重型柴油车电控高压共轨系统教程

重型柴油车电控高压共轨系统教程 柴油发动机周围环境的变迁 为了防止全球变暖和降低废气排放，从而减少对人类健康的影响，改善车辆的燃油经济性已 成为全世界亟需解决的问题。在欧洲，柴油发动机车辆是很受欢迎的，因为它的燃油经济性 较好。另一方面，必须大大降低废气中所含的“氮氧化（NOx）”和“粒子状物质（PM）”， 以满足废气法规的要求，而用以改善燃油经济性和降低废气的相关技术也正在积极开发中。 对柴油车辆的要求： 减少废气（NOx、PM、一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和烟雾）。 改善燃油经济性。·减少噪音。·提高功率输出和驾驶性能。 废气排放法规的变迁（大型车辆柴油法规） 对燃油喷射系统的要求 为了应对施加于柴油车辆的各种要求，燃油喷射系统（包括喷射泵和喷嘴）起到举足轻重的 作用，因为它直接影响到发动机和车辆的性能。其中一些要求是：更高的喷射压力、最佳的 喷射率、更高精度的喷射正时控制、更高精度的喷射量控制。因此电控高压共轨柴油机在现 今正逐步推广。 共轨系统特性 •共轨系统使用一种称为油轨的蓄压室来存储加压燃油，带电子控制电磁阀的喷油器可将加 压燃油喷射到各个气缸中。 •由于发动机控制器控制喷射系统（包括喷射压力、喷射率和喷射正时），所以喷射系统是 相对独立的，不受发动机转速或负荷的影响。 •由于发动机控制器可以将喷射量和喷射正时控制到很高的精度，甚至可实现多次喷射（一 次喷射行程中有多次燃油喷射）。 •这样确保喷射压力在任何时候都是稳定的，即使在低发动机转速范围，通常可以显著减少 在起动和加速期间柴油发动机排出的黑烟量。因此，废气更加清洁且废气排放减少，从而实 现更高的功率输出。 A.喷射控制的特性 a.喷射压力控制 ·在低发动机转速下实现高压喷射。 ·优化控制，从而减少粒子状物质和 NOx的排放。 b.喷射正时控制 根据驾驶情况实现最佳控制。 c.喷射率控制 在进行主喷射之前，先导喷射控制首先喷射少量燃油。 燃油共轨构成 •共轨控制系统可大致划分为以下四个方面：传感器、发动机控制器、EDU 和执行器。 A.传感器 监测发动机和泵的状况。 B.发动机控制器 从传感器接收信号，计算实现发动机最佳运行所需的正确喷射量和喷射正时，然后向执行器 发出合适的信号。 C.执行器 根据从发动机控制器接收的信号，提供最佳喷射量和喷射正时。 概述： 燃油共轨系统主要由输油泵、油轨和喷油器组成。根据所使用的输油泵的不同，有以下类型。 A.HP0 型这是电装商品化的第一个燃油共轨系统。它使用 HP0 型输油泵，并被安装在大型卡 车和大型公共汽车上。 a.系统主要组件外观图 b.系统主要组件构成（以 HP0 为例） 输 油泵 A. HP0 型 a.结构和特性 ·HP0 输油泵主要由传统型直列泵（两气缸）中的压送系统、控制燃油排放量的 PCV （泵控 制阀）、气缸识别传感器（TDC （上止点）（G）传感器）和进油泵组成。 ·它通过改变凸轮的齿数来控制发动机缸数。输油泵以发动机一半的转速旋转。发动机缸数与 输油泵的压送次数之间的关系如下表所示。 通过增加凸轮齿的个数来控制发动机缸数，使用一个小型、两缸的泵单元可以实现。此外， 由于此泵的压送行程数与喷射次数相同,所以油轨压力会保持平稳。 b.输油泵 零部件功能 (1)进油泵 进油泵（集成在输油泵中）从燃油箱吸入燃油，然后通过燃油滤清器供给泵室。进油泵有两 种类型：次摆线型和叶轮型。次摆线型进油泵的功能如下所示。凸轮轴驱动进油泵的外部/ 内 部转子，使其开始转动。根据外部/ 内部转子的运动产生的空间，进油泵将燃油抽吸到吸入 口，然后压送到排放口。 (2) PCV：泵控制阀 PCV （泵控制阀）调节输油泵的燃油排放量，以便调节油轨压力。输油 泵排放到油轨的燃油量取决于向 PCV 施加电流的正时。 A)执行电路 下图所示为 PCV 的执行电路。点火开关接通或关断 PCV 继电器，以向 PCV 施加电流。ECU 对 PCV 的打开/ 关闭进行控制。它根据每个传感器发出的信号，确定提供最佳油轨压力所需的 目标供油量，并控制 PCV 的打开/ 关闭正时，从而达到目标供油量。 (3) 压送机构 凸轮轴由发动机驱动，凸轮通过挺柱体驱动柱塞以压送进油泵提供的燃油。PCV 对供油量进 行控制。燃油从进油泵压送到气缸，然后到出油阀。 (4) 气缸 识别传感器（TDC （G）传感器） 当脉冲通过气缸识别传感器（TDC （G）传感器）时，磁阻发生变化，而且通过传感器的电 压发生变化。内部 IC 电路使电压的变化放大，并且输出到发动机控制器。在输油泵凸轮轴 的中心有一个盘形齿轮，其上每隔 60°就有一个缺口，以及一个额外缺口。因此，发动机每 转两转（对于六缸发动机）该齿轮输出七个脉冲。通过将发动机侧的发动机转速脉冲和 TDC 脉 冲相结合，可将额外切口脉冲之后的脉冲辨认为 1 号气缸。 c.输油泵 工作原理 (1)输油泵燃油总流程 燃油从燃油箱被吸入到进油泵，然后通过 PCV 输送到抽吸机构。PCV 将抽吸机构抽吸的燃油 量调整到必要的排出量，然后燃油通过出油阀被压送到油轨。 (2)燃油排供油控制 从进油泵输送的燃油经过柱塞抽吸。为了调整油轨压力，PCV 对排放量进行控制。实际操作 如下所示。 A) 每一个行程期间 PCV 和柱塞的操作 a)进气行程(A) 在柱塞下降行程中，PCV 打开，同时低压燃油通过 PCV 被吸入到柱塞室中。 b)预行程(B) 就在柱塞进入上升行程时，PCV 不通电并保持开启。此时，通过 PCV 吸入的燃油没经过加压 （预行程）而通过 PCV 返回。 a)抽吸行程(C) 在获得所需排放量的最佳时机，提供电力使 PCV 关闭，则返回通道关闭，同时柱塞室中的压 力上升。因此，燃油流经出油阀（反向切断阀），然后被抽吸到油轨。具体情况是，PCV 关 闭之后柱塞升程部分变成排放量，而且通过改变 PCV 关闭正时（柱塞预行程的终点），排放 量得到改变，从而使油轨压力得到控制。 a)进气行程(A) 当凸轮超过最大升程时，柱塞进入下降行程，同时柱塞室中的压力下降。此时，出油阀关闭， 燃油抽吸停止。此外，PCV 由于被断电而打开，低压燃油被吸入到柱塞室。具体情况是，系 统进入 A 状态。 油轨 A.油轨功能和构成 ·油轨的功能是向各气缸喷油器分配由输油泵加压的燃油。 ·油轨的形状取决于车型，同时零部件也随之改变。 ·零部件为油轨压力传感器（Pc 传感器）、压力限制器，有些车型上还有流动缓冲器和压力 限制阀。 B. 零部件结构和工作原理 a.压力限 制器 如果压力异常高，则压力限制器打开以释放压力。如果油轨中的压力异常高，压力限制器工 作（打开）。它在压力降低到一定水平之后恢复（关闭）。由压力限制器释放的燃油返回到 油箱。 b. 油轨压力传感器（Pc 传感器）油轨压力传感器（Pc 传感器）安装在油轨上。它检测油轨的 燃油压力，然后发送信号给发动机控制器。这是一个半导体传感器，它利用了压力施加到硅 元件上时电阻发生变化的压电效应。 c.流动缓 冲器流动缓冲器可降低加压管中的压力脉动，并以稳定的压力向喷油器提供燃油。流动缓冲 器也可在出现燃油过度排放时（例如喷射管道或喷油器出现燃油泄漏的情况）切断燃油通道， 从而防止燃油异常排放。 (1) 工作 原理当高压管中出现压力脉动时，它穿过量孔产生的阻力破坏了油轨侧和喷油器侧的压力平 衡，因此活塞将移到喷油器一侧，从而吸收压力脉动。正常压力脉动情况下，喷射因燃油流 量降低而停止。随着通过量孔的燃油量增加，油轨和喷油器之间的压力得到平衡。结果，由 于弹簧压力，活塞被推回油轨侧。但是，如果由于喷油器侧燃油泄漏等而发生异常流量状态， 通过量孔的燃油就会失去平衡。这将使活塞被推动抵住底座而导致燃油通道封闭。 3-3.喷油 器 A.概述 ·喷油器根据 ECU 发出的信号，将油轨中的加压燃油以最佳的喷射正时、喷射量、喷射率和 喷射方式喷射到发动机燃烧中。 ·使用 TWV （双向阀）和量孔对喷射进行控制。 TWV 对控制室中的压力进行控制，从而对喷射的开始和结束进行控制。量孔可通过限制喷嘴 打开的速度来控制喷射率。 ·控制活塞通过将控制室压力传递到喷嘴针来将阀打开和关闭。 ·当喷嘴针阀打开时，喷嘴将燃油雾化并进行喷射。 多次喷射 是指为了降低废气排放和噪音，在不改变喷射量的情况下，用一到六次喷射来完成主喷射。 B.喷油器 工作原理 喷油器通过控制室中的燃油压力来控制喷射。TWV 通过对控制室中的燃油泄漏进行控制，从 而对控制室的燃油压力进行 控制。TWV 随喷油器类型的不同而改变。 a. 无喷射 当 TWV 未通电时，它切断控制室的溢流通道，因此控制室中的燃油压力和施加到喷嘴针的燃 油压力为同一油轨压力。从而，喷嘴针阀由于控制活塞的承压面和喷嘴弹簧力之间的差别而 关闭，燃油未喷射。对于 X1 型，外部阀被弹簧力和外部阀中的燃油压力推向座，从而控制 室的泄漏通道被切断。对于 X2/G2 型，控制室出油量孔直接在弹簧力作用下关闭。 b. 喷射 当 TWV 通电开始时，TWV 阀被拉起，从而打开控制室的溢流通道。当溢流通道打开时，控制 室中的燃油流出，压力下降。由于控制室中的压力下降，喷嘴针处的压力克服向下压的力， 喷嘴针被向上推，喷射开始。当燃油从控制室泄漏时，流量受到量孔的限制，因此喷嘴逐渐 打开。随着喷嘴打开，喷射率升高。随着电流被继续施加到 TWV，喷嘴针最终达到最大升程， 从而实现最大喷射率。多余燃油通过如图所示的路径返回到燃油箱。 c. 喷射结束 TWV 通电结束时，阀下降，从而关闭控制室的溢流通道。当溢流通道关闭时，控制室中的燃 油压力立即返回油轨压力，喷嘴突然关闭，喷射停止。 C.喷油器驱动电路 为了改善喷油器的敏感度，将驱动电压变为高电压，从而加速电磁线圈磁化和 TWV 响应。ECU 中的 EDU 或充电电路将各自蓄电池电压提高到大约 100V，维持电压 12.8 V，它通过 ECU 发 出的驱动喷油器的信号而施加到喷油器上。 D.带 QR 代码的喷油 QR （快速响应）代码被用来提高校正精度。QR 代码包含喷油器中的校正数据， 它被写入发动机控制器中。QR 代码致使燃油喷射量校正点的数目大大增加，从而极大地改 善了喷射量精度。 QR 代码 是由电装公司开发的一个新的二维代码。除了喷射量校正数据之外，代码还包括部件号和产 品号，它们可以在非常高的速度下阅读。 (1) 操作带 QR 代码的喷油器（参考） 带 QR 代码的喷油器使发动机控制器能够识别和校正喷油器，因此当喷油器或发动机控制器 被更换时，必须在发动机控制器中登记喷油器的 ID 代码。 A) 更换喷油器 必须将更换了的喷油器的 ID 代码登记到发动机控制器（ECU）中。 B) 更换 发动机控制器必须将所有车辆喷油器的 ID 代码登记到发动机控制器（ECU）中。 4.控制 系统组件说明 4-1.发动机控制系统图（参考） 4-2.发动机控制器（电子控制单元） 发动机控制器（ECU）通过传感器发出的信号不断检查发动机的状态，计算符合条件的燃油 喷射量等，启动执行器以及将发动机控制到最佳状态。喷油器可以由发动机控制器中的 EDU 或充电电路来启动。该执行电路取决于其所安装的车型的规格，ECU 也具有诊断功能，可用 于记录系统故障得。 4-3.各种 传感器功能 a. 曲轴 t 位置传感器（发动机转速 NE 传感器）和气缸识别传感器（TDC （G）传感器）(1) 曲轴位置 传感器（发动机转速 NE 传感器）曲轴位置传感器安装在靠近曲轴正时齿轮或飞轮的位置。 传感器单元是 MPU （电磁感应）型。当曲轴上安装的发动机转速脉冲齿轮通过传感器时，传 感器内线圈的磁场发生变化，从而产生 AC 电压。AC 电压可与检测信号一样由发动机控制器 检测到。发动机转速脉冲的脉冲数量取决于安装传感器的车辆的规格。 (2) 气缸识别传感器（TDC （G）传感器）对于 HP0 系统，气缸识别传感器安装在输油泵单 元上。传感器单元使用 MRE （电磁电阻元件）型。对于 MRE 型，当脉冲通过传感器时，磁 阻发生变化，而且通过传感器的电压发生变化。内部 IC 电路使电压的变化放大，并且输出 到发动机控制器。TDC 脉冲的脉冲数量取决于安装传感器的车辆的规格。 b. 加速 器位置传感器（另一制造商制造）加速器位置传感器将加速踏板开度转换为电子信号，并将 其输出到发动机控制器。另外，有两个系统可在一旦发生故障时提供备用功能。(1) 用于柴 油发动机（另一制造商制造）这是非接触型传感器。有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。另外，鉴于现在有两个传感器输出系统，没有任何输出电压 抵销。 c. 进气温度传感器进气温度传感器检测进气通过涡轮增压器后的温度。检测温度的传感器部分 包含一个热敏电阻。该热敏电阻有一个随温度的变化而变化的电阻，热敏电阻用来检测进气 温度。 d. 冷却液温度传感器冷却液温度传感器安装在气缸体上，可以检测冷却液温度。该传感器为热 敏电阻型。 e. 燃油 温度传感器这是一个热敏电阻型传感器，可以检测燃油温度。在 HP2、HP3 和 HP4 系统中， 该传感器安装在输油泵单元上，但是在 HP0 系统中，它安装在喷油器的溢流管上。 f. 涡轮 压力传感器该传感器为半导体型。它利用了传感器中硅元件上压力发生变化时电阻发生变化 的压电效应。 5.控制系 统 5-1.燃油喷射控制 •A.概述该系统比传统型喷射泵上使用的机械式调速器或正时器能更好地控制燃油喷射量和 喷射正时。发动机控制器根据位于发动机和车辆上的传感器发出的信号进行必要的计算。然 后，ECU 控制施加到喷油器上电流的正时和持续时间，从而获得最佳喷射正时和喷射量。 •B.各种燃油喷射 C.燃油喷射量控制 •a. 概述 •该控制通过在基本喷射量上添加冷却液温度、燃油温度、进气温度和进气压力校正来确定 燃油喷射量。发动机控制器根 •据发动机工作条件和驾驶情况计算基本喷射量。 •b. 喷射量计算方法 •计算包括将以下两个值进行比较： 1. 调速器模式下由加速器位置和发动机转速计算得出的基本喷射量。 2. 通过向最大喷射量添加不同类型校正，由发动机转速得出的喷射量。两个喷射量中较小 的用作计算最终喷射量的基数。 c. 设置 喷射量 (1) 基本喷射量该数量由发动机转速和加速踏板开度决定。当发动机转速恒定时，如果加速 踏板开度增加，喷射量增加；加速踏板开度恒定时，如果发动机转速增加，喷射量降低。 (2) 起动喷射量 该数量根据发动机起动时的基本喷射量和为起动机开关 ON 时间、发动机转速和冷却液温度 增加的校正来决定。如果冷却液温度低，则喷射量增加。当发动机完全起动时，该模式被取 消。 (3)最高转 速设定喷射量由发动机转速决定。限制喷射量，以便防止发动机转速过度增加（超速）。 (4) 最大喷射 量这根据发动机转速和为冷却液温度、燃油温度、进气温度、大气温度、进气压力、大气压 力和全 Q 调整电阻（仅用于第 1 代 HP0 系统）增加的校正所确定的基本最大喷射量来决定。 D.燃油喷射率 控制 概述尽管采用高压燃油喷射之后，喷射率得到提高，但是点火迟后（从喷射开始到燃烧开 始的延迟）无法缩短到低于一定时间。因此，点火发生之前燃油喷射量增加（初期喷射率太 高），致使爆炸燃烧与点火同时发生，并使 NOx 和噪音增加。要阻止这种情况，可采用预喷 射使初期喷射保持在最小的需求速率，从而缓解初级爆炸燃烧以及降低 NOx 和噪音。 E.燃油喷 射正时控制 a.概述燃油喷射正时由向喷油器施加电流的正时来控制。决定主喷射时间周期之后，也就明 确了预喷射和其他喷射正时。 b.主喷射和预喷射正时控制 (1) 主喷射正时基本喷射正时由发动机转速（发动机转速脉冲）和最终喷射量（添加了各种 校正）计算，以确定最佳主喷射正时。 (2) 预喷射正时（预间隔）预喷射正时是通过为主喷射添加预间隔值来进行控制。预间隔根 据最终喷射量、发动机转速、冷却液温度来计算。 发动机起动时的预间隔通过冷却液温度和发动机转速来计算。 (3) 先导喷射先导喷射的目的是提高发动机冷态起动性。在传统的主喷射发生之前，该功能 可进行两次或更多次非常少的燃油喷射。 (4) 实际 的车内喷射模式喷射是根据发动机状况依照下表进行控制的。 F.燃油喷 射压力控制 发动机控制器计算燃油喷射压力，这由最终喷射量和发动机转速决定。这根据冷却液温度和 起动时的发动机转速来计算。 G.其他燃 油喷射量控制 a. 怠速控制（ISC）系统怠速控制系统通过调节喷射量来控制怠速，从而使实际转速与电脑 计算出的目标转速相匹配。ISC 可以是自动 ISC 或手动 ISC。(1) 自动 ISC 凭借自动 ISC， 发动机控制器可设置目标转速。发动机目标转速随变速器类型的不同（自动或手动）而改变， 而不管空调是否打开或关闭，换档位置和冷却液温度如何。 b. 怠速 减振控制该控制可降低怠速期间的发动机振动。要使发动机工作平稳，将气缸的角速度（次 数）进行对比，而且在差别较大情况下对单缸喷射量进行调节。 通过以上的详细叙述，我们可以大概了解到电控共轨柴油发动机的基本工作原理，这里主要 讲的是日本电装公司的产品（目前重汽公司采用类似产品呢），在维修保养上需要注意电子 元件防潮、防腐。机械部分的维修和普通欧Ⅱ发动机类似。