第二節(jié) 電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)柴油機

“電控”是指燃油噴射系統(tǒng)（圖1-19）由柴油機ECU控制，ECU（俗稱電腦）對每個噴油器的噴油量、噴油時刻進行精確控制，能使柴油機的燃油經(jīng)濟性和動力性達到最佳的平衡。而傳統(tǒng)的柴油機則是由機械控制，控制精度無法得以保障。

圖1-19 四缸電控共軌燃油噴射系統(tǒng)的組成示意圖

“高壓”是指噴油系統(tǒng)壓力比傳統(tǒng)柴油機要高出2倍多，最高壓力能達到200MPa（而傳統(tǒng)柴油機噴油壓力為60～70MPa）。壓力大，霧化好，燃燒充分，從而提高了動力性，最終達到省油的目的。

“共軌”是通過公共油管同時供給各個噴油器，噴油量經(jīng)過ECU的精確計算，同時向各個噴油器提供同樣品質(zhì)、同樣壓力的燃油，使柴油機運轉(zhuǎn)更加平順，從而優(yōu)化柴油機綜合性能。而傳統(tǒng)柴油機由各缸各自噴油，噴油量和壓力不一致，運轉(zhuǎn)不均勻，造成燃燒不平穩(wěn)，噪聲大，油耗高。

一、柴油機電控共軌燃油噴射系統(tǒng)的組成

電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)是在柴油機氣缸蓋上安裝了一個燃油共軌管，燃油共軌管是一個長管狀密閉容器，各缸噴油器都安裝在容器上，共同使用這一燃油共軌管，即所謂共軌。

高壓噴油泵通過單向閥不斷地向共軌內(nèi)部泵入高壓柴油，共軌類似于制動系統(tǒng)的儲氣罐。壓力傳感器將共軌內(nèi)壓力值反饋給ECU，并通過控制電磁閥的適當(dāng)開啟泄油以調(diào)節(jié)共軌內(nèi)的壓力。共軌內(nèi)的壓力就是噴油器的噴油壓力，可達140～160MPa，甚至更高。油壓的產(chǎn)生方式與柱塞泵的完全不同。供油正時由噴油器電磁閥控制，噴油量由電磁閥的持續(xù)開啟時間控制，所以該系統(tǒng)既不需要提前器也不需要調(diào)速器。

所有這些都由ECU系統(tǒng)自動控制。該系統(tǒng)的正常工作要求其噴油器電磁閥必須能夠準時快速可靠地開閉，并且能承受長期高頻率開閉的工況。因此，電控高壓共軌柴油機的動力性較好、省油，加速時無煙色發(fā)黑的現(xiàn)象，但是電控系統(tǒng)相關(guān)零部件的成本較高。

1.共軌式電控燃油噴射技術(shù)的特點

柴油機共軌式電控燃油噴射技術(shù)是一種全新的技術(shù)，集計算機控制技術(shù)、現(xiàn)代傳感檢測技術(shù)以及先進的噴油器結(jié)構(gòu)于一身。它不僅能達到較高的噴射壓力、實現(xiàn)噴射壓力和噴油量的控制，而且還能實現(xiàn)預(yù)噴射和分段噴射，從而優(yōu)化噴油特性、降低柴油機噪聲和大大減少廢氣有害成分的排放量。其特點為

①采用先進的電子控制裝置及配有高速電磁開關(guān)閥，使得噴油過程的控制十分方便，并且可控參數(shù)多，利于柴油機燃燒過程的全程優(yōu)化。

②采用共軌方式供油，噴油系統(tǒng)壓力波動小，各噴油器間相互影響小，噴射壓力控制精度較高，噴油量控制較準確。

③高速電磁開關(guān)閥頻率高，控制靈活，使得噴油系統(tǒng)的噴射壓力可調(diào)范圍大，可方便地實現(xiàn)預(yù)噴射等功能，為優(yōu)化柴油機噴油規(guī)律，改善其性能和降低廢氣排放提供了有效手段。

④系統(tǒng)結(jié)構(gòu)移植方便，適應(yīng)范圍廣，尤其是與目前的小型、中型及重型柴油機均能很好匹配，因而市場前景廣闊。

⑤可獨立地柔性控制噴油正時，配合高的噴射壓力（120～200MPa），目前常用的博世公司的共軌系統(tǒng)，共軌壓力為145.0MPa，可同時控制NO_x和微粒（PM）在較小的數(shù)值內(nèi)，以滿足國Ⅲ（國Ⅳ）排放要求。

綜上所述，共軌式電控燃油噴射技術(shù)有助于減少柴油機的有害尾氣排放量，并具有降低噪聲、降低油耗、提高動力輸出等方面的綜合性能。

高壓共軌電控燃油噴射技術(shù)的應(yīng)用有利于環(huán)境保護，加速促進柴油機工業(yè)、汽車工業(yè)，特別是工程機械相關(guān)工業(yè)的向前發(fā)展，是柴油機今后重點應(yīng)用的燃油噴射技術(shù)之一。

2.高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)主要部件及工作原理

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)借助各種傳感器（柴油機轉(zhuǎn)速傳感器、加速踏板位置傳感器、冷卻液溫度傳感器等）檢測柴油機工況，并將信號傳給ECU，利用ECU綜合控制相應(yīng)的燃油噴射量、噴射定時、噴射速率和噴射壓力等，使柴油機在最佳狀態(tài)下運行。高壓共軌系統(tǒng)從功能上可分為電子控制系統(tǒng)和燃油噴射系統(tǒng)。

（1）電子控制系統(tǒng)。ECU利用接收安裝在柴油機及車輛上的各種傳感器采集的數(shù)據(jù)，并與存儲在里面的大量經(jīng)過試驗得到的最佳噴油量、噴油時間和噴油規(guī)律的數(shù)據(jù)進行比較分析，計算出當(dāng)前狀態(tài)的最佳參數(shù)，來控制噴油器、流量計量單元等機構(gòu)工作。電子控制系統(tǒng)包括傳感器、ECU和執(zhí)行器，其控制原理框圖如圖1-20所示，硬件及軟件功能如圖1-21所示。

圖1-20 共軌柴油機電子控制系統(tǒng)原理框圖

圖1-21 ECU的硬件及軟件功能框圖

①曲軸位置傳感器利用飛輪上的信號孔通過傳感器部位時，傳感器線圈的磁力線發(fā)生變化，線圈中產(chǎn)生交流電。此信號可檢測柴油機的轉(zhuǎn)速和曲軸位置。

②凸輪軸位置傳感器與曲軸位置傳感器一樣，也應(yīng)用了線圈磁力線的變化而產(chǎn)生交流電的原理。將曲軸位置傳感器脈沖和凸輪軸位置傳感器脈沖信號組合，可識別柴油機的第一個氣缸。

③加速踏板位置傳感器將加速踏板的踩下角度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柊l(fā)送到ECU。加速踏板位置傳感器使用了霍爾器件。

④冷卻液溫度傳感器利用熱敏電阻檢測柴油機冷卻液溫度，轉(zhuǎn)變成電信號并發(fā)送給ECU。

⑤共軌壓力傳感器是由一個半導(dǎo)體元件組成的傳感器。利用壓力施加到硅元件上時電阻發(fā)生變化的壓電效應(yīng)原理制成。輸出信號隨壓力的增加而增大。

⑥進氣壓力和溫度傳感器提供進氣溫度與壓力參數(shù)，進氣壓力是壓敏電阻，它所測量壓力與輸出的電壓成正比。

⑦機油壓力和溫度傳感器可以同時檢測機油壓力和機油溫度，其原理與進氣壓力和溫度傳感器一致。

（2）燃油噴射系統(tǒng)。共軌燃油噴射系統(tǒng)是將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程彼此完全分開的一種供油方式。由高壓油泵把高壓燃油輸送到共軌管。不再采用傳統(tǒng)的柱塞泵脈動供油的原理，而是通過共軌直接或間接地形成恒定的高壓燃油，分送到每個噴油器，并借助于集成在每個噴油器上的高速電磁閥的開啟與閉合，定時、定量地控制噴油器噴射至柴油機燃燒室的油量。從而保證柴油機達到最佳的燃燒比和良好的霧化，以及最佳的著火時間。

1）高壓油泵。高壓油泵（圖1-22）是高壓油路和低壓油路的分界面，其功能是通過控制燃油輸出量在共軌內(nèi)產(chǎn)生燃油壓力。在所有工況下，主要負責(zé)供給足夠的高壓燃油。

圖1-22 博世共軌系統(tǒng)高壓油泵

2）FMU燃油計量單元（圖1-23）

①燃油從輸油泵經(jīng)過節(jié)流孔流到壓力腔內(nèi)，當(dāng)燃油壓力超過彈簧的彈力時，節(jié)流閥被向上推起。

②節(jié)流閥向上移動，當(dāng)節(jié)流閥的環(huán)肩打開燃油通道時，燃油被輸送到進出油閥。

③ECU控制電磁閥以便于最佳燃油量從燃油計量單元流到出油閥。

④當(dāng)電磁閥A和B根據(jù)來自ECU的信號被賦予了電壓后，壓力腔側(cè)回油通道打開，在壓力腔的油從側(cè)回油通道流出。

⑤壓力腔的壓力下降，節(jié)流閥由于彈簧力的作用而下降，對燃油通道節(jié)流。

⑥由于ECU控制電磁閥A和B通電的時間（占空比），最佳燃油量就被提供到進出油閥后進入共軌管內(nèi)。

圖1-23 FMU燃油計量單元的工作原理

3）共軌管。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。博世系統(tǒng)的共軌管如圖1-24所示。

共軌管的容積應(yīng)削減高壓油泵的供油壓力波動和每個噴油器由噴油過程引起的壓力振蕩，使高壓油軌中的壓力波動控制在5.0MPa以下。但其容積又不能太大，以保證共軌有足夠的壓力響應(yīng)速度以快速跟蹤柴油機工況的變化。

圖1-24 柴油機共軌

共軌壓力傳感器的作用：檢測共軌壓力，參與軌壓控制。軌壓異常時，強制泄壓閥DBV打開，柴油機跛行（帶故障運行）。

4）電控噴油器

①任務(wù)。噴油始點和噴油量用電子控制的噴油器調(diào)整，它替代了普通噴油系統(tǒng)中的噴油器總成。

與直噴式柴油機中的噴油器體相似，噴油器用由螺栓緊固的卡夾緊固安裝在氣缸蓋中。共軌噴油器在直噴式柴油機上安裝時，不需要對氣缸蓋的結(jié)構(gòu)作很大改變。

②結(jié)構(gòu)。電控噴油器由孔式噴油器、液壓伺服系統(tǒng)、電磁閥組件構(gòu)成。

如圖1-25所示，燃油從高壓接頭經(jīng)進油通道送往噴油器，并經(jīng)過進油節(jié)流孔進入閥控制室，而閥控制室經(jīng)由電磁閥控制的回油節(jié)流孔與回油孔相通。

出油節(jié)流孔在關(guān)閉狀態(tài)時，作用在閥控制活塞上的液壓力大于作用在噴油器針閥承壓面上的力，噴油器針閥被壓在其座面上，緊緊關(guān)閉通往噴油孔的高壓通道，因而沒有燃油噴入燃燒室。

電磁閥動作時，打開回油節(jié)流孔，閥控制室內(nèi)的壓力下降，只要作用在閥控制活塞上的液壓力小于作用在噴油器針閥承壓面上的力，噴油器針閥立即打開，燃油經(jīng)過噴孔噴入燃燒室。用電磁閥不能直接產(chǎn)生迅速關(guān)閉針閥所需的力，因此采用經(jīng)液力放大系統(tǒng)間接控制噴油器針閥。其間除噴入燃燒室的燃油量之外，附加的控制油量經(jīng)控制室的回油節(jié)流孔進入回油通道，此外還有針閥導(dǎo)向和閥活塞導(dǎo)向部分的泄油。這種控制油量和泄油量經(jīng)集油管（安全閥、高壓泵和調(diào)壓閥也與集油管接通）的回油通道返回油箱。

圖1-25 噴油器示意圖

a）噴油器關(guān)閉（靜止?fàn)顟B(tài)） b）噴油器打開（噴油開始） 1—回油孔 2—電氣接頭 3—電磁閥 4—高壓進油孔 5—球閥 6—回油節(jié)流孔 7—機油節(jié)流孔 8—閥控制室 9—閥控制柱塞 10—至噴油器的進油道 11—噴油器針閥

③工作方式。在柴油機和高壓泵工作時，噴油器有4個工作狀態(tài)：噴油器關(guān)閉（依靠其中存有的高壓）、噴油器打開（噴油開始）、噴油器完全打開、噴油器關(guān)閉（噴油結(jié)束）。

上述工作狀態(tài)是通過噴油器構(gòu)件上力的分配產(chǎn)生的。柴油機不工作和共軌中沒有壓力時，噴油器彈簧將噴油器關(guān)閉。

a.噴油器關(guān)閉（靜止?fàn)顟B(tài)）：電磁閥在靜止?fàn)顟B(tài)不被控制，因此是關(guān)閉的（圖1-25a）。回油節(jié)流孔關(guān)閉時，銜鐵的鋼球通過閥彈簧壓在回油節(jié)流孔的座面上。閥控制室內(nèi)建立起共軌高壓，同樣的壓力也存在于噴油器的內(nèi)腔容積中。共軌壓力在控制柱塞端面上施加的力和噴油器彈簧力使針閥克服作用在其承壓面上的開啟力而處于關(guān)閉狀態(tài)。

b.噴油器打開（噴油開始）：噴油器處于靜止?fàn)顟B(tài)時，一旦電磁線圈通入吸動電流，電磁線圈的吸力大于閥彈簧力，銜鐵就將回油節(jié)流孔打開（圖1-25b）。由于磁路的空隙較小，因此有可能在極短的時間內(nèi)，急劇升高的吸動電流轉(zhuǎn)換成較小的電磁閥保持電流。隨著回油節(jié)流孔的打開，燃油從閥控制室流入其上面的空腔，并經(jīng)回油通道返回油箱，使閥控制室內(nèi)的壓力下降，而進油節(jié)流孔可防止壓力完全平衡，導(dǎo)致閥控制室內(nèi)的壓力小于噴油器內(nèi)腔容積中的壓力，從而針閥被打開，開始噴油。

針閥的開啟速度取決于進、回油節(jié)流孔之間的流量差?？刂浦_到其上極限位置，并在該處固定在進、回油節(jié)流孔之間的燃油墊上。此時噴油器完全被打開，燃油以近似共軌壓力噴入燃燒室。噴油器上的力分布大致等于開啟階段中的力分布。

c.噴油器關(guān)閉（噴油結(jié)束）：如果電磁閥控制電流結(jié)束，則銜鐵在閥彈簧力的作用下向下將鋼球壓在閥座上，關(guān)閉回油節(jié)流孔。銜鐵被設(shè)計成由兩部分組合，雖然銜鐵盤由銜鐵銷帶著一起向下運動，但它是壓著復(fù)位彈簧一起向下運動的，因此銜鐵和鋼球的落座沒有較大的向下沖擊力。

由于回油節(jié)流孔的關(guān)閉，進油節(jié)流孔的進油又使控制室中建立起與共軌中相同的壓力，從而使作用在控制活塞上的力增加，再加上彈簧力，超過了噴油器內(nèi)腔容積中的液壓力，至此針閥關(guān)閉。

二、國Ⅲ柴油機的綜合使用要求與注意事項

柴油機使用保養(yǎng)工作是柴油機運行過程中必不可少的工作，保養(yǎng)工作的好與壞，直接關(guān)系到柴油機的運行可靠性及使用壽命。不同的柴油機，由于其設(shè)計理念和使用狀態(tài)的不同，對使用保養(yǎng)的要求也有所不同。但無論是機械噴油柴油機還是電控柴油機，下列一些使用與保養(yǎng)原則應(yīng)該是通用的。

（1）牢固樹立“三分質(zhì)量、七分保養(yǎng)”的觀念?！叭仲|(zhì)量、七分保養(yǎng)”是柴油機使用者應(yīng)該擁有的基本理念。無論什么柴油機，如果保養(yǎng)工作不到位，柴油機就不可能發(fā)揮其應(yīng)有的作用，有時還可能成為人們的累贅。

（2）機油質(zhì)量等級優(yōu)先原則。柴油機使用的機油，具有潤滑、散熱、清潔、密封等多項功能，如果質(zhì)量不好，不僅不能起到這些作用，而且還可能造成柴油機的異常損壞。柴油機機油選用的一般原則：根據(jù)該柴油機使用說明的要求選用相應(yīng)質(zhì)量等級的機油，可以選用比說明書要求的質(zhì)量等級更高級別機油，但絕對不能選用低于該級別的機油。如說明書要求使用CD級機油，則可以選用CE級后的機油而不能選用CC級的機油，這一點尤為重要。而且要嚴格執(zhí)行生產(chǎn)廠家給出的換油周期，這一點同樣重要。

還要特別注意，不同品牌的機油一定不要混合使用。至于粘度等級的選用，一般情況下都以混合用油（比如15W/40）為好。

（3）“三濾”質(zhì)量優(yōu)先并定期更換的原則。柴油機的三濾（空氣濾清器、機油濾清器、柴油濾清器）是柴油機的綜合濾清器，其中一項出現(xiàn)問題，都會給柴油機帶來不良后果。

1）空氣濾清器。如果空氣濾清器的濾芯質(zhì)量不好，會造成柴油機缸套活塞的早期磨損，其損失遠遠大于更換幾個空氣濾清器的濾芯的費用。

①每運行5000～8000km應(yīng)更換空氣濾清器的濾芯。因使用條件的差異，應(yīng)靈活調(diào)整維護更換周期。

②絕對禁止柴油機在不裝空氣濾清器或空氣濾清器失效的情況下工作。

2）柴油濾清器。很多人認為，柴油是很干凈的，用不著太好的過濾裝置。這種觀點是非常錯誤的，殊不知柴油中含有大量粉塵、雜質(zhì)，如果使用了劣質(zhì)柴油濾清器的濾芯，就可能過濾不掉這些粉塵和雜質(zhì)，就會對柴油機的供油系統(tǒng)精密偶件（如柱塞、噴油器等）造成嚴重損壞。柴油濾清器的濾芯的質(zhì)量對于單體泵及共軌系統(tǒng)等高壓噴油系統(tǒng)來講更是致命的。因此，選用質(zhì)量上乘的柴油濾清器的濾芯是非常必要的。

柴油中的另一項不利的成分就是水分，雖然總體含量不高，但久而久之，其危害也不可小視。目前，柴油機一般都安裝可以分離水分的柴油濾（又稱油水分離器），由于其價格相對較高，很多廠家都將其棄之不用，這樣做的結(jié)果可能就是該柴油機的供油系統(tǒng)（特別是高壓系統(tǒng)）經(jīng)常損壞。因此，如果一臺柴油機供油系統(tǒng)的精密偶件（如柱塞、噴油器等）經(jīng)常損壞，就應(yīng)該仔細檢查一下柴油濾清器濾芯的質(zhì)量。

柴油濾清器的使用保養(yǎng)要求為：

①柴油濾清器的濾芯更換周期：每運行1.5萬km或累計運行300h更換一次濾芯。

②不允許往新濾芯中灌注未經(jīng)過濾的柴油。

③在日常的維護保養(yǎng)中要定期更換柴油濾清器及油水分離器。

④不要加注不符合國家標準的燃油。并注意定期放出油水分離器中的水。

3）機油濾清器。機油濾清器的質(zhì)量也是非常重要的，劣質(zhì)機油濾清器的濾芯可能導(dǎo)致機油過濾不干凈、機油濾清器的濾芯爆裂、機油濾清器被吸癟等故障，輕者造成軸瓦、缸套、活塞拉傷，重者可能導(dǎo)致燒瓦抱軸（抱缸）等嚴重故障，甚至造成柴油機報廢的嚴重后果。

（4）堅持柴油機定期維護保養(yǎng)的原則。生產(chǎn)廠家一般都對柴油機的使用保養(yǎng)要求規(guī)定了最低標準，作為柴油機使用者來講，應(yīng)該無條件地予以執(zhí)行。條件許可時，還應(yīng)提高使用保養(yǎng)標準，這對延長柴油機的使用壽命只有好處而沒有壞處。

（5）在日常使用中，請注意下列要求：

①柴油機冷機起動后不要立即高速運行或帶負荷工作，冬季使用更應(yīng)如此。

②柴油機不要長時間超負荷運行或高溫運行。

③柴油機低速空轉(zhuǎn)時間不易太長，一般不要超過30min。

④柴油機不要在大負荷高轉(zhuǎn)速下立即停機，增壓柴油機更應(yīng)注意這一點。

⑤柴油機停機前不要空踩加速踏板停機。

（6）共軌系統(tǒng)使用注意事項

1）共軌及高壓油管

①柴油機停機后，絕對不能立即拆卸高壓油管。

②絕對禁止用擰松高壓油管的方法來排除油路系統(tǒng)中的空氣。

③更換噴油器總成后注意更新（電腦）修正碼。

2）ECU使用注意事項

①拔插線束及其傳感器或執(zhí)行器連接的插接器之前，切記應(yīng)首先關(guān)掉點火開關(guān)、電源總開關(guān)，然后才可以進行柴油機電氣部分的日常維護操作。

②關(guān)閉總電源之前，應(yīng)首先關(guān)閉點火開關(guān)。因為電控單元（ECU）在點火開關(guān)斷開后，需要一段時間存儲柴油機的運行狀態(tài)參數(shù)，建議在關(guān)閉點火開關(guān)10s后再斷開電源總開關(guān)；接通電源和點火開關(guān)時，應(yīng)先接通電源總開關(guān)，然后再接通點火開關(guān)。

③電控燃油噴射系統(tǒng)的正常工作電壓是18～24V，但蓄電池電壓應(yīng)盡量保持在22～26V。

④嚴禁用水直接沖洗柴油機電氣部分的零部件，當(dāng)電氣部分意外進水后，例如電控單元（ECU）或線束被水淋濕或浸泡，應(yīng)首先切斷電源總開關(guān)，并立即通知維修人員處理，不要自行運轉(zhuǎn)柴油機。