汽车燃油供给系统及其工作原理

2.2.1 燃油供给系统的组成

燃油供给系统（图6-20）的组成主要分为三部分，即低压部分、高压部分和电子控制系统。

图6-20 燃油供给系统

1—燃油箱 2—滤网 3—电动输油泵 4—燃油滤清器 5—低压油管 6—高压泵 7—高压油管 8—共轨 9—喷油器 10—回油管 11—ECU

1）低压部分：低压部分为高压部分提供燃油，低压回路可分为吸油区、预供油压力区和燃油回流区，主要包含燃油箱、滤网、电动输油泵、燃油滤清器、低压油管和回油管。

2）高压部分：高压部分产生高压并进行燃油计量，主要由高压泵、高压管路、共轨和喷油器（每缸一个）组成。

3）电子控制系统：包括发动机控制单元（ECU）、燃油压力传感器、燃油压力调节阀和喷油器电磁阀。

2.2.2 输油泵

输油泵为高压泵提供燃油。供油量大于喷射的需要量，过剩的燃油通过回流管流经燃油散热器。高压区的燃油温度很高，因此燃油需要冷却。输油泵通常分为电动输油泵和齿轮输油泵。

（1）电动输油泵 电动输油泵（见图6-21、图6-22）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6-21 电动输油泵示意图（1）

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6-22 电动输油泵示意图（2）

1—吸油端 2—圆盘形转子 3—滚子 4—油泵外壳 5—压油端

发动机起动过程开始时，电动输油泵就开始运行，且不受发动机转速的影响。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，其具有安全电路，可防止在停机时燃油流回燃油箱。

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和液压接头。乘用车共轨喷油系统采用的滚子叶片泵（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做圆周运动的密封件。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。

图6-23 齿轮输油泵示意图

1—吸油端 2—驱动齿轮 3—压油端

（2）齿轮输油泵 齿轮输油泵（图6-23）用于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，其装在高压泵中与高压泵共用驱动装置，或装在发动机旁配有单独的驱动装置。驱动装置一般为联轴节、齿轮或齿带。

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。齿轮输油泵输油量与发动机转速成正比，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。

齿轮泵在工作期间无需维护，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，可在齿轮泵或低压管路上装配手动泵。

2.2.3 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发动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6-24），每隔适当时间必须将水放掉。随着乘用车采用柴油发动机数量的增加，自动水报警装置的使用也在不断增加。当系统必须将水排出时，该装置的报警灯就会闪亮。对于那些燃油中含水量较高的地区，装用这种装置是必须的。

2.2.4 高压泵

图6-24 燃油滤清器

1—滤清器盖 2—进油口 3—纸质滤芯 4—外壳 5—集水槽 6—放水螺栓 7—出油口

图6-25 高压泵纵剖面示意图

1—驱动轴 2—偏心凸轮 3—柱塞 4—柱塞腔 5—进油阀 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—燃油压力调节阀 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

（1）作用 高压泵（图6-25）位于低压部分和高压部分之间，它的作用是在车辆所有工作范围和整个使用寿命期间，向共轨中持续提供符合系统压力要求的高压燃油，压力可高达1850bar，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。

（2）结构 高压泵（图6-25、图6-26）通常像普通分配泵那样装在柴油发动机上，以齿轮、链条或齿形皮带连接在发动机上，其驱动轴带动偏心凸轮，驱动泵的三个柱塞来回运动，最高转速为3000r/min，依靠燃油润滑。因为安装空间大小的不同，调节阀通常直接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的柴油发动机，额定转速下共轨压力为135MPa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，及调节阀的回油，使其实际功消耗率要更高些。

图6-26 高压泵横剖面示意图

1—驱动轴 2—偏心凸轮 3—柱塞 4—进油阀 5—排油阀 6—进油口

（3）工作过程

1）吸油冲程：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。

2）供油冲程：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；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。

（4）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，被压缩的燃油会有剩余。通常这部分多余的燃油经调节阀流回燃油箱，但由于被压缩的燃油在调节阀出口处压力降低，压缩的能量损失而转变成热能，使燃油温度升高，从而降低了总效率。若泵油量过多，使柱塞泵空转，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。

如图6-26所示，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发动机转速。喷油系统装配在发动机上时，其传动比的设计一方面要减少多余的供油量，另一方面又要满足发动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。

（5）第2代高压泵 第2代高压泵（图6-27）在发动机运转时，测量高压泵（进油量调整）吸入的燃油量，从而控制共轨压力。怠速时，计量阀仅允许少量燃油流入高压泵，满负荷时相对多些。通过控制燃油量使高压泵的燃油温度和功率消耗降低。此外，发动机低温起动时，使用调压阀控制回油量。

图6-27 第2代高压泵

1—泵体（截面） 2—驱动轴 3—燃油供应室 4—燃油计量电磁阀 5—柱塞 6—偏心凸轮 7—弹簧 8—流回齿轮泵 9—共轨的回油管 10—来自齿轮泵 11—到共轨

2.2.5 共轨

（1）作用 共轨的作用是储存和保持燃油的压力。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。因为共轨的储存容积远远大于喷油量或泵供油能力，所以共轨压力几乎不变，从而确保喷油器打开时喷油压力几乎不变。

（2）结构 由于发动机的安装条件不同，带流量限制阀（选装件）、共轨压力传感器、燃油压力调节器的共轨（图6-28、图6-29）可进行不同的设计。

图6-28 共轨结构图

1—共轨 2—来自高压泵的燃油 3—燃油压力传感器 4—燃油压力调节器 5—从共轨到燃油箱的回油管 6—流量限制阀 7—通往喷油器的高压管

（3）工作过程 共轨中通常注满了高压燃油，充分利用高压泵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。

2.2.6 燃油压力传感器

（1）作用 燃油压力传感器安装在共轨上，也称共轨压力传感器，它的作用是以足够的精度、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。

（2）结构 燃油压力传感器（图6-29）包括：带有传感器元件的膜片、高压接头、电路板和带电气插头的传感器外壳。(www.zuozong.com)

（3）工作过程 燃油压力传感器的工作原理：燃油经燃油压力传感器的高压插头，引入到带有传感器元件的膜片，当共轨燃油压力发生变化时，引起膜片形状发生变化（150MPa时约为1mm），其上的电阻值会随之变化，压力升高时，传感器元件的电阻降低，并在用5V供电的电阻电桥中产生电压变化。高共轨压力的信号电压约为4.5V，低共轨压力的信号约为0.5V，根据燃油压力的不同，信号在0.5～4.5V之间变化。

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，燃油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%。一旦燃油压力传感器失效，具有应急行驶功能的ECU以某个固定的预定值来控制燃油压力调节阀的开度，开启紧急状态功能（提高空转速度）。

2.2.7 燃油压力调节阀

（1）作用 燃油压力调节阀集成在共轨上或者高压泵内，它的作用是根据发动机的负荷状况调整和保持共轨中的燃油压力：燃油压力过高时，燃油压力调节阀打开，一部分燃油经回油管返回燃油箱；燃油压力过低时，燃油压力调节阀关闭，高压端对回油管封闭。

（2）结构 燃油压力调节阀（图6-30）有安装法兰，用以固定在高压泵或共轨上。衔铁将钢球压在密封座上，以使高压端对低压端密封。一方面弹簧将衔铁往下压，另一方面电磁线圈还对衔铁有作用力。为进行润滑和散热，整个电磁阀周围都有燃油流过。

（3）工作过程 燃油压力调节阀有两个调节回路：低速电子调节回路，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。

图6-29 燃油压力传感器

1—电气插头 2—电路板 3—膜片 4—高压接头 5—固定螺纹

图6-30 燃油压力调节阀

1—球阀 2—衔铁 3—电磁线圈 4—弹簧 5—电气插头

共轨或高压泵出口处的高压燃油通过高压油进口作用在燃油压力调节阀上。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，燃油压力调节阀打开。根据供油量的大小，燃油压力调节阀调整打开的开度。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，燃油压力调节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，燃油压力调节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，可避免衔铁的运动干扰共轨中的压力波动。

2.2.8 喷油器

（1）作用 喷油器要尽可能精确地进行喷射开始时间、喷油量的调整，喷油器装在气缸盖中。

（2）结构 喷油器由喷油孔、液压伺服系统和电磁阀组件构成。

如图6-31所示，燃油从高压插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。

图6-31 喷油器示意图

1—回油孔 2—电磁阀 3—进油孔（来自共轨高压） 4—阀控制室 5—压力轴肩 6—进油节流孔 7—喷油器针阀 8—回油节流孔 9—电磁阀弹簧 10—阀控制活塞

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器针阀承压面上的力，喷油器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器针阀承压面上的力，喷油器针阀立即打开，燃油经过喷孔喷入燃烧室（图6-31）。用电磁阀不能直接产生迅速关闭针阀所需的力，因此采用经液力放大系统间接控制喷油器针阀，其间除喷入燃烧室的燃油量之外，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。这种控制油量和泄油量经集油管（溢流阀、高压泵和燃油压力调节阀也与集油管接通）的回油通道返回燃油箱。

（3）工作过程 在发动机和高压泵工作时，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）、喷油器完全打开和喷油器关闭（喷油结束）。

上述工作状态是通过喷油器构件上力的分配产生的，发动机不工作和共轨中没有压力时，喷油器弹簧将喷油器关闭。

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（图6-31a）。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器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（图6-31b）。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器内腔容积中的压力，从而针阀被打开，开始喷油。

3）喷油器完全打开。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，燃油以近似燃油压力喷入燃烧室。喷油器上的力分布大致等于开启阶段中的力分布。

4）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，但它是压着复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，超过了喷油器内腔容积中的液压力，于是针阀关闭。

5）预喷射和再喷射（图6-32）。较小的点火延迟对柴油发动机的燃烧过程非常重要，如果在此起喷射大量的燃油，就会导致压力突然升高且燃烧噪声较大、有害物质排放增加以及燃油消耗量较高。为了避免出现这些情况，以不同压力多次喷射燃油。为了只喷射少量的燃油，电磁阀只能短时间接通，喷油器针阀稍微抬起，喷油器短时打开，整个过程中并不完全开启开口截面。喷油器完全打开时，基本上以共轨压力喷射燃油。

主喷射开始前以低压喷射少量燃油。通过燃烧少量燃油使燃烧室内的压力和温度升高，从而为主喷射和迅速点燃做好准备，这样可以减小点火延迟。预喷射和主喷射之间的短暂间隔可使燃烧室内的压力不会突然上升而是平缓上升。

图6-32 燃油喷射曲线

主喷射必须确保形成良好混合气，以使燃油尽可能完全燃烧。完全燃烧可减少有害物质的排放并提高输出功率。这些都通过高压来实现，将燃油完全雾化，使其能够充分地与空气混合。

喷射结束时必须迅速降低喷射压力并使喷油器针阀关闭，从而避免燃油在低压雾化情况下进入燃烧室，否则只会使燃烧不完全并增加有害物质的排放。

为了将喷射细分为三个顺序（预喷射、主喷射和再喷射），需要快速切换电磁阀，这只能在通过约20A高电流时才能实现。这样的电流称为“升压电压”，由驱动电磁阀时产生的电感产生，记录在控制装置的电容器中。

（4）压电执行器 将来，电磁阀会由快速压电执行器（图6-33）取代，这使得可以在减少能量消耗的情况下，增加每个动力冲程中的喷射次数。

图6-33 压电控制喷油器

某些晶体一旦受到压力或敲击时就会产生一个电压，称为压电效应。在晶体上施加一个电压，这样就会引起晶体晶格的变形，从而产生一种线性位移，这种逆压电效应就成为了压电执行器的基础。与电磁阀执行器相比，压电执行器首先具有快速响应性的特点。它就好像是一个多层陶瓷电容器，在电压下立即就能充电，在0.1ms内就会发生晶格变形，与电磁阀相比，喷油器中的压电执行器具备以下特点：

1）压电执行器实际上无滞后时间。

2）开关非常迅速而精确。

3）可重复性非常好。

4）无结构设计所造成的诸如间隙之类的误差。

5）在使用寿命期内性能稳定。

6）压电模块可以预生产和预检验的执行器方式供货。

图6-33显示出了压电控制式喷油器的结构。喷嘴针阀是由一个伺服阀来控制的，喷油量则由其控制持续期决定，图6-34说明了压电控制式喷油器工作原理。实现压电喷油器功能的主要组件是压电执行器、液压接杆、伺服阀和喷嘴。压电执行器在非工作状态时处于原始位置，伺服阀关闭，高压范围和低压范围相互隔断。此时，液压接杆补偿可能存在（例如热膨胀所引起的）。由于压电执行器集成在喷油器体中，因此取消了电磁阀控制喷油器中将喷嘴针阀运动传递到控制室的控制柱塞。与常规的电磁阀控制的喷油器相比，这种压电喷油器的液压传递路线从152mm缩短至42mm，减少了2/3。最大的喷嘴针阀运动速度可达1.3m/s，要比其他所有大量生产的电磁阀式共轨喷油系统高约一倍。

图6-34 压电控制喷油器工作原理图

（5）维修注意事项

1）喷油器试验台。用于测试已拆卸的喷油器的密封性、打开压力和燃油喷束形状。

2）试验的前提条件。在进行精确的喷油器试验时，要事先清理喷油器，进行滑动测试。

3）滑动测试。喷油器针阀必须靠自重滑入喷油器体。在测试中只能触摸喷油器针阀的托杆。

4）密封测试。在比喷油器打开压力小20bar的压力下，如果10s内没有燃油油滴落下，则喷油器的密封测试合格。

5）喷油器打开压力的设定。压缩弹簧的闭合力决定喷油器的打开压力。通过在压缩弹簧下面嵌入定位圈来为喷油器支架组合设定正确的打开压力。

6）噪声测试。在设定相关的喷油器打开压力时（随不同的制造商而有所不同），同时要检查油束的形状，留意喷油器针阀打开时的“戛戛”的噪声。喷油器打开时，压力降低，于是，喷油器针阀被压回阀座。因为还在继续传输燃油，所以压力继续升高，而喷油器针阀再次从阀座上提起。这样的打开和关闭常常伴有典型的“戛戛”的噪声。如果没有明显的“戛戛”声，则喷油器导向部分已磨损。

7）安全防护。高压的使用意味着接触燃油喷束是危险的，因为燃油喷束能渗透皮肤组织，会有感染败血病的危险。做所有的检查和测试工作时都必须戴防护眼镜。车间内必须安装抽气机，因为燃油蒸气有损健康。