柴油发动机的电控系统 柴油机电控系统以柴油机转速和负荷作为反映柴油机实际工况的基本信号，参照由试验 得出的柴油机各工况相对应的喷油量和喷油定时 MAP 来确定基本的喷油量和喷油定时，然 后依据各种因素（如水温、油温、、大气压力等）对其进行各种补偿，从而得到最佳的喷油 量和喷油正时，然后通过执行器来控制输出。 柴油机电控系统概述 【任务目标 （1）柴油机电控技术的发展。 （2）柴油机电控技术的特点。 （3）柴油机电控系统的基本组成。 （4）应用在柴油机上的电控系统。 【学习目标 （1）了解柴油机电控技术的发展。 （2）了解柴油机电控技术的特点。 （3）了解柴油机电控系统的基本组成。 （4）掌握应用在柴油机上的电控系统。 柴油机电控技术的发展 1.柴油机电控技术的发展 1）柴油机技术的发展历史 柴油用英文表示为 Diesel，这是为了纪念柴油发动机的发明者――鲁道夫·狄塞尔 （RudolfDiesel）如图8-1 所示。 狄塞尔生于 1858 年，德国人，毕业于慕尼黑工业大学。1879 年，狄塞尔大学毕业，当 上了一名冷藏专业工程师。在工作中狄塞尔深感当时的蒸气机效率极低，萌发了设计新型发 动机的念头。在积蓄了一些资金后，狄塞尔辞去了制冷工程师的职务，自己开办了一家发动 机实验室。 针对蒸汽机效率低的弱点，狄塞尔专注于开发高效率的内燃机。19 世纪末，石油产品 在欧洲极为罕见，于是狄塞尔决定选用植物油来解决机器的燃料问题 （他用于实验的是花生 油）。因为植物油点火性能不佳，无法套用奥托内燃机的结构。狄塞尔决定另起炉灶，提高 内燃机的压缩比，利用压缩产生的高温度高压力点燃油料。后来，这种压燃式发动机循环便被称 为狄塞尔循环。 鲁道夫·狄塞尔 压燃式发动机 像所有伟大的发明家一样，狄塞尔的前进道路上困难重重。实验证明，植物油燃烧不稳定， 成本也太高，难以承担狄塞尔的“重任”。好在当时石油制品在欧洲逐渐普及，狄塞尔选择 了本来用于取暖的重馏分燃油———柴油作为机器的燃料。压燃式发动机的结构强度始终是 个难题。一次实验中，汽缸上的零件象炮弹碎片一样四处飞散，差点儿造成人员受伤或死亡。实验 不顺利，狄塞尔的资金也渐渐耗尽。他不得不回到制冷机工厂谋生。但狄塞尔没有向困难屈 服，他利用业余时间继续实验，一步步完善自己的机器。 1892 年，狄塞尔终于研发出一台实用的柴油动力压燃式发动机。这种发动机扭矩大， 油耗低，可使用劣质燃油，显示出辉煌的发展前途。狄塞尔随即投入到柴油机生产的商业冒 险中。不幸的是，作为优秀的工程师，狄塞尔缺乏商业头脑。他在经济上渐渐陷入困境。1913 年狄塞尔已处于破产的边缘。但狄塞尔发明的柴油机，在汽车、船舶和整个工业领域得到越 来越广泛的发展。 1976 年，德国大众首先在高尔夫轿车上采用柴油发动机； 1989 年，德国大众高尔夫柴油车获得“低排放车”的称号。同年大众从Fia 的研发机 构获得部分技术，制造出第一台带有增压、直喷技术的5 缸发动机 R5 TDI，这台发动机被 放在奥迪 100 车型上试用。 1990 年，德国大众正式推出增压、直喷系列柴油机 TDI，从此德国大众在柴油动力技术 的开发和应用上一直走在世界的前沿； 1993 年，开发出 4 缸涡轮增压直喷柴油发动机（TDI）； 1995 年，开发出自然吸气式直喷（SDI）柴油发动机；开发出变截面涡轮增压器VGT； 1998 年，开发出泵喷嘴（Pumpe Düse）技术； 1999 年，开发出百公里油耗 3 升的路波轿车柴油动力。而一升级柴油动力轿车的出世 创造了百公里油耗 0.99 升的记录，变成全球上最省油的轿车。发动机采用铝制自然吸气式 单缸柴油机，采用了先进的高压直接喷射技术，排量为0.3 升； 2002 年，一汽-大众率先将捷达 SDI 轿车投放中国市场； 2004 年，一汽-大众引入 TDI 技术。 20 世纪 90 年代，电控技术在柴油机上应用日益增多， 控制精度逐步的提升，控制功能 逐步扩大，提高了柴油机的竞争力。 2000 年欧洲轿车的柴油化率达到 27%，到 2005 年增 加到 30%。2003 年西欧柴油轿车产量达到 400 万辆。一向对发展柴油轿车保持低姿态的美 国，2000 年也有 10% 的轿车装用了柴油机。 2）柴油机电控技术的发展历史 （1）技术发展经历了三个阶段： 第一代柴油机电控系统：采用“位置控制”和“时间控制”，供（喷）油压力与传统柴 油机相同，称为常规压力电控系统。以电控泵为代表。 第二代柴油机电控系统： 采用“时间-压力控制”或“压力控制”，喷油压力较高，称 为高压电控系统。以共轨系统为代表的。 第三代柴油机电控系统：集“共轨”技术、“时间控制”燃油喷射技术、涡轮增压中冷 技术、多气门技术 、废气再循环技术、选择性催化还原、过滤器再生技术、压电技术等于 一体，以压电式高压共轨系统为代表。 共轨系统构成示意图 3）现代柴油机先进的技术 “共轨”技术：指利用一个“公共油轨”向各缸喷油器供油，油压可独立控制。“时间 控制”燃油喷射技术：由 ECU 控制的高速电磁阀来直接控制供（喷）油的开始与结束时刻。 涡轮增压中冷技术：废气涡轮增压及结构如图 8-4 所示，中冷却器冷却（50 ℃以下）。 多气门技术：每个气缸 2 个以上气门 。 废气再循环技术：降低 NOx 的排放量。 涡轮增压中冷技术增压结构 多气门技术 柴油机废气再循环 柴油机电控技术的特点 1.柴油机电控技术的特点 1）柴油机采用电控技术的优势 （1）燃油经济性和排放性更好。 （2）工作可靠性更高。 （3）低温起动更容易。 （4）运转更稳定。 （5）适应能力强。 （6）动力输出和负荷匹配更精确。 （7）实现增压控制。 （8）结构紧密相连，维修方便。 柴油发动机的优点是扭矩大、经济性能好。柴油发动机的工作过程与汽油发动机有许多 相同的地方，每个工作循环也经历进气、压缩、做功、排气四个冲程。但由于柴油机用的燃 料是柴油，它的粘度比汽油大，不容易蒸发，而其自燃温度却比汽油低，因此，可燃混合气 的形成及点火方式都与汽油机不同。不同之处主要有，柴油发动机的气缸中的混合气是压燃 的，而非点燃的。 压燃点火方式 柴油发动机工作时，进入气缸的是空气，气缸中的空气压缩到终点的时候，温度能达 到 500-700℃，压力能够达到 40—50 个大气压。活塞接近上止点时，供油系统的喷油嘴以 极高的压力在极短的时间内向气缸燃烧室喷射燃油，柴油形成细微的油粒，与高压高温的空 气混合，可燃混合气自行燃烧，猛烈膨胀产生爆发力，推动活塞下行做功，此时温度可达 1900-2000℃，压力可达 60-100 个大气压，产生的扭矩很大，所以柴油发动机广泛的应用于 大型柴油设备上。 传统柴油发动机的特点：热效率和经济性较好，柴油机采用压缩空气的办法来提高空气 温度，使空气温度超过柴油的自燃点，这时再喷入柴油、柴油喷雾和空气混合的同时自己点 火燃烧。因此，柴油发动机无需点火系统。同时，柴油机的供油系统也相对简单，因此柴油 发动机的可靠性要比汽油发动机的好。由于不受爆燃的限制以及柴油自燃的需要，柴油机压 缩比很高。热效率和经济性都要好于汽油机，同时在相同功率的情况下，柴油机的扭矩大， 最大功率时的转速低，适合于载货汽车的使用。 但柴油机由于工作压力大，要求各有关零件具有较高的结构强度和刚度，所以柴油机比 较笨重，体积较大；柴油机的喷油泵与喷嘴制造精度要求高，所以成本较高；另外，柴油机 工作粗暴，振动噪声大；柴油不易蒸发，冬季冷车时起动困难。由于上述特点，以前柴油发 动机一般用于大、中型载重货车上。传统上，柴油发动机由于比较笨重，升功率指标不如汽 油机(转速较 )，噪声、振动较高，炭烟与颗粒(PM)排放比较严重，所以一直以来很少受到 轿车的青睐。特别是小型高速柴油发动机的新发展，一批先进的技术，例如电控直喷、共轨、 涡轮增压、中冷等技术得以在小型柴油发动机上应用，使原来柴油发动机存在的缺点得到了 较好的解决，而柴油机在节能与 CO2 排放方面的优势，则是包括汽油机在内的所有热力发动 机无法取代的，成为“绿色发动机”。 现代柴油发动机 2）柴油机与汽油机比较 对混合气浓度的控制方式不同，汽油机在理论混合气浓度附近工作，柴油机对混合气浓 度没有相对固定的要求。 柴油机与汽油机 对喷油压力的要求不同：汽油机多点系统压力 0.25～0.35MPa，单点系统压力 0.07～ 0.10MPa，而柴油机喷油压力高达100～200MPa，建立更高的喷油压力是重点和难点。 对燃烧过程的控制途径不同：汽油机通过控制点火正时和点火能量来控制，柴油机通过 控制喷油正时、喷油持续时间和喷油速率来控制。 柴油喷射的电控执行器复杂：柴油机具有高压、高频、脉动等特点，而且对喷油正时的 精度要求很高，这就导致了柴油喷射的电控执行器要复杂得多。 柴油机电控燃油喷射系统形式多样：传统的柴油机具有结构完全不同的系统，形成了柴 油喷射系统的多样化。 汽油发动机 汽油发动机是以汽油作为燃料的发动机。由于汽油粘性小，蒸发快，可以用汽油喷射系 统将汽油喷入气缸，经过压缩达到一定的温度和压力后，用火花塞点燃，使气体膨胀做功。 汽油机的特点是转速高，结构简单，质量轻，造价低廉， 运转平稳。与柴油发动机相比， 汽油机具有噪声低，运转平顺、冬季易于启动、发动机有效转速范围大（1000-7000rpm）、 响应速度快等特点。汽油机的缺点是热效率低于柴油机，油耗较高，点火系统比柴油机复杂， 可靠性和维修的方便性也不如柴油机。 柴油发动机 柴油发动机的工作过程与汽油发动机有许多相同的地方，每个工作循环也经历进气、压 缩、做功、排气四个行程。但由于柴油机用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸发，而 其自燃温度却较汽油低，因此可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。不同之处主要 是，柴油发动机气缸中的混合气是压燃的，而不是点燃的。 与汽油发动机相比，柴油机具有燃油经济性好、尾气中氮氧化合物较低、低速大扭矩等 特点，因其出色的环保特性而被欧系车推崇，而对于平顺性、噪声等缺点，在欧洲先进汽车 工业下，已不是什么难题，当前柴油机性能和工况已经和汽油机相差无几。 柴油机电控系统的基本组成 1.柴油机电控系统的基本组成及类 柴油机电控系统。 柴油机电控系统框图 2.电控的基本组成： 柴油发动机电控系统由传感器、ECU控制单元、执行器和线束四部分组成。他们之间的关系 及各部分的功能。 柴油发动机电控系统的基本组成 1）电控系统的类型： （1）开环控制。开环控制系统在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度 和抑制干扰的特性都比较差。开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系 统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、 物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线）闭环控制。闭环控制系统闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量 同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系 统。 开环控制与闭环控制 3.柴油机电控系统传感器（三类） 运行工况传感器：用来检测柴油机运行工况基本参数的传感器，如加速踏板位置传感器、 凸轮轴／曲轴位置传感器、空气流量计等。 修正信号传感器：用来检测柴油机运行工况非基本参数的传感器，如冷却液温度传感器、 燃油温度传感器、进气温度传感器、进气压力传感器等。 反馈信号传感器：闭环控制系统中用来检测执行元件实际位置的传感器，包括供（喷） 油量传感器（如供油齿条位置传感器、滑套位置传感器、燃油压力传感器等）和供（喷）油 正时传感器（如分配泵正时活塞位置传感器、着火正时传感器等）两大类。如图8-13所示。 加速踏板位置传感器： 用于向发动机控制单元提供加速踏板的位置信号。加速踏板位置传 感器一般与加速踏 板安装在一起。加速踏板位置传感器从ECU上接受5V基准直流电压，当驾驶员踩下加速踏 板时，加速踏板位置传感器向ECU反应加速踏板踩下的百分比。在加速踏板位置传感器=上 设有怠速触点开关。该开关可以保证即使在加速踏板位置传感器发生故障时仍然能够保持怠 速运转。在加速踏板处于怠速位置时，ECU 向加速踏板位置传感器输入的5V 电压，电位计 滑臂所处的位置使输入电压通过整个线圈，通过滑臂向ECU返回电压大约只有05V，ECU将 加速踏板位置传感器的输入信号与储存的油门关闭时的电压值进行比较，在油门全开位置 时，通过滑臂向ECU 返回电压大约只有4.5V，将该电压与储存的代表油门全开时的电压值 进行比较。加速踏板位于怠速和全开之间的任何位置时，由电位计滑臂位置决定的输出电压 值与驾驶员要求供油量成正比例。因此，按照驾驶员要求的供油量，加速踏板位置传感器输 出的电压在0.5至4.5V之间变化。 4.柴油机电控ECU 1）功用：是根据各传感器输入信号和内存程序，计算出供（喷）油量和供（喷）油开 始时刻，并向执行元件发出执令信号 。 组成 ：输入回路、微型计算机和输出回路。 ECU 的基本组成 输 入 回路 作 用 ：对 各 种 传 感 器 的输 入 信 号进 行 处 理 ：滤 波 、整 形 、分 频 等 。 波形图 2) 微型计算机作用： 中央处理器：读出命令并执行数据处理任务 存储器：存储信息资料，包括随机存储器 RAM 和只读存储器 ROM 如图 8-15 所示。 输入/输出接口：微机与外界进行信息交流的纽带，具有数据缓冲、电平匹配、时序匹配等 多种功能。 微型计算机的控制 3)输出回路作用 将微机的处理结果放大，生成能控制执行元件工作的控制信号。 输出回路 5.柴油机电控执行元件（两类） 对被控制对象直接实施调控的执行元件：如在采用“时间控制”的柴油机电控燃油喷射 系统中所用的高速电磁阀，它的通、断电时刻和通、断电时间直接调控供（喷）油量和供（喷） 油正时； 对被控制对象间接实施调控的执行元件：如在采用“位置控制”的柴油机电控燃油喷射 系统中所用的电子调速器，它是通过高压油泵的油量调节机构来实现供油量控制的。 汽车柴油电控发动机在国内常见的有两中类型，一种是高压共轨，一种是单体泵，它们 两种的部件是不一样的! 高压共轨系统的主要部件有：高压泵、共轨、高压管、喷油器、还有一些电子原件，比 如：计量单元，曲轴凸轮传感器，轨压传感器，水温、进气压力、进气温度、等传感器! 1)位置控制系统 它用电子伺服机构代替机械调速器控制供油滑套位置以实现供油量的调整。其特点是保 留了传统的喷油泵、高压油管。喷油器系统，只是对齿条或滑套的运动位置由原来的机械调 速器控制改为计算机控制。（这类技术已发展到了可以同时控制定时和预喷射的TICS 系统。 2）时间控制系统 其特点是供油仍维持传统的脉动式柱塞泵油方式，如博世公司的电控泵喷嘴系统，但供 油量和喷油定时的调节则由电脑控制的强力快速响应电磁阀的开闭时刻所决定。一般情况 下，电磁阀关闭时，执行喷油，电磁阀打开时，喷油结束；喷油始点取决于电磁阀关闭时刻， 喷油量则取决于电磁阀关闭时间的长短。时间控制系统的控制自由度更大。 3）直接数控系统 它完全脱开了传统的油泵分缸燃油供应方式，通过共轨和喷油压力/时间的综合控制， 实现各种复杂的供油回路和特性。 因柴油机的喷射系统形式多样。国外柴油机的电控系统也型式多样，有直列泵和分配泵 的可变预行程TICS 系统，有基于时间控制的泵喷嘴系统，有蓄压共轨系统和高压共轨系统 等。各种技术方案都在原有的基础上发展，但高压共轨系统是总的发展方向。 4）高压共轨电控喷射系统 共轨 (Common-rail)式电控燃油喷射技术的原理。 电控燃油喷射原理图 在汽车柴油机中，高速运转使柴油喷射过程的时间只有千分之几秒。实验证明，在喷射 过程中高压油管各处的压力是随时间和位置的不同而变化的。由于柴油的可压缩性和高压油 管中柴油的压力波动，使实际的喷油状态与喷油泵所规定的柱塞供油规律有较大的差异。油 管内的压力波动有时还会在主喷射之后使高压油管内的压力再次上升，达到令喷油器的针阀 开启的压力，将已经关闭的针阀又重新打开，产生二次喷油现象。由于二次喷油不可能完全 燃烧，于是增加了烟度和碳氢化合物(HC)的排放量，油耗增加。此外，每次喷射循环后高压 油管内的残余压力都会发生变化，随之引起不稳定的喷射，尤其在低转速区域容易产生上述 现象，严重时不仅喷油不均匀，而且会发生间歇性不喷射现象。为了解决柴油机这个燃油压 力变化的缺陷，现代柴油机采用了一种称为“共轨”的技术。共轨技术是指由高压油泵、压 力传感器和 ECU 组成的闭环系统中，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公共供油管，通过对公共供油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无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转 速的变化，因此也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量，喷油量大。 小取决于共轨管(公共供油管)压力和电磁阀开启时间的长短。共轨式电控燃油喷射技 术，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 油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，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、足够的着火能 量和最少的污染排放。其主要由电控单元、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器 等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压共油轨，高压共油 轨中的压力由电控单元根据共油轨压力传感器测量的共油轨压力以及需要进行调节，高压 共 油轨内的燃油经过高压油管，根据柴油机的运行状态，由电控单元从预设的MAP 图中确 定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入汽缸。 5）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 减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，并且能 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。 6）高压共轨电控燃油喷射技术的发展前景 高压共轨系统被认为是 20 世纪内燃机技术的 3 大突破之一。 目前，有待研究的有： (1)高压共轨系统的恒高压密封问题。 (2)高压共轨系统轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀问题。 (3)高压共轨系统三维控制数据的优化问题。 (4)微结构、高频响应电磁开关阀在制造过程中的关键技术问题。 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 降低燃油耗 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地 球环境保护，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。 7)高压共轨技术 “CRDI”是英文 Common Rail Direct Injection 的缩写，意为高压共轨柴油直喷技术， CRDI 技术和 SDI （自然吸气直接喷射柴油发动机）技术 TDI （直喷式涡轮增压柴油发动机） 技术均为德国博世公司研发的柴油发动机技术。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。 共轨高压喷油系统图 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。 8）什么是高压共轨 高压共轨技术是指在由高压油泵、压力传感器和 ECU 组成的闭环系统中，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公共供油管， 通过对公共供油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无关，可以 大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，因此也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU 控制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于燃油轨 （公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长 短。 9）高压共轨有什么用 高压油泵提将燃油输送到公共供油管，通过控制喷油器将燃油直接喷射到缸内。高压共 轨将喷射过程和油压产生完全分开，使供油压力不会受到发动机转速的影响。 优点： （1）高压共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力， 从而优化柴油机综合性能。 （2）可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力（120MPa～200MPa），可同时控 制 NOx 和微粒（PM）在较小的数值内，以满足排放要求。 （3） 柔性控制喷油速率变化，实现理想喷油规律，容易实现预喷射和多次喷射，既可 降低柴油机 NOx，又能保证优良的动力性和经济性。 （4）由电磁阀控制喷油，控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象， 因此在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀可得到改善，从而减轻柴油 机的振动和降低排放。。 示意图 代表车型： 1999 年年底诞生了装配着 3 缸共轨柴油发动机的 Smart，它的排量只有799mL，最大功 率30kW，在1800～2800rpm时输出最大扭矩100Nm。 奔驰推出的 E320 上安装了第二代共轨发动机，最大功率 150kW/1000rpm 时输出扭矩 250Nm，在1400rpm时即可得到峰值扭矩的85%，在1800～2600rpm的广阔区域内实现500Nm 的峰值扭矩。0～100km/h的加速时间只有7.7秒，最高车速243km/h。综合油耗是6.9L/100km， 80L的油箱使续航能力达到了1000km。而配有汽油机的E320的综合油耗是9.9L/100km。 技术概括： 在柴油机中，高速运转使柴油喷射过程的时间只有千分之几秒，实验证明，在喷射过程 中高压油管各处的压力是随时间和位置的不同而变化的。由于柴油的可压缩性和高压油管中 柴油的压力波动，使实际的喷油状态与喷油泵所规定的柱塞供油规律有较大的差异。油管内 的压力波动有时还会在主喷射之后，使高压油管内的压力再次上升，达到令喷油器的针阀开 启的压力，将已经关闭的针阀又重新打开产生二次喷油现象，由于二次喷油不可能完全燃烧， 于是增加了烟度和碳氢化合物（HC）的排放量，油耗增加。此外，每次喷射循环后高压油管 内的残压都会发生变化，随之引起不稳定的喷射，尤其在低转速区域容易产生上述现象，严 重时不仅喷油不均匀，而且会发生间歇性不喷射现象。为了解决柴油机这个燃油压力变化的 缺陷，现代柴油机采用了一种称为共轨的技术。 高压共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，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公共供油管，通过 -对公共供油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无关，可以大 幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，因此也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控 制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。 技术原理： 高压共轨系统主要由电控单元、高压油泵、蓄压器（共轨管）、电控喷油器以及各种传 感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨（蓄压器）， 高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节，高压 油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元确定合适的喷油定时、喷油 持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入汽缸。 技术原理 1.高压油泵 高压油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的喷油量与控制油量 之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的产生于燃油喷 射过程无关，且喷油正时也不由高压油泵的凸轮来保证，因此高压油泵的压油凸轮可以按照 峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计凸轮。 高压油泵 大部分公司采用由柴油机驱动的三缸径向柱塞泵来产生高达 135MPa 的压力。该高压 油泵在每个压油单元中采用了多个压油凸轮，使其峰值扭矩降低为传统高压油泵的 1/9 ， 负荷也比较均匀，降低了运行噪声。该系统中高压共轨腔中的压力的控制是通过对共轨腔中 燃油的放泄来实现的，为了减小功率损耗，在喷油量较小的情况下，将关闭三缸径向柱塞泵 中的一个压油单元使供油量减少。 2. 高压油轨（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。它的容积应削减 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震荡，使高压油轨中的压力波 动控制在 5MPa 之下。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。 高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器（限流器）和压力限制器。压力传感器 向 ECU 提供高压油轨的压力信号；液流缓冲器（限流器）保证在喷油器出现燃油漏泄故障 时切断向喷油器的供油，并可减小共轨和高压油管中的压力波动；压力限制器保证高压油轨 在出现压力异常时，迅速将高压油轨中的压力进行放泄。如图8-22 所示。 高压油轨（共轨管） 3. 电控喷油器 电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件如图8-23 所示，它的作用根据 ECU发出的控制信号，通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定 时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。 为了实现预定的喷油形状，需对喷油器进行合理的优化设计。控制室的容积的大小决定 了针阀开启时的灵敏度，控制室的容积太大，针阀在喷油结束时不能实现快速的断油，使后 期的燃油雾化不良；控制室容积太小，不能给针阀提供足够的有效行程，使喷射过程的流动 阻力加大，因此对控制室的容积也应根据机型的最大喷油量合理选择。 此外喷油嘴的最小喷油压力取决于回油量孔和进油量孔的流量率及控制活塞的端面面 积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后，就确定了喷油嘴针阀完全开 启的稳定、最短喷油过程，同时就确定了喷油嘴的稳定最小喷油量。控制室容积的减少可以 使针阀的响应速度更快，使燃油温度对喷嘴喷油量的影响更小。 但控制室的容积不可能无限制减少，它应能保证喷油嘴针阀的升程以使针阀完全开启。 两个控制量孔决定了控制室中的动态压力，从而决定了针阀的运动规律，通过仔细调节这两 个量孔的流量系数，可以产生理想的喷油规律。 由于高压共轨喷射系统的喷射压力非常高，因此其喷油嘴的喷孔截面积很小，如 BOSCH 公司的喷油嘴的喷孔直径为0.169mm×6，在如此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下，燃 油流动处于极端不稳定状态，油束的喷雾锥角变大，燃油雾化更好，但贯穿距离变小，因此 应改变原柴油机进气的涡流强度、燃烧室结构形状以确保最佳的燃烧过程。 对于喷油器电磁阀，由于共轨系统要求它有足够的开启速度，考虑到预喷射是改善柴油机 性能的重要喷射方式，控制电磁阀的响应时间更应缩短。 喷油器 4. 高压油管 高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道，它应有足够的燃油流量减小燃油流动时的 压降，并使高压管路系统中的压力波动较小，能承受高压燃油的冲击作用，且起动时共轨中 的压力能很快建立。各缸高压油管的长度应尽量相等，使柴油机每一个喷油器有相同的喷油 压力，从而减少发动机各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能短，使从共轨到喷油嘴 的压力损失最小。 高压油管 共轨腔内的高压直接用于喷射，可以省去喷油器内的增压机构；而且共轨腔内是持续高 压，高压油泵所需的驱动力矩比传统油泵小得多。 通过高压油泵上的压力调节电磁阀，可以根据发动机负荷状况以及经济性和排放性的要 求对共轨 腔内的油压进行灵活调节，尤其优化了发动机的低速性能。 通过喷油器上的电磁阀控制喷射定时，喷射油量以及喷射速率，还可以灵活调节不同工况 下预喷射和后喷射的喷射油量以及与主喷射的间隔。 高压共轨系统由五个部分组成，即高压油泵、共轨腔及高压油管、喷油器、电控单元、各 类传感器和执行器。供油泵从油箱将燃油泵入高压油泵的进油口，由发动机驱动的高压油泵 将燃油增压后送入共轨腔内，再由电磁阀控制各缸喷油器在相应时刻喷油。 预喷射在主喷射之前，将小部分燃油喷入气缸，在缸内发生预混合或者部分燃烧，缩短主 喷射的着火延迟期。这样缸内压力升高率和峰值压力都会下降，发动机工作比较缓和，同时 缸内温度降低使得 NOx 排放减小。预喷射还可以降低失火的可能性，改善高压共轨系统的 冷起动性能。 主喷射初期降低喷射速率，也可以减少着火延迟期内喷入气缸内的油量。提高主喷射中期 的喷射速率，可以缩短喷射时间从而缩短缓燃期，使燃烧在发动机更有效的曲轴转角范围内 完成，提高输出功率，减少燃油消耗，降低碳烟排放。主喷射末期快速断油可以减少不完全 燃烧的燃油，降低烟度和碳氢排放。 柴油共轨系统已开发了 3 代，它有着强大的技术潜力。第一代共轨高压泵总是保持在 最高压力，导致能量的浪费和很高的燃油温度。第二代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。预喷射降低了发动机噪音：在主喷射之前百万分之一秒内少量 的燃油被喷进了气缸压燃，预加热燃烧室。预热后的气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。 由于其强大的技术潜力，今天各制造商已经把目光定在了共轨系统第3代—压电式 (piezo)共轨系统，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。没有了回油 管，在结构上更简单。压力从200～2000巴弹性调节。最小喷射量可控制在0.5mm3，减小 了烟度和NOX的排放。 “电控”是指喷油系统由电脑控制，ECU （俗称电脑）对每个喷油嘴的喷油量、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。如图8-25所示现代车型的柴油发动机。 现代车型的柴油发动机 “高压”是指喷油系统压力比传统柴油机要高出3倍，最高能达到200MPa （而传统柴油机 喷油压力在60—70 MPa），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”是通过公共供油管同时供给各个喷油嘴，喷油量经过ECU精确的计算，同时向各个 喷油嘴提供同样质量、同样压力的燃油，使发动机运转更加平顺，从而优化柴油机综合性能。 而传统柴油发动机由各缸各自喷油，喷油量和压力不一致，运转不均匀，造成燃烧不平稳， 噪音大，油耗高。 1.单体泵 1）单体泵系统的主要部件 输油泵、输油管、单体泵、高压管、喷油器、另外还有跟共轨几乎一样的传感器。 单体泵的主要部件 2）单体泵技术 德尔福在重型车上采用单体泵系统。从成本上讲，国内的发动机从欧Ⅱ向欧Ⅲ升级时， 如果采用单体泵，对发动机改动非常小，仅以外挂式的凸轮轴箱代替欧Ⅱ发动机的直列泵就 可。当从欧Ⅲ向欧Ⅳ升级时，发动机机身主体结构仍然不变，只要把欧Ⅲ系统里机械式喷油 器改成德尔福的电控喷油器，形成双电磁阀单体泵系统，在发动机整体结构不做大的调整下， 就能够达到欧Ⅳ的排放水平。单体泵的外形如图 8-27 所示。单体泵系统控制如图 8-28 所 示。 单体泵的外形 单体泵控制油路 在性能方面，目前在国内单体泵使用的压力达到 200MPa，当向欧Ⅳ升级，这个压力可 以达到250 MPa。在单体泵上采用了类似于共轨I2C 的系统一致性控制，来优化整个系统的 性能。在供油控制方面，如果使用双电磁阀单体泵系统，不仅可以对压力来控制，还可以 对喷射进行控制，而且还可以采用多次喷射。它可以达到欧Ⅳ或者欧Ⅴ的标准。目前，德尔 福的双电磁阀单体泵系统在欧洲大批量生产，主要供应给欧Ⅳ标准的发动机，欧Ⅴ标准的发 动机相关系统正在做开发工作。 单体泵系统的另一个优势就是它的可靠性和寿命，这些性能已经在欧洲
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