高压共轨柴油机剖图.doc

高压共轨柴油机剖图
有其它原理图的跟帖啊，有解释性文字和动画相结合最好不过了。

高压共轨(Common Rail)电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制单元(ECU)组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管(Rail)，通过公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力(Pressure)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变化的程度。
柴油机共轨式电控燃油喷射技术
随着世界各国工程机械、运输车辆等数量增加，柴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。我国从80年代起相应制订了有关的标准，将环境保护作为大事来抓。与此同时，世界各国也已开始寻找和探究其他方法和采取其他有效的技术措施主动地减少和控制污染物的排放。共轨式电控燃油喷射技术正是从众多方法和措施中脱颖而出的一项较为成功的控制柴油机污染排放的新技术。
　　柴油机高速运转时，柴油喷射过程的时间只有千分之几秒。实验证明，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。柴油的可压缩性质和高压油管中柴油的压力波动，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喷射时之后，使高压油管内的压力再次上升，达到令喷油器针阀开启的压力，将已经关闭的针阀又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，并使油耗增加。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射现象。为了解决柴油机燃油压力变化所造成的缺陷，现代柴油机采用了一种称之为“共轨”的电喷技术。
1、原理
　　一般认为，柴油机喷油技术经历了传统的纯机械操纵式喷油和现代的电控操纵式喷油两个发展阶段。而现代电控喷油技术的崛起，则是计算机技术和传感检测技术迅猛发展的结果。目前，电控喷油技术已从初期的位置控制型发展到时间控制型。共轨式电控燃油喷射设技术正是属于后者。
　　共轨电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制装置(ECU)组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管，通过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变化的程度，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，其大小取决于燃油轨道(公共供油管)压力和电磁阀开启时间的长短。该技术不再采用传统的柱塞泵脉动供油的原理，而是通过供轨直接或间接的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启闭，定时定量的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，以及最佳的发火时间、足够的能量和最少的污染排放。柴油机供轨式电控燃油系统的原理如附图所示。
2、分类

　　按照喷油高压形成的不同，共轨式电控燃油喷射系统有两种基本型式，即高压共轨式和中压共轨式。
　　(1)高压共轨系统。高压输油泵(压力在120MPa以上)直接产生高压燃油后，输送至共轨中消除压力的脉动，再分送到各喷油器；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200s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。
　　(2)中压共轨系统。中压输油泵(压力为10-13MPa)将中压燃油输送到共轨中消除压力的脉动，再分送至带有增压柱塞的喷油器中；当高速电磁阀开关阀接收到电子控制装置发送的指令信号后，就迅速开启或关闭，从而控制燃油器工作，迅即通过高压柱塞的增压作用，将从共轨中来的中压燃油加压至高压(120-150MPa)后喷出或停喷。
　　高压共轨系统与中压共轨系统的主要判别在于，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。
3、特点
　　柴油机共轨式电控燃油喷射技术集计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油器结构于一身。它不仅能达到较高的喷射压力、实现喷射压力和喷油量的控制，而且还能实现预喷射和后喷，从而优化喷油特性、减低柴油机噪声和大大减少废气的排放量，其特点为：
　　(1)采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀，使得喷油过程的控制十分方便，并且可控参数多，利于柴油机燃烧过程的全程优化。
　　(2)采用共轨方式供油，喷油系统压力波动小，各喷油器间相互影响小，喷射压力控制精度较高，喷油量控制较准确。
　　(3)高速电测开关阀频率高，控制灵活，使得喷油系统的喷射压力可调范围大，并且能方便的实现预喷射、后喷等功能，为优化柴油机喷油规律、改善其性能和降低废气排放提供了有效手段。
　　(4)系结构移植方便，适应范围广，不像其他的击中电喷油系统，对柴油机的结构形式有专门要求；尤其是高压共轨系统，与目前的小、中型及重性柴油机均能很好匹配，因而市场前景看好。
4、研究热点
　　正是由于共轨式电控燃油喷射技术具有上述特点，所以该技术一经问世，就得到世界上大多数柴油机制造厂商的青睐，其中，高压共轨系统被认为是20世纪内燃机技术的3大突破之一。现在国外许多内燃机方面的专家学者都在致力于该项新技术的研究。并着手开发新一代的高压共轨系统产品及其与之配套的产品。目前，这一项技术的研究特点有：
　　(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)高压共轨系统三维控制数据的优化问题。
　　(4)微结构、高频响电磁开关阀涉及与制造过程中的关键技术问题。
    共轨式电控燃油喷射技术有助于减少柴油机的尾气排放量，并具有改善噪声、降低燃油耗等方面的综合性能。它在有利于地球环境保护的同时，也必将促进柴油机工业、汽车农业及与之相关工业的向前发展。

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高压共轨喷油系统原理

一、共轨式喷油系统特点

　　共轨式喷油系统于二十世纪 90 年代中后期才正式进入实用化阶段。这类电控系统可分为：蓄压式电控燃油喷射系统、液力增压式电控燃油喷射系统和高压共轨式电控燃油喷射系统。高压共轨系统可实现在传统喷油系统中无法实现的功能，其优点有：

　　a. 共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能。

　　b. 可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力（ 120MPa~200MPa ），可同时控制 NOx 和微粒（ PM ）在较小的数值内，以满足排放要求。

　　c. 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，既可降低柴油机 NOx ，又能保证优良的动力性和经济性。

　　d. 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，因此在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀可得到改善，从而减轻柴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，现在国内外柴油机的研究机构均投入了很大的精力对其进行研究。比较成熟的系统有：德国 ROBERT BOSCH 公司的 CR 系统、日本电装公司的 ECD-U2 系统、意大利的 FIAT 集团的 unijet 系统、英国的 DELPHI DIESEL SYSTEMS 公司的 LDCR 系统等。

　　二、高压共轨燃油喷射系统主要部件介绍

　　高压共轨电控燃油喷射系统主要由电控单元、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨，高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元从预设的 map 图中确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入气缸。

　　高压油泵

　　高压油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的喷油量与控制油量之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的产生于燃油喷射过程无关，且喷油正时也不由高压油泵的凸轮来保证，因此高压油泵的压油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计凸轮。

　　bosch 公司采用由柴油机驱动的三缸径向柱塞泵来产生高达 135Mpa 的压力。该高压油泵在每个压油单元中采用了多个压油凸轮，使其峰值扭矩降低为传统高压油泵的 1/9 ，负荷也比较均匀，降低了运行噪声。该系统中高压共轨腔中的压力的控制是通过对共轨腔中燃油的放泄来实现的，为了减小功率损耗，在喷油量较小的情况下，将关闭三缸径向柱塞泵中的一个压油单元使供油量减少。

　　日电装公司采用了一个三作用凸轮的直列泵来产生高压，如图 2 所示。该高压油泵对油量的控制采用了控制低压燃油有效进油量的方法，其基本原理如图 3 所示。

　　a 柱塞下行，控制阀开启，低压燃油经控制阀流入柱塞腔；

　　b 柱塞上行，但控制阀中尚未通电，处于开启状态，低压燃油经控制阀流回低压腔；

　　c 在达到供油量定时时，控制阀通电，使之关闭，回流油路被切断，柱塞腔中的燃油被压缩，燃油经出油阀进入高压油轨。利用控制阀关闭时间的不同，控制进入高压油轨的油量的多少，从而达到控制高压油轨压力的目的；

　　d 凸轮经过最大升程后，柱塞进入下降行程，柱塞腔内的压力降低，出油阀关闭，停止供油，这时控制阀停止供电，处于开启状态，低压燃油进入柱塞腔进入下一个循环。

　　该方法使高压油泵不产生额外的功率消耗，但需要确定控制脉冲的宽度和控制脉冲与高压油泵凸轮的相位关系，控制系统比较复杂。

笨重、噪音大、喷黑烟，令许多人对柴油机的直观印象不佳，加上柴油机的构造比较复杂，不少人对柴油机缺乏了解，尤其对现代先进的柴油机缺乏了解，因此柴油机汽车在一些城市成了“被限制的对象”，受到种种歧视。其实经过多年的研究和新技术应用，现代柴油机的现状已与往日不可同喻。现代先进的汽车柴油机一般采用电控喷射、共轨、涡轮增压中冷等技术，在重量、噪音、烟度等方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平。目前国外轻型汽车用柴油机日益普遍，奔驰、大众、宝马、雷诺、沃尔沃等欧洲名牌车都有采用柴油发动机的车型。

  在电控喷射方面柴油机与汽油机的主要差别是，汽油机的电控喷射系统只是控制空燃比（汽油与空气的比例），柴油机的电控喷射系统则是通过控制喷油时间来调节输出的大小，而柴油机喷油控制是由发动机的转速和加速踏板位置（油门拉杆位置）来决定的。因此，基本工作原理是计算机根据转速传感器和油门位置传感器的输入信号，首先计算出基本喷油量，然后根据水温、进气温度、进气压力等传感器的信号进行修正，再与来自控制套位置传感器的信号进行反馈修正，确定最佳喷油量的。

  电控柴油喷射系统由传感器、ECU（计算机）和执行机构三部分组成。其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、温度、压力等传感器，将实时检测的参数同步输入计算机，与巳储存的参数值进行比较，经过处理计算按照最佳值对喷油泵、废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，驱动喷油系统，使柴油机运作状态达到最佳。

  什么是共轨技术,为什么要采用共轨技术呢?

  在汽车柴油机中，高速运转使柴油喷射过程的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中柴油的压力波动，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，使高压油管内的压力再次上升，达到令喷油器的针阀开启的压力，将已经关闭的针阀又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射现象。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。

  共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程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。

  柴油机的涡轮增压器已作过介绍。至于增压中冷技术就是当涡轮增压器将新鲜空气压缩经中段冷却器冷却，然后经进气歧管、进气门流至汽缸燃烧室。有效的中冷技术可使增压温度下降到50℃以下，有助于减少废气的排放和提高燃油经济性。

前言

    2003年5月bosch公司推出了第三代轿车用压电直接控制式喷油器共轨喷油系统，这是柴油共轨喷射技术领域内的一次技术飞跃，其显著特点是集成在喷油器体中的压电执行嚣使喷油器能迅速开闭．与迄今最好的电磁或压电式控制的喷油系统相比，该第三代轿车用压电直接控制式喷油器共轨喷油系统能降低柴油机排气有害物高达20%，而且其新颖的调节功能有助于提高喷油量的计量精度。

1   Bosch轿车用共轨喷油系统的发展

    1997年，Bosch公司首次推出轿车用共轨喷油系统，2000年开始批量生产第二代喷油系统，最大系统压力提高160MPa，并开始使用具有油量调节功能的高压泵、经改进的电磁阀喷油器和多次喷射。

    2002年10月，Bosch公司已生产1000万套共轨喷油系统，现在月产约400万套轿车用共轨喷油系统。

    2003年5月，Bosch公司开始批量生产第三代紧凑型压电直接控制式喷油器(图1)共轨喷油系统，这是柴油共轨喷射技术领域的重大举措。该系统在160MPa系统压力和无排气后处理的情况下用于重型汽车时，排放值可达到欧4排放标准。Bosch公司第三代共轨喷油系统可降低柴油机废气排放高达20％，此外还能提高功率5％，或降低燃油耗3％，或降低噪声3dB(A)，这要视发动机开发目标而定。下文介绍第三代共轨喷油系统及其部件和发动机试验结果。

          图1   轿车用压电共轨喷油器结构图  

2 第三代共轨喷油系统

    图2 V6柴油机用Bosch第三代共轨喷油系统布置图

    燃油由低压电动燃油泵输送给具有泵油量调节功能的高压油泵，分配单元将进入的燃油分成两路：一路供给泵油元件，另一路用以冷却传动机构和润滑轴承。高压油泵将燃油压缩至最高压力达160MPa，并将其输入油轨。拧紧在油轨上的油轨压力传感器采集实时压力，并通过集成在高压油泵上的分配单元进行燃油压力调节，而拧紧在油轨上的压力调节阀则用于在汽车加速行驶时快速泄压。

  高压燃油经油轨到压电喷油器，它由电控单元根据运行工况来控制，能精确地调节喷油始点和喷油持续期，并且可柔性塑造喷油曲线(喷油相位、喷油次数和喷油量)形状。

2．1 泵油量可调式高压油泵

  第三代共轨喷油系统采用的CP3．x型泵油量可调式高压柴油泵是一种径向柱塞泵，它具有3个柱塞和安装在钢壳体中的多边凸轮轴(图3)。油泵转速达到4000r／mln时能提供高达160MPa的喷油压力。

        图3 CP3.x型泵油量可调式高压油泵

  通过向油轨精确供应燃油量来调节油轨压力，以此维持系统的喷油压力，这样能减少被压缩至高压的燃油量，从而减少油泵消耗的功率。

  CP3．x型高压油泵有各种不同的结构尺寸，能满足从小排量轿车至大型卡车发动机的需要。供货目录通过各种不同壳体尺寸、柱塞直径和行程的分级来改变泵油量。此外，供货目录中还将电动燃油泵或集成式齿轮泵规定为初级输油泵，以及可选用爪式、锥型或十字型联轴节。

2．2 高压油管、调压阀和油轨总成

  高强度模块式激光焊接油轨(LWR)的结构方案基本上能满足未来的要求其表面涂层不含Cr6+，已满足2007年起实施的法规要求。为了调节油轨压力，在油轨两端轴向装有最新一代的压力传感器和调压阀(图4)。

        图4   带压力传感器和调压阀的激光焊接油轨总成

  电磁调压阀由供电电流占空比来控制，通过优化电磁回路和减小磁滞回线能迅速和精确地调节油轨压力，这样就有可能在各种不同的容积流量下保持油轨压力恒定。

  油轨容积必须足够大，以便补偿压力波动，将其对喷射的影响减至最小程度；另一方面油轨容积又必须足够小，以便确保起动时迅速建立起油压。为使其最佳化，在设计阶段运用AMESIM程序进行了模拟计算。

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柴油机共轨喷油技术的进展
作者：钱人一 同济大学

本文将介绍日本电装公司的ECD-U2共轨喷油系统和博世公司的共轨喷油系统，并阐述共轨喷油技术的发展趋势。

柴油机共轨喷油系统有一个共同的特点，就是有一个共同的高压燃油蓄势器，称为共轨。高压供油泵只负责向这个蓄势器提供高压燃油，不负责控制燃油定量和喷油定时。管理燃油压力和向各个气缸输送燃油的任务通过共轨完成。这样，燃油喷射过程可以不受压力产生和燃油输送过程的牵制；燃油定量控制和喷油定时控制可以更为灵活和自由。

相对于其他燃油喷射系统，共轨燃油喷射系统有如下特点：在燃油定量和喷油定时方面实行全电子的和柔性的控制；喷油规律曲线形状可以比较自由地调整；优化的、已可达到1800bar的喷油压力（仅次于博世公司的泵喷嘴和泵管嘴）控制；能实现每个工作循环多达七次的燃油喷射；高度的紧凑性和较低的高压油泵驱动扭矩。

日本电装公司的ECD-U2共轨喷油系统
日本电装（Denso）公司率先在上世纪九十年代初推出了名为ECD-U2的共轨燃油喷射系统。ECD-U2共轨喷油系统由高压供油泵、共轨、喷油器以及控制这些部件的电子控制单元和各种传感器等组成（如图1）。系统利用泵控制阀改变高压供油泵的燃油出油量来控制共轨压力，共轨压根据发动机负荷和转速确定的数值而调节。泵控制阀与燃油压力传感器相结合进行共轨压力的闭环控制。

喷油器的工作原理
共轨压力长期施加在喷油器针阀的底面上。只有在喷油器不通电时才施加在针阀的背面上。当喷油器不通电的时候，三通阀使单向孔板上面的空腔与共轨连通，高压燃油通过单向孔板流入控制腔（液压柱塞的上方），通过液压柱塞对针阀施加向下的压力，跟回位弹簧的作用力一起克服针阀下方燃油压力，使针阀关闭。在这个过程中，单向孔板没有节流作用。

当ECU发出喷油脉冲时，三通阀使单向孔板上面的空腔与回油管连通，燃油流到回油管去，充满在这个空腔里的高压燃油压力立刻下降到大气压力。由于单向孔板节流，其下面控制腔中的压力只能缓慢地下降，喷油器针阀逐渐地升起，造成所谓的德尔塔型（三角型）喷油规律，这种喷油规律对气缸内的燃烧十分有利。

当由电子控制单元控制的喷油持续时间过去之后，喷油器断电，三通阀恢复到它的初始状态。此时，来自共轨的高压燃油通过三通阀和单向孔板流入控制腔，使控制腔迅速地达到共轨压力,令针阀很快关闭，喷油很快被切断。

由此可见，喷油嘴的开启和关闭完全由喷油器控制腔中的压力和共轨压力的差值决定。改变施加在三通阀上的电脉冲宽度，可以控制喷油量；改变施加在三通阀上的电脉冲发生的时刻，可以控制喷油定时。因为ECD-U2共轨喷射系统是一个全电子控制的、完善的压力-时间燃油定量控制系统，所以没有传统燃油喷射系统固有的问题，如：由于喷油系统内的压力传播而产生难以控制的或者不能控制的工况区域；由于调速器控制能力不足而引起低速下控制效能不良。

三种形状的喷油规律
ECD-U2共轨喷射系统的喷油规律可以控制成三种的形状，即德尔塔型（三角型）、靴型和预喷型：
•   德尔塔型（三角型）喷油率型式：喷油率逐渐上升并迅速截止的型式
•   预喷型式：在主喷之前实施一次小油量的预喷的型式
•   靴型喷油率型式：预喷跟主喷连在一起，形成一种靴子形状的喷油率型式

其中最有意义的是预喷。预喷是通过在主喷脉冲之前提供一个小小的预喷脉冲，因此三通阀在每次喷油中都开启两次。预喷量小到1立方毫米/冲程。预喷和主喷的间隔时间已经可以缩小到0.1毫秒。预喷可以减少在滞燃期内形成的可燃混合气，进而有效地降低柴油机的燃烧噪声。

高压供油泵的控制策略
高压供油泵的功能是控制出油量以产生高压燃油。它采用便于产生高压的凸轮驱动机构（见图1）。泵控制阀关闭后柱塞的升程当量决定了出油量。通过对泵控制阀关闭时刻的控制，或者通过对凸轮预升程的控制来控制出油量，燃油在没有经过压缩的状况下进行回油并定量，从而减少了高压回油。因此，泵驱动扭矩明显地下降了。最大驱动扭矩只有直列泵的三分之一。

博世（BOSCH）公司的共轨喷油系统
世界性大公司研究开发和生产的共轨喷油系统，其基本原理大同小异，但在一些关键零部件的设计上则各有特色。BOSCH公司对共轨喷油技术的研究与开发1997年才起步，但是发展迅速，现在已经发展到了第四代，累计已经生产出了大约1500万套共轨燃油喷射系统。

图2所示为BOSCH公司共轨喷油系统的高压部分。这个系统的特点是，增加了限压阀和限流器。其中：1）压力控制阀使燃油压力保持恒定，压力控制有两条控制环路：一条慢响应的电气控制环路，用于设定共轨中变动着的平均压力；一条快响应的机械控制环路，用于补偿高频压力脉动。2）共轨压力传感器的特点是，产生的信号由安装在传感器内部的运算电路放大后送往ECU。如果共轨压力传感器发生故障，那幺压力控制阀就被触发成“关闭”状态，同时起动紧急（跛行回家）功能，采用固定值。3）限压阀起泄压作用，它将最大共轨压力限制在一个确定的数值，例如1500bar。4）共轨通往每一个喷油器的出口处都装设了一个限流器，限流器的另一头拧入喷油管。在某一个喷油器中发生永久开启的非常不寻常的情况下，限流器可防止连续地喷油。

喷油器与日本电装公司共轨喷油器的设计原理差不多，也是以电控制液，用液控制喷油嘴针阀，但是具体构造有所不同（见图3）。该喷油器可以分成若干个功能模块：孔式喷油嘴；液压伺服系统；电磁阀。

控制腔(8)通过一个由喷油器的电磁阀开启的泄油孔(6)与回油管(1)相连通。当电磁阀不通电，泄油孔封闭，在阀控制柱塞(9)上的液压力超过施加在喷油嘴针阀压力台肩(11)上的液压力，针阀被压到针阀座上，使高压通道保持对燃烧室的密封。当电磁阀被触发时，泄油孔开启，控制腔内的压力降低，柱塞上的液压力也降低。一旦这个液压力降低到低于作用在喷油嘴针阀台肩上的力，喷油嘴针阀就将开启。

共轨喷油技术的发展趋势
随着排放法规和燃油经济性的要求不断提高，对柴油机的要求也越来越高，首当其冲的是柴油喷射技术。首先，为了降低燃烧噪声，要求预喷；为了使燃油燃烧充分、从气缸内降低排放和使微粒物捕集器得到再生，要求在主喷之后进行补喷。为了使燃油雾化得好，就要增加喷油孔的数目，缩小喷油孔的直径，但这会导致喷油速率的下降。如要保证足够的喷油速率，就要提高喷油压力。而为了实现多次喷射，就要改善喷油系统的响应特性。这些要求决定了共轨喷油技术的发展方向。

1)提高喷油压力
早期的共轨喷油压力不超过800至1000bar。BOSCH公司第一代共轨系统的喷油压力只有1350bar，第二代达到1600bar，第三代已经达到1800bar，第四代将增大到2200bar的喷油压力。因为泵喷嘴和泵管嘴系统2050bar的喷油压力收到了良好的效果。一般认为，柴油机喷油压力越高，则燃油经济性和排放越好。

2)压电式喷油器
在中低转速范围内，喷射的机动灵活性特别重要，最理想的情况是，在2500r/min以下的转速范围每个工作循环喷射达5次，在中等转速范围内每个工作循环喷射两次或者三次，在标定转速每个工作循环喷射一次。前面介绍过的电磁阀共轨喷油器无法满足这样的要求。西门子VDO公司开发了能够非常机动灵活地实现多重喷射的、机电一体化的压电式共轨喷油器，并且已经实现了商品化，见图4。

压电式执行元件像一个在电压下立即就能充电的电容器，其关键元件是陶瓷压电薄膜，它在加上电压以后的0.1ms以内就会发生晶体晶格的畸变。为了使执行器达到足够的位移（行程），必须将许多层陶瓷薄膜烧结成一块长方六面体。喷油器内30mm长的执行器由300多层薄膜组成，每层的厚度只有80μm。压电元件加上电压后会膨胀大约40μm，通过杠杆比为1:1.5的杠杆，使得控制腔回油通道中的阀开启。于是，控制腔内的压力下降，喷油嘴针阀开启。

与电磁阀相比，压电执行器具有：没有滞后时间；切换十分迅速而且精确；可重现性非常好；没有因设计造成的、以气隙之类的形式出现的偏差；寿命长，工作非常稳定等优点。压电式共轨喷油器推出之后，立即受到各大公司的推崇。奥迪A8柴油轿车已经采用了这一系统。

德国汉诺威大学的工程燃烧研究所不久前研究开发了采用压电喷油器的柔性喷射系统，见图5。该系统的喷油器通过对针阀实施直接控制而为喷油规律曲线形状的优化提供了更大的自由度。这种喷油器具有决定性意义的优点是，喷油嘴针阀的升程和速度可以自由地选择。

3)多孔式喷油嘴
BOSCH公司第一代共轨喷油嘴的直径为0.2mm，第二代为0.14mm，第三代则为0.11-0.13mm。孔数则相应地分别为第一代4个，第二代以上至少6个。

特别值得一提的是，喷油孔做成内端大、外端小的锥形，可提高出口的喷射速度。而且普遍借助液体磨蚀（HE）工艺将喷油孔的入口边倒圆，其目的是：事先消除燃油中的磨粒对喷油孔棱边进行磨蚀的机会，和/或缩小流量公差。

共轨技术在中国发展的两点建议
泵喷嘴/泵管嘴系统的最大优点在于喷油压力高，对燃油经济性和排放有积极影响，但是价格过高，而且气缸盖的设计改动比较大。中国可以跨过直列泵和分配泵的柴油机电子控制时代，直接进入共轨时代。这样可以避免投资的大量浪费。

在此，就共轨喷射系统在中国的发展提出两点建议。第一，国家必须在制定环保法规的同时，制定针对燃油质量的强制性法规。以目前质量低劣的柴油，根本无法适应电子控制共轨喷射系统的要求。第二，国家应当引导、组织和扶植国内企业对共轨燃油喷射系统的研究和开发。共轨系统所需之关键零部件或许可以进口，但是共轨系统成套供应，特别是研究、开发、生产和销售电子控制单元及一些传感器和执行器的机会千万不要拱手让给外人。

现代车用柴油机共轨式电喷的新技术
内容提要：本文阐述了现代车用柴油机电控系统的发展目的、意义和现状；重点介绍了现代轿车柴油机电控系统(含时间控制的柴油电喷、共轨式电喷、涡轮增压中冷、废气再循环等)的新技术；同时指出其中共轨式电喷的新技术是今后现代车用柴油机发展的必然趋势。
关键词：柴油机 电控系统 共轨式电喷 新技术

1.车用柴油机电控系统的发展

与现代汽车汽油机电控技术的发展背景一样，即面对无法回避的局部和全球性的环境和能源问题，现代汽车柴油机不得不采用和发展电子控制系统，以便保持汽车柴油机的可持续发展，更充分发挥柴油机固有的优点(低油耗和低CO2排放)。在保持柴油机卓越的燃油经济性的同时，要想满足越来越严格的排放法规，除了降低润滑油消耗、优化涡轮增压技术和使用先进的废气后处理系统外，最主要还需进一步改善柴油机的燃烧过程。而喷油系统性能是影响柴油机燃烧过程的关键环节，利用微机电控技术改进燃烧过程应用了很多新技术，有的新技术虽然与电控技术没有直接的关联，但由于改善了整机性能，仍然与电控技术有间接的联系。

柴油机电控技术的发展过程与汽油机电控系统相似。自80年代开始进入市场的现代汽车柴油机电控系统也是随着控制项目的不断增多，控制任务从简单到复杂，直至全方位控制。例如,早期的电控燃油喷射系统都采用了“位置控制”,保持了传统的脉冲高压供油原理,只是通过以微机为核心的控制单元对位置伺服机构进行控制，改变油量调节齿条(直列泵)或油量调节滑套(VE型分配泵)等的位置，用以调节喷油泵的循环供(喷)油量。但由于位置伺服机构执行频率响应慢，控制频率低，控制精度不稳定，经过了近十年的发展,到90年代初,“时间控制”式电控燃油喷射系统开发成功,采用了新型高速强力电磁阀代替传统的油量调节齿条(直列泵)或油量调节滑套(VE型分配泵)等,直接对高压燃油进行数字式的高频调节，由电磁阀的关闭时刻和闭合持续时间决定循环供(喷)油量和供(喷)油正时。尽管如此,这种“时间控制”式电控燃油喷射系统仍保持了传统的脉冲高压供油原理。直到90年代中期，一种新型的电控共轨式燃油喷射系统问世，抛弃了传统的脉冲高压供油原理，采用“时间-压力控制”式燃油计量原理，通过对公共油轨中油压的连续控制和各缸喷油过程的电磁阀控制相结合的方式实现对循环供(喷)油量的控制,才使柴油机的电控燃油喷射技术进入了一个新的发展阶段。

柴油机电控技术还面临着许多课题需要解决，特别是当采用高压电控喷油时，柴油机电控系统的成本几乎占发动机成本的一半。尽管如此,只有在汽车柴油机上广泛采用电控技术,才能面对越来越严格的排放法规的挑战。近年来柴油机电控系统的发展势头是令人瞩目的。以柴油汽车用得最多的欧洲为例,由于欧洲道路车辆用多缸柴油机从2000年开始执行欧3排放标准，电控技术已在需满足欧3标准的柴油机上普遍使用,一些研究机构和大的厂商则早已着手研制满足欧4排放标准的电控柴油机,现在,电控共轨系统和电控单体泵系统在多缸柴油机上的应用已明显增多。

我国对现代柴油机电控技术的研究和开发尚处于起步阶段，目前还主要集中在对柴油机电控喷射系统的研究与开发上。但随着社会经济的发展，对环保的要求越来越高，柴油机电控系统的研究和相应产品的开发必将成为我国汽车柴油机技术领域中的一个热点，这将大大促进我国汽车柴油机产品的更新换代，为在未来不长的时期里参与国际竞争奠定坚实的基础。

2.现代轿车柴油机电控系统的新技术

时间控制的柴油电喷技术 柴油机的新一代电喷系统采用时间控制,用高速电磁阀取代传统的机械喷阀,对高压燃油实现数字调节。现在这种喷射系统逐渐向高压化迈进,高压喷射可使柴油雾化得非常细,发动机的燃烧过程进行得相当完善,而且速度快,同时又不明显提高燃烧温度。提高了直喷式柴油机压力,不仅可以全面降低HC、CO、NOx、微粒物和碳烟的排放,而且还能显著的降低油耗。

共轨式电喷系统 在车用柴油机中，高速运转使柴油喷射过程的时间只有千分之几秒，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中柴油的压力波动，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，使高压油管内的压力再次上升，达到令喷油器的针阀开启的压力，将已经关闭的针阀又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射现象。为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。

它是柴油机高压喷射系统的一种，最高压力可达到200～220MPa。该系统不再采用通用的脉动原理，而是采用压力时间计量原理。“共轨喷射”是通过高压公用油道和各缸喷射电磁阀控制相结合的方式实现喷油控制。这种喷油系统可保证喷油压力不随发动机转数变化，可降低颗粒物的排放，电控共轨喷射又称为压力时间喷射或第三代喷射，它可分为中压共轨和高压共轨两大类。ECU产生的电脉冲按顺序触发喷油器电磁阀，确定发动机每次喷油的起始和关闭时刻，电控共轨喷射还可采用多次喷射的方式来灵活控制喷油的速率。美国、日本、德国、意大利等国已大批量生产共轨式电喷系统，它将代表未来柴油机燃油喷射系统的主流。德国奔驰C200轿车，采用共轨式电控喷射系统，其功率、转矩及排放等各项指标均处于世界领先水平。微机控制柴油机高压共轨喷射系统见图1。

涡轮增压中冷技术 柴油机采用废气涡轮增压技术后，燃料能够完全燃烧,可降低CO和HC的生成量。但因进气温度升高,使NOx的排放量有所增加,若采用增压并附带中间冷却器可同时降低HC、CO、NOx的排放量。采用涡轮增压中冷技术还可提高柴油机的功率,一台装有涡轮增压器的柴油机功率输出比未装增压器可增加20%～30%，而采用增压中冷技术甚至可增加50%的功率。新型涡轮增压器的使用,意味着可以用小排量的发动机替代大排量发动机,减轻发动机和整车质量,提高经济性和排放性。
采用多气门技术 多气门可增大柴油机的进气量,使柴油的燃烧更彻底,排气更快、更彻底,从而提高了柴油机的输出功率。

废气再循环技术 它是在保证发动机动力性能不降低的前提下，根据发动机的温度及负荷大小,适量地将一部分废气引入进气管，再送入汽缸,使燃烧反应速度减慢，降低燃烧的最高温度，从而降低NOx的排放量。尤其是中冷EGR技术，不仅降低NOx的排放，而且还能保持其污染排放物的低排放水平。

新型的柴油机清污系统 柴油机电子控制技术在国外应用率已达到60%～90%。20世纪80年代开始投放市场,德国博世公司、美国通用公司的底特律柴油机公司、日本Zexel等公司都有自己的产品投放市场。目前各大公司竞相开发新产品以满足排放法规和市场的要求。电控柴油机技术，其技术的发展动力来源于改善柴油机的经济性，最大的推动力来源于国际上日益严格的排放法规。标致公司新近开发出了一种新型的柴油机清污系统，将于近年揭开其旗舰车的面纱，届时该车装备的数种发动机中，有一种2.2L的HDI柴油发动机上将装有独特的炭烟过滤系统。标致-雪铁龙公司称该项技术在HDI发动机上开发的新系统能有效地克服微粒排放这一难题。该系统能使HDI发动机废气中的二氧化碳减少20%、一氧化碳减少40%、碳氢化合物减少50%，而微粒则能减少60%。被称之自柴油机问世以来最大的一项革新。据悉微粒过滤系统已通过法、德两国环境部门的批准，从而使该项技术引起了欧洲的注目。长久以来，过滤被认为是解决柴油机废气的途径之一。新型过滤器能使HDI发动机管理系统的计算机及传感器探测颗粒物积累状况，并适时地自动触发开关将颗粒烧尽。这种过滤装置在未来5年中，如果得到市场认可，它将被推广到所有的标致、雪铁龙柴油车及轻型商用车上。微粒过滤器对汽车原有性能没有任何影响。HDI发动机工作时油耗可能会上升5%，但性能与同类发动机相比却提高了15%。这说明总体上车主们还是划算的。目前柴油车在欧洲的销量每年增长约1%如果随着技术进步，柴油车越来越被广大消费者接受的话，它的销量增长会达2%～3%，而微粒过滤系统能加速这一进程。据统计柴油车目前约占欧洲小客车数量的25%。PSA微粒过滤系统将被首次装在新款标致车上，用以更新已销售疲软的标致605系列。装有该过滤系统的型号为DWl2TED4的2.2L发动机，输出功率可达110.4kW，扭矩可达315N·m，比目前使用的2.5L柴油机的性能还好。

3.共轨式电喷的新技术是现代车用柴油机发展的必然趋势

随着世界各国城市交通运输车辆、船舶的急剧增加，柴油机排放的尾气已经成为对地球环境的主要污染源。世界各国业已开始寻找和采取有效的技术措施主动地减少和控