第二节 电控高压共轨燃油喷射系统柴油机
“电控”是指燃油喷射系统（图1-19）由柴油机ECU控制，ECU（俗称电脑）对每个喷油器的喷油量、喷油时刻进行精确控制，能使柴油机的燃油经济性和动力性达到最佳的平衡。而传统的柴油机则是由机械控制，控制精度无法得以保障。
图1-19 四缸电控共轨燃油喷射系统的组成示意图
“高压”是指喷油系统压力比传统柴油机要高出2倍多，最高压力能达到200MPa（而传统柴油机喷油压力为60～70MPa）。压力大，雾化好，燃烧充分，从而提高了动力性，最终达到省油的目的。
“共轨”是通过公共油管同时供给各个喷油器，喷油量经过ECU的精确计算，同时向各个喷油器提供同样品质、同样压力的燃油，使柴油机运转更加平顺，从而优化柴油机综合性能。而传统柴油机由各缸各自喷油，喷油量和压力不一致，运转不均匀，造成燃烧不平稳，噪声大，油耗高。
一、柴油机电控共轨燃油喷射系统的组成
电控高压共轨燃油喷射系统是在柴油机气缸盖上安装了一个燃油共轨管，燃油共轨管是一个长管状密闭容器，各缸喷油器都安装在容器上，共同使用这一燃油共轨管，即所谓共轨。
高压喷油泵通过单向阀不断地向共轨内部泵入高压柴油，共轨类似于制动系统的储气罐。压力传感器将共轨内压力值反馈给ECU，并通过控制电磁阀的适当开启泄油以调节共轨内的压力。共轨内的压力就是喷油器的喷油压力，可达140～160MPa，甚至更高。油压的产生方式与柱塞泵的完全不同。供油正时由喷油器电磁阀控制，喷油量由电磁阀的持续开启时间控制，所以该系统既不需要提前器也不需要调速器。
所有这些都由ECU系统自动控制。该系统的正常工作要求其喷油器电磁阀必须能够准时快速可靠地开闭，并且能承受长期高频率开闭的工况。因此，电控高压共轨柴油机的动力性较好、省油，加速时无烟色发黑的现象，但是电控系统相关零部件的成本较高。
1.共轨式电控燃油喷射技术的特点
柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一种全新的技术，集计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油器结构于一身。它不仅能达到较高的喷射压力、实现喷射压力和喷油量的控制，而且还能实现预喷射和分段喷射，从而优化喷油特性、降低柴油机噪声和大大减少废气有害成分的排放量。其特点为
①采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀，使得喷油过程的控制十分方便，并且可控参数多，利于柴油机燃烧过程的全程优化。
②采用共轨方式供油，喷油系统压力波动小，各喷油器间相互影响小，喷射压力控制精度较高，喷油量控制较准确。
③高速电磁开关阀频率高，控制灵活，使得喷油系统的喷射压力可调范围大，可方便地实现预喷射等功能，为优化柴油机喷油规律，改善其性能和降低废气排放提供了有效手段。
④系统结构移植方便，适应范围广，尤其是与目前的小型、中型及重型柴油机均能很好匹配，因而市场前景广阔。
⑤可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力（120～200MPa），目前常用的博世公司的共轨系统，共轨压力为145.0MPa，可同时控制NOx和微粒（PM）在较小的数值内，以满足国Ⅲ（国Ⅳ）排放要求。
综上所述，共轨式电控燃油喷射技术有助于减少柴油机的有害尾气排放量，并具有降低噪声、降低油耗、提高动力输出等方面的综合性能。
高压共轨电控燃油喷射技术的应用有利于环境保护，加速促进柴油机工业、汽车工业，特别是工程机械相关工业的向前发展，是柴油机今后重点应用的燃油喷射技术之一。
2.高压共轨燃油喷射系统主要部件及工作原理
高压共轨燃油喷射系统借助各种传感器（柴油机转速传感器、加速踏板位置传感器、冷却液温度传感器等）检测柴油机工况，并将信号传给ECU，利用ECU综合控制相应的燃油喷射量、喷射定时、喷射速率和喷射压力等，使柴油机在最佳状态下运行。高压共轨系统从功能上可分为电子控制系统和燃油喷射系统。
（1）电子控制系统。ECU利用接收安装在柴油机及车辆上的各种传感器采集的数据，并与存储在里面的大量经过试验得到的最佳喷油量、喷油时间和喷油规律的数据进行比较分析，计算出当前状态的最佳参数，来控制喷油器、流量计量单元等机构工作。电子控制系统包括传感器、ECU和执行器，其控制原理框图如图1-20所示，硬件及软件功能如图1-21所示。
图1-20 共轨柴油机电子控制系统原理框图
图1-21 ECU的硬件及软件功能框图
①曲轴位置传感器利用飞轮上的信号孔通过传感器部位时，传感器线圈的磁力线发生变化，线圈中产生交流电。此信号可检测柴油机的转速和曲轴位置。
②凸轮轴位置传感器与曲轴位置传感器一样，也应用了线圈磁力线的变化而产生交流电的原理。将曲轴位置传感器脉冲和凸轮轴位置传感器脉冲信号组合，可识别柴油机的第一个气缸。
③加速踏板位置传感器将加速踏板的踩下角度转变为电信号发送到ECU。加速踏板位置传感器使用了霍尔器件。
④冷却液温度传感器利用热敏电阻检测柴油机冷却液温度，转变成电信号并发送给ECU。
⑤共轨压力传感器是由一个半导体元件组成的传感器。利用压力施加到硅元件上时电阻发生变化的压电效应原理制成。输出信号随压力的增加而增大。
⑥进气压力和温度传感器提供进气温度与压力参数，进气压力是压敏电阻，它所测量压力与输出的电压成正比。
⑦机油压力和温度传感器可以同时检测机油压力和机油温度，其原理与进气压力和温度传感器一致。
（2）燃油喷射系统。共轨燃油喷射系统是将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。由高压油泵把高压燃油输送到共轨管。不再采用传统的柱塞泵脉动供油的原理，而是通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁阀的开启与闭合，定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量。从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化，以及最佳的着火时间。
1）高压油泵。高压油泵（图1-22）是高压油路和低压油路的分界面，其功能是通过控制燃油输出量在共轨内产生燃油压力。在所有工况下，主要负责供给足够的高压燃油。
图1-22 博世共轨系统高压油泵
2）FMU燃油计量单元（图1-23）
①燃油从输油泵经过节流孔流到压力腔内，当燃油压力超过弹簧的弹力时，节流阀被向上推起。
②节流阀向上移动，当节流阀的环肩打开燃油通道时，燃油被输送到进出油阀。
③ECU控制电磁阀以便于最佳燃油量从燃油计量单元流到出油阀。
④当电磁阀A和B根据来自ECU的信号被赋予了电压后，压力腔侧回油通道打开，在压力腔的油从侧回油通道流出。
⑤压力腔的压力下降，节流阀由于弹簧力的作用而下降，对燃油通道节流。
⑥由于ECU控制电磁阀A和B通电的时间（占空比），最佳燃油量就被提供到进出油阀后进入共轨管内。
图1-23 FMU燃油计量单元的工作原理
3）共轨管。共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用。博世系统的共轨管如图1-24所示。
共轨管的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力振荡，使高压油轨中的压力波动控制在5.0MPa以下。但其容积又不能太大，以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。
图1-24 柴油机共轨
共轨压力传感器的作用：检测共轨压力，参与轨压控制。轨压异常时，强制泄压阀DBV打开，柴油机跛行（带故障运行）。
4）电控喷油器
①任务。喷油始点和喷油量用电子控制的喷油器调整，它替代了普通喷油系统中的喷油器总成。
与直喷式柴油机中的喷油器体相似，喷油器用由螺栓紧固的卡夹紧固安装在气缸盖中。共轨喷油器在直喷式柴油机上安装时，不需要对气缸盖的结构作很大改变。
②结构。电控喷油器由孔式喷油器、液压伺服系统、电磁阀组件构成。
如图1-25所示，燃油从高压接头经进油通道送往喷油器，并经过进油节流孔进入阀控制室，而阀控制室经由电磁阀控制的回油节流孔与回油孔相通。
出油节流孔在关闭状态时，作用在阀控制活塞上的液压力大于作用在喷油器针阀承压面上的力，喷油器针阀被压在其座面上，紧紧关闭通往喷油孔的高压通道，因而没有燃油喷入燃烧室。
电磁阀动作时，打开回油节流孔，阀控制室内的压力下降，只要作用在阀控制活塞上的液压力小于作用在喷油器针阀承压面上的力，喷油器针阀立即打开，燃油经过喷孔喷入燃烧室。用电磁阀不能直接产生迅速关闭针阀所需的力，因此采用经液力放大系统间接控制喷油器针阀。其间除喷入燃烧室的燃油量之外，附加的控制油量经控制室的回油节流孔进入回油通道，此外还有针阀导向和阀活塞导向部分的泄油。这种控制油量和泄油量经集油管（安全阀、高压泵和调压阀也与集油管接通）的回油通道返回油箱。
图1-25 喷油器示意图
a）喷油器关闭（静止状态） b）喷油器打开（喷油开始） 1—回油孔 2—电气接头 3—电磁阀 4—高压进油孔 5—球阀 6—回油节流孔 7—机油节流孔 8—阀控制室 9—阀控制柱塞 10—至喷油器的进油道 11—喷油器针阀
③工作方式。在柴油机和高压泵工作时，喷油器有4个工作状态：喷油器关闭（依靠其中存有的高压）、喷油器打开（喷油开始）、喷油器完全打开、喷油器关闭（喷油结束）。
上述工作状态是通过喷油器构件上力的分配产生的。柴油机不工作和共轨中没有压力时，喷油器弹簧将喷油器关闭。
a.喷油器关闭（静止状态）：电磁阀在静止状态不被控制，因此是关闭的（图1-25a）。回油节流孔关闭时，衔铁的钢球通过阀弹簧压在回油节流孔的座面上。阀控制室内建立起共轨高压，同样的压力也存在于喷油器的内腔容积中。共轨压力在控制柱塞端面上施加的力和喷油器弹簧力使针阀克服作用在其承压面上的开启力而处于关闭状态。
b.喷油器打开（喷油开始）：喷油器处于静止状态时，一旦电磁线圈通入吸动电流，电磁线圈的吸力大于阀弹簧力，衔铁就将回油节流孔打开（图1-25b）。由于磁路的空隙较小，因此有可能在极短的时间内，急剧升高的吸动电流转换成较小的电磁阀保持电流。随着回油节流孔的打开，燃油从阀控制室流入其上面的空腔，并经回油通道返回油箱，使阀控制室内的压力下降，而进油节流孔可防止压力完全平衡，导致阀控制室内的压力小于喷油器内腔容积中的压力，从而针阀被打开，开始喷油。
针阀的开启速度取决于进、回油节流孔之间的流量差。控制柱塞达到其上极限位置，并在该处固定在进、回油节流孔之间的燃油垫上。此时喷油器完全被打开，燃油以近似共轨压力喷入燃烧室。喷油器上的力分布大致等于开启阶段中的力分布。
c.喷油器关闭（喷油结束）：如果电磁阀控制电流结束，则衔铁在阀弹簧力的作用下向下将钢球压在阀座上，关闭回油节流孔。衔铁被设计成由两部分组合，虽然衔铁盘由衔铁销带着一起向下运动，但它是压着复位弹簧一起向下运动的，因此衔铁和钢球的落座没有较大的向下冲击力。
由于回油节流孔的关闭，进油节流孔的进油又使控制室中建立起与共轨中相同的压力，从而使作用在控制活塞上的力增加，再加上弹簧力，超过了喷油器内腔容积中的液压力，至此针阀关闭。
二、国Ⅲ柴油机的综合使用要求与注意事项
柴油机使用保养工作是柴油机运行过程中必不可少的工作，保养工作的好与坏，直接关系到柴油机的运行可靠性及使用寿命。不同的柴油机，由于其设计理念和使用状态的不同，对使用保养的要求也有所不同。但无论是机械喷油柴油机还是电控柴油机，下列一些使用与保养原则应该是通用的。
（1）牢固树立“三分质量、七分保养”的观念。“三分质量、七分保养”是柴油机使用者应该拥有的基本理念。无论什么柴油机，如果保养工作不到位，柴油机就不可能发挥其应有的作用，有时还可能成为人们的累赘。
（2）机油质量等级优先原则。柴油机使用的机油，具有润滑、散热、清洁、密封等多项功能，如果质量不好，不仅不能起到这些作用，而且还可能造成柴油机的异常损坏。柴油机机油选用的一般原则：根据该柴油机使用说明的要求选用相应质量等级的机油，可以选用比说明书要求的质量等级更高级别机油，但绝对不能选用低于该级别的机油。如说明书要求使用CD级机油，则可以选用CE级后的机油而不能选用CC级的机油，这一点尤为重要。而且要严格执行生产厂家给出的换油周期，这一点同样重要。
还要特别注意，不同品牌的机油一定不要混合使用。至于粘度等级的选用，一般情况下都以混合用油（比如15W/40）为好。
（3）“三滤”质量优先并定期更换的原则。柴油机的三滤（空气滤清器、机油滤清器、柴油滤清器）是柴油机的综合滤清器，其中一项出现问题，都会给柴油机带来不良后果。
1）空气滤清器。如果空气滤清器的滤芯质量不好，会造成柴油机缸套活塞的早期磨损，其损失远远大于更换几个空气滤清器的滤芯的费用。
①每运行5000～8000km应更换空气滤清器的滤芯。因使用条件的差异，应灵活调整维护更换周期。
②绝对禁止柴油机在不装空气滤清器或空气滤清器失效的情况下工作。
2）柴油滤清器。很多人认为，柴油是很干净的，用不着太好的过滤装置。这种观点是非常错误的，殊不知柴油中含有大量粉尘、杂质，如果使用了劣质柴油滤清器的滤芯，就可能过滤不掉这些粉尘和杂质，就会对柴油机的供油系统精密偶件（如柱塞、喷油器等）造成严重损坏。柴油滤清器的滤芯的质量对于单体泵及共轨系统等高压喷油系统来讲更是致命的。因此，选用质量上乘的柴油滤清器的滤芯是非常必要的。
柴油中的另一项不利的成分就是水分，虽然总体含量不高，但久而久之，其危害也不可小视。目前，柴油机一般都安装可以分离水分的柴油滤（又称油水分离器），由于其价格相对较高，很多厂家都将其弃之不用，这样做的结果可能就是该柴油机的供油系统（特别是高压系统）经常损坏。因此，如果一台柴油机供油系统的精密偶件（如柱塞、喷油器等）经常损坏，就应该仔细检查一下柴油滤清器滤芯的质量。
柴油滤清器的使用保养要求为：
①柴油滤清器的滤芯更换周期：每运行1.5万km或累计运行300h更换一次滤芯。
②不允许往新滤芯中灌注未经过滤的柴油。
③在日常的维护保养中要定期更换柴油滤清器及油水分离器。
④不要加注不符合国家标准的燃油。并注意定期放出油水分离器中的水。
3）机油滤清器。机油滤清器的质量也是非常重要的，劣质机油滤清器的滤芯可能导致机油过滤不干净、机油滤清器的滤芯爆裂、机油滤清器被吸瘪等故障，轻者造成轴瓦、缸套、活塞拉伤，重者可能导致烧瓦抱轴（抱缸）等严重故障，甚至造成柴油机报废的严重后果。
（4）坚持柴油机定期维护保养的原则。生产厂家一般都对柴油机的使用保养要求规定了最低标准，作为柴油机使用者来讲，应该无条件地予以执行。条件许可时，还应提高使用保养标准，这对延长柴油机的使用寿命只有好处而没有坏处。
（5）在日常使用中，请注意下列要求：
①柴油机冷机起动后不要立即高速运行或带负荷工作，冬季使用更应如此。
②柴油机不要长时间超负荷运行或高温运行。
③柴油机低速空转时间不易太长，一般不要超过30min。
④柴油机不要在大负荷高转速下立即停机，增压柴油机更应注意这一点。
⑤柴油机停机前不要空踩加速踏板停机。
（6）共轨系统使用注意事项
1）共轨及高压油管
①柴油机停机后，绝对不能立即拆卸高压油管。
②绝对禁止用拧松高压油管的方法来排除油路系统中的空气。
③更换喷油器总成后注意更新（电脑）修正码。
2）ECU使用注意事项
①拔插线束及其传感器或执行器连接的插接器之前，切记应首先关掉点火开关、电源总开关，然后才可以进行柴油机电气部分的日常维护操作。
②关闭总电源之前，应首先关闭点火开关。因为电控单元（ECU）在点火开关断开后，需要一段时间存储柴油机的运行状态参数，建议在关闭点火开关10s后再断开电源总开关；接通电源和点火开关时，应先接通电源总开关，然后再接通点火开关。
③电控燃油喷射系统的正常工作电压是18～24V，但蓄电池电压应尽量保持在22～26V。
④严禁用水直接冲洗柴油机电气部分的零部件，当电气部分意外进水后，例如电控单元（ECU）或线束被水淋湿或浸泡，应首先切断电源总开关，并立即通知维修人员处理，不要自行运转柴油机。