交通运输毕业设计（论文）柴油共轨发动机结构原理及维修的研究

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1、山东交通学院毕业论文2010届毕业生毕业论文（设计）题目：柴油共轨发动机结构原理及维修的研究 院(系)别 汽车工程系 专 业 交通运输 班 级 汽运064 学 号 姓 名 指导教师 二一年六月29原 创 声 明本人郑重声明：本人所呈交的论文柴油共轨发动机结构原理及维修的研究是本人在导师老师的悉心指导下开展研究工作所取得的成果。除文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果，尊重知识产权，并愿为此承担一切法律责任。 论文作者(签字)： 日期： 年 月 日摘 要

2、随着常规能源的日趋枯竭和人们的对环保和节能的日渐重视，柴油机开始朝着低污染、低油耗和高比功率的方向发展；共轨系统是人们研究的成果之一，使柴油机具有良好的动力性、经济性和排放性。本文主要介绍了柴油机的高压共轨技术。分别从共轨系统的结构原理及检测维修方面进行了较为深入的研究。首先向大家介绍了共轨技术的概念、发展和特点，并对其相对传统柴油发动机的优越性进行了阐述，然后向大家具体讲述了柴油共轨发动机的基本结构组成和原理；最后以博世高压共轨系统为例阐述了共轨系统的故障自诊断系统和它的日常操作与维护。关键字：柴油机,共轨,结构原理,检测AbstractWith conventional energy so

3、urces are depleting and the people are thinking much of the importance of environmental protection and energy saving, the diesel engines begin to develop to the direction of low pollution, low fuel consumption and high specific power; common rail system is one of the results of peoples research, the

4、 engine has good of power, economy and emissions. This paper mainly describes the high-pressure common rail diesel engine technology. Separately from the common rail system configurations and test maintenance for a more in-depth study. Firstly, it introduces the concept of common rail technology, de

5、velopment and characteristic, and describes its advantages compared with traditional diesel engines, and then expounds the basic structure of diesel common rail engine composition and principle; Finally, Bosch high pressure common rail system as an example a common rail system described fault diagno

6、sis system and its daily operations and maintenanceKey words : Diesel engine,Common rail ,Configuration ,Repair 目 录前 言11.共轨技术概述21.1柴油共轨技术的发展21.2 柴油共轨技术21.3 电控燃油共轨喷射技术的研究方向31.4 电控共轨系统的特点31.5 燃油共轨电控喷射的技术优越性41.6共轨式喷射系统的分类及几种典型42.共轨系统的结构原理62.1柴油机高压共轨系统的结构组成62.1.1电子控制部分62.1.2燃油供给部分72.1.3共轨式柴油喷射系统主要部件92.2

7、柴油机高压共轨系统的原理132.2.1 VP式分配式高压油泵工作原理152.2.2 喷油器工作原理172.2.3 电控高压共轨系统的控制功能173.柴油发动机的故障诊断维修与维护193.1功能分析故障诊断193.2特性分析故障诊断193.3常见故障分析与排除203.4故障代码获取的操作过程203.4.1故障指示灯自检操作203.4.2故障代码的读取213.4.3故障代码的清除233.5日常操作和维护应注意的问题233.5.1柴油机不同工况的维护应注意问题233.5.2柴油机各系统日常维护应注意的问题243.5.3 柴油机维护中的燃油问题25结 论26致 谢27参考文献28前 言节约能源和保护环

8、境是当今社会的两大主题任务。车用发动机是能源消耗的大户，是环境污染的罪魁祸首之一，内燃机对环境的污染问题已不容忽视。石油能源危机及严重的环境污染，对柴油机这一主要移动式动力装置的燃油经济性和排放指标提出了近乎苛刻的要求，而柴油机的排放和燃油消耗与柴油机燃油供给系统质量高低有密切关系。因此，通过改变柴油机燃油供给方式达到降低排放和燃油消耗自然成为柴油机燃油系统变革的目标。在变革中，电控柴油机喷射系统的研制和应用受到了广泛重视，实践证明电控柴油喷射系统和传统供油系统相比，在降低排放和燃料消耗方面有明显的优势，具有广阔的应用前景。柴油机电子控制燃油系统的开发研究从20世纪70年代开始到目前，己经经历

9、了三代。其中第一代为位置控制式电控喷油系统，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电子控制，燃油的压送机构和机械式燃油系统相同。喷油量根据ECU(Electrical control unit)的指令由齿杆或溢油环的位置进行控制，喷油时间则根据ECU的指令由发动机驱动轴和凸轮轴的相位差进行控制，其中ECU是根据通过各种传感器检出的发动机状态及环境条件等，计算出适合于发动机状态的最佳控制量，并向执行机构发出相应的指令。第二代为时间控制式电控喷油系统，它是在第一代位置控制式的基础上发展起来的。采用高速电磁阀泻油调节原理，柱塞只承担供油加压的功能，供油量、供油时刻则由高速电磁阀单独完

10、成，因此供油加压与供油调节在结构上就相互独立。由于采用了高速电磁阀，其控制自由度较第一代有了阶跃式的提高。电控共轨式燃油喷射系统是电控燃油喷射系统发展的第三代，也称为时间压力控制式，也是本论文的重点研究内容。电控高压共轨燃油系统以其能实现自由调节喷油压力、喷油率等优良特性受到开发者和使用者的青睐，被认为是目前最为先进的柴油机燃油喷射系统，被内燃机行业公认为20世纪的三大突破之一，它能够在不同工况下都以120MPa(或更高)的喷射压力实现稳定可控喷射，使各工况的燃烧达到最佳状况，性能大大优化，排放中的有害成分进一步减少。燃油共轨系统是柴油机满足欧洲号、欧洲号甚至欧洲号排放法规的理想燃油喷射系统。

11、近年来越来越多的柴油机装备了该系统。如何正确操作、故障判断和维护该系统是使用者和维修者特别关心的问题。但实际上首先应该弄清楚该系统的结构原理，在分析结构原理基础上，通过强调功能、特性和利用自诊断系统对故障进行正确的判断，同时指出应注意的日常操作和系统维护：就可以达到保证该系统正常运行的目的1.共轨技术概述1.1柴油共轨技术的发展在汽车柴油机中，高速运转使柴油喷射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

12、的压力再次上升，达到喷油器的针阀开启的压力，将已经关闭的压力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油现象。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。国外在柴油机电控高压共轨燃油喷射系统方面的研究开展得较早而且比较深入，有多种共轨系统已经投产，并与整车进行了匹配应用。第一代共轨喷射技术，其供油压力总是保持在最高压力，导致能量的浪费和很高的燃油温度。

13、第二代技术可根据发动机的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声，在主喷射之前百万分之一秒内少量燃油被喷进了汽缸压燃，预加热燃烧室；预热后的汽缸使主喷射后的压燃更加容易，缸内的压力和温度不再突然地增加，有利于降低燃烧噪声；在膨胀过程中进行后喷射，产生二次燃烧，将缸内温度增加200250，使燃烧更彻底，有效地降低了排气中的碳氢化合物。随着电子控制技术和电子控制元件制造技术的迅速发展，第三代压电式共轨系统已成为新的研究目标。用压电执行器代替电磁阀，可以得到更加精确的喷射控制；在供油回路结构上去除了回油管，使共轨供油系统更简单；共轨供油压力不但进一步得到提高，还能够进行弹

14、性调节，每次最小喷射量可控制在05mm3，使每次喷射更均匀、更细密，喷油和断油反应更灵敏，响应特性更好，有利于充分燃烧，极大地减小了烟度和NOx（氮氧化物）的排放。1.2 柴油共轨技术共轨技术是指高压油泵、压力传感器、ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程的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。另外由电磁阀控制喷

15、油，其控制精度较高，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，各缸供油不均匀的现象可得到改善，从而减轻柴油机的振动和降低排放。共轨式喷油系统，是柴油机电控技术发展过程中的一个大的飞跃，它改变了传统的喷油系统的组成结构，最大特点就是将燃油压力产生和燃油喷射分离开来，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。高压共轨系统喷油压力大小独立于发动机转速和负荷，喷油正时、喷油压力和喷油持续时间可以在较宽的范围内选择。共轨系统中，ECU可以根据发动机的需要进行预喷射、主喷射和二次喷射，可以提高燃烧效率，可减少NOx和PM（颗粒物）排

16、放量，排放标准可达欧标准。1.3 电控燃油共轨喷射技术的研究方向电控燃油共轨喷射技术现在已经是柴油机的主要发展趋势，但在新技术的使用过程中，根据其不同的使用特点，电控燃油共轨技术在不同的使用条件下，与发动机系统的匹配上还有很大的发展空间。今后一个时期，共轨技术的研究与开发将集中在以下几个方面：(1)高压共轨系统的恒高压密封问题；(2)高压共轨系统中共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀问题；(3)高压共轨系统的数据控制优化问题；(4)高频响电磁开关阀微结构设计与制造过程中的关键技术问题。11.4 电控共轨系统的特点 电控高压共轨系统的特点可以归纳为： 1自由调节喷油压力(共轨压力控制) 通过控

17、制共轨压力而控制喷油压力。利用共轨压力传感器测量燃油压力，从而调整供油 泵的供油量、调整共轨压力。此外，还可以根据发动机转速、喷油量的大小与设定了的最佳值(指令值)始终一致地进行反馈控制。 2自由调节喷油量 以发动机的转速及油门开度信号为基础，计算机计算出最佳喷油量，并控制喷油器的通 断电时间。 3自由调节喷油率形状 根据发动机用途的需要，设置并控制喷油率形状：预喷射、后喷射、多段喷射等。 4自由调节喷油时间 根据发动机的转速和喷油量等参数，计算出最佳喷油时间，并控制电控喷油器在适当的 时刻开启，在适当的时刻关闭等，从而准确控制喷油时间。 在电控共轨系统中，由各种传感器发动机转速传感器、油门开

18、度传感器、各种温度 传感器等实时检测出发动机的实际运行状态，由微型计算机根据预先设计的计算程序进 行计算后，定出适合于该运行状态的喷油量、喷油叶间、喷油率模型等参数，使发动机始终 都能在最佳状态下工作。 计算机具有自我诊断功能，对系统的主要零部件进行技术诊断，如果某个零件产生了故 障，则诊断系统会向驾驶员发出警报，并根据故障情况自动作出处理；或使发动机停止运 行即所谓故障应急功能，或切换控制方法，使车辆继续行驶到安全的地方。 传统的泵管嘴燃油系统中，喷油压力与发动机的转速和负荷有关，不是一个独立变量。 在高压电控共轨系统中，喷油压力(共轨压力)与发动机的转速和负荷无关，是可以独立控 制的。由共

19、轨压力传感器测出燃油压力，并与设定的目标燃油压力进行比较后进行反馈控制。1.5 燃油共轨电控喷射的技术优越性(1)随着世界范围内的能源危机和环境污染问题的日益严重，对于车辆发动机在节能和控制污染物排放方面要求日益提高。虽然柴油机的CO、HC排放量很低，但其碳烟和微粒的排放量很高，采用先进的燃油共轨电控喷射的技术，可以极大地改善污染物的排放，达到欧排放标准。(2)柴油机具有能耗低、功率大的优势，使用先进的燃油共轨电控喷射技术后，能够在较少改动柴油机本身结构的情况下，使柴油机得到更广泛的应用，使汽车工业更好地达到节约能源保护环境的目的。(3)通过先进的燃油共轨电控喷射技术的使用，柴油机的燃油喷射更

20、均匀，燃烧控制更为精准，使柴油机能够不断降低燃烧噪声，得到更高的比功率，在车辆上得到更广泛应用。1.6共轨式喷射系统的分类及几种典型按照喷油高压形成的不同，共轨式电控燃油系统有两种基本形式，即高压共轨式和中压共轨式。高压共轨式的特点是:高压输油泵(压力在120MPa以上)直接产生高压燃油后，输送至共轨管中消除压力的脉动，再分送给各个喷油器;当电子控制装置按需要发出指令信号后，高速电磁阀(响应在200ps左右)迅速打开或关闭，进而控制喷油器工作，即按设定的要求喷出或停喷高压燃油。中压共轨系统中，中压输油泵(压力为10一13MPa)将中压燃油送至共轨管中消除压力的脉动，再分送至带有增压柱塞的喷油器

21、中:当高速电磁开关阀接受到电子控制装置发送的指令信号后，就迅速开启或关闭，从而控制喷油器的工作，迅即通过增压柱塞的增压作用，将从共轨中来得中压燃油加压至高压(120一150MPa)后喷出或停喷。高压共轨系统与中压共轨系统的主要差别在于:高压燃油的获得方式不同。前者由高压燃油泵直接提供，而后者则借助于增压柱塞增压后获得。目前已经投入使用的共轨系统中，大多数是高压共轨喷油系统。目前国外已经开发出多种共轨喷油系统，最具代表性的有:(1)美国BKM公司的esvrojet系统。这是一种典型的中压共轨式电控燃油喷射系统(共轨蓄压式电控喷油系统)。esvrojet系统的主要特点是:低压共轨，高压喷射，这使控

22、制机构一电磁阀的制造变得容易。此外，据BKM公司介绍，此系统还具有预喷射功能、扭矩和喷油规律造型能力，加之燃油系统无高压油管，无需对发动机结构作大的变动，产品价格有竞争力，以及对发动机排放和油耗的改善，必定有很好的发展前景。(2)美国Caterpiller公司的HEUI系统。它属于共轨液压式喷油系统，共轨油采用油泵驱动的润滑油，共轨压力控制在4一23MPa之间，具体值按发动机性能需要进行调节。此系统也属于中压共轨。其主要特点是，使用机油作为共轨工作油，其主要原因是为了解决柴油在热工况下粘度降低、热启动困难的问题，采用机油后，又存在冷起动困难的问题，但经过一系列的研究，己能保证在零下400c起动

23、。(3)日本电装公司的ECD一UZ高压共轨式喷油系统。该系统由高压油泵、共轨管、ECU和喷油器等组成，是最近几年才发展起来的第3代燃油喷射系统。系统电控单元(ECU)根据柴油机工作状况和其他信息(如油温、压力等)，依据给定的油压脉冲图谱，通过高压输油泵上的压力控制阀(PCV)来调整油泵供油量，以改变共轨管中的油压，因此油压与柴油机转速无关。该系统通过高速电磁阀可实现对喷射定时、喷射量及喷射速率的柔性控制，从而使NOx和颗粒排P(M)放大大降低。本论文中所用到的试验系统中共轨系统也是ECD一UZ，后面会做详细阐述。(4)德国Bosch公司的CR高压共轨式喷油系统。该系统与ECD一UZ很相似，但该

24、系统的高压供油泵为带有电控压力调节器的径向柱塞泵，可实现部分停缸控制，因此可降低低压时的功率消耗，共轨内压力在15一140MPa范围内自由调节，能成功地实现低的喷油率、预喷射和多次喷射。22.共轨系统的结构原理2.1柴油机高压共轨系统的结构组成电子控制高压共轨系统由电子控制和燃油供给系统两大部分组成。其基本结构组成如图2.1所示图2.1 电子控制高压共轨系统的基本组成1.空气质量流量传感器 2.ECU 3.VP分配式高压油泵 4.高压蓄压器 5喷油器6曲轴转速传感器 7.冷却液温度传感器 8.柴油滤清器 9加速踏板位置传感器2.1.1电子控制部分电子控制部分由ECU(电子控制模块)、各种传感器

25、和执行器如喷油器电磁阀等组成。电控系统的功能是根据各种传感器输入的信号，有ECU经过比较、运算、处理后，得出最佳喷油时间和喷油量，向喷油器发出开启或关闭电磁阀的指令，从而精确控制发动机的工作过程。（1）电子控制系统的主要部件凸轮轴位置传感器凸轮轴位置传感器是根据霍尔效应制成，与汽油电控系统霍尔传感器想通。如果其损坏，发动机按固定喷油提前角进行喷油。发动机转速传感器发动机转速传感器采用电磁式转速传感器，一般安装在发动机飞轮上。检测发动机曲轴转速和发动机一缸上止点信号，是柴油发动机控制喷油量和供油提前角的重要参数，一旦损坏，发动机将熄火 。节气门体共轨式柴油电控系统进气系统采用两通道式节气门。停车

26、时，关闭节气门，减小振动；在满负荷工作时和完全熄火时，节气门全开，可提高舒适性。燃油温度传感器燃油温度传感器采用（电阻R与温度T成反比）电阻原理制成，损坏后，无后备信号，此时发动机功率下降。进气压力传感器进气压力传感器是发动机ECU计算进气量的依据之一，同时对涡轮增压进行调节。损坏后，涡轮增压器无法工作。辅助进油道电磁阀上升后，当打开点火开关，电磁阀通电40秒后方能启动。启动时，15号线断电，电磁阀关闭。启动后，转速上升后，启动输油泵停止泵油，电磁阀通电，油道打开。当此电磁阀损坏后，发动机启动困难。油量控制电磁阀油量控制电磁阀安装在高压泵上。主要根据发动机转速/负荷要求调节高压油压。同时还对发

27、动机负荷进行限制、控制涡轮增压器的工作。当油量控制电磁阀N290损坏后，涡轮增压器、废气再循环不工作。2.1.2燃油供给部分高压共轨系统为蓄压器式共轨系统，该系统由油箱、柴油滤清器、电动输油泵、VP分配式高压油泵、高压/低压燃油管、蓄压器（油轨）、喷油器、回油管和ECU等组成，如图2.1.2所示2.1.2 高压共轨燃油供给系统的组成1. 油箱 2.粗滤器 3.电动输油泵 4.柴油滤清器 5.低压燃油管 6.VP分配式高压油泵 7.高压燃油管 8.蓄压器（油轨） 9.喷油器 10.回油管 11.ECU 另外，燃油供给系统又分为低压部分和高压部分，如图2.1.2 a高压共轨低压部分1.油箱 2.粗

28、滤器 3.电动输油泵4.柴油滤清器 5.低压燃油管 6.高压油泵低压端 7.回油管 8.ECU2.1.2 b高压共轨高压部分1.VP分配式高压油泵 2.切断阀 3.压力控制阀（调压阀） 4.高压油管 5.高压蓄压器（油轨） 6.油压传感器（轨道压力传感器） 7.限压阀 8.流量限压阀 9.喷油器 10.ECU燃油供给系统的基本工作原理是，低压燃油由电动输油泵从油箱中吸出后，经柴油滤清器输送到分配式高压油泵，柴油经高压油泵加压后输送到蓄压器（油轨）中。储存在油轨中的高压柴油在适当的时刻通过电磁阀喷油器喷入发动机汽缸内。电磁喷油器的开启和关闭由ECU根据传感器输入的信号进行控制。2.1.3共轨式柴

29、油喷射系统主要部件（1）共轨式柴油机高压油泵共轨式柴油机高压油泵是空间对称柱塞式喷油泵，三个柱塞夹角互为120度。主要由三个由驱动部分、空间夹角互为120度的柱塞式喷油泵、油量控制电磁阀、进出油管接头、回油接头、泵体等组成。（2）油量控制原理油量控制原理是根据共轨系统ECU通过控制油量控制电磁阀的通电、断电来控制回油量，以实现控制泵油量。ECU输送来的电流大小，可以控制电磁阀开度大小，即电磁阀的开度与通电电流呈线性关系。油量控制电磁阀通电（电磁阀打开），回油量增加，高压泵泵油减少。相反，油量控制电磁阀断电（电磁阀关闭），回油量减少，高压泵泵油量增大。（3）贮压总管贮压总管组成结构如图2.1.3

30、a所示2.1.3a 贮压总管结构（4）贮压管（共轨元件）贮压管（共轨元件）的组成结构如图2.1.3b所示2.1.3b 贮压管结构（5）油压调节阀N276油压调节阀N276组成结构如图2.1.3c2.1.3c油压调节阀N276结构由于调节阀是发动机ECU通过控制电磁阀的电流大小来控制高压油压力。电磁阀通电的电流大小与产生的电磁力大小呈线性关系。当电磁力和弹簧弹力小于油压，油道被阀芯堵塞，不回油；当电磁力和弹簧弹力大于油压，阀芯左移，回油。（6）油压传感器油压传感器按压电传感器原理，将压力转换为电压信号输出给发动机ECU，输出电压为0.5V-4.5V，如图2.1.3d。在工作过程中，如果输出电压超

31、过工作范围，说明油压传感器损坏，发动机ECU按备用程序进行调节。此时，发动机喷油量减少，功率下降。2.1.3d油压传感器工作特性（7）喷油器共轨系统常用电磁式喷油器，系统主要由针阀偶件、喷油器体、电磁阀、进油管接头、回油管接头等组成，结构如图2.1.3e。2.1.3e 喷油器结构1.针阀弹簧 2.电磁阀空腔 3.节流孔 4.电磁阀阀芯 5.一回油管接头(接油箱) 6.电磁阀插座 7.电磁阀 8.进油接头 9.电磁阀球形阀 10.进油节流孔11.控制杆(顶杆) 12.进油道 13.高压室 14.针阀2.2柴油机高压共轨系统的原理如上图2.1.2a和图2.1.2b所示，燃油从油箱被电动输油泵吸出后

32、，经油水分离器和滤清器过滤后，被送入VP分配式高压油泵，这时燃油压力为0.2MPa。进入VP分配泵的燃油一部分通过高压油泵的安全阀进入油泵的润滑和冷却油路后，流回油箱；一部分进入VP分配式油泵，在VP分配式高压油泵中，燃油被加压到135MPa后，被输送到蓄压器。在蓄压器上有一个压力传感器和一个通过切断油路来控制油量的压力限制阀。用压力限制阀来调节ECU设定的共轨压力。高压燃油从蓄压器、流量限制阀经高压油管进入喷油器后，又分两路：一路直接进入燃烧室，而另一路在喷油期间针阀导向部分和控制套筒与柱塞缝隙处泄露的多余燃油一起流回油箱。在电子控制高压共轨系统中，由各种传感器(如曲轴转速传感器；油门踏板位

33、置传感器、凸轮轴位置传感器、各种温度和压力传感器等)及时检测出发动机的实际运行状态，由ECU中的微型计算机根据预置的程序进行运算后，确定适合于该工况下的最佳喷油量、喷油时刻、喷油速率模型参数等，ECU发出指令，使发动机始终处在最优工作状态，使发动机的动力性、经济性得到有效的发挥，并且可使排放污染降到最低。电控高压共轨技术是指在高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环控制系统中，喷油压力大小与发动机转速无关的一种供油方式；在共轨系统中，喷射压力的产生和喷射过程是完全彼此分开的。高压油泵把高压燃油输入到蓄压器中，通过对蓄压器内油压调整实现精确控制，使最终高压油管压力大小与发动机的转速无关。高压共轨供

34、油方式可以大大减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量，而喷油量大小则由蓄压器中燃油压力和电磁阀开启时间的长短决定，即为时间控制式。在ECU控制系统中，曲轴位置传感器用来测定发动机的转速；凸轮轴位置传感器用来确定发动机的发火顺序；加速踏板位置传感器是一种电位计，它通过 电信号告知ECU驾驶员对转矩的要求。空气质量流量传感器用于检测空气质量流量。ECU根据空气质量流量大小，按空燃比控制喷油量。在涡轮增压压力ECU根据增压压力大小，按空燃比控制喷油量。在发动机冷机启动或温度较低时，ECU可以根据发动机冷却液温度传感器和空气温度传感器的信号电压值对喷

35、油始点、预喷油量、主喷射量及其他参数进行匹配。ECU还根据其他传感器和数据传输线(CAN)输入的数值，进行各项综合控制。ECU控制装置还具有自我诊断功能，它随时对系统的主要部件的工作进行技术诊断，如果某个部件出现了故障，诊断系统会向驾驶员发出警报，并根据情况进行自我处理，或者使发动机切断燃油供给，或者切换控制到使车辆继续行驶到修理厂。在电控高压共轨系统中，供油压力与发动机的转速、负荷无关，它是独立控制的。在油轨中的压力传感器检测燃油压力，并与ECU设定的目标喷射压力进行比较后进行反馈控制。图2.2为博世公司对高压共轨系统传感器和燃油系统部件的连接关系。图2.2 高压共轨系统的传感器和燃油系统部

36、件连接关系 1VP分配式油泵 2燃油切断阀 3压力控制阀 4柴油滤清器 5油箱(内有输油泵和粗滤器) 6ECU 7蓄电池8蓄压器(油轨) 9燃油压力传感器 10燃油温度传感器 11喷油器 12冷却液温度传感器 13曲轴转速传感器14加速踏板位置传感器 15凸轮轴位置传感器 16空气质量流量传感器 17.增压压力传感器 18进气温度传感器 19.涡轮增压器2.2.1 VP式分配式高压油泵工作原理博世公司高压共轨系统使用的是VP系列电控分配式高压油泵，目前在直喷式电控柴油机上应用较多的是VP37和VP44型分配泵。其中VP37电控分配泵多应用在柴油轿车上，VP44型电控分配泵多应用在重型柴油发动机

37、上 四大VP分配式高压油泵由三个径向排列、互相呈120夹角的柱塞组成o VP分配泵通过联轴器，由凸轮轴上的油泵驱动齿轮带动旋转，油泵的转速是发动机转速的一半。分配泵总成中的三个泵油柱塞由驱动轴上的凸轮驱动进行往复运动，每个泵，每个泵油柱塞有弹簧对其施加作用力，目的是减小柱塞振动，并且使柱塞始终与驱动轴上的偏心凸轮接触。当柱塞向下运动时，为吸油行程，吸油阀将会开启，允许低压燃油进入泵腔，而当柱塞到达下止点时，进油阀将会关闭，泵腔内的燃油在向上运动的柱塞作用下被加压后输送到蓄压器中，高压燃油被存储在蓄压器油轨中等待喷射。图2.2.1为高压蓄压器，即油轨，它是一根锻造钢管，油轨的内径为10mm，长度

38、范围在280600mm之间，具体长度按发动机的要求而定，各缸上的喷油器通过各自的油管与油轨连接。3燃油压力控制阀安装在高压油泵上。ECU通过控制压力阀可以精确地保持泵油压力，保持油轨中的燃油压力。压力控制阀是电磁控制球形阀，弹簧向球阀施加作用力，电磁铁也对球阀施加作用力，压力控制阀与分配泵连接处有O形密封圈保持密封，球阀承受着油轨中燃油的高压作用，高压燃油作用力由弹簧力和电磁力共同作用着，而电磁力大小由ECU的PWM调制信号电流进行控制，所以，通过电磁铁电流的大小将决定油轨中燃油压力的高低。当油轨中的燃油压力超过发动机运转状态下的期望设定值时，球阀将会开启，允许油轨中的压力燃油通过回油管流回油

39、箱；如果油轨中燃油压力过低，球阀将会关闭，允许高压油泵增大油轨中的燃油压力，有此可知，ECU痛过压力控制阀对系统压力实现闭环控制。图2.2.1 高压蓄压器（油轨）1.油轨 2.高压泵端进油口 3.油轨压力传感器 4.限压阀 5.出油口 6.流量限制阀 7喷油器端连接油管 油轨压力传感器安装在蓄压器(油轨)上(图2.2.1中的3)，油轨压力传感器的作用是检测油轨内燃油压力，该传感器将燃油压力信号反馈给ECU，ECU通过该电信号对共轨燃油系统的燃油压力进行闭环控制。限压阀与溢流阀的作用相同。在压力限定值被超出时，限压阀通过打开溢流口来限制油轨中的压力。限压阀允许油轨中的最大压力为150MPao在油

40、轨的连接端，阀体上有一通道，通过柱塞的锥形头部与阀体的密封座保持关闭。在正常工作压力下，一般为135MPao弹簧使柱塞紧紧压在密封座上，使蓄压器保持关闭。当压力超过系统最大压力时，弹簧被压缩，柱塞被顶起，高压燃油溢出、流向油箱，即当阀打开时，燃油从油轨中溢出，油轨压力下降。流量限制阀的作用是，当油轨输出的油量超过规定值时，流量限制阀关闭通往喷油器的油路。正常工作时柱塞停留在静止位置，靠在流量限制阀油轨端的接头上。当喷油器打开、开始喷油时，喷油器端的压力下降，导致柱塞向喷油器方向移动。流量限制阀通过柱塞移动而产生的排油量用来补充喷油器从油轨中获得的油量。而当喷油停止时，柱塞停止移动，压力弹簧将柱

41、塞推回到静止位置，燃油从节流孔内流出。压力弹簧和节流孔经过计算，无论燃油大量泄漏还是少量泄露，柱塞都会回到油轨侧的限位件，阻止燃油进入喷油器。32.2.2 喷油器工作原理博世公司高压共轨系统电磁喷油器的工作原理是，当喷油器电磁阀未被触发时，喷油器关闭，泄油孔也关闭，小弹簧将电枢的球阀压向回油节流孔上，在阀控制腔内形成共轨高压。同样，在喷嘴腔内也形成共轨高压，共轨压力对控制柱塞端面的压力和喷嘴弹簧的压力与高压燃油作用在针阀锥面上的开启力相平衡，使针阀保持关闭状态。当电磁阀被触发时，电枢将泄油口打开，燃油从阀控制室流到上方的空腔中，并从空腔通过回油通道返回油箱，使阀控制室中的 压力降低，减小了作用

42、在控制柱塞上的力，这时喷嘴针阀被打开，喷油器开始喷油。 电磁阀一旦断电不被触发，小弹簧力会使电磁阀电枢下压，阀球就将泄油孔关闭。泄油孔关闭后，燃油从进油孔进入阀控制室建立起油压，这个压力为油轨压力，这个轨道高压作用在控制柱塞端面上，轨道压力加上弹簧力大于喷嘴腔中的压力，使喷嘴针阀关闭。2.2.3 电控高压共轨系统的控制功能（1）控制喷油量 发动机电控单元ECU根据发动机转速和油门开度信号以及温度、压力等辅助信号，计算发动机实际运转工况下的最佳喷油量，ECU通过控制电磁阀通电、断电时刻及通、断电持续时间直接控制喷油量。使发动机在最佳状态下运转。（2）控制喷油压力 蓄压器压力传感器用来测量油轨内的

43、燃油压力，从而调整高压油泵的供油量，控制油轨中的燃油压力。油轨(蓄压器)中的压力大小决定了喷油器喷油压力的大小。ECU还根据发动机的转速、喷油量大小与预置的最佳值相比较进行反馈控制。（3）控制喷油速率ECU根据发动机实际运行工况设置并控制预喷、主喷和后喷。（4）控制喷油时间 ECU根据发动机转速和负荷等参数，准确计算出最佳喷射时间，并控制电磁喷油器的开启时刻、关闭时刻，准确控制喷油时间。（5）控制喷射方式高压共轨系统多采用多次喷射。多次喷射是将每一个工作循环中的喷油过程分成几段进行，每段喷油都是相互独立的，目的是控制燃烧速率。在共轨系统中采用的多次喷射包括先导喷射、预喷射、主喷射、后喷射和次后

44、喷射等。在多次喷射过程中，电 磁阀执行着开启和关闭动作，可以实现喷油规律的优化。在主喷 之前的预喷射可以降低燃烧噪声，为减少可吸人颗粒物排放量，使预喷射要靠近主喷射，从而可以有效降低可吸人颗粒物排放量。而后喷射过程，少量燃油随废气排放、再燃烧会使有害颗粒物进一步燃烧掉，更为有效地减小可吸人颗粒物的排放。图2.2.3为喷油嘴针阀升程与曲轴转角的关系，表2.2为多次喷射作用效果。4图2.2.3针阀升程与曲轴转角的关系表2.2 多次喷射作用效果喷射方式作用效果先导喷射进行预混和燃烧，可降低可吸入颗粒物预喷射缩短主喷射的着火延迟，降低NOx和燃烧噪声后喷射促进扩散燃烧，降低颗粒物后喷射排气温度升高，通

45、过供给还原剂，进行后处理，降低NOx和颗粒物3.柴油共轨发动机的故障诊断维修与维护3.1功能分析故障诊断对功能进行分析可以有助于更好的判断故障引起的原因，进而可判断故障属性，即机械故障或电控故障。a低压供油部分主要由输油燃油滤清器、输油管道和功能阀件等组成。其功能是输油泵将油箱内的燃油以一定的压力输送到高压油泵端,提供一定量的燃油给高压供油泵对其进行压缩,该部分出现的故障属于机械故障，如燃油泄漏等等，用常规方法判断和维修即可。高压系统主要由高压油泵、高压共轨、流量限制器、电控喷油器和喷油嘴等组成，其功能是通过低压供油部分将低压燃油提供给高压油泵，经过高压油泵加压后的燃油被送至高压共轨中储存，储

46、存后的高压燃油再经过电控喷油器和喷油嘴向发动机气缸提供雾化良好的燃油供发动机燃烧，流量限制器用来防止喷油器可能出现的持续喷油现象，此部分的故障属于混合型，即存在机械和电控两方面的故障，需要仔细判断和辨别。5b电控装置主要包括各种传感器和ECU。传感器有共轨压力传感器、燃油温度传感器、冷却水温度传感器、曲轴转速传感器、加速踏板传感器、凸轮轴位置传感器、空气质量流量器、增压压力传感器和进气温度传感器等等，其功能是采集各部分运行状况并将电信号发送给ECU，ECU收集传感器提供的信号，并根据一定的数学计算(调节算法)处理信息，然后向执行器发出指令。该部分的故障属性为电子控制，其检测手段为专用仪器或自检

47、测系统。6c执行器部分包括喷油器、调压阀，其中还包括预热控制器、电一气转换器、节气门调节等等。喷油器接受来自ECU的指令完成对燃油的供应和切断。预热控制器完成对冷车启动的预热。电气转换器控制增压压力、涡流和EGR等调节器的阀门，控制信号也同样来自ECU。节气门调节主要是针对带EGR的增压柴油机使用的，在进气管中再循环废气入口处前设置一个节气门此节气门利用节气流作用适当降低入口处的压力。从而提高EGR的工作效率，其调节功能与汽油机的不同。它仅在低转速范围起作用。此部分的故障属混合型。3.2特性分析故障诊断高压共轨燃油系统的特性分析有利于加深对高压共轨燃油系统的理解，同时可辅助对故障作出正确判断。

48、特性分析表现在四个方面：a喷油压力的自由调节特性。共轨压力传感器可测量共轨内的燃油压力，从而可控制供油泵的供油量和共轨压力，另外可以根据发动机转速、喷油量大小等信息进行反馈控制。如使用中出现压力不足可判断压力调节器出现故障。b喷油量自由调节特性。发动机的转速及油门开度信息为喷油量控制提供基础条件，由CPU （Central Processing Unit）计算出最佳喷油量，通过控制喷油器电磁阀的通电、断电时刻直接控制喷油参数。如出现发动机动力不足，则可考虑该油门开度信号以及喷油器出现故障。c喷油率自由调节特性。不同的喷油率满足发动机不同工况需要，ECU设置并控制喷油率(预喷射、后喷射、多段喷射

49、)。如出现发动机各工况工作故障可考虑ECU出现了故障。d喷油时间自由调节特性。根据发动机的转速和负荷等参数，计算最佳喷射时间，并控制喷油器在最佳时刻开启和关闭，从而控制喷油时间的准确。如出现车辆加速不畅，可考虑喷油器的故障。73.3常见故障分析与排除（1）柴油机高压共轨系统的常见故障有两个方面：电子控制系统和机械部件。对机械部分故障判断与传统机械故障判断相差不大。对电子控制系统故障的判断通过车辆的自诊断系统进行判定。掌握自诊断系统的使用无论对车辆操作者还是维修者都有较大帮助。以康明斯ISBe高压共轨系统即博世高压共轨系统为例进行自诊断系统诊断示范。（2）康明斯ISBe高压共轨系统即博世高压共轨

50、系统故障自诊断系统康明斯ISBe高压共轨系统即博世高压共轨系统自诊断系统的故障显示有其独特的方式，共由三个指示灯完成，即黄色报警指示灯“WARNING”、红色停车指示灯“STOP”和保养指示灯“MAINTENANCE”。车辆行驶过程中若“WARNING”指示灯亮，则表明系统有故障代码存在，需要将车辆尽快行驶到维修地点进行维修；若“STOP”指示灯亮，则应尽快安全地使车辆停驶并进行维修，以保护发动机；若“MAINTENANCE”指示灯亮，则是提醒驾驶人需要进行发动机系统保养了。当车辆燃油系统电子控制系统有故障时，故障以故障码代码的形式存储在存储器中，故障代码可通过调用操作获得。83.4故障代码获

51、取的操作过程3.4.1故障指示灯自检操作故障指示灯自检如图341。首先，点火钥匙开关处于“ON”的接通位置，诊断开关“OFF”处于断开位置，如各种指示灯(报警指示灯、停车指示灯、等待启动指示灯和保养指示灯)依次点亮约2 s，然后熄灭，表明电子控制系统正常，无故障；其次，如果报警指示灯“WARNING”不熄灭，表明系统存在故障；第二，如果指示灯“STOP”点亮，则应尽快进行维修，以保护发动机。图3.4.1 故障指示灯3.4.2故障代码的读取故障代码的读取是通过故障指示灯的闪烁次数获得的。具体方法步骤如下：a点火钥匙开关处于“OFF”位置，诊断开关处于“ON”位置，然后点火钥匙转至“ON”位置，不

52、启动发动机，如果电子控制系统有现行故障代码存储，则“STOP”灯和“WARNING”灯依次点亮，然后开始闪烁出已记录的现行故障代码；如果熄灭并保持熄灭状态，说明电子控制系统中没有故障代码存储。以上操作见图3.4.2a。图342a 障代码检查操作b故障代码闪烁的顺序见图3.4.2b。首先，“WARNING”灯闪烁。然后停留1 s或2s，接着“STOP”灯闪烁故障代码，各号码间会有l s或2s的停顿，“STOP”灯闪烁完毕后，“WARNING”灯再次闪亮。三位数或四位数的代码将会以相同的顺序重复闪烁。例如故障代码233的闪烁顺序为：首先“WARNING”灯闪烁约2 s后，“STOP”灯连续闪烁2次

53、，每次间隔约O5 s，表示为“2”；过15 s后“STOP”灯又连续闪烁3次，每次间隔约05 s，表示为“3”：再过15 s后“STOP”灯又连续闪烁3次，每次间隔约05 s，又表示为“3”；再过2 s后“WARNING”灯亮，则表示该故障代码显示完毕。下一个故障代码获得是将巡航控制“SETRESUME”开关放在增加位置(“+”)，则开始闪烁下一个故障代码；将“SETRESUME”开关放在减小位置(“-”)，可回到上一个故障代码的显示。如果只有一个现行故障代码，则无论“SETRESUME”开关放在何处总是显示同一个故障代码，故障代码的含义可查维修手册得到。图3.4.2b 代码闪烁顺序3.4.3

54、故障代码的清除故障排除后，清除ECU中的故障代码就较为简单了。即将熔断器盒的ECU熔断丝拔下或拆下蓄电池负极搭铁线10 s以上后可清除，需要注意的是在拆除蓄电池负极搭铁线时，时钟、音响等电器设备所存储的信息会丢失。93.5日常操作和维护应注意的问题3.5.1柴油机不同工况的维护应注意问题电控柴油机系统日常操作和维护无论是对驾驶人还是维修者都极为重要，做好此项工作对车辆的使用起到事半功倍的效果。a起动过程。起动发动机前应检查水位、油位、蓄电池电压等，起动时间不宜过长(小于15 s)且连续起动不超过3次，启动时不用踩油门，启动油量控制已经在ECU中设置，增大油门开度不起作用。同样道理，车辆行驶中不

55、要猛踩油门。b排空气。排除燃油中的空气是柴油机运行特有的需要，进行该项操作在停机状态下，用手动油泵排出燃油中的空气。具体方法与传统方法有所不同，区别在于如需要松开高压油管时必须将车静置15 分钟以上，等油轨内的压力下降以后才能松开高压油管，否则油轨内的高压燃油喷出极有可能造成人员伤害。另外，在排空过程中若有燃油溅到排气管、起动机、线束或接插件上，需将燃油擦拭干净。c涉水行驶。由于燃油系统采用电脑控制，所有输入输出的信号都是电信号，所以一定要防止燃油系统进水。当遇到必须涉水行驶的情况时，要避免电控系统因进水而受到损坏。一般情况下使控制器离水面的高度应超过200 mm，涉水行驶时速度应小于10 k

56、mh。103.5.2柴油机各系统日常维护应注意的问题a电控单元的维护。电控元件和线束一定要保持干燥、无水、无油和无尘。共轨日常维护应注意在拨插线束及其传感器或执行器连接的插件之前首先应关掉点火开关、电源总开关，然后才可以进行电器部分的日常维护操作。破损线路应及时包扎处理，老化线路应及时更换。要注意控制线缆屏蔽层的保护防止信号干扰而出现虚假故障。蓄电池的正常工作电压应保持在规定的范围之内，严禁用水直接冲洗电控部分的零部件，当电器部分进水后，应首先切断电源总开关，然后立即通知维修人员处理，不要自行运转发动机。b燃油系统的维护。应结合设备使用环境做好燃油系统的维护保养。首先要加注符合标准的燃油，由于

57、国内油品整体水平不高，杂质和水分较多，应定期放出油水分离器中的水分，以保持燃油的清洁。野外作业设备在现场添加燃油时，要预防燃油的二次污染问题，保养燃油系统管路时，拆卸的油管和零部件要妥善保管，避免脏污。不允许发动机运转时拆卸高压油管，因为此时高压油管中的油压很高，以免高压油喷出伤人，一定要停机静置15 分钟以上才能拆卸油管，以确保安全。在保养过程中应使用柴油机生产厂家认可的专用柴油滤清器芯。否则容易造成柴油泵及油轨损坏。柴油滤芯更换周期：每运行15万km或累计运行300 h更换一次滤芯。更换滤芯的方法可用专用工具将滤芯从柴滤座上拧下，用力要均匀，以免挤压变形：检查新滤芯的密封圈是否完好，注意不

58、允许往新滤芯中灌注柴油；更换柴油滤芯后要按用户手册的要求按手油泵排出空气。c进排气系统维护。电控柴油机高压共轨的进排气系统维护有其特殊的方式，即一般而言可通过观察装在空气滤清器后的进气管上的空气阻力指示器来判断空滤器的堵塞情况，如果空气阻力指示器的颜色由绿变为红色，说明需要更换滤芯。另外可考虑通过车辆的运行时间来确定更换三滤。一般情况下每运行5 0008 000 km应更换三滤芯。d润滑系统维护。定期检查油底壳内润滑油面高度和油品质量油面要保持在标尺的上下限度之间，机油变质后要及时更换。车辆每行驶0.8-1万km应更换机油及机油滤清器起动频繁或经常在高速大负荷下运行时就适当缩短换油周期。e冷却

59、系统维护。日常维护、保养和使用中要注意检查各结合面是否存在泄漏，冷却液的容量不够时要及时添加；定期检查水泵皮带轮的松紧度和磨损程度，水泵的流量是否正常；节温器和水温表是否有效。使用较长时间后，要注意对水腔内的水垢进行清理，平时应该使用防冻液或处理过的软水。停机较长时间或寒冷地区停机时要放尽冷却水以免冻裂缸体。当水温过高时。发动机会进入热保护状态，使供油量减少，此时会自动停机，用户应该仔细检查原因后予以排除。3.5.3 柴油机维护中的燃油问题（1）燃油的质量问题电控柴油发动机对燃油质量的要求很高，应选用标准型号的合格燃油，一般选用0号轻柴油，冬季时换用1 0号轻柴油。电控柴油发动机中禁止使用掺杂

60、的、非标准燃油，以免造成发动机的运行不稳、功率下降、耗油量增大、磨损加大等现象。（2）燃油的清洁问题共轨电控喷射系统燃油压力高达140MPa，不清洁的燃油会极大地加剧系统磨损降低喷油器偶件的精度，形成早期磨损。某挖掘机因现场使用的燃油过脏于10000小时左右更换了油泵和喷油器总成13500小时又多次出现启动困难、运行熄火等现象(故障代码为E97b、E97c)，检查发现油泵、喷油器均磨损超过极限，油泵及油箱出油滤网严重堵塞，由此可见燃油的清洁问题也很重要。结 论本文对柴油共轨发动机的各方面的深入研究总结如下：1. 柴油机电子控制燃油系统的开发研究从20世纪70年代开始到目前，己经经历了三代，而电

61、控高压共轨系统即是这最先进的第三代产物，共轨发动机相对普通柴油机有着低能耗，低污染，高功率且控制精度高等优越性。2. 电控高压共轨系统由电控系统和燃油供给系统组成。电子控制部分由ECU、各种传感器和执行器如喷油器电磁阀等组成；燃油供给系统由油箱、柴油滤清器、电动输油泵、VP分配式高压油泵、高压/低压燃油管、蓄压器（油轨）、喷油器、回油管和ECU等组成。3. 电控高压共轨系统通过各种传感器检测出发动机的实际运行状态，通过发动机电控单元的计算和处理，可以对喷油时间、喷油压力和喷油率进行最佳控制。在高压电控共轨系统中，喷油压力(共轨压力)与发动机的转速和负荷无关，是可以独立控制的。由共轨压力传感器测

62、出燃油压力，并与设定的目标燃油压力进行比较后进行反馈控制。4.通过研究该系统的组成结构以及工作原理，利用该系统的自诊断系统帮助检测系统控制部分的故障，对使用者和维修者都较为重要，本文分析柴油机高压共轨燃油系统组成结构和工作原理。并提出利用功能和特性分析进行的辅助故障判断，提高故障判断的准确性，以康明斯ISBe高压共轨即博世高压共轨系统为例给出自诊断系统的使用方法，并结合柴油机系统的使用需要，给出日常使用和维护应注意的问题，以确保高压共轨和柴油机系统的正常使用。致 谢首先，感谢我的导师00000老师，本论文是在0000的悉心指导下完成的，从论文的选题、研究、撰写到定稿，都得到了0老师的细心指导。

63、0老师宽厚待人，对学生的指导无微不至，在工作上精益求精，启发学生开拓视野，强调理论与实践相结合，鼓励学生学以致用，在实践中发现问题、解决问题。0老师师有扎实的理论知识和丰富的实践经验，其开明的学术思想、求实的科研作风和对科学研究及发展趋势的深刻认识给我以极大的启迪，0老师的指导令我终生受益。另外我还要感谢我的同学和舍友他们在我的毕业设计中给予了我很大的帮助。最后，我要感谢母校山东交通学院的培养和教育，感谢我的家人，朋友，谢谢你们。参考文献1. 杨道荫,梁建光,吴进军等多种燃料转子发动机技术及其发展.上海:上海三联出版社 2004.2. 陈三昧,郭承毅主编.柴油机电控高压共轨喷射系统. 武汉:武汉理工大学出版社,内燃机,2006.3. 宋福昌主编.汽车电控柴油机故障检修.北京：科学技术文献出版社,2008.4. 宋涛.车用柴油机