第六节
柴油机高压共轨喷射系统

电控是指喷油系统由控制单元控制，根据传感器信号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。

现代共轨式柴油发动机喷射压力可达到160 MPa左右，部分车型喷射压力达到了200 MPa以上。共轨式柴油喷射系统将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开。电磁阀控制的喷油器替代了传统的机械式喷油器，燃油轨中的燃油压力由一个径向柱塞式高压泵产生，压力大小与发动机的转速无关，可在一定范围内自由设定。共轨中的燃油压力由一个电磁压力调节阀控制，根据发动机的工作需要进行连续压力调节。电控单元作用于喷油器电磁阀上的脉冲信号控制燃油的喷射过程。喷油量的大小取决于燃油轨中的油压和电磁阀开启时间的长短，及喷油器液体流动特性。

1.高压共轨柴油发动机的组成和基本作用

高压共轨柴油发动机即采用电子控制燃油喷射及排放的电喷柴油机。电喷柴油发动机的喷射系统由传感器、控制单元和执行机构三部分组成。其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。高压共轨柴油发动机见图1-68。

高压共轨燃油喷射系统由高压油泵、带调压阀的共轨油管、高压油管、带高速电磁阀的喷油器、控制单元以及发动机转速、加速踏板位置、喷油时刻、进气温度、进气压力、燃油温度、冷却液温度等各种传感器组成。系统将实时检测的参数同时输入控制单元，与已储存的设定参数值或参数图谱进行比较，经过处理计算按照最佳值或计算后的目标值把指令送到执行器。执行器根据ECU指令控制喷油量（供油齿条位置或电磁阀关闭持续时间）和喷油正时（正时控制阀开闭或电磁阀关闭始点），同时对废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，使柴油机运行状态达到最佳。高压共轨柴油发动机对废气排放更严格，更注重与环保。

2.高压共轨柴油机和普通柴油机的区别

普通柴油机的高压泵是由发动机凸轮轴驱动的，借助于高压油泵将柴油输送到各缸燃油室。这种供油方式的供油量随发动机转速的变化而变化，做不到各种转速下的最佳供油量。而现在已经越来越普遍采用的电控柴油机的共轨喷射系统可以较好地解决这个问题。

共轨喷射式供油系统由高压油泵、公共供油管、喷油器、控制单元和一些管道压力传感器组成。高压油泵负责产生高压燃油，然后输送到公共的供油管中。系统中的每一个喷油器通过各自的高压油管与公共供油管相连，公共供油管对喷油器起到液力蓄压作用。工作时，高压油泵以高压（180～220MPa）将燃油输送到公共供油管，高压油泵、压力传感器和控制单元组成闭环工作，对公共供油管内的油压实现精确控制，彻底改变了供油压力随发动机转速变化的现象。

其主要特点有以下几个方面：

1）喷油正时与燃油计量完全分开，喷油压力和喷油过程由控制单元适时控制。

2）可依据发动机工作状况调整各缸喷油压力、喷油始点、持续时间，从而达到喷油的最佳控制点。

3）能实现很高的喷油压力，可以实现预喷射，能调节喷油速率、喷油形状，实现理想喷油规律。

4）有良好的喷油特性，可优化燃烧过程，使发动机油耗、烟度、噪声和排放性能指标得到明显改善，并有利于发动机转矩特性。

5）结构简单，可靠性高，适应性强，可在所有新老发动机上使用。

高压共轨喷射目前已经发展到第三代。第一代共轨系统高压泵始终保持在最高压力，导致能量的浪费和发动机温度过高。第二代共轨系统可根据发动机需要而改变输出压力，并实现喷射和后喷的功能。现在使用的第三代共轨系统为压电式共轨系统，为直接控制式喷油器。把燃油喷射细化为预喷、主喷、后喷三个阶段。

预喷射可在上止点前90°内进行。如果预喷射喷油始点早于上止点前40°曲轴转角，则燃油可能喷射到活塞顶部和气缸壁上，使润滑油稀释。预喷射时少量燃油（1～4mL）喷入气缸，促使燃烧室进行预调节，从而改善燃烧效率。预喷缩短了主喷滞燃期，使预混合燃烧量比例减少，从而使主喷初期压力急剧上升得到抑制，可以有效降低发动机噪声。根据主喷射始点和预喷射与主喷射之间时间间隔不同，燃油消耗可能降低或升高。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转矩。在整个共轨喷油系统中喷油压力近似恒定不变。后喷射不用于发动机输出功率，主要用于排放控制。

3.预热装置和预热指示灯

1）预热装置。高压共轨柴油发动机预热装置为柴油机快速起动系统，它采用新型的陶瓷预热杆，该预热杆可在2s内达到1000℃，这就保证了该款发动机可以像汽油机那样快速起动，而不会再出现一般柴油机的那种“1min的延迟”。

2）预热指示灯熄灭后即可起动发动机。在发动机运转过程中如果预热指示灯闪烁，表明发动机控制系统出现故障。

3）后热。发动机起动以后，进入后热阶段。后热可以降低发动机的噪声，改善怠速工况的发动机性能，并且降低碳氢排放。发动机转速达到2500r/min时后热阶段停止。电热塞控制集成在EDC控制单元中，控制分为两部分：预热和后热。

由于直喷柴油机的起动性能好，预热只需在温度低于9℃进行，冷却液温度传感器为控制单元提供准确的温度信号，驾驶人通过仪表板上的预热警告灯了解预热情况。

4.进气管上节流阀的作用

进气管上有节流阀，该阀可进行无级调节，这样就可以使得进气状况按照当前的发动机转速和负荷与排放、油耗和转矩/功率相适应。节流阀调节器上有电位计，它向发动机控制单元报告节流阀的位置。

节气门和节流阀在超速运行状态时会被打开，以便检查空气流量传感器并调整氧传感器。带有电动节流阀调节器的进气歧管，为了使转矩输出和燃烧状况达到最佳状态，在负荷较低时关闭涡旋通道可以增强涡旋运动；在负荷较高时打开涡旋通道有助于气缸更好地充气。在发动机起动时，节流阀被打开，且在怠速时才关闭（在占空比约为80%时）。从怠速转速直到约2750r/min（在占空比约为20%时），节流阀一直处于完全打开状态。另外，在无电流以及超速状态时，节流阀也是处于打开状态的。

5.可变截面涡轮增压器 （图1-69）

（1）可变截面涡轮增压器（VTG）的结构组成及工作原理

涡轮增压系统的传感器主要有空气流量传感器、冷却液温度传感器、加速踏板位置传感器、发动机转速传感器、油温传感器和涡轮增压器活塞位移传感器。为了能保证涡轮增压器在较低转速时做出快速响应，其导向叶片是通过一个电动调节器来实现调节的，这就能实现导向叶片的准确定位，从而达到最佳的增压压力。

另外，控制单元还根据进气压力传感器、进气温度传感器和海拔传感器等信号确定增压压力控制信号，传给增压压力控制阀。增压压力控制阀把电信号转化成真空度信号，传给废气涡轮增压器上的增压压力调节阀，控制增压压力沿理想的特性曲线运行（图1-70）。

在涡轮壳体内的涡轮前部还集成了一个温度传感器，用来测量增压空气的温度，发动机管理系统利用这个信息可以防止涡轮增压器过热。当温度超过450℃时，还可以起动颗粒过滤器的还原功能。涡轮增压器在小负荷、低转速的情况时，为了防止像汽油机那样增压滞后，处于可控调节状态，以便快速产生增压压力；大负荷、高转速的情况下会被调节，以便将增压压力保持在最佳范围内。

（2）带有增压空气旁通通道的涡轮增压系统（图1-71）

除了用于调节废气再循环温度外，增压空气温度还有一个重要作用：尽可能使不同温度条件下燃烧过程的热力学条件保持稳定，从而保证持续良好的排放特性。由于增压空气中冷器的效率很高（在外界温度较低时几乎可以将压缩了的增压空气冷却到环境温度），在空气通道内集成了一个旁通支路，以便绕开增压空气中冷器。

旁通阀部件由阀箱和两个布置在同一轴上且彼此呈90°的翻板构成。旁通阀的作用是；不断地将两个增压空气中冷器已冷却下来的空气与涡轮增压器加热的空气混合。当翻板处于终点位置时，增压空气中冷器已冷却下来的空气和涡轮增压器加热的空气这两者只能有一个被继续送往进气歧管。这种可变式增压空气混合作用的优点是，可以按特性曲线通过可变混合比将进气温度调节到规定值。这样，就可以使排放低、省油的燃烧方式所需要的热力学边界条件保持稳定。

1）发动机冷机增压空气流向（图1-72）。外部温度较低时，从涡轮增压器经三通管过来的已被加热了的增压空气经旁通阀直接被引入到进气歧管。这就使得氧化式催化转化器、颗粒过滤器和废气净化系统能很快地起动工作。

2）发动机带负荷，温度较高时增压空气流向（图1-73）。发动机带负荷，外部温度较高时，当发动机转速超过约1750r/min（按特性曲线）后，已冷却下来的增压空气经过处于特定位置的旁通阀被引入到进气歧管。关闭旁通阀，就关闭了增压空气直接进入进气歧管的通道，增压空气经增压空气中冷器再被引入到进气歧管。

6.高压共轨柴油机电控系统

（1）高压共轨系统传感器

1）曲轴位置传感器精确计算曲轴位置，用于喷油时刻、喷油量和转速计算。

2）凸轮位置轴传感器用于判缸，在曲轴位置传感器失效时用于临时运行。

3）进气温度传感器测量进气温度，以修正喷油量和喷油正时，并进行过热保护。

4）增压压力传感器监测进气压力，和进气温度一起计算进气量。与进气温度集成在一起。

5）冷却液温度传感器测量冷却液温度，用于冷起动时提高发动机转速、目标怠速计算等，同时还用于修正喷油提前角、过热保护等。在低温和柴油机处于冷态时，控制单元可根据冷却液温度传感器和进气温度传感器的信号值确定合适的喷油始点、预喷射油量和其他参数的额定值。

6）共轨压力传感器属于压敏电阻式传感器，负责测量共轨管中的燃油压力，保证油压控制稳定。

7）加速踏板位置传感器将驾驶人的意图送给控制单元，即通过电压信号告知控制单元关于驾驶人对转矩的要求。

8）车速传感器提供车速信号给控制单元，用于整车驱动控制。

9）大气压力传感器用于不同海拔校正喷油控制参数，集成在控制单元中。

（2）高压共轨柴油机执行器

执行器用于将控制单元输出的指令电信号转变为机械参数。

高压共轨柴油机执行器主要有废气再循环控制阀、增压压力控制阀和喷油始点控制阀，分别进行废气再循环量、涡轮增压压力控制和喷油起始角控制。

CAN总线系统可与车辆的其他电子系统（例如ABS、变速器电子控制系统）进行数据交换。诊断插头可在车辆检修时输出系统存储的运行数据和故障码。

（3）共轨喷油系统的发展

博世公司第一代共轨喷油系统高压油泵出油压力为135MPa；第二代共轨喷油系统高压油泵出油压力为160MPa；第三代共轨喷油系统高压油泵出油压力为180MPa；第四代共轨喷油系统高压油泵出油压力将增大到220MPa。

第四代共轨喷油系统采用同轴可变喷油器（图1-74），可以省去预喷射过程，使微粒排放明显降低。采用小孔喷油器可获得良好的燃油雾化性，使空气混合更充分，燃油效率更高。

（4）高压共轨系统控制和排放的关系

在共轨喷油系统中，喷油压力的建立与喷油量互不相关，喷油压力不取决于柴油机的转速和喷油量。电控柴油喷射系统由传感器、控制单元和执行机构等组成。其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、温度、压力等传感器，将实时检测的参数同步输入计算机，与已储存的参数值进行比较，经过处理计算按照最佳值对喷油泵、废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，驱动喷油系统，使柴油机运作状态，包括动力性和排放控制达到最佳。

高压共轨柴油发动机排放污染目前主要是指一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物和微粒，因为二氧化碳温室效应问题，在未来更严格的排放法规中也将列为污染物。对于高压共轨柴油发动机氮氧化物和微粒的排放是治理的重心。高压共轨对喷射正时、喷射压力和喷射间隔角的控制与发动机燃油经济性和排放有着直接的关系。燃油喷射提前角加大使得滞燃期形成可燃混合气数量增加，在急燃期内燃烧速率增加，燃烧温度和压力升高，导致NO _x 增加。喷射压力升高，使得燃烧充分，燃烧压力和温度升高，导致NO _x 增加，但可降低炭烟和提高燃油经济性。滞燃期提前对急燃期的影响直接影响发动机的排放和性能。所以控制、适当推迟滞燃期有利于发动机的排放和性能改善。

（5）后喷在排放中的作用

后喷主要是激活尾气的后处理。在排气系统配置有微粒捕捉器的情况下需要少量燃油在排气管内燃烧，对排放系统中的氧化催化器和微粒捕捉器进行适当加温，可提高工作效率，同时有利于氮氧化物还原催化，还烧掉了部分微粒，使烟度排放和微粒排放有明显的降低。后喷燃油不参与缸内燃烧。

（6）废气再循环

废气再循环阀控制进气管内的废气再循环流量。废气再循环压力总是高于进气管压力。进入进气管内的废气气流与吸入的空气气流的方向是相反的，使新鲜空气与废气均匀而充分地混合。为了能有效减少废气中的颗粒和氮氧化物（NO _x ），发动机暖机时，废气由一个中冷器来冷却，该中冷器内部充满流动的水且可由开关控制。发动机冷机状态时，旁通阀打开，废气再循环直接进行，以便能以最快速度加热催化转化器；发动机暖机状态时，旁通阀关闭，废气被强制通过冷却器。

在控制单元内，存有EGR特性曲线，它包括发动机各工况点所需的空气量。控制单元利用空气流量传感器的信号，把实际进气量与标定进气量进行比较，为补偿这个差值，对EGR控制阀发出相应的控制电信号。EGR控制阀把电信号转化成真空度信号传给EGR阀，以改变EGR阀的开度，控制废气再循环率。废气再循环可有效降低氮氧化物排放。但废气再循环率要受到限制，因为过多的废气会使碳氢、一氧化碳和微粒排放恶化。废气再循环见图1-75。

1）冷态发动机废气再循环模式（图1-76、图1-77）。旁通阀打开，废气直接进入气缸；发动机快速暖机，催化转化器快速加热。

为了降低一氧化碳和碳氢化合物的排放量，在发动机升温预热的运行过程中，旁通支路阀都处于旁通位置。

2）热机状态下废气再循环工作模式（图1-78）。旁通阀关闭，废气被强制地通过中冷器；废气有较高的密度，从大约60℃开始被冷却。

当发动机处于部分负荷工况时，辅助中冷器的旁通支路是打开着的，废气再循环中冷器的旁通支路关闭，废气流经废气再循环中冷器并冷却。

3）随着负荷的增大以及废气温度的升高，辅助中冷器接通，于是两个废气再循环中冷器就都在进行冷却。这样就可以在降低温度的同时提高废气再循环率，并且氮氧化物的排放也进一步降低（图1-79）。

（7）尾气净化装置（图1-80）

废气排放量和燃油消耗量先通过发动机内部措施来降低，然后再经过废气再处理系统将废气排放降至最低。另外，氧化式催化转化器和柴油颗粒过滤器也采用了新元件，以便将氮氧化物排放降至最低。排气系统的组成如下：靠近发动机的氧化式催化转化器、涂层式颗粒过滤器、主动式废气再处理系统以及消音器。

柴油机氧化转化器和汽油机的三元催化转化器类似，主要是通过氧化还原反应将尾气中的CO和NO _x 生成CO ₂ 和O ₂ 和N ₂ 。在这里重点讲解柴油机和汽油机不同的颗粒捕捉器和主动式氮氧催化转器。

1）颗粒捕集器（图1-81）。微粒过滤器是个由金刚砂制成的蜂房状陶瓷体，该陶瓷体安装在一个金属壳体内。陶瓷体分割成很多小的通道，这些通道相互间是封闭着的。因此，进气通道和排气通道是由过滤隔层分开的。

金刚砂制成的过滤隔层是多孔的，涂有氧化铝和氧化铈涂层。这个涂层上采用气化渗镀的方法镀上了贵重金属铂，铂用作催化剂。微粒过滤器中的氧化铈涂层降低了炭烟的点火温度，加速了与氧气的热反应。

含有炭烟的废气流经进气通道的多孔过滤隔层。废气中的气体能通过，但是炭烟颗粒就被留到进气通道内（图1-82）。

2）还原反应。为了防止微粒过滤器被炭烟颗粒堵塞（那样就会影响其功能），必须定期进行还原反应。在还原反应过程中，微粒过滤器中积累的炭烟颗粒就被烧掉了（氧化掉了）。微粒过滤器是有催化剂涂层的，它的还原反应分为被动式还原反应和主动式还原反应。

①被动式还原反应。在被动式还原反应过程中，发动机管理系统并不介入，但炭烟颗粒一直在被烧掉。这种情况主要发生在发动机负荷较高时，比如在高速公路上行驶时，以及废气温度在350～500℃时。于是炭烟颗粒通过与二氧化氮反应，就转化成二氧化碳（0～500℃）时。

②主动式还原反应。在城市循环工况（也就是发动机负荷较小）时，废气温度比较低，无法进行被动式还原反应。由于无法处理掉炭烟颗粒，炭烟颗粒就聚集在微粒过滤器中。一旦微粒过滤器中的炭烟颗粒达到一定量，那么发动机管理系统就会下令执行主动式还原反应。这个过程要持续10～15min。炭烟颗粒在600～650℃的废气温度下与氧气发生反应后烧掉，变成二氧化碳。

发动机控制单元有两个预先编好的计算模型，用于计算微粒过滤器的炭烟负荷（炭烟的积累程度）。其中一个计算模型是根据使用者的驾驶风格、废气温度传感器和氧传感器信号来确定的。另一个计算模型是流动阻力，是根据废气压力传感器1、右侧废气温度传感器2和空气流量传感器来确定的。如果微粒过滤器中的炭烟负荷达到了极限值，那么就会下令执行主动式还原反应。下面的措施会使得废气温度有针对性地快速升至600～650℃。在这个温度范围，微粒过滤器中积聚的炭烟颗粒就会氧化成二氧化碳。

3）主动式氮氧催化转换器（图1-83）。废气再处理系统的组成如下：DeNox（脱硝）催化转化器、还原剂喷射阀以及用于存储还原剂的箱子（带有还原剂供给单元和还原剂管）。DeNox催化转化器（在氧化式催化转化器和柴油颗粒过滤器的下游）可以进一步降低氮氧化物的排放量。为此需要使用32.5%的尿素/水溶液作为还原剂，这种还原剂以非常小的剂量喷入排气系统中。

在发动机起动后数分钟，DeNox催化转化器达到其正常工作温度（180℃的废气温度）。这个温度信息由废气温度传感器4 G648（在DeNox催化转化器的上游）传给发动机控制单元J623。温度超过这个数值后就可以喷射还原剂了。还原剂喷入很热的废气气流中后，水分首先汽化。

于是发生热解作用，尿素分解成异氰酸和氨气。只要有热的表面存在，异氰酸就会通过水解作用转化成二氧化碳和氨。

这些反应过程所需要的水就是废气中的水，它是发动机燃烧过程的产物。一个分子的尿素可以产生两个分子的氨，氨用于催化转化器的还原反应过程。

7.高压共轨喷射系统常见故障诊断分析

高压共轨系统由于大都采用的是精密偶件，对柴油品质要求较高。国内柴油品质参差不齐，常见由于柴油品质不良或是错加了汽油，导致高压系统整个损坏。所以无论在日常使用或是维修过程中都应确保柴油品质达标。其次柴油车产生炭烟颗粒排放物较多，容易出现颗粒捕集器堵塞或是节流阀以及EGR再循环控制阀由于积炭过多导致卡滞。 ZtEWW3s6rL478zvzwx9gasJXjc0WBXiTUokw5TtHHZWEIIkDDioDBlD/e6LzbTIR