第三代高压共轨系统

M3.3 高压共轨系统的特点总结
（1） 共轨压力的闭环控制：共轨上的压力传感器实时反馈共轨中的压 力，通过控制 PCV 的电流来调整进入共轨的燃油量和轨道压力， 形成独立的共轨压力闭环子系统；此子系统对第二代时间控制式 完全是共轨特有的系统。 （2） 喷油过程控制：喷油器电磁阀直接对喷油定时和喷油脉宽进行控 制，结合灵活的预喷射、主喷射和后喷射以及共轨压力控制，实 现和喷射速率、喷射定时和喷射压力以及喷油量的综合控制。和 第二代时间控制式系统相比，喷油器和电磁阀一体化的设计，要 求电磁阀尺寸、响应等快。
图 43 共轨组件 1 共轨，2 共轨进油口，3 共轨压力传感器，4 压力限制阀，5 低压回路，6 流 量限制阀，7 去喷油器
(a) 流量限制阀的结构 1 与共轨相连的进油口，2 密封垫，3 柱塞， 4 柱塞弹簧，5 壳体，6 去喷油器的出油口， 7 密封座面，8 截流孔
(b) 共轨压力传感器结构 1 电气接口，2 调理电路，3 敏感元件，4 高 压燃油通道，5 安装接口
空气流量 传感器
加速踏板 图 39 共轨式燃油喷射系统在轿车发动机上的典型安装形式
共轨系统关键部件结构与特点： （1） 高压泵：
图 40 高压泵的纵向结构图 1-驱动轴，2 偏心轮，3 柱塞组件，4 泵腔，5 进回阀，6 回油关断电磁 阀 7 出油阀，8 密封装置，9 连接共轨的高压油管接头，10 共轨压力控 制电磁阀（PCV） ，11 球形阀，12 低压回油接头，13 进油口，14 安全 阀，15 低压油路
轨腔中的燃油压力至少达到 100bar 时，才有可能从 PCV 阀处泄流到低压回路。 在 PCV 阀通电后，燃油压力除了要克服弹簧预紧力之外，还要克服电磁力。即 电磁阀的电磁力通过衔铁作用在球阀上的力的大小决定了共轨中的燃油压力。 电 磁阀的电磁力可以通过调整电磁阀线圈中电流的大小来控制。 线圈相当于是一个 感性（电感＋电阻）负载，线圈中的平均电流可以通过模块调制来实现。例如 1KHz 左右的调制频率就足够控制电磁阀的平均电流的大小。
喷油器 流量限制阀
共轨压力 传感器 共轨 高压油管 来自油箱 的燃油 燃油滤清 器
安全溢 流阀
共轨压力 高压泵驱 高压泵 控制阀 动齿轮
ECU
低压油管
图 38 共轨燃油喷射系统在货车/客车发动机上典型安装形式
高压泵
ECU 共轨压力控 制电磁阀 燃油滤 清器 燃油箱及 输油泵
喷油器 高压 油管 共轨 冷却液温度 传感器 曲轴位置 传感器
M.3.2 高压共轨系统
图 37 所示为高压共轨式电控燃油喷射系统组成图，共轨式电控发动机系统 的组成可以划分为下述四个部分： （1） 燃油低压子系统，包括油箱、输油泵、滤清器和低压回油管； （2） 共轨压力控制子系统，包括高压泵、高压油管、共轨压力控制阀、共 轨、共轨压力传感器，还包括安全保障的安全泄压阀和流量限制阀； （3） 燃油喷射控制子系统，包括带有电磁阀的喷油器、曲轴凸轮轴传感器 等。 （4） 电控发动机的管理系统，包括 ECU 和发动机的各种传感器。 从上述可以看出， 与第二代的时间控制相比，第三代高压共轨系统在结构上 增加共轨压力控制子系统。 世界上提供共轨系统的公司主要有德国的博世公司和西门子公司， 美国的德 尔福公司以及日本的电装公司等。它们各自的结构稍有差别，但是整个系统的框 架基本相同。下面以及博世的共轨系统为例，介绍共轨系统的主要技术特点。
图 42 PCV 的结构 1 球阀，2 衔铁，3 线圈，4 弹簧，5 电器接口
（3）
共轨组件
共轨组件包括共轨本身和安装在共轨上的高压燃油接头、共轨压力传感器、 起安全作用的压力限制阀、连接共轨和喷油器的流量限制阀等。如图 43 所示。 共轨本身具有容纳高达 1500bar 以上的高压燃油，材料和高压容积对于共轨压力 的控制都是重要的参数。 流量限制阀的作用是计量从共轨到各喷油器去的燃油量 的大小。当流量过大时，可以自动切断去喷油器的高压燃油。而压力限制阀的作 用是当共轨中的燃油压力过高时，压力限制阀连通共轨到低压的燃油回路，实现 安全泄压，保证整个共轨系统中的最高压力不超过极限的安全压力。 图 43a、b 和 c 分别给出了流量限制阀、共轨压力传感器以及压力限制阀的 结构示意图。
高压油管
共轨压力 传感器
流量限制阀
共轨
安全溢流阀
油箱和输油泵
低压回 油管 带电磁 阀的喷 油器
滤清器
高压泵
共轨压 力控制 阀 PCV
电子控 制单元 ECU
凸轮轴 和曲轴 传感器
加速踏 板传感 器
增压压 力和大 气压力 传感器
冷却水 温和进 气温度 传感器
空气流 量传感 器
图 37 第三代高压共轨系统组成结构图
（5）
从技术总体实现难度上看，共轨系统组成较复杂，机械、液力和 电子、电磁阀耦合程度高，加工制造、控制匹配要求的水平高， 与相对第二代时间控制时相比，具有更好性能的同时，开发难度 也更大。
（6）
共轨相同的发展趋势：高压共轨系统一个方面在大批量应用的同 时，还在向更高的水平发展，例如进一步降低高压泵的功耗、提 高高压泵的高压能力、采用压电晶体式的喷油器电磁阀，取消传 统的线圈电磁阀作为执行器等，降低 ECU 的驱动功耗等。到目前 共 轨 系 统 已 经 发 展 到第 3 代 ， 最 高 喷 射系 统 压 力 可 以 到 达 2000bar，可以一个缸连续五次喷射等。
（3）
ห้องสมุดไป่ตู้
高压泵的体积较小，而且一般采用齿轮驱动的方式，共轨中的蓄 压就是喷油器的喷射压力；最高压力可达 1500 巴，因此叫高压共 轨。与 HEUI 系统相比，没有增压活塞的液力滞后使得喷油器电 磁阀对于喷射过程的控制更加直接和精确。
（4）
共轨沿发动机纵向布置，高压泵、共轨和喷油器各自的位置相互 独立， 便于在发动机安装和布置。对现有发动机生产进行改造时， 安装共轨系统对缸体和缸盖的改动小。
图 41 高压泵的横向结构图 1 驱动轴，2 偏心轮，3 柱塞组件，4 进油阀，5 出油阀，6 进油口
图 40 图 41 分别为高压泵的纵向和横向结构图， 一个高压泵上有三套柱塞组 件，由偏心轮驱动，在相位上相差 120°。从图上可以看出，这种偏心轮驱动平 面和柱塞垫块之间为面接触， 比传统的凸轮－滚轮之间的线接触的接触应力要小 得多，更有利于高压喷射。高压泵的基本工作原理如下：当柱塞下行时，来自输 出泵 0.5~1.5 巴压力的燃油经过低压油路到达各柱塞组件的进油阀，并由进油阀 进入柱塞腔，实现充油过程；当柱塞上行时，进油阀关闭，燃油建立起高压，当 柱塞腔的压力高于共轨中的压力时，出油阀被打开，柱塞腔的燃油在 PCV 阀的 控制下进入共轨。 （2） PCV 阀
(c) 压力限制阀结构 1 高压燃油接头，2 限压阀，3 燃油 通道，4 柱塞，5 弹簧，6 止块，7 阀体，8 低压回路
（4）
喷油器
图 44 为 Bosch 共轨式喷油器的结构简图，控制喷射过程的电磁阀安装 在喷油器的顶端。 当电磁阀断电时，球阀在弹簧力的作用下压紧在电磁阀的 阀座上，高压和低压之间的流通通道（高压回路进油截流孔 7柱塞控制 腔 8溢流截流孔 6球阀阀座低压回路）被隔断，燃油的高压压力直接 作用在柱塞顶部， 克服喷油器底端针阀承压面上的燃油压力，加上弹簧的预 紧力，使得柱塞－针阀向下紧压在喷油器针阀座面上，喷油器不喷射。当电 磁阀通电后，电磁力使得球阀离开阀座，高压和低压之间的流通通道（高压 回路 进油截流孔 7柱塞控制腔 8 溢流截流孔 6球阀阀座 低压回 路） ，部分高压燃油经过此通道进入低压回路。由于进油截流孔和溢流截流 孔都很小， 因此流体的截流作用导致柱塞控制腔的压力小于来自共轨的高压 燃油的压力，高压燃油在喷油器针阀承压面上的压力使得柱塞和针阀抬起， 喷射器就开始喷油。 整个喷射过程简述如下：当电磁阀通电时，针阀就抬起，喷射开始；当 电磁阀断电时，针阀就落座，喷射结束。由于共轨中的压力一直存在，任何 时刻喷油器都可以在电磁阀的控制下喷油， 这是与第二代时间控制式系统的 喷油电磁阀最不同之处。
共轨压力的控制是在 PCV（Pressure Control Valve）阀的控制下完成的，图 42 给出了博世共轨系统中 PCV 阀的结构。结合图 40 中的 PCV 阀的安装位置可 知， 球阀 1 是整个共轨压力可知的关键元件。 球阀的一侧是来自共轨燃油的压力， 另一侧衔铁给其作用的弹簧预紧力和电磁阀的电磁力。 而电磁阀产生电磁力的大 小与电磁阀线圈中的电流的大小有关。当电磁阀没有通电的时候，弹簧的预紧力 使得球阀紧压在密封座面上，当燃油压力超过 100bar 时，才能将其打开，即共