抽丝剥茧 破解电控高压共轨柴油机应用困局

自 2016 年 4 月 1 日起执行的国三排放标准较国二排放标准，主要要求是降低“HC+NOX”( 碳氢化合物与氮氧化物 ) 和 PM（颗粒物）的排放量。降低以上两项指标，技术上要求柴油发动机要提高喷油压力，使燃油燃烧更加充分，同时控制发动机气缸内的燃烧温度，从而使排放气体中的颗粒物体及氮氧物等废物含量指标合格。基于此，柴油发动机“电控高压共轨燃油喷射技术”和“尾气后处理技术”成为当今工程机械柴油发动机的主流技术。

发动机要减少污染物的排放，则需要提高燃油系统的喷射压力，提高喷油控制的精准度。这就需要提高燃油系统部件的精密程度，电控系统的复杂程度也相应提高了。这就带来了对燃油质量的高要求，维修、保养成本的提高。如果燃油质量达不到要求，保养不到位，就会增加发动机的故障频率，影响设备的正常使用，拖延施工周期。如果维修技术不好，还会增加维修成本，增加故障复杂程度，影响发动机的正常使用寿命，给用户造成更大的损失。上述任意一个环节中的任意一个问题，都会给用户的利益带来损失——增加了设备维护保养成本，增加了设备维修、管理难度，设备故障后维修周期长影响工程施工进度、影响用户承接施工业务。

每个环节出现的问题都有与设备本身和使用方法有必然的联系，我们必须全面认识和了解电控高压共轨发动机的技术原理，并探明其故障高发的根源，从而方可找到解决问题的方法。本期我们从电控高压共轨发动机的基本原理、技术特征、故障发生形式以及用户使用环境等方面，进行系统分析和探讨，为市场和用户能够放心使用电控高压共轨柴油发动机寻找解决办法。

特邀嘉宾

马军刚  广西康明斯工业动力有限公司总工程师

田少民  成都小松检测技术研究所所长

庞瑞峰  北京现代京城工程机械有限公司开发部总监

周凤东  中国工程机械工业协会维修及再制造分会副秘书长

郭锐  北京天顺长城液压科技有限公司

电控高压共轨发动机真容

电控高压共轨发动机技术源自国外，国内的应用时间并不算长，国产电控高压共轨发动机的技术依然需要从多方面进行创新和提升。

郭锐：电控高压共轨技术始于 1996年，在欧美属于非常成熟的产品。以市场份额最大的德国博世为例，目前第三代产品已经非常成熟，第四代产品也进入了批产状态。

共轨系统主要被博世、电装、德尔福等外资企业所垄断。民族企业在共轨系统研发生产方面还存在较大的差距。民族企业当中做得相对较好的企业如辽宁新风，北京亚新科天纬等。民族企业在研发投入、应用匹配、制造技术以及生产管理等诸多方面都存在明显的差距。由于国内电控共轨发动机多是基于欧二机械式燃油系统粗犷式升级而成，共轨加工工艺技术不过关，难以承受高压，压力易出现波动，轨压传感器技术也不成熟，所以自主车用高压共轨产品的性能、精度与外资差距大，自主企业一直得不到整车厂、消费者与行业的认可。

外资在我国车用高压共轨市场形成了垄断，自主品牌生存空间极小。但是外资共轨企业在中国市场的产品布局主要放在了车用高压共轨市场，其在中国本土的总产能不足以支持国内车用与非道路高压共轨需求，所以非道路用发动机排放升级为自主品牌带来了新的市场与希望。国内自主高压共轨行业有开打“价格战”的苗头，依靠价格优势与外资相抗衡，目前是国内企业与外资及同行竞争抢夺市场的有效策略。但也将可能导致国内企业没有足够研发资金支撑国五、国六的技术升级，使自主品牌失去在下一轮竞争中市场与技术竞争优势。

马军刚：随着世界各国工程机械、运输车辆等数量增加，燃油机排放的尾气已经成为对地球环境的主要污染原因之一，如何采取措施保护人类赖以生存的地球环境已是当务之急。我国自从2015 年 10 月实施非道路三阶段排放法规后，电控高压共轨燃油喷射技术正是从众多方法和措施中脱颖而出的一项成功的控制燃油机污染排放的技术，业已成为各发动机厂不约而同地的主流技术路线。

高压共轨系统可实现传统喷油系统中无法实现的功能，其优点有 4 点：一是共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定最佳喷射压力，从而优化燃油机性能。二是可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力（120 ～200MPa），可同时控制 NOx和微粒物（PM）在较小的数值内，以满足排放

要求。三是柔性控制喷油速率变化，实现理想喷油规律，容易实现预喷射和多次喷射，既可降低燃油机 NOx，又能保证优良的动力性和经济性。四是由电磁阀控制喷油，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，因此循环喷油量变动小，各缸供油不均匀可得到改善，从而减轻燃油机的振动和降低排放。

由于高压共轨系统具有以上的优点，现在国内外燃油机的研究机构均投入了很大的精力对其进行研究。国外在燃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。比较成熟的系统有德国博世的 CRIN、日本电装公司的 ECD-U2、美国康明斯的 XPI 等。

国内燃油机电控技术在起步方面晚于一些工业先进国家。但由于近年来需求方面的强劲拉动，已经在多个方面取得了一定的进步。首先是一些高校研究人员取得的成绩。国内的高校研究人员在燃油机电控技术方面的工作起步并不算晚，只是由于国内配套技术不健全，影响了其成果的产业化进程，但通过学习国外先进技术和自身的开拓性研究，掌握了燃油机电控系统的基本要素。其次是拿出了电控燃油机的示范样机。 再次是总结撰写了一些技术专著，成为国内内燃机电控技术的早期书籍。最后是

培养出了国内在内燃机电控方面的新生力量，为国内内燃机电控技术的发展提供了第一批专业人才。

这些高校专家对国内电控技术的主要贡献是完成了燃油机计算机控制系统的设计，为后续的控制系统的发展提供了最初的理念。他们还尝试制造出燃油机电控系统的控制器和执行器系统，主要是按照国外产品的理念，通过消化吸收提出了自己的设计理念。但由于国内加工制作条件的限制，这方面的一些工作在产业化应用上不是太成功。

在商业化的技术研究领域，一些有条件的科研机构也在燃油机电控共轨领域做出了努力。例如：一汽集团所属无锡油泵嘴研究所，是国内最早开发燃油机电控共轨系统研究的工作单位之一。他们在国内率先完成了成套燃油机电控共轨系统，装备这种系统的燃油机已经开始在车辆上使用。

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电控高压共轨系统技术特征

新产品能否在短期内得到市场和用户的认可，很大程度上取决于自身技术的成熟度。但是，技术的成熟和进步却受制于多重因素的影响。

马军刚：国内外电控高压共轨系统的技术和差别主要涉及到以下领域：

传感器制造技术

传感器是控制系统的输入信号来源，目前国内有许多企业能够为电控汽油机配套生产各种传感器，而这些传感器中的大多数原则上也能适用于燃油机，这无疑为国内燃油机电控化发展准备了基础条件。所以，传感器需求已经不再是国内燃油机电控技术的发展障碍。

执行器制造技术

燃油机电控高压共轨系统的制造难度主要集中在高速电磁阀。这种阀件工作频率极高。以转速 3000r/min 的四冲程燃油机而言，阀的工作频率为 25Hz，对尺寸细小的阀面的机械冲击极大。在这种高速工作条件下，既要保证阀的密封效果，又要保证阀件电磁驱动的可靠性，还要保证阀的使用寿命。这些条件综合起来，无论对于阀材料的机械强度、物理性质、疲劳强度还是零件的结构、加工精度和表面粗糙度等，都提出了极高的要求。只有完全解决这些困难，才能使高压共轨系统可靠地工作。

ECU 制造技术

对于 ECU 即电控单元的制造，依赖于微处理器元件。目前国内在微处理器的设计制造方面虽然有很大突破，但针对制造燃油机 ECU 所需要的单片机元件，还没有对应的专项产品。国内目前在 ECU 技术上所依赖的单片机元件，一般都选用飞思卡尔、英飞灵、英特尔等国外企业的产品。而且近几年来国内单纯的燃油机ECU 技术受到很大的制约：较为成熟的电控系统提供商一般都同时提供自己拥有的 ECU，而来自国外的燃油机电控系统提供商提供的都是自己成套的技术服务，使国内单纯的 ECU 服务商的产品难以得到应用。

以上的情况正在逐步得到改变。一方面，国内的燃油机电控燃油系统逐渐地实现产品化。另一方面，国外的电控燃油系统执行器部件也逐渐开始从系统技术服务商控制下的专属产品，转变为市场上可以直接从制造商手中购得的自由产品，价格也可能变得较为合理。国内的ECU 厂商将变得有条件使自己的产品作为普通的燃油机部件提供给燃油机制造商，这将使国内 ECU 技术得以广泛应用。

而如何能在技术指标和硬件开发制造能力的框架下，国内电控技术走出“试验室”，成为真正意义上成熟可投放的产品，完成对整车厂商和最终用户的匹配、使用、售后服务支持，从产品设计、整车适用性匹配、售后服务等各方面体现“以用户为导向的技术”，才是为广大发动机、整车厂商、各级经销商、终端用户所需要的技术。这种客户为中心、应用为中心的策略思路，也许能为国内厂商开发、推广新的技术提供一个良好的切入点。

田少民：高压共轨已成为电喷发动机的技术主流，从洋马 44kW 的 4TNV86CT 和科勒55kW 的 4H50TIC 等小型发动机，到欧洲的MTU（安特优）610kW 的 10V1600 和斯堪尼亚566kW 的 C16EMS 等大型发动机，都采用了高压共轨喷油系统。

国内按国Ⅲ、国Ⅳ自主生产柴油机的厂家有维柴、玉柴、上柴、华柴等，主要匹配博世、电装及威孚的高压共轨系统。燃油系统提供商、柴油机生产厂家及配置柴油机的工程机械主机制造厂家，这三者要密切配合，通过硬件标定、软件标定及整机标定，来实现喷油系 - 发动机- 主机的优化匹配。如果三者在技术融合中不降低技术壁垒，在技术支持上不充分授权，售后维修策略保守，将使主机厂的售后服务脱节，就会给用户的使用、维护及修理带来困难。

庞瑞峰：电控高压共轨技术实际为柴油机共轨式电控燃油喷射技术，它是一项较为成功的控制污染排放的新技术。

共轨式电控燃油喷射技术通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量，从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化，以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放。这一技术的研究与开发热点在于：一是如何解决高压共轨系统的恒高压密封问题。

二是如何解决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。三是如何解决高压共轨系统的多个三维控制数据表优化问题。四是如何解决微结构、高频响电磁开关阀设计与制造过程中的关键技术问题。

现在该项新技术已开始在国外以柴油机提供动力的汽车上投入使用。相对于汽油机而言，我国在电控柴油机方面与国外差距相对较小。得益于以下原因：一是我国原有柴油机使用车辆大都具有自主品牌，二是我国柴油机使用车辆的舒适性要求不高，价格低廉，国外公司与中国企业竞争不占优势。随着排放标准的提高，柴油机必须采用电控喷射系统。目前国内柴油电控系统主要有共轨、单体泵等，和国外先进技术比，显然还不具备对等的实力，在关键零部件的技术攻关上，国内还有很长的路要走。比如日本电装、德国博世几乎垄断了电控高压共轨的关键零部件。但这些会随时间推移，不久将逐步得到解决。

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电控高压共轨发动机故障之殇

在工程机械行业，电控高压共轨发动机很难得到市场和用户认可的一个最主要的原因便是其高故障率，高故障率既与技术本身有很大关系，也与使用环境和使用方式密不可分。

马军刚：在所有的故障模式中，燃油的品质是造成电控高压共轨故障频发的主要原因。用户使用的伪劣燃油或受污染燃油中的过高的水分和不溶性机械杂质含量，对共轨系统的可靠性造成威胁最为严重。前者会破坏燃油的润滑性能并在系统内形成锈迹，在低温环境下水的结晶会影响燃油的流动性，降低发动机性能，甚至导致共轨系统报废。后者则会令包括柱塞、出油阀、控制针阀、喷油针阀、缝隙式滤清器等精密零件擦伤报废。同时，国内燃油含硫量相对较高是公认的事实。而高硫的燃油会侵蚀

燃油系统，造成油嘴结焦堵塞。虽然燃油国三，国四标准已在 2014 年和 2015 年推出，但国内各地的燃油品质都不一样，很多地区用的燃油还是在国三以下。

在终端客户的实际使用过程中，由于还存在以前机械泵的一些使用习惯，还是会加到一些来路不明的燃油。这对电控共轨燃油系统的危害极大。

田少民：目前高压燃油泵大多是柴油润滑的，计量单元设计在出油侧。建议采用机油润滑、计量单元在进油侧的高压泵，例如博世的 CPH2型结构，可以减少高压泵的故障，延长使用寿命。

郭锐：整车或者整机设计缺陷：比如油箱呼吸器未安装滤芯，容易导致燃油二次污染。油箱或者高低压管路材质里含有锌铜铅锡等元素，易导致油嘴积炭等。整机布局不规范，比如整车布线不严谨，导致电器存在峰值电压导致内部芯片击穿等。

柴油品质欠佳：柴油含硫量越低，柴油质量越高，高硫的柴油会侵蚀和损坏发动机系统，增加尾气中颗粒物的排放，其次是柴油中的杂质（不溶固体微粒）问题在国内有些地方也表现的很严重，柴油中的杂质对柴油机高压供油系统特别是喷嘴伤害极大。高压共轨的油泵可以承受相当高的压强，柴油在出厂时是标准油品，但在运输到加油站后经受二次污染也会造成油路配件磨损。

使用的燃油滤清器过滤效率欠佳：高压共轨系统为保证高压喷射，精确流量控制，其各组成部分的精度都非常高，偶件间隙控制相当严格，部分直线度在0.8μm 以下，偶件间隙在1.5～ 3.7μm 之间，所以对柴油清洁度提出了很高的要求。传统的柴油滤清器只能过滤 10μm 以上的颗粒，3μm 的颗粒过滤效率很差。高压共轨系统要求滤清器提供 95% 的水分离效率和98.6% 的 3 ～ 5μm 的颗粒过滤效率。 劣质滤清器对燃油系统和发动机造成的影响是隐性的，可能不会立即发现，但等损害积累到一定程度时爆发出来为时已晚。

劣质柴油滤清器对柴油系统的危害主要包括以下 4 个方面：①额定流量不足，滤清器超负荷工作，影响车辆动力性和燃油系统使用寿命。②滤纸孔径大、均匀性差、表面积小、过滤效率低，造成燃油系统和发动机早期磨损 。③油水分离失效，燃油部件和发动机锈蚀 。④滤清器内部粘接不牢固或密封失效，导致滤芯短路，无法滤除杂质，导致燃油系统和发动机磨损 。

驾驶员平时不注意发动机的定期保养：应加强空气滤清器、机油滤清器和柴油滤清器这三种滤清器的保养，充分发挥它们的作用。选择发动机厂家推荐的专用机油，根据使用环境和燃油品质缩短机油的更换时间。

设备超载超负荷工作严重：造成燃油系统超负荷工作，寿命降低。发动机热负荷过高，磨损加剧。

设备工作环境恶劣：燃油油路易交叉污染，部件易磨损。高寒、高温、高原环境会导致系统鲁棒性降低。

周凤东：十多年前，车用柴油发动机就开始使用电控高压共轨技术，很多工程机械厂家也在挖掘机上开始使用电控高压共轨柴油发动机。

在我国北方，冬季气温很低，柴油发动机使用“零”号柴油通常会“结腊”，需要使用“-35号”或要求更高的柴油。有些区域当季节变化时，换季燃油供应不及时，使得用户只能在柴油中添加煤油等附加物，导致油品质量下降。

此外，工程机械很少能到加油站进行加油，一般采用运输车将柴油运到施工工地进行加油。柴油运输设备及存储设备不洁净，也影响了燃油的质量。储油设备管理不当，也会使燃油被污染，比如雨水、灰尘的侵入，导致燃油品质很差。

另有不法燃油经销商、运输商为谋取非法利润以次充好。少数施工单位采购油品时，由于多方原因，明知油品质量不好，仍视而不见。据调查，有些地方工程机械使用的柴油质量，差得让人难以理解。

由于电控高压共轨燃油系统部件精密度的大幅提高，工程机械的燃油系统需提高滤芯精度，缩短保养周期，这使得用户的保养成本增加。油品不好时，更使得保养次数增加。为了降低保养成本，用户便开始使用不合格的保养部件或不按机械使用要求进行保养。

油品的质量直接影响了高压共轨柴油发动机燃油系统部件的使用寿命。发生频率较高的故障是：喷油器卡滞不喷油、喷油器划伤滴油，高压燃油泵卡滞、划伤等故障。如果修理人员清洗故障机燃油系统不彻底，还会使更换的新配件在短期内再次损坏。

庞瑞峰：在使用电控高压共轨发动机设备时，由于有 ECU- 电子控制单元、曲轴位置传感器、凸轮轴轴相位传感器、共轨压力传感器、加速踏板传感器、进气温度传感器、机油压力温度传感器、冷却水温度传感器等一系列传感器，这种微型灵敏的电气元件由于环境的不确定性，极易发生故障。此外，由于国内的施工环境及燃油品质限制，容易引发电控系统故障，如油路阻塞、喷油嘴雾化不良等。