N63发动机燃油系统和电控系统解析
网络/2015-12-04/技术解析/阅读:次
一、燃油系统
(一)直接喷射的基本原理
N63发动机采用直接喷射装置，高压燃油(5~20MPa)被直接喷入燃烧室内。原则上可以绝大部分抽真空过程都用于真空泵第一级接口，按照混合气均匀混合或分层混合方案进行燃油直接喷射。这两个方案在耗油量和排放量方面都具有突出特点。混合气形成对比图见下图。
1.进气管喷射
2.均匀模式直接喷射
2.均匀模式直接喷射
3.分层模式直接喷射
上图说明均匀模式直接喷射和分层模式直接喷射时混合气形成的过程，以及与进气管喷射的对比。它们的区别在于混合气形成过程不同。
(二)高精度直喷(HPI)系统
1、整体结构
N63发动机高精度直喷系统的整体结构见下图。
1.高压泵 2.燃油量控制阀 3.压电喷射器
4.自电动燃油泵(EKP)的燃油供给管路
5.供给管路 6.低压传感器
4.自电动燃油泵(EKP)的燃油供给管路
5.供给管路 6.低压传感器
7.高圧管路(共轨与喷射器之间)
8.共轨 9.高压管路(高压泵与共轨之间)
10.共轨压力传感器
8.共轨 9.高压管路(高压泵与共轨之间)
10.共轨压力传感器
2、功能说明
燃油箱内的电动燃油泵将燃油 (500kPa预压)输送至高压泵。燃油预压值由低压传感器监控。电动燃油泵根据需求输送燃油。如果低压传感器失灵，那么电动燃油泵将以100%的功率输送燃油。
燃油在持续运行的单活塞式高压泵内被加压，然后通过高压管路被输送至共轨内。存储在共轨内的高压燃油通过高压管路分配给压电喷射器。
发动机管理系统根据发动机负荷和转速信号确定所需的燃油压力。共轨压力传感器测量实际达到的压力并将压力信号传送至发动机控制模块。发动机控制模块比较实际共轨压力值和标准共轨压力值，然后利用燃油调节阀调节燃油压力。N63发动机的燃油压力曲线图见下图。
p.燃油压力 m.发动机负荷 n.发动机转速
3、检修注意事项
(1)只有当发动机冷却后才能进行燃油系统的拆检工作。冷却液温度不得超过40℃。必须遵守这项规定，否则高压燃油系统内的剩余压力可能造成燃油反向喷射。
(2)当进行高压燃油系统方面的工作时，要特别注意保持清洁并遵守维修手册中的工作步骤。高压管路螺栓连接件上即使出现微小的污物或损坏，都有可能造成燃油泄漏。
(3)确保点火线圈不被燃油弄脏，接触燃油会严重削弱硅酮材料的耐久性，可能会导致火花塞头部放电，造成断火。因此，必须遵守以下工作准则：折装燃油系统前必须取出点火线圈并盖上抹布，防止燃油进入火花塞孔。安装压电喷射器前，要拆卸点火线圈并彻底清洁。受燃油污染严重的点火线圈必须更换。
4、高压泵的结构和功能
带有燃油量控制阀的N63发动机高压泵见下图。
1.调节舱 2.高压单向阀 3.溢流阀
4.活塞 5.燃油量控制阀
6.燃油量控制阀的电气接口
A.低压接口 B.高压接口
4.活塞 5.燃油量控制阀
6.燃油量控制阀的电气接口
A.低压接口 B.高压接口
高压泵用螺栓固定在汽缸盖上，由凸轮轴上的一个三段凸轮驱动。只要发动机运转，高压泵的活塞就会在三段凸轮的作用下进行持续往复式运动。燃油通过燃油量控制阀进入高压泵，高压泵持续对燃油进行加压。燃油量控制阀由发动机控制模块控制，用于确定所需的燃油量。当燃油量控制阀打开时，大部分通过活塞吸入的燃油被压回燃油供给管路。
(三)燃油系统的液压回路图
N63发动机燃油系统的液压回路图见下图。
1.电动燃油泵 2.低压传感器 3.发动机控制模块
4.高压泵 5.燃油量控制阀 6.高压泵元件(活塞)
4.高压泵 5.燃油量控制阀 6.高压泵元件(活塞)
7.高压单向阀 8.溢流阀 9.调节舱
10.共轨 11.共轨压力传感器 12.压电喷射器
10.共轨 11.共轨压力传感器 12.压电喷射器
燃油量控制阀控制共轨内的燃油压力。发动机控制模块利用一个脉冲宽度调制 (PwM)信号控制该阀。控制信号使该阀的横载面以不同大小开启并调节相应负荷下所需的燃油量。此外，溢流阀使高压燃油系统中的燃油回流至泵元件，从而释放共轨内的燃油压力。
(四)喷射器
只有采用向外打开式压电喷射器，才能进行喷束导向式直接喷射，从而实现高精度直接喷射功能。这种喷射器能够确保喷入的燃油锥束保持稳定，即使燃油室内受压力和温度的影响。压电喷射器可产生最高20MPa的喷射压力，喷嘴针能够以极快的速度打开，这样可摆脱受气门开启时间的限制，从而周而复始地向燃油室内喷射燃油。N63发动机的向外打开式压电喷射器与N74发动机基本相同，安装位置见下图。 .
1、组件
向外打开式压电喷射器的组件见下图。
1.向外打开式喷嘴针
2.圧电元件
3.热补偿元件
2.圧电元件
3.热补偿元件
压电喷射器主要由3个组件构成。压电元件通电后膨胀，使喷嘴针向外伸出阀座。为了能够承受阀门开启升程的不同运行温度，该喷射器内装有一个热补偿元件。
2、压电元件
压电喷射器不是利用电磁线圈驱动喷嘴针的，而是通过压电元件使喷嘴针移动。压电元件的工作原理见下图。
1.圧电晶体未通电
2.压电品体通电
3. 压电元件的分层结构
压电元件是一种电气机械式转换器，它由一种陶瓷材料制成，可将电能直接转换为机械能(作用力及行程)。压电式打火机是大家熟悉的一种压电应用实例：向一个压电晶体施加压力产生电压，直至产生火花并点燃气体，在这个过程中压电元件将机械能转换为电能。压电喷射器的压电元件的能量转换方式正好相反，当对压电执行机构施加电压时，压电元件的晶体膨胀。为了达到较大的行程，压电元件采用多层结构。执行机构模块由机械串联、电气并联的多个压电陶瓷材料层组成。
压电晶体的偏移量取决于施加的电压。也就是说，电压越高，行程越大。
3、向外打开式喷嘴针
喷嘴针从其锥形针阀座内向外压出，于是形成一个环状间隙。加压后的燃油经过该环状间隙形成空心锥束。因此，燃油喷射角度与燃油室内的背压无关。向外打开式喷嘴针工作原理见图。
向外打开式压电喷射器的喷射锥束见下图。
1.理想锥束
2.允许的喷射锥束扩大部分
3.不允许的喷射锥束扩大部分
2.允许的喷射锥束扩大部分
3.不允许的喷射锥束扩大部分
在燃油喷射过程中，压电喷射器的喷射锥束可能会扩大。由于燃烧室内会形成炭烟，因此这种现象在一定程度内是允许出现的，也比较常见。但是，如果喷射角度扩大后燃油喷射到火花塞上，那么就会导致火花塞损坏。因此，当检査N63发动机的火花塞时，必须考虑压电喷射器的因素。因压电喷射器问题而损坏火花塞的常见现象如下：火花塞的绝缘体破损，电极一侧烧损，见下图。
绝缘体破损 电极一侧烧损
4、喷射器调节
由于各种压电式执行机构的具体电压要求不同，因此需要进行喷射器调节，这一点通过分配相应的电压等级来实现。制造商通过记录某些特定位置的大量数据来确定喷射器的喷射量调节的公差范围，并以六位数字组合方式给出。此外还附有用于调节喷射器电压的喷射器行程信息(六位数字组合)。
这些数据传送至发动机控制模块。在发动机运行期间，发动机控制模块利用这些数据补偿测量和控制过程中的偏差。因此，更换喷射器时必须进行喷射器调节。
5、检修注意事项
安装和拆卸压电喷射器时必须更换特氟龙密封圈。即使是启动发动机后必须拆卸刚刚安好的喷射器，也要更换密封圈。带有新特氟龙密封圈的压电喷射器必须尽快安装到位，因为特氟龙密封圈可能会膨胀。
安装压电喷射器时必须准确到位。用于固定压电喷射器的夹紧支架必须紧靠在两个喷射器凸缘上，否则无法向压电喷射器施加所需作用力。不得清洁压电喷射器的喷嘴针端部。
(五)HP1应急运行模式
如果诊断出系统存在故障，例如共轨压力传感器失灵，那么发动机控制模块就会切断燃油量控制阀的供电，燃油通过旁通管道进入共轨内。当 HPI应急运行模式被启用时，废气旁通阀打开，废气涡轮增压装置关闭。启用 HPI应急运行模式的常见原因如下：共轨压力传感器失灵或信号不可信，燃油量控制阀失灵，高压系统泄漏，高压泵失灵。
二、电控系统
(一)发动机控制模块
N63发动机配备版本为 MSD85的发动机管理系统。由于需要在八缸发动机上使用高精度直喷系统和涡轮增压系统，因此发动机控制模块采用功能强大的150MHz处理器。该控制模块具有五插口和功能配置的新插头配置方案，每个插口分配一个特定功能组件，见下表。
发动机插头是发动机的传感器/执行器的导线插头。车辆插头是车辆专用部件的导线插头。
(二)传感器
催化转換器后的监控传感器是传统的 Bosch1SF4.2氧传感器。催化转换器前的控制传感器的使用的是新的LSU ADV氧传感器。LSU表示氧传感器，ADV表示高级。也就是说，LSU ADV 氧传感器是平板式宽带氧传感器的后续开发产品。
LSU ADV氧传感器的测量范围很大，它从过量空气系数为 0. 65时起开始测量，优点是耐高温性能强，响应时问短(30ms以内)，信号准确性高。这种氧传感器能够在不到5s内快速进入准备状态，从而降低发动机预热阶段的排放量。利用该传感器的高动态测量性能可以更准确地针对各汽缸进行废气测量和空燃比调节，实现废气气流的均匀排放，降低排放量并有效改善长期排放特性。该传感器的设计使用寿命与车辆使用寿命相同。
(三)电风扇
电风扇(散热风扇)有自己的电子系统。风扇转速通过脉冲宽度调制信号(100Hz)来调节。在正常运行模式下，风扇转速取决于脉冲宽度调制信号的占空比，见下表。
电风扇的运行时间和转速通过脉冲宽度调制信号的占空比来确定。发动机控制模块利用一个继电器向电风扇提供30号电源。在发动机自停期间 (总线端15关闭)，发动机控制模块的脉冲宽度调制信号频率降至10Hz，以便再次发出电风扇的运转指令。
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