柴油共轨喷射发动机

韦东

柴油车已经有80年的历史了，最近20年，可以说柴油机有了突飞猛进的发展。1997年，博世和奔驰联合开发了共轨柴油喷射系统。欧洲可以说是柴油车的天堂。如今，欧洲许多品牌的汽车都配备了共轨柴油发动机，如标致的HDI共轨柴油发动机和菲亚特的JTD发动机，而德尔福则开发了Multec DCR柴油共轨系统。可以说，柴油机共轨系统开辟了降低柴油机排放和噪声的新途径。

共轨系统与之前以凸轮轴驱动的柴油喷射系统不同，共轨式柴油喷射系统将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开。电磁阀控制的喷油器替代了传统的机械式喷油器，燃油轨中的燃油压力由一个径向柱塞式高压泵产生，压力大小与发动机的转速无关，可在一定范围内自由设定。共轨中的燃油压力由一个电磁压力调节阀控制，根据发动机的工作需要进行连续压力调节。电控单元作用于喷油器电磁阀上的脉冲信号控制燃油的喷射过程。喷油量的大小取决于燃油轨中的油压和电磁阀开启时间的长短，及喷油嘴液体流动特性。共轨系统不同于以前凸轮轴驱动的柴油喷射系统。共轨柴油喷射系统将喷射压力的产生与喷射过程完全分开。电磁阀控制的喷油器取代了传统的机械式喷油器，油轨中的燃油压力由径向柱塞式高压泵产生。压力与发动机转速无关，可以在一定范围内自由设定。共轨中的燃油压力由电磁调压阀控制，根据发动机的工作要求连续调节压力。作用于喷油器电磁阀的电子控制单元的脉冲信号控制燃油喷射过程。喷射的燃油量取决于燃油轨中的油压、电磁阀的开启时间和喷油器的液体流动特性。

共轨柴油喷射系统比泵喷嘴系统有更多的优点。喷油压力是柴油机的一个重要指标，因为它关系到发动机的功率、油耗、排放等。十年前，共轨柴油喷射系统有了显著发展。与泵喷嘴直接喷射系统相比，它具有更高的燃油喷射压力，并能提供灵活的燃油分配控制。ECU可以灵活地控制燃油分配、燃油喷射时间、喷射压力和喷射率。共轨使柴油机的响应性和驾驶舒适性接近汽油机，并且具有显著的燃油经济性和低排放特性。

共轨系统可以在所有发动机转速范围内获得非常高的燃油压力。灵活的电子控制系统控制正时和喷射压力，可以在各种发动机工况下实现低排放和高效率。由于压力形成与喷射过程分离，发动机设计者有更多的自由来研究燃烧和喷射过程。共轨系统能保证发动机在所有转速范围内保持较高的燃油压力，并能根据发动机工况的要求调节喷射压力和喷射正时，使发动机在低速时实现完全燃烧，因此即使在很低的转速下也能获得较大的扭矩。预喷射技术的应用在降低排放和噪声方面取得了更大的进步。

喷嘴的紧凑结构使得共轨系统即使对于小排量4气门发动机也是一种实用的方案。1999年底，搭载3缸共轨柴油发动机的Smart诞生了。它的排量只有799mL，最大功率30kW，1800 ~ 2800转最大扭矩100Nm。对于这种最小排量的共轨柴油机来说，它的优势也是非常明显的。

当年，安装了第二代共轨燃油喷射系统的梅赛德斯-奔驰E320发动机，其最大功率150kW，在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7.7s。综合油耗是6.9L/100km，80L的油箱使续航能力达到了1000km。相比配有汽油机的E320的综合油耗9.9L/100km来说，共轨喷射柴油发动机的燃油经济性优势明显。当时搭载第二代共轨燃油喷射系统的奔驰E320发动机，最大功率150kW，1000转输出扭矩250Nm，1400转峰值扭矩的85%，1800 ~ 2600转宽范围内峰值扭矩500Nm。0 ~ 100 km/h加速时间仅7.7s s，综合油耗6.9L/100km，80L油箱让续航达到1000km。与E320搭载9.9L/100km汽油机的综合油耗相比，共轨喷射柴油机在燃油经济性上优势明显。

第一代共轨高压泵始终保持最高压力，造成能源浪费和燃油温度高。第二代可以根据发动机需求改变输出压力，具有预喷射和后喷射功能。预喷降低发动机噪音:在主喷之前的百万分之一秒内，将少量燃油喷入气缸进行压燃和燃烧室预热。预热缸使主喷后的压缩燃烧更容易，缸内压力和温度不再突然升高，有利于降低燃烧噪声。膨胀过程中的后喷产生二次燃烧，使缸内温度提高200 ~ 250℃，减少了废气中的碳氢化合物。

由于其强大的技术潜力，今天，制造商们已经把目光投向了第三代共轨系统——压电共轨系统。压电致动器取代了电磁阀，因此获得了更精确的喷射控制。没有回油管，结构更简单。压力在200 ~ 200 ~ 2000 bar之间弹性调节，精确控制最小喷射量，降低了烟度和NOX排放。可以说，在当今的商用车市场上，柴油共轨喷射柴油机占据了主要市场，它具有很强的技术潜力。