列噴油泵的機(jī)械控制噴射系統(tǒng)通過(guò)加速踏板和調(diào)速器作用于齒桿，反饋的控制信息是柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和加速踏板的位置，二者通過(guò)機(jī)械聯(lián)系改變供油齒桿位置而控制噴油量，電控后噴射系統(tǒng)則通過(guò)傳感器檢測(cè)柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境條件，并由電控單元ECU計(jì)算出適應(yīng)柴油機(jī)運(yùn)行狀況的控制量，然后由執(zhí)行器實(shí)施。具體說(shuō)來(lái)，加速踏板位置為一可變電壓信號(hào)，它反映的是駕駛員愿望，通過(guò)標(biāo)定加速踏板位置電壓信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)與供油齒桿位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)包括由其他傳感器，如各種溫度、進(jìn)氣壓力、車(chē)速、制動(dòng)、離合器分離等信號(hào)對(duì)供油齒桿位置進(jìn)行修正的關(guān)系，并以軟件的形式存儲(chǔ)于ECU中，ECU檢測(cè)到各種信息后，通過(guò)線性電磁鐵的執(zhí)行器改變齒桿位置。例如，當(dāng)采集到離合器分離信號(hào)時(shí)，線性電磁鐵的執(zhí)行器將齒桿拉到怠速位置。因此，它比純機(jī)械噴射系統(tǒng)控制精確、靈敏；而且在需要擴(kuò)大控制功能時(shí)，只需改變電控單元的存儲(chǔ)軟件，便可實(shí)現(xiàn)綜合控制。

（3）轉(zhuǎn)子分配泵式電控系統(tǒng)

用電控裝置取代機(jī)械調(diào)速器和提前器，對(duì)VE分配泵供油量調(diào)節(jié)套筒的位置以及液壓提前器進(jìn)行低頻連續(xù)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)油量和定時(shí)的控制。

圖5-29是日本電裝公司VE分配泵的電控噴油系統(tǒng)。

1-供油量調(diào)節(jié)套筒位置傳感器；2-供油量控制電磁閥；3-轉(zhuǎn)速傳感器；4-定時(shí)器位置傳感器；5-供油量調(diào)節(jié)套筒；6-定時(shí)器控制閥；7-加速踏板位置傳感器；8-進(jìn)氣壓力傳感器；9-冷卻液溫度傳感器；10-進(jìn)氣溫度傳感器；11-加速踏板

供油量的控制方法與電控直列泵類(lèi)似，電控單元ECU根據(jù)加速踏板位置傳感器和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器的輸入信號(hào)，首先算出基本供油量；然后根據(jù)來(lái)自冷卻液溫度、進(jìn)氣溫度和進(jìn)氣壓力等傳感器信號(hào)以及啟動(dòng)信號(hào)，對(duì)基本供油量進(jìn)行修正；再按供油量調(diào)節(jié)套筒位置傳感器信號(hào)進(jìn)行反饋修正之后，確定最佳供油量（調(diào)節(jié)套筒位置）。

電控單元把計(jì)算和修正的結(jié)果作為控制信號(hào)傳到供油量控制電磁閥，產(chǎn)生磁力，吸引可動(dòng)鐵芯。控制信號(hào)的電流越大，磁場(chǎng)就越強(qiáng)，可動(dòng)鐵芯向左的移動(dòng)量越大，通過(guò)杠桿將供油量調(diào)節(jié)套筒向右推移的就越多，供油量也就越大。

2.時(shí)間控制系統(tǒng)

其特點(diǎn)是供油仍維持傳統(tǒng)的脈動(dòng)式柱塞泵油方式，如博世公司的電控泵噴嘴系統(tǒng)，但供油量和噴油定時(shí)的調(diào)節(jié)則由電腦控制的強(qiáng)力快速響應(yīng)電磁閥的開(kāi)閉時(shí)刻所決定，柱塞副只起加壓、供油作用，沒(méi)有油量調(diào)節(jié)功能。一般情況下，電磁閥關(guān)閉時(shí)，執(zhí)行噴油，電磁閥打開(kāi)時(shí)，噴油結(jié)束；噴油始點(diǎn)取決于電磁閥關(guān)閉時(shí)刻，噴油量則取決于電磁閥關(guān)閉時(shí)間的長(zhǎng)短。時(shí)間控制系統(tǒng)的控制自由度更大。

高速?gòu)?qiáng)力電磁閥安裝在回油通道中，取代滑套控制回油通道的開(kāi)閉，因此可取消油量控制滑套，還可取消泵油柱塞上的回油槽。

圖5-30是德國(guó)博世公司電控泵噴嘴系統(tǒng)在柴油機(jī)上的安裝圖。

電控泵噴嘴工作原理是：柱塞在凸輪軸和搖臂的驅(qū)動(dòng)下給燃油加壓，旁通油路在電磁溢流閥關(guān)閉時(shí)，柱塞腔內(nèi)壓力升高。壓力升高到一定值時(shí)，噴油器打開(kāi)，燃油噴入汽缸；旁通油路在電磁溢流閥打開(kāi)時(shí)，柱塞腔泄壓，噴油器處于關(guān)閉狀態(tài)。因此，電磁溢流閥打開(kāi)的時(shí)刻決定噴油提前角，打開(kāi)的時(shí)間決定噴油量，同時(shí)可以得到所需要的噴油率。

1-加速踏板位置傳感器；2-電控單元；3-驅(qū)動(dòng)凸輪軸；4-搖臂；5-泵噴嘴噴油器；6-增壓壓力傳感器；7-轉(zhuǎn)速傳感器；8-冷卻液溫度傳感器；9-曲軸位置傳感器

3.高壓共軌式電控柴油噴射系統(tǒng)

（1）高壓共軌式電控柴油噴射技術(shù)的原理

汽車(chē)傳統(tǒng)柴油機(jī)在噴射過(guò)程中高壓油管各處的壓力是隨時(shí)間和位置的不同而變化的。壓力的變化會(huì)引起不穩(wěn)定的噴射，尤其在低轉(zhuǎn)速區(qū)域容易產(chǎn)生上述現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)不僅噴油不均勻，而且會(huì)發(fā)生間歇性不噴射現(xiàn)象。為了解決柴油機(jī)這個(gè)燃油壓力變化的缺點(diǎn)，現(xiàn)代柴油機(jī)采用了一種稱(chēng)為“共軌”的技術(shù)。

共軌技術(shù)是指由高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環(huán)系統(tǒng)中，將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過(guò)程彼此完全分開(kāi)的一種供油方式，由高壓油泵把高壓燃油輸送到公共供油管，通過(guò)對(duì)公共供油管內(nèi)的油壓實(shí)現(xiàn)精確控制，使高壓油管壓力大小與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，可以大幅度減小柴油機(jī)供油壓力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，因此也就減少了傳統(tǒng)柴油機(jī)的缺陷。ECU控制噴油器的噴油量，噴油量大小取決于共軌管（公共供油管）壓力和電磁閥開(kāi)啟時(shí)間的長(zhǎng)短。

共軌式電控燃油噴射技術(shù)，通過(guò)共軌可以直接或間接地將已形成的恒定的高壓燃油分送到每個(gè)噴油器，并借助于集成在每個(gè)噴油器上的高速電磁閥的開(kāi)啟與閉合，定時(shí)定量地控制噴射至柴油機(jī)燃燒室的油量，從而保證柴油機(jī)達(dá)到最佳的燃燒速率和良好的柴油霧化，以及最佳的著火時(shí)間、足夠的著火能量和最少的污染排放。

高壓共軌系統(tǒng)主要由電控單元、油泵、共軌管、電控噴油器以及各種傳感器等組成，見(jiàn)圖5-31。低壓燃油泵將燃油輸入高壓供油泵，高壓供油泵將燃油加壓送入高壓共油軌，高壓共油軌中的壓力由電控單元根據(jù)共油軌壓力傳感器測(cè)量的共油軌壓力以及需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，高壓共油軌內(nèi)的燃油經(jīng)過(guò)高壓油管，根據(jù)柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，由電控單元從預(yù)設(shè)的MAP圖中確定合適的噴油定時(shí)、噴油持續(xù)期，由電-液控制的電子噴油器將燃油噴入汽缸。

1-柴油箱；2-柴油濾清器；3-供油泵；4-高壓油管；5-燃油壓力傳感器；6-共軌；7-限壓閥；8-回油管；9-噴油器；10-EDU（電子驅(qū)動(dòng)單元）；11-ECU；12-供油量控制閥

（2）高壓共軌式電控柴油噴射系統(tǒng)主要部件的結(jié)構(gòu)和工作原理

① 高壓供油泵。

高壓供油泵的作用是產(chǎn)生高壓油，其常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)是由凸輪軸驅(qū)動(dòng)的帶有多個(gè)分泵的直列柱塞式油泵或徑向柱塞式油泵。驅(qū)動(dòng)高壓輸油泵的凸輪軸上可布置一個(gè)或幾個(gè)凸輪，按每個(gè)凸輪上的凸起數(shù)可分為單作用型、雙作用型、三作用型和四作用型等多種形式。

圖5-32所示為三作用型高壓供油泵的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，三個(gè)徑向布置的柱塞泵油元件相互錯(cuò)開(kāi)120°，由偏心凸輪驅(qū)動(dòng)，出油量大，受載均勻。

工作時(shí)，從輸油泵來(lái)的柴油流過(guò)安全閥，一部分經(jīng)節(jié)流孔流向偏心凸輪室供潤(rùn)滑冷卻用，另一部分經(jīng)低壓油路進(jìn)入柱塞室。凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，柱塞下行時(shí)，進(jìn)油閥開(kāi)啟，低壓燃油經(jīng)進(jìn)油閥流入柱塞腔。柱塞上行時(shí)，進(jìn)油閥中尚未通電，處于開(kāi)啟狀態(tài)，低壓燃油經(jīng)進(jìn)油閥流回低壓腔。在達(dá)到供油量時(shí)，進(jìn)油閥通電，使之關(guān)閉，回流油路被切斷，柱塞腔中的燃油被壓縮，燃油經(jīng)出油閥進(jìn)入高壓油軌。利用進(jìn)油閥關(guān)閉時(shí)間的不同，控制進(jìn)入高壓油軌油量的多少，從而達(dá)到控制高壓油軌壓力的目的。凸輪經(jīng)過(guò)最大升程后，柱塞進(jìn)入下降行程，柱塞腔內(nèi)的壓力降低，出油閥關(guān)閉，停止供油，這時(shí)進(jìn)油閥停止供電，處于開(kāi)啟狀態(tài)，低壓燃油進(jìn)入柱塞腔進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

② 調(diào)壓閥。

調(diào)壓閥的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5-33。它一般被安裝在輸油泵出口或共軌上。其功用是根據(jù)ECU的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)共軌壓力的閉環(huán)控制。

1-共軌；2-進(jìn)油管口；3-燃油壓力傳感器；4-限壓閥；5-回油管口；6-流量限制器；7-噴油器供油口

1-球閥；2-電樞；3-電磁線圈；4-彈簧；5-電氣接頭

調(diào)壓閥不工作時(shí)，電磁線圈不帶電，高壓泵出口壓力大于彈簧的彈力，球閥被頂開(kāi)。根據(jù)輸油量的不同，調(diào)節(jié)打開(kāi)的程度。當(dāng)需要提高共軌管中的壓力時(shí)，電磁線圈帶電，給電樞一個(gè)附加作用力，壓緊球閥，使共軌管中的壓力升高到與其平衡為止；然后調(diào)節(jié)閥門(mén)使其停留在一定的開(kāi)啟位置，保持壓力不變。調(diào)壓閥可在寬廣的范圍內(nèi)按ECU指令調(diào)節(jié)油壓，且響應(yīng)速度快。

③ 共軌組件。

共軌管將供油泵提供的高壓燃油分配到各噴油器中，起蓄壓器的作用；此外，共軌應(yīng)能抑制高壓油泵供油和噴油器噴油時(shí)引起的壓力波動(dòng)，以保持共軌中壓力的穩(wěn)定，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5-34。

1-出油閥；2-密封件；3-調(diào)壓閥；4-球閥；5-安全閥；6-低壓油路；7-驅(qū)動(dòng)軸；8-偏心凸輪；9-柱塞泵油元件；10-柱塞腔；11-進(jìn)油閥；12-柱塞單向閥

高壓共軌管上還安裝了壓力傳感器、限壓閥和流量限制器。

流量限制器的功用是在非常情況下防止噴油器常開(kāi)并持續(xù)噴油，即一旦某噴油器常開(kāi)并持續(xù)噴油，導(dǎo)致共軌輸出的油量超過(guò)一定限值，流量限制器則會(huì)關(guān)閉該噴油器的供油通道，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5-35。

1-進(jìn)油孔；2-堵頭；3-限制閥；4-彈簧；5-殼體；6-出油孔；7-閥座；8-節(jié)流孔

由于彈簧和節(jié)流孔的作用，使限制閥向下移動(dòng)的量隨噴油速率增加而增大。噴油器異常泄漏使噴油速率和噴油量超過(guò)正常噴油最大值時(shí)，限制閥完全關(guān)閉，停止給噴油器供油。

限壓閥一般安裝在輸油泵內(nèi)或共軌上，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5-36。其功用是限制共軌中的最高壓力。彈簧的預(yù)緊力根據(jù)規(guī)定的共軌最高壓力調(diào)定。閥左側(cè)承受的共軌壓力超過(guò)右側(cè)的彈簧力時(shí)，閥頭右移離開(kāi)閥座，共軌中的燃油經(jīng)限壓閥流回油箱或輸油泵進(jìn)油側(cè)，使共軌壓力下降。

1-共軌側(cè)進(jìn)油口；2-閥頭；3-油孔；4-閥；5-彈簧；6-空心螺塞；7-閥體；8-回油口

④ 電控噴油器。

電控噴油器是共軌式燃油系統(tǒng)中最關(guān)鍵和最復(fù)雜的部件，它的作用是根據(jù)ECU發(fā)出的控制信號(hào)，通過(guò)控制電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)閉，將高壓油軌中的燃油以最佳的噴油定時(shí)、噴油量和噴油率噴入柴油機(jī)的燃燒室。

博世公司的CR系統(tǒng)和ECD-U2的電控噴油器的結(jié)構(gòu)基本相似，都是由與傳統(tǒng)噴油器相似的噴油嘴、液壓控制活塞、控制量孔、控制電磁閥等組成。下面僅以ECD-U2的電控噴油器為例加以說(shuō)明，其結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖5-37。

當(dāng)線圈沒(méi)有通電時(shí)，外閥在彈簧力作用下落座，內(nèi)閥在油道①的油壓作用下上升，此時(shí)密封內(nèi)錐座A開(kāi)啟，油道①、②相通，高壓油從①進(jìn)入液壓活塞上腔中。

當(dāng)線圈通電時(shí)，外閥在電磁力的吸引下向上運(yùn)動(dòng)，關(guān)閉密封內(nèi)錐座A，此時(shí)內(nèi)閥仍停留在上方，外錐座B開(kāi)啟，油道②、③相通，活塞上腔向回油室放油，這時(shí)噴油器噴油。線圈通電時(shí)間即噴油脈寬，決定噴油量。油道①、②也稱(chēng)為控制量孔，液壓活塞上部的空間稱(chēng)為控制室的容積。

1-內(nèi)閥；2-外閥；3-閥體；4-液壓活塞；5-噴嘴