柴油机高压共轨系统

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.结构及原理高压共轨系统利用较大容积的共轨腔将油泵输出的高压燃油蓄积起来，并消除燃油中的压力波动，然后再输送给每个喷油器，通过控制喷油器上的电磁阀实现喷射的开始和终止。

其主要特点可以概括如下：共轨腔内的高压直接用于喷射，可以省去喷油器内的增压机构；而且共轨腔内是持续高压，高压油泵所需的驱动力矩比传统油泵小得多。

通过高压油泵上的压力调节电磁阀，可以根据发动机负荷状况以及经济性和排放性的要求对共轨腔内的油压进行灵活调节，尤其优化了发动机的低速性能。

通过喷油器上的电磁阀控制喷射定时，喷射油量以及喷射速率，还可以灵活调节不同工况下预喷射和后喷射的喷射油量以及与主喷射的间隔。

高压共轨系统由五个部分组成，即高压油泵、共轨腔及高压油管、喷油器、电控单元、各类传感器和执行器。

供油泵从油箱将燃油泵入高压油泵的进油口，由发动机驱动的高压油泵将燃油增压后送入共轨腔内，再由电磁阀控制各缸喷油器在相应时刻喷油。

预喷射在主喷射之前，将小部分燃油喷入气缸，在缸内发生预混合或者部分燃烧，缩短主喷射的着火延迟期。

这样缸内压力升高率和峰值压力都会下降，发动机工作比较缓和，同时缸内温度降低使得NOx排放减小。

预喷射还可以降低失火的可能性，改善高压共轨系统的冷起动性能。

主喷射初期降低喷射速率，也可以减少着火延迟期内喷入气缸内的油量。

提高主喷射中期的喷射速率，可以缩短喷射时间从而缩短缓燃期。

主要生产商目前世界上主要有三大公司在研发和生产柴油机高压共轨系统，日本电装、德国博世和美国德尔福。

共轨系统将燃油压力产生和燃油喷射分离开来，如果把单体泵柴油喷射技术比做柴油技术的革命的话，那共轨就可以称作反叛了，因为它背离了传统的柴油系统而近似于顺序汽油喷射系统。

共轨系统开辟了降低柴油发动机排放和噪音的新途径。

由于其强大的技术潜力，今天各制造商已经把目光定在了共轨系统第3代——压电式(piezo)共轨系统，压电执行器代替了电磁阀，于是得到了更加精确的喷射控制。

没有了回油管，在结构上更简单。

压力从200～2000帕弹性调节。

最小喷射量可控制在0.5mm3，减小了烟度和NOX的排放。

应用背景日趋严重的能源危机，成为全世界内燃机行业关注的焦点，也使柴油机越来越受到用户青睐。

与汽油机相比柴油机有很多优势：能减少20%~25%的CO2废气排放，车速较低时的加速性能更有优势，平均燃油消耗低25%~30%，能提供更多的驾驶乐趣。

因此，有人大胆对全球汽车产量中柴油机的发展趋势进行了预测，并按区域划分世界汽车产量中的柴油机比例。

但是，与汽油机相比，柴油机的排放控制又是一个难点。

为满足排放标准，柴油机先进的燃油喷射系统———高压共轨技术成为业内人士关注的焦点。

前些年，高压共轨技术是外资一统天下，现在这种局面被打破了。

排放标准的提升必然推动发动机技术的发展发展前景2005年12月30日，北京率先实施国Ⅲ排放标准。

2006年7月31日，上海公交、出租车行业新车实施国Ⅲ排放标准。

2006年9月1日，广州开始实施国Ⅲ排放标准。

今年7月1日全国将全面实施国Ⅲ排放标准。

到2010年，全国将实施国Ⅳ排放标准。

排放标准的提升，必然推动发动机技术的发展。

对于汽油发动机，由于技术相对成熟且有后处理，因此满足目前排放标准难度不大。

对于柴油发动机，由于目前大部分还是机械式燃油系统，且柴油机直喷技术发展历程较短，因而为满足排放标准要求必须重新设计发动机。

我国目前大部分采用引进技术来满足现阶段排放标准（国Ⅲ），但也有部分企业在进行自主研发，如中国一汽无锡油泵油嘴研究所、成都威特等。

在更严格排放标准要求下，除电控燃油系统外，发动机整机也引进了许多新技术。

世界著名的汽车研发机构Ricardo公司推荐在各排放阶段的发动机技术要求，从中可见共轨系统由于其独特的优势，是最具继承性和可持续发展的燃油喷射系统之一。

高压共轨系统在国外已得到普遍应用柴油燃油喷射系统从机械控制式发展到电子控制式系统后，电子喷射系统又经历了三次变革，即位置式燃油喷射系统、时间式燃油喷射系统和时间压力式燃油喷射系统（共轨系统）。

高压共轨系统实现了压力建立和喷射过程的分离，从而使控制过程更具有柔性，能更准确地实现小油量的精确控制，更好地实现多次喷射。

发展历程自从1991年日本电装公司发表ECD-U2高压共轨系统论文以来，国外燃油系统制造商纷纷投入巨额资金和人力开发共轨系统。

博世公司于1995年发表了用于轿车的高压共轨系统，采用径向柱塞转子式供油泵，喷油器电磁阀采用球阀结构。

目前博世公司共轨系统在欧洲乘用车和轻型车柴油机上已得到普通应用，如德国戴姆勒-奔驰公司C系列轿车、意大利AlfaRemeo156轿车、德国大众的奥迪3.3 L型V8涡轮增压柴油机、美国通用公司与日本五十铃公司合资生产的Duramax6600柴油机及美国康明斯公司的ISBe3.9L和5.9L全电控柴油机等。

德尔福与西门子分别在1998年和2000年推出轿车MultecDCR1400共轨系统，采用径向柱塞转子式供油泵，德尔福公司的喷油器电磁阀设计在喷油器内，使得喷油器体积更小巧；西门子喷油器采用压电执行器，响应时间更短；而日本电装公司在1991年研究开发出的ECD-U2第一代产品，并于1995年匹配Hino的J08C柴油机、五十铃的6HK1柴油机，经过多年的改进与完善，最新产品已用于轿车的ECD-U2P系统。

目前，共轨燃油喷射系统应用十分普遍，博世公司已生产出2500万套共轨系统，并在江苏无锡投资建设了技术中心和工厂，实现了本地化生产。

长城汽车与博世公司开发出了高压共轨柴油发动机，此外奥迪、奔驰、华泰等品牌也推出了采用共轨系统的汽车。

我国部分大学、研究所和企业也通过合作或独立自主研发，取得了各具特色的研究成果，并有数十项专利公布。

因此，我国在电控直喷式柴油机方面已积累了一定的经验，但总体来说与国外还存在差距，主要体现在制造工艺和批量生产的质量控制。

此外，国内共轨系统相关配套体系不健全，部分零部件还依靠进口，如单片机芯片、共轨压力传感器等。

国外公司与中国企业竞争已不占绝对优势相对于汽油机而言，国内在电控柴油机方面与国外差距相对较小。

这得益于两方面原因：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，虽然还不具备对等的实力，但发展势头良好。

如无锡油泵油嘴研究所研发的共轨系统已在无锡公交使用，同时国内从事电控柴油机研发的企业数量较多，因而国内在电控柴油机市场今后一定会有所作为。

而国外公司提供的产品价格相对较高，供货价格取决于批量，在目前我国电控柴油机批量还不大的前提下，他们很难拿到比较满意的价位。

同时，在售后服务及配件供应方面，国内自主品牌系统也存在明显的优势，国内自主研发的电控燃油系统竞争力主要体现在以下几方面：首先，价格便宜，经济批量较小。

其次，对于轻卡产品，在批量不大的情况下匹配共轨技术，可选择高喷射压力的PM型直列泵+电子调速器+冷却EGR方案，这也是我们的优势。

还有，对于中重型车辆，在国Ⅲ阶段已开始实施共轨、单体泵等技术路线。

当然，国内在电控柴油机系统方面还面临很多挑战，如制造工艺不成熟，批量规模较小；燃油品质难以保证；柴油机后处理技术水平不高等。

但这些会随时间推移，不久将逐步得到解决。

最新产品喷油器的紧凑结构使得共轨系统即使对小排量4气门发动机也是一个实用方案。

在1999年年底诞生了装配着3缸共轨柴油发动机的Smart，它的排量只有799mL，最大功率30kW，在1800～2800rpm时输出最大扭矩100Nm。

在今年奔驰公司推出的E320上安装了第二代共轨发动机，最大功率150kW，1000rpm时输出扭矩250Nm，在1400rpm时即可得到峰值扭矩的85%，在1800～2600rpm的广阔区域内实现500Nm的峰值扭矩。

0～100km/h的加速时间只有7.7秒，最高车速243km/h。

综合油耗是6.9L/100km，80L的油箱使续航能力达到了1000km。

而配有汽油机的E320的综合油耗是9.9L/100km。

柴油共轨系统已开发了3代，它有着强大的技术潜力第一代共轨高压泵总是保持在最高压力，导致能量的浪费和很高的燃油温度。

第二代可根据发动机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音：在主喷射之前百万分之一秒内少量的燃油被喷进了气缸压燃，预加热燃烧室。

预热后的气缸使主喷射后的压燃更加容易，缸内的压力和温度不再是突然地增加，有利于降低燃烧噪音。

在膨胀过程中进行后喷射，产生二次燃烧，将缸内温度增加200～250℃，降低了排气中的碳氢化合物。

由于其强大的技术潜力，今天各制造商已经把目光定在了共轨系统第3代——压电式(piezo)共轨系统，压电执行器代替了电磁阀，于是得到了更加精确的喷射控制。

没有了回油管，在结构上更简单。

压力从200～2000巴弹性调节。

最小喷射量可控制在0.5mm3，减小了烟度和NOX的排放。

“电控”是指喷油系统由电脑控制，ECU（俗称电脑）对每个喷油嘴的喷油量、喷油时刻进行精确控制，能使柴油机的燃油经济性和动力性达到最佳的平衡，而传统的柴油机则是由机械控制，控制精度无法得以保障。

“高压”是指喷油系统压力比传统柴油机要高出3倍，最高能达到200MPa（而传统柴油机喷油压力在60—70 MPa），压力大雾化好燃烧充分，从而提高了动力性，最终达到省油的目的。

“共轨”是通过公共供油管同时供给各个喷油嘴，喷油量经过ECU精确的计算，同时向各个喷油嘴提供同样质量、同样压力的燃油，使发动机运转更加平顺，从而优化柴油机综合性能。

而传统柴油发动机由各缸各自喷油，喷油量和压力不一致，运转不均匀，造成燃烧不平稳，噪音大，油耗高。

现在，国内制造的具备国际先进的电控高压共轨技术的柴油发动机采用了欧美柴油机的最新核心技术，明显优于传统增压柴油机。

它比传统增压柴油机燃烧效率提高8％、二氧化碳排放低10％、噪音下降15%，彻底改变了柴油机在人们心目中“噪音大、冒黑烟”的形象。

面临问题1，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0.8微米一下，偶件间隙在1.5－3.7微米之间，所以对柴油清洁度提出了很高的要求。