第一节 电控单体泵燃油喷射系统柴油机
柴油机单体泵燃油喷射系统是柴油机的最新技术之一，采用单体泵燃油喷射系统后，不但可以提升柴油机的动力性能和经济性能指标，而且柴油机的排放指标可以达到欧Ⅲ甚至更高的排放标准。
不仅如此，由于单体泵喷油技术结构相对简单，适用范围广，正得到越来越多的应用。如道依茨BF4M1013/2015柴油机、沃尔沃柴油机、玉柴柴油机上都有广泛的应用。
一、电控单体泵燃油喷射系统柴油机综述
单体泵燃油喷射系统可以说是柴油机的一次革命，不仅使柴油机性能的大幅度提高，而且在设计上也是一次彻底的革新，因为它每一个喷油器上都对应一个高压油泵，使得柴油机喷油系统的零部件相对简单了许多，便于系列化、标准化生产和维修。
单体泵柴油喷射系统在结构上可分为两种形式：
一种是泵喷嘴（UIS）系统，主要应用在轿车上，尤其以大众品牌（捷达等）轿车最为常见，在结构上高压油泵和喷油器做成了一体，可直接安装在柴油机缸盖上，泵喷嘴由柴油机顶置凸轮轴驱动。
另一种是单体泵喷油（UPS）系统，主要应用在商用车上，在重型载货汽车、工程机械上最为常见。单体泵柴油机的外形如图1-2所示。
图1-2 玉柴YC6G系列单体泵柴油机
单体泵（包括电控单体泵）与喷油器由一根很短的高压油管连接（图1-3），单体泵由凸轮轴直接驱动。传统柴油机的喷油器喷油时的动作是由凸轮轴来控制的，而在单体泵燃油喷射系统中，凸轮轴仅提供了高压油泵的驱动力。柴油机单体泵燃油喷射系统有机械式单体泵喷油系统和电控单体泵喷油系统两大类，如图1-4所示。两者的差别在于机械单体泵的供油量由调速器控制，电控单体泵的供油量由ECU控制。
图1-3 单体泵与喷油器的连接
图1-4 单体泵外形示意图
a）电控式单体泵 b）机械式单体泵
二、机械单体泵燃油喷射系统
单体泵供油系统，顾名思义，它的供油系统的核心部件喷油泵是单体的、单个的。与传统的机械式喷油泵相比，在结构形式上的主要不同点在于，每个喷油泵都是独立的，分别安装在柴油机气缸体上，对应每一气缸在气缸体上有安装单体泵的孔，六缸柴油机就有六个单体泵，（四缸柴油机就有四个单体泵），这六个单体泵是由整个柴油机的凸轮轴来驱动，也就是说单体泵为一个整体部件装在柴油机的气缸体（或其他位置）上，由配气凸轮轴上的喷油凸轮驱动。
而传统的六缸柴油机的机械式喷油泵是布置在整机缸体的外侧，通过外部托架固定在柴油机缸体上，在喷油泵泵体内，有一根凸轮轴，专门驱动六套柱塞，通常称作一台喷油泵。
机械式单体泵喷油系统的特点：单体泵技术使燃烧更适合工况的需要，因而燃烧更充分，效率更高，降低了排气污染和燃油消耗率。它还有以下优点：
①由凸轮轴通过（滚轮）挺柱驱动，结构紧凑，刚性好。
②喷油压力可以高达160.0MPa。
③较小的安装空间。
④高压油管短，且标准化。
⑤调速性能好。
⑥具有自排气功能。
⑦维修服务相对简单，换泵容易。
机械式单体泵因为其喷油时间及喷油量的控制不够精确（需要人工调整），排放指标一般只能达到欧Ⅱ标准。
单体泵柴油机（包括电控和机械两大类）目前在国内应用较为广泛，很多重型汽车（如一汽九平柴）、工程机械（如三一重工生产的水泥泵车、摊铺机等）都有使用。道依茨BF4M1013柴油机为（电控）单体泵柴油机的典型机型，如图1-5所示。
图1-5 道依茨BF4M1013柴油机
三、电控单体泵燃油喷射系统
与机械式单体泵燃油系统不同点是：电控单体泵的上部有电磁阀（图1-4a），电磁阀能够按照特性图谱的数据精确地控制喷射正时及喷油时间，以确保柴油机的排气指标达到或超过国Ⅲ标准。
电控单体泵燃油喷射系统已在国内商用车柴油机上获得了广泛的应用，如大柴CA6DE3系列柴油机、玉柴YC6L（6G）系列柴油机、朝柴4102系列柴油机等都是采用电控单体泵燃油喷射系统。柴油机电控单体泵燃油喷射系统如图1-6所示。
图1-6 电控单体泵柴油机燃油喷射系统示意图
四、电控单体泵燃油喷射系统的整体结构
柴油机电控单体泵燃油喷射系统主要由电控单元（ECU）、检测元件（各种传感器）和执行元件等三大部分组成，各部分的功用如图1-7所示。
1.电控单元（ECU）的功用
①接收并分析各个传感器元件提供的相关信息。
图1-7 柴油机电控系统概念图
②根据相关信息确定对柴油机适时进行相应的调整。
③根据调整要求对执行器发出调整指令。
ECU是电控柴油机的控制中心，通过接收各传感器传送来的柴油机运行信息，加以运算处理后控制各执行器动作。ECU还包含一个监测模块。ECU和监测模块相互监测，如果发现故障，它们中的任何一个都可以独立于另一个而切断喷油，如图1-8所示。
图1-8 柴油机ECU监测模块
其中喷油器线束和传感器线束在柴油机出厂时已经做好，整车厂需要根据整车功能的需要来做整车线束。
2.检测元件（各种传感器）的功用
电控单体泵系统各传感器的功能见表1-3。
表1-3 电控单体泵系统各传感器的功能
（1）曲轴位置传感器（图1-9）。气缸内的活塞位置对获得正确的喷油正时极为重要。由于柴油机的所有活塞都是由连杆和曲轴连接的，因此曲轴位置传感器能提供所有气缸内活塞位置的信息；转速是指曲轴每分钟的旋转圈数，此重要参数由ECU从电感式曲轴位置传感器的信号算出。
图1-9 曲轴位置传感器的安装位置
①信号的产生。在机体上面对曲轴的部位装一个铁磁式传感信号轮，轮上应该有60个齿，去除2个齿，留下的大齿隙相应于第一缸的活塞上止点位置。曲轴位置传感器按齿序对传感信号轮进行扫描。它由永久磁铁和铜质导线绕组的软铁心组成。由于齿和齿隙交替地越过传感器，使其内部的磁通发生变化，感应出一个正弦交变电压。该交变电压的振幅随转速的上升而增大。从50r/min的最低转速起就有足够大的振幅。
②转速的计算。柴油机气缸的点火次序是互相错开的，曲轴旋转两圈（720°）后，第一缸又开始新的工作循环。着火间隔是均匀分布的。
在四缸柴油机上，着火间隔为180°，也就是说，曲轴位置传感器在两次着火间隔之间扫描30个齿。由该扫描时间内的平均曲轴转数即可算出曲轴的转速。
（2）凸轮轴位置传感器（图1-10）。凸轮轴控制进、排气门，它以曲轴转速的一半转动，其位置确定了向上止点运动的活塞是处于压缩行程上止点还是排气行程上止点。在起动过程中，仅从曲轴位置信号是无法区分这两种上止点的。而与此相反，在车辆运行时，由曲轴位置传感器产生的信号已足以确定柴油机的状态。这就是说，若凸轮轴位置传感器在车辆运行过程中失效时，ECU仍然能够判别柴油机的状态。
图1-10 凸轮轴位置传感器的安装
凸轮轴位置传感器利用霍尔效应来确定凸轮轴的位置：在凸轮轴上设置一个铁磁材料制成的齿，它随同凸轮轴转动。当该齿经过凸轮轴位置传感器中流过电流的霍尔效应半导体薄片时，传感器的磁场将霍尔效应半导体薄片中的电子流向偏转到与电流方向垂直，从而短时内形成一个电压信号（霍尔电压），此信号告知ECU：此时第一缸正好处于压缩行程上止点。
（3）冷却液温度传感器。冷却液温度传感器用在多个地方：用在冷却液回路中，以便从冷却液温度推知柴油机的温度（图1-11）；用在进气道中，以测定吸入空气的温度；用在机油中，以测定机油温度（可选装）；用在燃油回路中，以测定燃油温度（可选装）。
图1-11 冷却液温度传感器示意图
1—电子插头 2—壳体 3—NTC电阻 4—冷却液
冷却液温度传感器中有一个负温度系数的热敏电阻，它是用5V供电的一个分压器电路的一部分，其电压是温度的尺度，经模拟-数字转换器输入ECU。在ECU的微处理器中存有一条负温度系数电阻特性曲线，对任何一个电压都给出相应的温度。
（4）进气压力和温度传感器。进气压力和温度传感器（又称增压压力传感器，如图1-12所示）向ECU提供柴油机中冷后的进气温度和进气压力信息。压力敏感元件为硅膜片，温度敏感元件为负温度系数的热敏电阻。
图1-12 进气压力传感器及其特性
（5）燃油温度传感器（图1-13a）。这是一个热敏电阻型传感器，与冷却液温度传感器类似。
图1-13 冷却液温度及燃油温度传感器端子示意图
a）燃油温度传感器 b）冷却液温度传感器
（6）冷却液温度传感器（图1-13b）。冷却液温度传感器向ECU提供柴油机冷却液温度信号，敏感元件为负温度系数的热敏电阻。
1）冷却液温度传感器的检测
①将点火开关置于OFF，拔下传感器插接器，将点火开关置于ON位，测量传感器插接器1针脚与搭铁间电压是否在4.9～5.1V内。如果测量结果不在标准范围内，则应检查蓄电池是否供电正常，或出现了ECU输出电压不正常的状况，或线束出现断路或接触不良等状况。测量传感器电阻，并记录。
②测量传感器插接器2针脚（图1-14）与搭铁之间是否导通，如果不导通则应检查线束是否断路或接触不良。
图1-14 加速踏板位置传感器
③将点火开关置于OFF，插上传感器插接器，拔下ECU上的A端线束插接器，找到对应的A58（A52）与A41（A39），测量它们之间的传感器电阻，若测得结果与步骤①测得结果偏差较大，则说明线束出现故障的可能性较大。根据当时的温度情况查找传感器电阻温度对照表，若实测的电阻值与理论值出入较大，则传感器出故障的可能性较大。
2）冷却液（燃油）温度传感器温度与电阻值的对应数值：不同冷却液温度下传感器温度与电阻值的对应值见表1-4（道依茨电控单体泵柴油机数据）。
表1-4 冷却液传感器温度与电阻对应表
（7）大气温度传感器。大气温度传感器向ECU提供环境温度信息。
（8）加速踏板位置传感器（图1-14）。加速踏板位置传感器将加速踏板开度转换为电信号，并将其输出到柴油机ECU。另外，有两个系统可在一旦发生故障时提供备用功能。
用于柴油机的加速踏板位置传感器是非接触型传感器。由连杆与加速踏板一起转动，输出端子电压根据连杆转动角度而变化。
五、单体泵喷油系统故障的检测要点
1.柴油机动力不足的检测要点
如果柴油机出现动力不足的故障，按动力不足检测程序进行检测。道依茨BFM1013柴油机动力不足的检测程序如下：
（1）用转速表检查高怠速。根据柴油机的配置不同，高怠速应比额定转速高6%～8%。基本的计算公式如下：高怠速=额定转速×1.07；如果高怠速不够，检查加油手柄是否顶到高怠速限位螺钉。
（2）检查喷油器，是否有滴漏及由于初级油路压力不够导致的穴蚀。
（3）检查低压油路系统，低压油路压力不足会直接导动力不足及喷油器穴蚀。对于0.5MPa的燃油系统，空载时低压油路的最低燃油压力为：
①柴油机转速为1500～1899r/min时，大于0.42MPa。
②柴油机转速为1900～2300r/min时，大于0.50MPa。
③柴油机转速高于2300r/min时，大于0.53MPa。
低压油路的压力检测点应在细滤器的出油口后（即曲轴箱的进油口处，如图1-15所示）。如果这一位置没有测量空间，可在回油阀前（即曲轴箱的出口处）测量。注意：在额定转速下，在曲轴箱的出口处测得的压力应比曲轴箱进油口处的压力低0.10MPa左右。以下各项都可能是导致低压油路压力不足的原因：
图1-15 单体泵低压油路系统压力检测位置
①燃油粗滤器滤芯或精滤器滤芯是否堵塞。
②回油溢流阀是否损坏。
③从油箱到输油泵的输油管路中是否流动阻力过大。
④输油泵是否提供足够供油压力。
另一些原因是，由回油安全阀至燃油箱的回油管路中是否流动阻力过大。如果此阻力过大则回油量不足且燃油温度会升高（燃油温度不应超过80℃）。在确保滤芯没有堵塞的情况下，如果燃油预压不足，应检查或更换回油安全阀。
如果压力仍然不足，则应检查整个输油管路中是否流动阻力过大，直接用一个油桶在输油泵前供油，这样可以确定是否是OEM所配的从油箱到输油泵的供油管路及柴油粗滤器滤芯造成的阻力过大。输油泵前的油管内径不能小于12mm，且在高怠速时输油泵的入口处的燃油压力应大于-0.05MPa，满足欧Ⅱ排放的柴油机应大于-0.035MPa。
如果仍然压力不足，则应检查回油量，将回油管的回油端从油箱拆下直接插到一个空桶中，测量柴油机1min内空载高速时的回油量，应在8L以上。
（4）检查满负荷时的增压空气压力及排气温度。只有当转速由最高空转转速降低到额定转速时，柴油机的输出动力才能达到满负荷。
满负荷时进气歧管中的增压压力至少应达到0.13MPa，排气温度（在增压器后100mm的测量点）应为450～480℃。测量增压空气压力方法分为静态测量和动态测量。
静态测量值：0.05MPa；动态测量值：0.13～0.15MPa。
如果供油量充足而增压压力仍不足，应检查排气背压，应不超过4.9kPa。
如果车辆排气制动损坏，检查内部阀片位置状态，如果接近半关闭状态，会导致柴油机增压量的不足，影响柴油机动力。
2.柴油机冒黑烟时检测要点
柴油机冒黑烟是由于柴油燃烧不完全，其中未燃烧完全的炭形成游离炭，悬浮在燃气中随废气一起排出，就成为黑烟。一般情况下，BFM1013柴油机冒黑烟故障的原因如下：
①空气滤清器太脏，进气阻力太大，中冷器脏。
②喷油泵供油量过多或各缸供油不均匀度太大。
③低速减油装置损坏（连接空气管漏气）。
④喷油器喷油不良。
⑤气缸压缩压力低。
⑥柴油质量差。
⑦调速器磨损。
⑧加浓电磁阀线圈烧损。
柴油机出现冒黑烟故障后，应采取下列方法诊断和检测：
①拆下空气滤清器，检查清洗中冷器，若柴油机冒黑烟现象消失，说明空气滤清器太脏，应进行清洗。
②若空气滤清器良好，柴油机在怠速运转时冒黑烟，说明怠速工况供油量太大，应检查喷油泵。
③若喷油泵供油情况良好，应检查喷油泵供油正时。
④若供油正时正确，可采用单缸断油法检查各缸的工作情况。如某个气缸断油后转速变化不明显，且黑烟现象消失，则说明该气缸工作状态不良，可能是该气缸单体泵供油量太大，喷油器喷雾质量不好或气缸压缩压力太低等因素造成的，确诊后予以排除。
⑤如果柴油机起动后，怠速就开始冒黑烟，且转速越高、负荷越大，黑烟越严重，则可能是起动加浓电磁阀损坏导致的，检查起动加浓电磁阀，酌情更换。
⑥如果在检修喷油器后，柴油机冒黑烟，且黑烟现象非常严重，就应该检查一下喷油器的安装是否正确。
⑦若上述检查均无问题，则可能是柴油质量太差，造成燃烧不完全，应更换柴油。
3.柴油机起动困难的检测要点
单体泵（包括电控单体泵）柴油机起动困难或不能起动故障是经常出现的，当柴油机出现了起动困难故障后，重点应该检查以下部分：
（1）低压油路系统是否有空气，如果有，则必须按前述的排空方法排空，否则很难起动柴油机。
（2）如果故障不是低压油路空气因素，则需要检查低压油路预压，如果预压不足，柴油机的起动也是非常困难的。造成低压油路预压不足的原因有：
①输油泵泄漏严重，导致燃油预压不足。
②回油安全阀弹簧损坏或被异物卡住而关闭不严。
③单体泵的泵油元件磨损严重，导致泵油压力不足，致使柴油机起动困难。
④喷油器喷油偶件（喷油嘴）烧蚀或发卡，喷油雾化不良而使柴油机起动困难。
如果以上因素都不能排除柴油机的起动困难故障，则需要从其他方面（如气缸压缩压力、气门间隙、进排气系统等）查找原因。
六、柴油机单体泵燃油喷射系统常见故障
采用单体泵燃油喷射系统的柴油机在重型载货汽车、工程机械等行业获得了广泛的应用。由于单体泵燃油喷射系统，与传统的燃油喷射系统在结构、使用、维修等诸方面具有较大的差别。因此，该类柴油机在实际使用中，由于维修和保养工作不及时或不正确，经常使设备出现下列故障：
①柴油机起动困难。
②柴油机动力不足。
③柴油机高速大负荷时降速熄火。
④柴油机冒黑烟。
⑤柴油机易自动熄火。
当该类柴油机突然出现或维修燃油系统后出现起动困难、动力不足、冒黑烟，或者经常（或偶然）出现自动熄火后发现燃油系统存在大量气体，排空油路气体后柴油机可以起动，且起动后工作基本正常等现象时，就应该也必须对燃油系统进行维修和保养。
上述故障一般都与燃油喷射系统有直接的关系，具体分析如下：
故障诊断：出现这些情况，一般情况下是燃油系统的下列部件出现了问题。
①维修或更换单体泵时未按要求调整或更换单体泵垫片。
②机械式输油泵磨损或损坏。
③单体泵安装不到位。
④回油安全阀密封不严。
⑤单体泵柱塞磨损严重。
⑥起动加浓电磁阀有问题。
⑦喷油器回油管安装错位。
图1-16 BFM1013柴油机单体泵喷油正时调整垫的位置
故障分析：
①单体泵喷油正时调整垫片选择错误。道依茨BFM1013柴油机使用单体泵的供油系统，每一个单体泵对应一个调整垫片（图1-16中的Z）的厚度，垫片厚度是经过严格计算得来的，其目的是保证每个缸的供油正时准确无误。
在拆卸或更换单体泵时，如果没有按照要求选择合适的垫片，就可能使某个气缸的喷油提前角不正确，柴油机就会出现起动困难等故障。因此，在拆卸或更换单体泵时，必须做出标记或重新选配调整垫片。
调整垫厚度Ts的计算公式为
或
式中Ts——垫片厚度；
Lo——标准值（BFM1013机型：Lo=143mm）；
Ek——根据柴油机标牌上的Ep值查表而获得（表1-5）；
A——单体泵上的手写数值。
表1-5 BFM1013柴油机Ek与Ep值兑换表（Lo=143mm）
根据计算结果，由表1-6查出实际垫片Z的厚度（如Ts=2.455，则Z=2.5mm）。
表1-6 BFM1013柴油机单体泵调整垫的厚度Z
②输油泵损坏。如果机械式输油泵的转子磨损过大或存在泄漏等故障，低压油路就可能出现压力不足的故障。道依茨BFM1013柴油机要求低压油路的压力在0.3～0.5MPa内，如果输油泵有问题，就不能保证低压油路的压力，导致起动困难或完全不能起动。因此，如果柴油机起动困难，且伴有动力不足、无黑烟和大负荷高速松开加速踏板易熄火等故障时，输油泵故障应该是首先必须考虑的因素。
③单体泵安装错误。单体泵安装没有按照要求进行，调速齿杆处于小油量的位置或断油位置，柴油机的供油量不足或根本不供油，所以柴油机不能起动或动力不足。
④回油安全阀密封不严或损坏。如果回油安全阀密封不严或损坏，低压油路就不能建立起足够的压力，柴油机起动困难是不可避免的。如果还伴有动力不足、易自动熄火、排气无黑烟等现象，在确定输油泵没有问题时，就需要考虑是否是回油安全阀的问题了。有一台工程机械用道依茨BF6M1013柴油机，在施工过程中总是出现自动熄火故障，施工4h，自动熄火约10次，且熄火后起动时需要手动压油才能起动，并稍显动力不足。根据该机的故障现象，确定为回油安全阀故障，更换后，柴油机一切正常。
⑤单体泵柱塞磨损严重。柱塞磨损后，柴油机就存在供油量和供油压力都不足的问题，柴油机起动困难是很正常的事情。除此之外，因单体泵柱塞磨损，柴油机还会出现动力不足并可能冒黑烟等现象，遇到此类故障时，就应该检查或维修单体泵。
⑥起动加浓电磁阀损坏。起动加浓电磁阀损坏后，柴油机不一定会起动困难，但可能有下列问题：柴油机加速时严重冒黑烟，大负荷时黑烟更严重。起动加浓电磁阀一般只能更换，没必要也不可能修复。
⑦喷油器开启压力。在专用喷油器压力试验器上测试喷油器开启压力，数值不得低于（25.0+0.8）MPa；对于达不到此喷油压力的喷油器应进行清洗或酌情更换。如果喷油压力过低，柴油机可能出现动力不足或冒黑烟现象。
⑧喷油器滴油。用干净的压缩空气吹干（或用干净抹布抹干净）喷油器表面，在喷油器试验器上将压力达到比开启压力低2.0MPa的压力下保持10s，没有滴油现象，说明此喷油器可以继续使用。如果滴油，则必须维修，如果维修后情况没有改变，则必须更换新的喷油器。喷油器密封不严（滴油），都可能导致柴油机运行时动力不足或严重冒黑烟，如图1-17所示。
⑨喷油器安装错位。道依茨BFM1013柴油机的喷油器安装时，由于没有严格的定位，容易出现180°的错位，且错位安装从外观感觉上还认为是比较顺的。错位安装的喷油器使油束与燃烧室不匹配，导致油气混合不良而使燃烧不充分，所以柴油机冒黑烟。
正确的安装方法是：喷油器的回油管必须朝向柴油机的排气管一侧。也就是当面朝单体泵安装孔时，喷油器的回油管朝向对面。如果没有回油管，则喷油器上有一个凹点的一侧朝向排气管，如图1-18所示。
图1-17 喷油器滴油试验
图1-18 喷油器回油管位置