本文將介紹日本電裝公司的ECD-U2共軌噴油系統和博世公司的共軌噴油系統，并闡述共軌噴油技術(shù)的發(fā)展趨勢。
柴油機共軌噴油系統有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是有一個(gè)共同的高壓燃油蓄勢器，稱(chēng)為共軌。高壓供油泵只負責向這個(gè)蓄勢器提供高壓燃油，不負責控制燃油定量和噴油定時(shí)。管理燃油壓力和向各個(gè)氣缸輸送燃油的任務(wù)通過(guò)共軌完成。這樣，燃油噴射過(guò)程可以不受壓力產(chǎn)生和燃油輸送過(guò)程的牽制；燃油定量控制和噴油定時(shí)控制可以更為靈活和自由。
相對于其他燃油噴射系統，共軌燃油噴射系統有如下特點(diǎn)：在燃油定量和噴油定時(shí)方面實(shí)行全電子的和柔性的控制；噴油規律曲線(xiàn)形狀可以比較自由地調整；優(yōu)化的、已可達到1800bar的噴油壓力（僅次于博世公司的泵噴嘴和泵管嘴）控制；能實(shí)現每個(gè)工作循環(huán)多達七次的燃油噴射；高度的緊湊性和較低的高壓油泵驅動(dòng)扭矩。
日本電裝公司的ECD-U2共軌噴油系統
日本電裝（Denso）公司率先在上世紀九十年代初推出了名為ECD-U2的共軌燃油噴射系統。ECD-U2共軌噴油系統由高壓供油泵、共軌、噴油器以及控制這些部件的電子控制單元和各種傳感器等組成（如圖1）。系統利用泵控制閥改變高壓供油泵的燃油出油量來(lái)控制共軌壓力，共軌壓根據發(fā)動(dòng)機負荷和轉速確定的數值而調節。泵控制閥與燃油壓力傳感器相結合進(jìn)行共軌壓力的閉環(huán)控制。
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噴油器的工作原理
共軌壓力長(cháng)期施加在噴油器針閥的底面上。只有在噴油器不通電時(shí)才施加在針閥的背面上。當噴油器不通電的時(shí)候，三通閥使單向孔板上面的空腔與共軌連通，高壓燃油通過(guò)單向孔板流入控制腔（液壓柱塞的上方），通過(guò)液壓柱塞對針閥施加向下的壓力，跟回位彈簧的作用力一起克服針閥下方燃油壓力，使針閥關(guān)閉。在這個(gè)過(guò)程中，單向孔板沒(méi)有節流作用。
當ECU發(fā)出噴油脈沖時(shí)，三通閥使單向孔板上面的空腔與回油管連通，燃油流到回油管去，充滿(mǎn)在這個(gè)空腔里的高壓燃油壓力立刻下降到大氣壓力。由于單向孔板節流，其下面控制腔中的壓力只能緩慢地下降，噴油器針閥逐漸地升起，造成所謂的德?tīng)査停ㄈ切停﹪娪鸵幝桑@種噴油規律對氣缸內的燃燒十分有利。
當由電子控制單元控制的噴油持續時(shí)間過(guò)去之后，噴油器斷電，三通閥恢復到它的初始狀態(tài)。此時(shí)，來(lái)自共軌的高壓燃油通過(guò)三通閥和單向孔板流入控制腔，使控制腔迅速地達到共軌壓力,令針閥很快關(guān)閉，噴油很快被切斷。
由此可見(jiàn)，噴油嘴的開(kāi)啟和關(guān)閉完全由噴油器控制腔中的壓力和共軌壓力的差值決定。改變施加在三通閥上的電脈沖寬度，可以控制噴油量；改變施加在三通閥上的電脈沖發(fā)生的時(shí)刻，可以控制噴油定時(shí)。因為ECD-U2共軌噴射系統是一個(gè)全電子控制的、完善的壓力-時(shí)間燃油定量控制系統，所以沒(méi)有傳統燃油噴射系統固有的問(wèn)題，如：由于噴油系統內的壓力傳播而產(chǎn)生難以控制的或者不能控制的工況區域；由于調速器控制能力不足而引起低速下控制效能不良。
三種形狀的噴油規律
ECD-U2共軌噴射系統的噴油規律可以控制成三種的形狀，即德?tīng)査停ㄈ切停⒀バ秃皖A噴型：
? 德?tīng)査停ㄈ切停﹪娪吐市褪剑簢娪吐手饾u上升并迅速截止的型式
? 預噴型式：在主噴之前實(shí)施一次小油量的預噴的型式
? 靴型噴油率型式：預噴跟主噴連在一起，形成一種靴子形狀的噴油率型式
其中**有意義的是預噴。預噴是通過(guò)在主噴脈沖之前提供一個(gè)小小的預噴脈沖，因此三通閥在每次噴油中都開(kāi)啟兩次。預噴量小到1立方毫米/沖程。預噴和主噴的間隔時(shí)間已經(jīng)可以縮小到0.1毫秒。預噴可以減少在滯燃期內形成的可燃混合氣，進(jìn)而有效地降低柴油機的燃燒噪聲。
高壓供油泵的控制策略
高壓供油泵的功能是控制出油量以產(chǎn)生高壓燃油。它采用便于產(chǎn)生高壓的凸輪驅動(dòng)機構（見(jiàn)圖1）。泵控制閥關(guān)閉后柱塞的升程當量決定了出油量。通過(guò)對泵控制閥關(guān)閉時(shí)刻的控制，或者通過(guò)對凸輪預升程的控制來(lái)控制出油量，燃油在沒(méi)有經(jīng)過(guò)壓縮的狀況下進(jìn)行回油并定量，從而減少了高壓回油。因此，泵驅動(dòng)扭矩明顯地下降了。**大驅動(dòng)扭矩只有直列泵的三分之一。
博世（BOSCH）公司的共軌噴油系統
世界性大公司研究開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的共軌噴油系統，其基本原理大同小異，但在一些關(guān)鍵零部件的設計上則各有特色。BOSCH公司對共軌噴油技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)1997年才起步，但是發(fā)展迅速，現在已經(jīng)發(fā)展到了第四代，累計已經(jīng)生產(chǎn)出了大約1500萬(wàn)套共軌燃油噴射系統。
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圖2所示為BOSCH公司共軌噴油系統的高壓部分。這個(gè)系統的特點(diǎn)是，增加了限壓閥和限流器。其中：1）壓力控制閥使燃油壓力保持恒定，壓力控制有兩條控制環(huán)路：一條慢響應的電氣控制環(huán)路，用于設定共軌中變動(dòng)著(zhù)的平均壓力；一條快響應的機械控制環(huán)路，用于補償高頻壓力脈動(dòng)。2）共軌壓力傳感器的特點(diǎn)是，產(chǎn)生的信號由安裝在傳感器內部的運算電路放大后送往ECU。如果共軌壓力傳感器發(fā)生故障，那幺壓力控制閥就被觸發(fā)成“關(guān)閉”狀態(tài)，同時(shí)起動(dòng)緊急（跛行回家）功能，采用固定值。3）限壓閥起泄壓作用，它將**大共軌壓力限制在一個(gè)確定的數值，例如1500bar。4）共軌通往每一個(gè)噴油器的出口處都裝設了一個(gè)限流器，限流器的另一頭擰入噴油管。在某一個(gè)噴油器中發(fā)生永 久開(kāi)啟的非常不尋常的情況下，限流器可防止連續地噴油。
噴油器與日本電裝公司共軌噴油器的設計原理差不多，也是以電控制液，用液控制噴油嘴針閥，但是具體構造有所不同（見(jiàn)圖3）。該噴油器可以分成若干個(gè)功能模塊：孔式噴油嘴；液壓伺服系統；電磁閥。
控制腔(8)通過(guò)一個(gè)由噴油器的電磁閥開(kāi)啟的泄油孔(6)與回油管(1)相連通。當電磁閥不通電，泄油孔封閉，在閥控制柱塞(9)上的液壓力超過(guò)施加在噴油嘴針閥壓力臺肩(11)上的液壓力，針閥被壓到針閥座上，使高壓通道保持對燃燒室的密封。當電磁閥被觸發(fā)時(shí)，泄油孔開(kāi)啟，控制腔內的壓力降低，柱塞上的液壓力也降低。一旦這個(gè)液壓力降低到低于作用在噴油嘴針閥臺肩上的力，噴油嘴針閥就將開(kāi)啟。
共軌噴油技術(shù)的發(fā)展趨勢
隨著(zhù)排放法規和燃油經(jīng)濟性的要求不斷**，對柴油機的要求也越來(lái)越高，首當其沖的是柴油噴射技術(shù)。首先，為了降低燃燒噪聲，要求預噴；為了使燃油燃燒充分、從氣缸內降低排放和使微粒物捕集器得到再生，要求在主噴之后進(jìn)行補噴。為了使燃油霧化得好，就要增加噴油孔的數目，縮小噴油孔的直徑，但這會(huì )導致噴油速率的下降。如要保證足夠的噴油速率，就要**噴油壓力。而為了實(shí)現多次噴射，就要改善噴油系統的響應特性。這些要求決定了共軌噴油技術(shù)的發(fā)展方向。
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1)**噴油壓力
早期的共軌噴油壓力不超過(guò)800至1000bar。BOSCH公司**代共軌系統的噴油壓力只有1350bar，第二代達到1600bar，第三代已經(jīng)達到1800bar，第四代將增大到2200bar的噴油壓力。因為泵噴嘴和泵管嘴系統2050bar的噴油壓力收到了良好的效果。一般認為，柴油機噴油壓力越高，則燃油經(jīng)濟性和排放越好。
2)壓電式噴油器
在中低轉速范圍內，噴射的機動(dòng)靈活性特別重要，**理想的情況是，在2500r/min以下的轉速范圍每個(gè)工作循環(huán)噴射達5次，在中等轉速范圍內每個(gè)工作循環(huán)噴射兩次或者三次，在標定轉速每個(gè)工作循環(huán)噴射一次。前面介紹過(guò)的電磁閥共軌噴油器無(wú)法滿(mǎn)足這樣的要求。西門(mén)子VDO公司開(kāi)發(fā)了能夠非常機動(dòng)靈活地實(shí)現多重噴射的、機電一體化的壓電式共軌噴油器，并且已經(jīng)實(shí)現了商品化，見(jiàn)圖4。
壓電式執行元件像一個(gè)在電壓下立即就能充電的電容器，其關(guān)鍵元件是陶瓷壓電薄膜，它在加上電壓以后的0.1ms以?xún)染蜁?huì )發(fā)生晶體晶格的畸變。為了使執行器達到足夠的位移（行程），必須將許多層陶瓷薄膜燒結成一塊長(cháng)方六面體。噴油器內30mm長(cháng)的執行器由300多層薄膜組成，每層的厚度只有80μm。壓電元件加上電壓后會(huì )膨脹大約40μm，通過(guò)杠桿比為1:1.5的杠桿，使得控制腔回油通道中的閥開(kāi)啟。于是，控制腔內的壓力下降，噴油嘴針閥開(kāi)啟。
與電磁閥相比，壓電執行器具有：沒(méi)有滯后時(shí)間；切換十分迅速而且**；可重現性非常好；沒(méi)有因設計造成的、以氣隙之類(lèi)的形式出現的偏差；壽命長(cháng)，工作非常穩定等優(yōu)點(diǎn)。壓電式共軌噴油器推出之后，立即受到各大公司的推崇。奧迪A8柴油轎車(chē)已經(jīng)采用了這一系統。
德國漢諾威大學(xué)的工程燃燒研究所不久前研究開(kāi)發(fā)了采用壓電噴油器的柔性噴射系統，見(jiàn)圖5。該系統的噴油器通過(guò)對針閥實(shí)施直接控制而為噴油規律曲線(xiàn)形狀的優(yōu)化提供了更大的自由度。這種噴油器具有決定性意義的優(yōu)點(diǎn)是，噴油嘴針閥的升程和速度可以自由地選擇。
3)多孔式噴油嘴
BOSCH公司**代共軌噴油嘴的直徑為0.2mm，第二代為0.14mm，第三代則為0.11-0.13mm。孔數則相應地分別為**代4個(gè)，第二代以上至少6個(gè)。
特別值得一提的是，噴油孔做成內端大、外端小的錐形，可**出口的噴射速度。而且普遍借助液體磨蝕（HE）工藝將噴油孔的入口邊倒圓，其目的是：事先**燃油中的磨粒對噴油孔棱邊進(jìn)行磨蝕的機會(huì )，和/或縮小流量公差。
共軌技術(shù)在中國發(fā)展的兩點(diǎn)建議
泵噴嘴/泵管嘴系統的**大優(yōu)點(diǎn)在于噴油壓力高，對燃油經(jīng)濟性和排放有積極影響，但是價(jià)格過(guò)高，而且氣缸蓋的設計改動(dòng)比較大。中國可以跨過(guò)直列泵和分配泵的柴油機電子控制時(shí)代，直接進(jìn)入共軌時(shí)代。這樣可以避免投資的大量浪費。
在此，就共軌噴射系統在中國的發(fā)展提出兩點(diǎn)建議。**，國 家必須在制定環(huán)保法規的同時(shí)，制定針對燃油質(zhì)量的強制性法規。以目前質(zhì)量低劣的柴油，根本無(wú)法適應電子控制共軌噴射系統的要求。第二，國 家應當引導、組織和扶植國內企業(yè)對共軌燃油噴射系統的研究和開(kāi)發(fā)。共軌系統所需之關(guān)鍵零部件或許可以進(jìn)口，但是共軌系統成套供應，特別是研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售電子控制單元及一些傳感器和執行器的機會(huì )千萬(wàn)不要拱手讓給外人。
