电喷柴油发动机维修技术[1]

电喷柴油发动机

电控高压共轨系统

• 一、概述

• 共轨系统由高压泵、喷油管、高压蓄压器（共轨）、喷油器、电控单元和传感器及执行器组成。

• 共轨式喷油系统主要的贡献就是将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开，通过对共轨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基本无关。这一柴油发动机技术的创新最大限度地降低了柴油发动机车型的振动和噪声，同时将油耗进一步降低，使排放更加清洁。但共轨技术的喷油压力低于泵喷嘴系统，一般只能达到160MPa左右。由于喷油压力调节宽泛，采用共轨技术的柴油车能更好地适应各种工况，起步也不会困难。 • 第一代共轨高压泵总是保持在最高压力，导致燃油的浪费和很高的燃油温度。第一代共轨系统为商用车设计的，

最高喷射压力为140MPa，乘用车喷射压力为135MPa。

• 第二代共轨系统可根据发动机需求而改变输出压力，并具有预喷射和后喷射功能。带有控制油量的油泵，喷射

压力能达到160MPa。即使在压力较低的情况下，该系统也可以根据实际状况提供适量的喷油压力。不仅有助于降低燃油消耗，而且还可以降低燃油温度，从而省去燃油冷却装置。预喷射降低了发动机噪声：在主喷射之前百万分之一秒内少量的燃油被喷进了汽缸压燃，预热燃烧室。预热后的汽缸使主喷射后的压燃更加容易，缸内的压力和温度不再是突然地增加，有利于降低燃烧噪音。在膨胀过程中进行后喷射，产生二次燃烧，将缸内温度增加200～250℃，降低了排气中的碳氢化合物。

• 第三代共轨系统带有压电直列式喷油器。2003年，第三代共轨系统面世，压电式（piezo）共轨系统的压电

执行器代替了电磁阀，于是得到了更加精确的喷射控制。省去了回油管，在结构上更简单。压力从20～200MPa弹性调节。最小喷射量可控制在0.5mm3，减小了烟度和NOX的排放。最高喷射压力达到180MPa。此套采用新研发的压电直列式喷油器的系统使带预喷和后喷的喷油率曲线范围更为自由。

• 与其它喷射系统相比，共轨系统把压力产生与实际燃油喷射过程分离。“轨”被作为高压蓄压器，其内部燃油

压力始终保持与发动机具体工况相适应的最佳压力。共轨系统可被轻易地安装到各类不同的发动机中。除此之外，共轨系统还提供了更广阔的扩展功能和在燃烧过程设计上更多大的自由度，它可以使柴油发动机以更低的排放、更好的燃油经济性和低噪声运行。电控共轨系统，是国内专家一致认为目前水平最高、将来会占统治地位的一种电控系统。其喷油器的特殊设计，可实行灵活的多次喷射，且喷射压力可在不同转速和负荷条件下任意调节，给发动机带来的好处是极为理想的指标。由于这些因素，电控共轨技术已普遍为新一代乘用车柴油发动机采用。

高压共轨系统示意图

二、共轨喷油系统主要特点

• 电控高压共轨喷油系统与传统的凸轮驱动的机械调节式喷油系统相比，其与柴油机匹配的灵活性要大得多，主要

表现在以下几个方面。

• 宽广的应用领域（用于小型乘用车和轻型载重车，每缸功率可达30 kW；用于重型载重车、内燃机车和船舶，每

缸功率可达200 kW左右）。

• 喷油压力可达135MPa，甚至更高。 • 喷油始点可变。

• 可实现预喷射、主喷射和后喷射。 • 喷油压力可随柴油机运转工况而变化。 三、共轨喷油系统的功能

• ⑴基本功能

• 其基本功能是在正确时刻以精确的数量和合适的压力控制燃油的喷射，从而保证柴油机的平稳运行，并获得低燃

油消耗、废气排放和运转噪声。 • ⑵附加功能

• 附加的控制和调节功能用于减少废气排放和燃油消耗，或提高安全性和舒适性。例如用来实现废气再循环(EGR)、

增压压力调节、车速控制和电子防盗锁等。

普通喷油系统的喷油特性：

在普通的喷油系统，例如分配泵和直列泵中，只有主喷射而没有预喷射和后喷射，而在电磁阀控制的分配泵中仅可实现预喷射。普通喷油系统中压力的产生和喷油量的计量是通过凸轮和供油柱塞来实现的。这种方法对喷油特性来讲，会产生下列现象：

⑴喷油压力随转速和喷油量的增加而升高；

⑵喷油过程中喷油压力上升，但到喷油终了时又降低到喷油嘴关闭压力。

因此，会产生下列结果：⑴小喷油量时的喷油压力较低；⑵峰值喷油压力是平均喷油压力的两倍以上； ⑶喷油过程曲线近似于三角形，这有利于燃烧完善。

峰值喷油压力对喷油泵及其驱动装置构件承受的负荷具有决定性的影响。对普通喷油系统而言，它是燃烧室中混合气形

成质量好坏的评价尺度。 四、喷油特性

• 共轨喷油系统的喷油特性：

• 对理想的喷油特性，除了普通喷油特性的要求之外，还有下列要求：

• ⑴对发动机的任何一个工况点，喷油压力和喷油量的确定都可以是互为独立的。

• ⑵喷油开始初期（即在喷油开始到燃烧开始之间的点火延迟期内）的喷油量应尽可能小。 • 带有预喷射和主喷射的共轨喷油系统可满足上述要求 燃油喷射的型式

• 1、预喷射

• 预喷射可在上止点前40°内进行。如果预喷射的喷油始点早于上止点前40°曲轴转角，则燃油可能喷到活塞顶

面和汽缸壁上使润滑油稀释到不允许的程度。预喷射时，少量燃油（1～4 mm3）喷入汽缸，促使燃烧室产生“预调节”，从而改善燃烧效率。压缩压力由于预反应或局部燃烧而略有提高，因此缩短了主喷油量的着火延迟期，降低了燃烧压力上升幅度和燃烧压力峰值，燃烧较为柔和。这种效果减小了燃烧噪声和燃油耗，许多情况下还降低了排放。

• 在无预喷射时的压力特性曲线（如图5所示）中，在上止点前的范围内，压力上升尚较平缓，但随着燃烧的开始

压力迅速上升，达到压力最大值时，形成一个较陡的尖峰。压力上升幅度的增加和尖峰导致柴油机的燃烧噪声明显提高。而在有预喷射的压力特性曲线（如图6所示）中，在上止点前范围内，压力值略高，但燃烧压力的上升变缓。

• 预喷射间接地通过缩短着火延迟期而有助于发动机扭矩的增加。根据主喷射始点和预喷射与主喷射之间的时间间

隔的不同，燃油耗降低或增加。 • 2、主喷射

• 主喷射提供了发动机输出功率所需的能量，从而基本上决定了发动机的扭矩。在共轨喷油系统中，整个喷油过程

的喷油压力近似恒定不变。 • 3、后喷射

• 对于那些催化NOx的催化器而言，后喷射的燃油充当还原剂，用于还原NOx。它在主喷射之后的做功行程或排

气行程中进行，其范围一般在上止点后200°内。

• 与预喷射和主喷射不同，后喷射的燃油在汽缸中不会燃烧，而是在废气中剩余热量的作用下蒸发，带入NOx催

化器中作为NOx的还原剂，以降低废气中NOx的含量。

• 过迟的后喷射会导致燃油稀释发动机的润滑油，其喷射范围要由发动机制造厂家通过试验来确定。 五、燃油系统

• 柴油机电控高压共轨喷油系统由低压供油部分和高压供油部分组成。 • 1.低压供油部分

• 共轨喷油系统的低压供油部分包括:燃油箱（带有滤网）、输油泵、燃油滤清器及低压油管。 • ⑴燃油箱

⑵低压油管

低压供油部分,除采用钢管外还可使用阻燃的包有钢丝编织层的柔性管。油管的布置必须能够避免机械损伤，并且在其上滴落的燃油既不能聚积，也不会被引燃。 • ⑶输油泵

• 输油泵是一种带有滤网的电动泵或齿轮泵,它将燃油从燃油箱中吸出,将所需的燃油连续供给高压泵。 • ⑷滤清器

• 燃油滤清器将进入高压泵前的燃油滤清净化,从而防止高压泵、出油阀和喷油器等精密件过早磨损和损坏。 燃油系统—低压

• •

2.高压供油部分

• 共轨喷油系统的高压供油部分包括：带调压阀的高压泵、高压油管、作为高压存储器的共轨（带有共轨压力传感

器）、限压阀和流量限制器、喷油器、回油管。 • ⑴高压泵

• 高压泵将燃油压送到共轨的压力为135MPa,高压燃油经高压油管进入类似管状的共轨中。 • ⑵共轨

• 在共轨中燃油仍保持其压力,即使喷油器喷油时,由于燃油的弹性而产生蓄压作用，燃油压力基本保持不便。燃油

压力由共轨压力传感器测定，通过调压阀调节到规定数值。限压阀的任务是将共轨中的燃油压力限制在150MPa以内。 • ⑶喷油器

• 当高压燃油在喷油器中被电子控制的电磁阀释放时，喷油嘴开启，将燃油直接喷入发动机燃烧室。 • ⑷高压油管

• 高压燃油油管必须能够经受喷油系统的最大压力和喷油间歇时的局部高频压力波动。该油管是由钢管制成,通常外

径为6mm，内径为2.4mm。

• 各缸的高压油管长度是完全相同的，共轨与各缸喷油器之间的不同间距是通过各缸高压油管的弯曲程度进行长度

补偿的，但油管长度应尽可能短一些。

燃油系统---高压

六、组件结构和功能

• 1.低压部分

• 低压部分向高压部分提供足够的燃油,其主要组成部件如图8所示。 • ⑴输油泵

• 输油泵的任务是在任何工况下，为燃油提供所需的压力，并在整个使用寿命期内，向高压泵提供足够的燃油。 • 目前输油泵有2种类型，即电动输油泵（滚子叶片泵）和机械驱动的齿轮泵。 • ⑵燃油滤清器 • 2.高压部分

• 高压部分除了产生高压力的组件外,还有燃油分配和计量组件 • ⑴高压泵（径向柱塞泵）

• A作用 ：高压泵位于低压部分和高压部分之间，它的任务是在车辆所有工作范围和整个使用寿命期间，在共轨

中持续产生符合系统压力要求的高压燃油，以及快速启动过程和共轨中压力迅速升高时所需的燃油储备。 • B结构

• 高压泵通常像普通分配泵那样装在柴油机上，以齿轮、链条或齿形皮带连接在发动机上，最高转速为3000r/min，

依靠燃油润滑。因为安装空间大小的不同，调压阀通常直接装在高压泵旁，或固定在共轨上。

高压泵示意图

调压阀结构示意图

作用共轨的任务是存储高压燃油,高压泵的供油和喷油所产生的力波动由共轨的容积进行缓冲。在输出较大燃油量时，所有汽缸共用的共轨压力也应保持恒定，从而确保喷油器打开时喷油压力不变。

共轨压力传感器示意图

限压阀的作用相当于安全阀，它限制共轨中的压力，当压力过高时打开放油孔卸压。共轨内允许的短时最高压力为150MPa。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活塞头部关闭。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。只有当超过系统最大压力时，活塞才受共轨中压力的作用而压缩，于是处于高压下的燃油流出。燃油经过通道流入活塞中央的孔，然后经回油管流回油箱。随着阀的开启，燃油从共轨中流出，结果降低了共轨中的压力

共轨喷油器示意图