汽車柴油機電控高壓共軌噴油系統（一）(一)

現代小型乘用車柴油機對進一步降低燃油耗、減少廢氣排放和降低噪聲的要求越來越高。滿足這些條件都需要噴油系統具有很高的噴油壓力、非常靈活的控制柔性、極准確的噴油過程和計量極精確的噴油量。因此，那些機械調節式噴油系統或噴油壓力較低而控制功能有限的電子控制式分配泵已無法滿足這些要求。在這種情況下，電控高壓共軌噴油系統就有了“用武之地”。本文將為您系統、詳細地介紹小型乘用車柴油機用第一代電磁閥控制高壓共軌噴油系統的組成部件、結構、工作原理及其各種功能。www.ttkaiche.com

一、 柴油機噴油系統概述

柴油機的種類十分繁多，與其配套的噴油系統也多種多樣，詳情如圖1和表1所示。

     由於柴油機的負荷和轉速調節是在沒有進氣節流的情況下直接通過改變噴油量來達到的，因此噴油系統必須以35～200MPa之間的壓力將燃油噴入柴油機汽缸內，並形成均勻的可燃混合氣。其間噴油量的計量必須盡可能精確，對噴油過程中的噴油壓力、噴油時刻和噴油次數的控制必須非常靈活，而且必須能夠隨運轉工況而任意變化。因此，繼續沿用機械調節式噴油系統或噴油壓力較低而控制功能有限的電子控制式分配泵已無法滿足這些要求，新型的電控高壓共軌噴油系統則是最佳選擇。因此近幾年來，電控高壓共軌噴油系統在車用柴油機上得到了迅速的推廣。

二、共軌噴油系統

1.主要特點

電控高壓共軌噴油系統與傳統的凸輪驅動的機械調節式噴油系統相比，其與柴油機匹配的靈活性要大得多，主要表現在以下幾個方面。

⑴寬廣的應用領域（用於小型乘用車和輕型載重車，每缸功率可達30 kW；用於重型載重車、內燃機車和船舶，每缸功率可達200 kW左右）。

⑵噴油壓力可達135MPa，甚至更高。

⑶噴油始點可變。

⑷可實現預噴射、主噴射和後噴射。

⑸噴油壓力可隨柴油機運轉工況而變化。

2.功能

在共軌噴油系統中，噴油壓力的建立與噴油量互不相關，噴油壓力不取決於柴油機的轉速和噴油量。在高壓燃油存儲器(即“共軌”)中，始終充滿著高壓燃油。而噴油量、噴油正時和噴油壓力由電控單元（ECU）根據其中存儲的特性曲線（脈譜圖）和傳感器采集的柴油機運轉工況信息算出，然後控制每缸噴油器的高速電磁閥開閉來實現。

共軌噴油系統的控制部分和傳感器部分包括：ECU、曲軸轉速傳感器、凸輪軸相位傳感器、加速踏板傳感器、增壓壓力傳感器、空氣質量流量計、共軌壓力傳感器及冷卻水溫度傳感器。

ECU借助於傳感器得知駕駛員的要求（加速踏板位置）以及柴油機和車輛的實時工作狀態。它處理由傳感器產生並經數據導線輸入的信號，對柴油機進行控制和調節。曲軸轉速傳感器測定柴油機的轉速，凸輪軸相位傳感器確定發火順序和相位。加速踏板傳感器是一種電位計，它通過電壓信號告知ECU關於駕駛員對扭矩的要求。空氣質量流量計告知ECU柴油機實時的進氣空氣質量流量，以根據排放法規的要求來匹配相應的基本噴油量。在帶有增壓壓力調節的增壓柴油機上，增壓壓力傳感器用以測定增壓壓力。在低溫和柴油機處於冷態時，ECU可根據冷卻水溫度傳感器和進氣空氣溫度傳感器的信號值確定合適的噴油始點、預噴射油量和其他參數的額定值。

作為一個實例，圖2示出了一種四缸柴油機所用電控共軌噴油系統的主要組件。

⑴基本功能

其基本功能是在正確時刻以精確的數量和合適的壓力控制燃油的噴射，從而保證柴油機的平穩運行，並獲得低燃油消耗、廢氣排放和運轉噪聲。

⑵附加功能

附加的控制和調節功能用於減少廢氣排放和燃油消耗，或提高安全性和舒適性。例如用來實現廢氣再循環(EGR)、增壓壓力調節、車速控制和電子防盜鎖等。

CAN總線系統可與車輛的其他電子系統（例如ABS系統、變速器電子控制系統）進行數據交換。診斷接口可在車輛檢修時輸出系統存儲的運行數據和故障代碼。

三、噴油特性

1.普通噴油系統的噴油特性

在普通的噴油系統，例如分配泵和直列泵中，只有主噴射而沒有預噴射和後噴射（如圖3所示），而在電磁閥控制的分配泵中僅可實現預噴射。普通噴油系統中壓力的產生和噴油量的計量是通過凸輪和供油柱塞來實現的。這種方法對噴油特性來講，會產生下列現象：

⑴噴油壓力隨轉速和噴油量的增加而升高；

⑵噴油過程中噴油壓力上升，但到噴油終了時又降低到噴油嘴關閉壓力。

因此，會產生下列結果：

⑴小噴油量時的噴油壓力較低；

⑵峰值噴油壓力是平均噴油壓力的兩倍以上；

⑶噴油過程曲線近似於三角形，這有利於燃燒完善。

峰值噴油壓力對噴油泵及其驅動裝置構件承受的負荷具有決定性的影響。對普通噴油系統而言，它是燃燒室中混合氣形成質量好壞的評價尺度。

2.共軌噴油系統的噴油特性

對理想的噴油特性，除了普通噴油特性的要求之外，還有下列要求：

⑴對發動機的任何一個工況點，噴油壓力和噴油量的確定都可以是互為獨立的。

⑵噴油開始初期（即在噴油開始到燃燒開始之間的點火延遲期內）的噴油量應盡可能小。

帶有預噴射和主噴射的共軌噴油系統可滿足上述要求（如圖4～圖6所示）。

共軌噴油系統采用模塊式結構，噴油特性主要決定於下列組件：

⑴電磁閥控制的噴油器，用螺紋擰裝在汽缸蓋上；

⑵壓力存儲器（共軌）；

⑶高壓泵；

⑷ECU；

⑸曲軸轉速傳感器；

⑹凸輪軸相位傳感器。

在小型乘用車上用的共軌噴油系統中，產生噴油壓力的高壓泵采用徑向柱塞泵，其轉速以固定的傳動比與發動機轉速相關，而壓力的建立與噴油量無關。由於近乎連續的供油，高壓泵可設計得比普通噴油系統中用的高壓泵小得多，設計時考慮的峰值驅動扭矩也較小。

噴油器通過高壓油管與共軌相連，它主要由一個噴油嘴和一個電磁閥構成。ECU使電磁閥通電，就開始噴油。在一定壓力下，噴入的燃油量與電磁閥的接通時間成正比，而與發動機或泵的轉速無關（時間控制的噴油方式）。噴油量可通過電磁閥控制的相應設計，並在ECU中采用高電壓和大電流來控制，以提高電磁閥的響應特性。

噴油正時是通過電控系統中的角度-時間系統來控制的。為此在曲軸上裝有一個轉速傳感器，並且為了識別缸序或相位，在凸輪軸上也裝有一個相位傳感器。

燃油噴射主要有以下幾種：

⑴預噴射

預噴射可在上止點前90°內進行。如果預噴射的噴油始點早於上止點前40°曲軸轉角，則燃油可能噴到活塞頂面和汽缸壁上使潤滑油稀釋到不允許的程度。預噴射時，少量燃油（1～4 mm3）噴入汽缸，促使燃燒室產生“預調節”，從而改善燃燒效率。壓縮壓力由於預反應或局部燃燒而略有提高，因此縮短了主噴油量的著火延遲期，降低了燃燒壓力上升幅度和燃燒壓力峰值，燃燒較為柔和。這種效果減小了燃燒噪聲和燃油耗，許多情況下還降低了排放。

在無預噴射時的壓力特性曲線（如圖5所示）中，在上止點前的范圍內，壓力上升尚較平緩，但隨著燃燒的開始壓力迅速上升，達到壓力最大值時，形成一個較陡的尖峰。壓力上升幅度的增加和尖峰導致柴油機的燃燒噪聲明顯提高。而在有預噴射的壓力特性曲線（如圖6所示）中，在上止點前范圍內，壓力值略高，但燃燒壓力的上升變緩。

預噴射間接地通過縮短著火延遲期而有助於發動機扭矩的增加。根據主噴