国Ⅲ柴油机电控共轨燃油喷射系统结构与功用

1.低压油路部分

（1）输油泵 输油泵的任务是在任何工况下，为燃油提供所需的预压力，并在整个使用寿命期内，向高压泵提供足够的燃油。目前输油泵有两种类型，即电动输油泵（滚子叶片泵）和机械驱动的齿轮泵。

①电动输油泵。电动输油泵（图4-9和图4-10）用于乘用车和轻型商用车。除了向高压泵输送燃油外，电动输油泵在监控系统中还起到了在必要时中断燃油输送的作用。

图4-9 电动输油泵示意图

1—压油端 2—电动机电枢 3—滚子叶片泵 4—限压阀 5—吸油端 A—泵油元件 B—电动机 C—连接

图4-10 电动输油泵的叶片泵示意图

1—吸油端 2—圆盘形转子 3—滚子 4—油泵外壳 5—压油端

柴油机起动过程开始时，电动输油泵就开始运行，而且不受柴油机转速的影响。电动输油泵持续从燃油箱中抽出燃油，经燃油滤清器送往高压泵，多余的燃油经溢流阀流回燃油箱。电动输油泵具有安全电路，可防止在停机时向柴油机输送燃油。

电动输油泵有油管安装式和油箱安装式两种。油管安装式输油泵安装在车辆底盘上燃油箱与燃油滤清器之间的油管上。而油箱安装式输油泵则安装在燃油箱内的专用支架上，其总成通常还包括吸油端的吸油滤网、油位显示器、储油罐以及与外部连接的电气插头和液压接头。电动输油泵由泵油元件、电动机和连接盖3个功能部分组成。泵油元件的工作原理取决于电动输油泵的应用领域，有多种型号。

乘用车的共轨喷油系统的输油泵采用的滚子叶片泵（容积式泵）由偏心布置的内腔和在其中转动的开槽圆盘构成，每个槽内有可活动的滚子。利用开槽圆盘转动的离心力和燃油压力的作用，滚子紧压在外侧的滚子滚道上和槽的驱动侧面上。在这种情况下，滚子的作用就好比是作圆周运动的密封件。开槽圆盘的每两个滚子与滚道之间构成了一个腔室，当进油口关闭，腔室容积不断缩小时，便产生泵油作用。燃油在出油口打开以后从电动机流过，并经压油端的连接盖输出。

电动机由永久磁铁和电枢组成，其设计取决于在一定系统压力之下所要求的供油量。电动机和泵油元件装在共用的外壳中，燃油不间断地流过，从而使其得到冷却，因此无需在泵油元件与电动机之间设置复杂的密封件便可获得较高的电动机功率。连接盖包含电气插头和压油端的液压接头，另外还可以在连接盖中设置防干扰装置。

②齿轮输油泵。齿轮输油泵（图4-11）用在乘用车和轻型商用车的共轨喷油系统中，向高压泵输送燃油。它装在高压泵中与高压泵共用驱动装置，或装在柴油机旁配有单独的驱动装置。驱动装置一般为联轴器、齿轮或同步带。

齿轮输油泵的基本构件是两个互相啮合反向转动的齿轮，它们将齿隙中的燃油从吸油端送往压油端。齿轮的接触线将吸油端和压油端互相密封以防止燃油倒流。输油泵的输油量与柴油机转速成正比，因此输油量的调节借助于吸油端的节流调节阀或压油端的溢流阀进行。

齿轮输油泵在工作期间无需保养。为了在第一次起动时或燃油箱放空后排空燃油系统中的空气，可在齿轮输油泵或低压管路上装配手油泵。

图4-11 齿轮输油泵示意图

1—吸油端 2—驱动齿轮 3—压油端

（2）燃油滤清器 燃油中的杂质可能使泵油元件、出油阀和喷油器损坏，因此使用满足喷油系统要求的燃油滤清器是保证柴油机正常工作和延长使用寿命的前提条件。通常燃油中会含有化合形态（乳浊液）或非化合形态（温度变化引起的冷凝水）的水。如果这些水进入喷油系统，会对其产生腐蚀并造成损坏，因此与其他喷油系统一样，共轨喷油系统也需要带有集水槽的燃油滤清器（图4-12），每隔适当时间必须将水放掉。随着乘用车采用柴油机比例的增加，自动放水报警装置的使用也在不断增加。当系统必须将水排出时，该装置的警告灯就会闪亮。对于那些燃油中含水量较高的国家，必须装用这种装置。

图4-12 国Ⅲ柴油机专用燃油滤清器

2.高压油路部分

共轨燃油喷射系统高压部分的部件（图4-13）除了产生高压力的组件外，还有燃油分配和计量组件。

（1）高压泵 图4-14所示为小型乘用车用的CP3共轨高压泵，该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，以及快速起动过程和共轨中压力迅速升高时所需的燃油储备。

图4-13 共轨燃油喷系系统高压油路部件

1—高压泵 2—柱塞偶件切断电磁阀 3—调压阀 4—高压油管 5—共轨管 6—共轨管压力传感器 7—限压阀 8—流量限制器 9—喷油器 10—ECU

①结构：高压泵通常像普通喷油泵那样装在柴油机上，以齿轮、链条或同步带连接在柴油机上，最高转速为3000r/min，依靠燃油润滑。因为安装空间大小的不同，调压阀通常直接安装在高压泵旁，或固定在共轨上。

燃油是由高压泵内3个相互呈120°径向布置的柱塞压缩形成的。由于每转1圈有3个供油行程，因此驱动峰值转矩小，泵驱动装置受载均匀。驱动转矩为16N·m，仅为同等级分配泵所需驱动转矩的1/9左右，所以共轨喷油系统对泵驱动装置的驱动要求比普通喷油系统低，泵驱动装置所需的动力随共轨压力和泵转速（供油量）的增加而增加。排量为2L的柴油机，额定转速下共轨压力达135.0MPa时，高压泵（机械效率约为90%）所消耗功率为3.8kW。喷油器中的泄漏和所需的喷油量及调压阀的回油，使其实际功消耗率要更高些。

②工作方式：燃油通过输油泵加压经带水分离器的滤清器送往安全阀，通过安全阀上的节流孔将燃油压到高压泵的润滑和冷却回路中。带偏心凸轮的驱动轴或弹簧根据凸轮形状相位的变化而将泵柱塞推上或压下。如果供油压力超过了安全阀的开启压力（0.05～0.15MPa），则输油泵可通过高压泵的进油阀将燃油压入柱塞腔（吸油行程）。当柱塞达到下止点后而上行时，则进油阀被关闭，柱塞腔内的燃油被压缩，只要达到共轨压力就立即打开排油阀，被压缩的燃油进入高压回路。到上止点前，柱塞一直泵送燃油（供油行程）。达到上止点后，压力下降，排油阀关闭。柱塞向下运动时，剩下的燃油降压，直到柱塞腔中的压力低于输油泵的供油压力时，吸油阀再次被打开，重复进入下一工作循环。

③供油效率：由于高压泵是按高供油量设计的，在怠速和部分低负荷工作状态下，被压缩的燃油会有冗余。通常这部分冗余的燃油经调压阀流回燃油箱，但由于被压缩的燃油在调压阀出口处压力降低，压缩的能量损失转变成热能，使燃油温度升高，从而降低了总效率。若泵油量过多，使柱塞泵空，切断供应高压燃油可使供油效率适应燃油的需要量，可部分补偿上述损失。

图4-14 小型乘用车用的CP3共轨高压泵

1—驱动轴 2—偏心凸轮 3—柱塞泵油元件 4—柱塞腔 5—吸油阀 6—柱塞偶件切断电磁阀 7—排油阀 8—密封件 9—通向共轨的高压接头 10—调压电磁阀 11—球阀 12—回油口 13—进油口 14—带节流孔的安全阀 15—通往泵油元件的低压通道

柱塞被切断供油时，送到共轨中的燃油量减少。因为在柱塞偶件切断电磁阀时，装在其中的衔铁销将吸油阀打开，从而使供油行程中吸入柱塞腔中的燃油不受压缩，又流回到低压油路，柱塞腔内不增加压力。柱塞被切断供油后，高压泵不再连续供油，而是处于供油间歇阶段，因此减少了功率消耗。

高压泵的供油量与其转速成正比，而高压泵的转速取决于柴油机转速。喷油系统装配在柴油机上时，其传动比的设计一方面要减少多余的供油量，另一方面又要满足柴油机全负荷时对燃油的需要。可选取的传动比通常为1∶2和2∶3，具体视曲轴而定。

大多数中小功率重型汽车共轨柴油机使用的是CPN2型高压泵（图4-15），其结构与CP3喷油泵差异很大，只有两组柱塞，但柴油机每旋转1圈，每组柱塞均供油3次。

图4-15 共轨CPN2型高压泵

（2）调压阀 调压阀（图4-16）的任务是根据柴油机的负荷状况调整和保持共轨中的压力，共轨压力过高时，调压阀打开，一部分燃油经回油管返回燃油箱；共轨压力过低时，调压阀关闭，高压端对回油管封闭。

①结构：调压阀有安装法兰，用以固定在高压泵或共轨上。衔铁销将钢球压在密封座上，以使高压端对低压端密封。一方面弹簧将衔铁销往下压，另一方面电磁线圈还对衔铁销有作用力。为进行润滑和散热，整个电磁阀周围都有燃油流过。

图4-16 共轨燃油系统的调压阀

1—球阀 2—衔铁销 3—电磁线圈 4—弹簧 5—电气插头

②工作方式：调压阀有两个调节回路，低速电调节回路，用于调整共轨中可变化的平均压力值；高速机械液压调节回路，用于补偿高频压力波动。

共轨或高压泵出口处的高压燃油通过高压油进口作用在调压阀上。由于无电流的电磁线圈不产生作用力，燃油的高压力大于弹簧力，调压阀打开。根据供油量的大小，调压阀调整打开的开度。该弹簧是按最大压力约10MPa设计的。

如果要提高高压回路中的压力，就必须在弹簧力的基础上再建立电磁力。当电磁力和弹簧力与燃油高压力达到平衡时，调压阀停留在某个开启位置，燃油压力保持不变。泵油量的变化和燃油从喷油器中喷出时，调压阀通过不同的开度予以补偿。电磁阀的电磁力与控制电流成正比，而控制电流的变化通过脉宽调制来实现。脉宽的调制频率为1kHz，可避免衔铁销的运动干扰共轨中的压力波动。

（3）共轨管 共轨的任务是储存高压燃油，高压泵的供油和喷油所产生的压力波动由共轨的容积进行缓冲。在输出较大燃油量时，所有气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。

①结构：由于柴油机的安装条件不同，带流量限制器（选装件）、共轨压力传感器、调压阀和限压阀的共轨（图4-17）可进行不同的设计。

图4-17 共轨燃油系统共轨管的结构示意图

1—共轨 2—高压进油口 3—共轨压力传感器 4—限压阀 5—回油管 6—流量限制器 7—通往喷油器的高压油管

②工作方式：共轨中通常注满了高压燃油，充分利用高压对燃油的压缩来保持存储压力，并用高压泵来补偿脉动供油所产生的压力波动，因此即使从共轨中喷射出燃油，共轨中的压力也近似为恒定值。

（4）共轨压力传感器 共轨压力传感器（图4-18）的任务是以足够的精度、在较短的时间内测定共轨中燃油的实时压力，并向ECU提供相应的电压信号。

①结构：燃油经共轨中的一个孔流向共轨压力传感器，传感器膜片将孔末端封住。在压力作用下的燃油经压力室孔流向膜片。在此膜片上装有传感元件，用以将压力转换成电信号。通过一根连接导线将产生的信号传输到向ECU提供放大测量信号的求值电路。

②工作方式：当由共轨燃油压力引起膜片形状发生变化（150MPa时约为1mm）时，其上的电阻值会随之变化，并在用5V供电的电阻电桥中产生电压变化。根据燃油压力的不同，电压在0～70mV之间变化，并由求值电路放大到0.5～4.5V。

精确测量共轨中的燃油压力是喷油系统正常工作所必需的。为此，压力传感器在测量压力时的允许偏差很小，在主要工作范围内测量精度约为最大值的±2%。一旦共轨压力传感器失效，具有应急行驶功能的ECU以某个固定的预定值来控制调压阀的开度。

（5）限压阀 限压阀的作用相当于安全阀，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（此值与设定值有关）。

在共轨系统的很多方案中，设置了限压阀用来限制共轨系统的最大压力。限压阀的安装位置如图4-19所示。

BOSCH电控共轨系统中的限压阀（图4-20）主要由外壳（有外螺纹，以便拧装在共轨上）、通往油箱的回油管接头及活塞和弹簧组成。

图4-18 共轨压力传感器

1—电气插头 2—求值电路 3—带有传感元件的膜片 4—高压接头 5—固定螺纹

外壳在通往共轨的连接端有一个小孔，一般工况下，此孔被外壳内部密封面上的锥形活塞头部关闭。在正常的工作压力下，弹簧将活塞紧压在座面上。此时，共轨呈关闭状态。当共轨中的燃油压力超过规定的最大压力时，活塞在高压燃油压力的作用下压缩弹簧，高压燃油从共轨中流出。燃油经过通道流入活塞中央的孔，然后经集油管流回燃油箱。随着阀的开启，燃油从共轨中流出，共轨中的压力降低。

图4-19 限压阀的安装位置

图4-20 BOSCH共轨系统中的限压阀的工作原理示意图

1—高压接头 2—阀 3、8—通孔 4—活塞 5—压力弹簧 6—限位套 7—阀座 9—回油孔

（6）流量限制器 流量限制器的任务是防止喷油器可能出现的持续喷油现象。为实现此任务，当从共轨中流出的油量超过最大油量时，流量限制器将流向相应喷油器的进油管路关闭。该部件属于选装件，由于结构较复杂，现已大多省略不用。

结构与功能：流量限制器（图4-21）有一个金属外壳，其上有外螺纹，以便安装在共轨上，另一端的外螺纹用来安装喷油器的进油管。外壳两端有孔，与共轨或喷油器进油管建立液压连接。

流量限制器内部有一个活塞，弹簧将此活塞向共轨方向压紧。活塞对外壳壁部密封。活塞上的纵向孔连接进油口和出油口，其直径在末端是缩小的。这种缩小的作用就像流量精确规定的节流孔的效果一样。

图4-21 流量限制器示意图

1—通向共轨的接头 2—限位件 3—活塞 4—压力弹簧 5—外壳 6—通向喷油器的接头

正常工作状态：活塞处在静止位置，即在共轨端的限位件上。一次喷油后，喷油器端的压力下降，活塞向喷油器方向运动。活塞压下的容积补偿了喷油器喷出的燃油容积。在喷油终止，活塞停止运动，不关闭密封座面，弹簧将活塞推回到静止位置，燃油经节流孔流出。

泄油量过大的故障工作状态：由于流过的油量大，活塞从静止位置被推向出油端的密封座面，一直到柴油机停机时靠到喷油器端的密封座面上，从而关闭通往喷油器的进油口。

泄油量过小的故障工作状态：由于产生泄油，活塞不再能达到静止位置。经过几次喷油后，活塞向出油处的密封座面移动，并停留在一个位置上，一直到柴油机停机时靠到喷油器端的密封座面上，从而关闭通往喷油器的进油口。

（7）喷油器 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嘴和喷油器总成。

与直喷式柴油机中的喷油器体相似，喷油器用卡板装在气缸盖中。共轨喷油器在直喷式柴油机中的安装不需要气缸盖在结构上有很大改变。

1）结构：喷油器由孔式喷油嘴、液压伺服系统、电磁阀组件构成，如图4-22所示。

如图4-22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嘴针阀承压面上的力，喷油嘴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嘴针阀承压面上的力，喷油嘴针阀立即打开，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，因此采用液力放大系统间接控制喷油嘴针阀。其间除喷入燃烧室的燃油外，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。此控制油量和泄油量经集油管（溢流阀、高压泵和调压阀也与集油管接通）的回油通道返回燃油箱。

2）工作方式：在柴油机和高压泵工作时，喷油器的功能可分为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）。

图4-22 电控共轨喷油器结构示意图

a）喷油器置位 b）喷油器开启 c）喷油器关闭 1—线圈 2—衔铁 3—球阀 4—释放控制孔 5—充油控制孔 6—针阀杆 7—喷油嘴针阀压力环 8—喷孔

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，喷油嘴弹簧将喷油器关闭。

①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，如图4-22a所示。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嘴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。

②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。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，并经回油通道返回燃油箱，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嘴内腔容积中的压力，从而针阀被打开，开始喷油，如图4-22b所示。

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。

③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成，虽然衔铁盘由衔铁销带着一起向下运动，但它是压着回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，超过了喷油嘴内腔容积中的液压力，于是针阀关闭，如图4-22c所示。

（8）孔式喷油嘴 喷油嘴装在共轨喷油器上，承担着针阀体的功能。喷油嘴必须与柴油机进行很好的匹配。

喷油嘴的设计需同时考虑喷油计量（喷油持续期和每度曲轴转角的喷油量）、燃油准备（油束数量、油束形状和油束的雾化）及燃油在燃烧室内的分布、对燃烧室的密封因素。

1）应用：对装用共轨喷油系统的直喷式柴油机，使用针阀直径为4mm的P系列孔式喷油嘴。它有两种类型，即有压力室式喷油嘴、无压力室式喷油嘴。

2）结构：喷孔呈喷雾锥角布置（图4-23），而喷孔数量与直径取决于喷油量、燃烧室形状和燃烧室中的空气涡流。

无论是对有压力室式喷油嘴还是对无压力室式喷油嘴，都可将喷孔内孔边棱倒圆，其目的是消除燃油中有磨刮作用的微粒引起的喷孔内孔边缘磨损、缩小喷油嘴流量偏差。

为了减少HC排放，针阀座下方充满燃油的容积（压力室）应尽可能小，最好使用无压力室式喷油嘴。

①有压力室式喷油嘴（图4-24）：喷孔布置在压力室中。喷油嘴头部为圆形时，喷孔采用机械钻孔方法或电火花方法加工，具体视设计而定。头部为锥形的有压力室式喷油嘴一般采用电火花方法加工。

图4-23 喷雾锥角

γ—喷油嘴倾斜角 δ—喷雾锥角

图4-24 有压力室式喷油嘴

1—针阀 2—升程限位面 3—进油孔 4—承压凸肩 5—针阀杆部 6—喷油嘴头部 7—喷油嘴体杆部 8—喷油嘴体肩胛面 9—盛油槽 10—针阀导向面 11—针阀体 12—定位销孔 13—喷油嘴底部 14—针阀承压顶面

目前提供的有压力室式喷油嘴的压力室形状有圆柱形和锥形。

带圆柱形压力室和球形头部的有压力室式喷油嘴，其压力室由一个圆柱形部分和一个半球形部分组成，这样在喷孔数量、喷孔长度和喷孔夹角方面具有高度的设计灵活性。喷油嘴头部也呈半球形，从而保证能得到均匀的喷孔长度。

这种类型仅用于喷孔长度为0.6mm的喷油嘴。锥形头部形状由于压力室与喷油嘴体座面间的壁厚较大而提高了头部强度。

与带圆柱形压力室的喷油嘴相比，带锥形压力室喷油嘴的压力室容积较小，其容积处于无压力室式喷油嘴和圆柱形压力室喷油嘴之间。为了得到均匀的头部壁厚，头部相应于压力室也设计成锥形。

②无压力室式喷油嘴（图4-25）：为了使压力室容积最小，从而使HC排放最少，喷孔起端位于针阀体的锥形座面中，并在喷油嘴关闭时被针阀封住。这样，压力室与燃烧室之间没有直接连接，与有压力室式喷油嘴相比，压力室容积要小得多。

图4-25 无压力室式喷油嘴

无压力室式喷油嘴的最大承载能力比有压力室式喷油嘴明显要低，因此它仅用在P型孔式喷油嘴和喷孔长度为1mm的喷油嘴上。考虑到强度，喷油嘴头部形状做成锥形。喷孔通常用电火花法加工。