共軌柴油噴射系統

歐洲可以説是柴油車的天堂，在德國柴油轎車佔了39%。柴油轎車已有了近70年的歷史，而最近10年可以説柴油發動機有了突飛猛進的發展。在1997年，博世與奔馳公司聯合開發了共軌柴油噴射系統 (Common Rail System)。在歐洲，眾多品牌的轎車都配有共軌柴油發動機，如標緻公司就有HDI共軌柴油發動機，菲亞特公司的JTD發動機，而德爾福則開發了Multec DCR柴油共軌系統 ^[1]  。

共軌系統與之前以凸輪軸驅動的柴油噴射系統不同，共軌式柴油噴射系統將噴射壓力的產生和噴射過程彼此完全分開。電磁閥控制的噴油器替代了傳統的機械式噴油器，燃油軌中的燃油壓力由一個徑向柱塞式高壓泵產生，壓力大小與發動機的轉速無關，可在一定範圍內自由設定。共軌中的燃油壓力由一個電磁壓力調節閥控制，根據發動機的工作需要進行連續壓力調節。電控單元作用於噴油器電磁閥上的脈衝信號控制燃油的噴射過程。噴油量的大小取決於燃油軌中的油壓和電磁閥開啓時間的長短，及噴油嘴液體流動特性。

燃油噴射壓力是柴油發動機的重要指標，因為它聯繫着發動機的動力、油耗、排放等。共軌柴油噴射系統已將燃油噴射壓力提高到2600bar。

匹配直噴柴油發動機的轎車在歐洲得到了顯著發展，有着高效和出色的燃油經濟性，並降低了發動機噪音。直噴柴油發動機使用的是泵噴嘴系統，國內生產的1.9TDI寶來就應用這一系統，最高噴射壓力可達到1800巴。泵噴嘴直噴系統好雖好，但燃油壓力不能保持恆定，隨着排放控制的更加苛刻，就需要更高及恆定的柴油噴射壓力和更完善的電子控制，於是眾多製造商們就把優點更多的柴油共軌系統作為柴油發動機的發展方向。這一系統有很高的燃油壓力，並能提供彈性燃油分配控制，通過ECU靈活地控制燃油分配、燃油噴射時間、噴射壓力和噴射速率。通過對以上特性的控制，共軌已經使柴油機的響應性和駕駛舒適性達到了汽油發動機水平，同時它具有着顯著的燃油經濟性和低排放特性。

在發動機所有轉速範圍內保證高燃油壓力，高的噴射壓力可以在低轉速工況下獲得良好的燃燒特性，由凸輪軸驅動控制的軸向柱塞式分配泵的發動機，燃油系統壓力與發動機轉速呈線性關係，在發動機低轉速時形成燃油壓力不足，而共軌系統能夠在發動機的所有轉速範圍內獲得非常高的燃油壓力。靈活的電子控制系統對正時和噴射壓力的控制在發動機各種工況下都能夠獲得低排放和高效率。由於壓力的形成與噴射過程分離，使發動機設計人員在研究燃燒和噴油過程時獲得了更大的自由。可根據發動機工況的要求調節噴射壓力和噴射正時，使發動機在低速工況下也能實現完全燃燒，所以即使是在很低的轉速也能獲得大扭矩。預噴射技術的應用在降低排放和噪音方面取得了更大的進步 ^[1]  。

低壓油泵將柴油從油箱中吸出，經過過濾提供給高壓油泵，在低壓泵內有一電磁閥控制燃油到達高壓泵室，燃油進入管形蓄壓器—燃油軌道。在共軌上有壓力傳感器時時監測燃油壓力，並將這一信號傳遞給ECU，通過對電磁閥驅動電流的調節控制進入高壓泵的燃油油量，從而調節共軌內的燃油壓力達到希望值。噴射壓力根據發動機運轉條件的不同從200～1800bar，再通過電腦控制分別噴射到氣缸中，共軌不但保持了燃油壓力，還消除了壓力波動。

燃油噴射是很複雜的機械、液壓、電子系統聯合做業，要適應發動機各種工況下的工作環境，在燃燒之前燃油必須經過過濾和增壓，在準確的時間以一定的噴射速率噴射到每一個氣缸內。發動機電腦控制廢氣再循環、增壓、排氣後處理系統，以得到最佳的發動機特性和廢氣排放 ^[1]  。

噴油器的緊湊結構使得共軌系統即使對小排量4氣門發動機也是一個實用方案。在1999年年底誕生了裝配着3缸共軌柴油發動機的Smart，它的排量只有799mL，最大功率30kW，在1800～2800rpm時輸出最大扭矩100Nm。

在奔馳公司推出的E320上安裝了第二代共軌發動機，最大功率150kW，1000rpm時輸出扭矩250Nm，在1400rpm時即可得到峯值扭矩的85%，在1800～2600rpm的廣闊區域內實現500Nm的峯值扭矩。0～100km/h的加速時間只有7.7秒，最高車速243km/h。綜合油耗是6.9L/100km，80L的油箱使續航能力達到了1000km。而配有汽油機的E320的綜合油耗是9.9L/100km ^[1]  。

柴油共軌系統已開發了3代，它有着強大的技術潛力，第一代共軌高壓泵總是保持在最高壓力，導致能量的浪費和很高的燃油温度。第二代可根據發動機需求而改變輸出壓力，並具有預噴射和後噴射功能。預噴射降低了發動機噪音：在主噴射之前百萬分之一秒內少量的燃油被噴進了氣缸壓燃，預加熱燃燒室。預熱後的氣缸使主噴射後的壓燃更加容易，缸內的壓力和温度不再是突然地增加，有利於降低燃燒噪音。在膨脹過程中進行後噴射，產生二次燃燒，將缸內温度增加200～250℃，降低了排氣中的碳氫化合物。

由於其強大的技術潛力，各製造商已經把目光定在了共軌系統第3代——壓電式(piezo)共軌系統，壓電執行器代替了電磁閥，於是得到了更加精確的噴射控制。沒有了回油管，在結構上更簡單。壓力從200～2000巴彈性調節。最小噴射量可控制在0.5mm³，減小了煙度和NOX的排放 ^[1]  。

1.高壓共軌系統為保證高壓噴射，精確流量控制，其各組成部分的精度都非常高，偶件間隙控制相當嚴格，部分直線度在0.8微米以下，偶件間隙在1.5-3.7微米之間，所以對柴油清潔度提出了很高的要求。傳統的柴油濾清器只能過濾10微米以上的顆粒，3微米的顆粒過濾效率很差。高壓共軌系統要求濾清器提供95%的水分離效率和98.6%的3-5微米的顆粒過濾效率。滿足該性能要求的柴油濾清器均被國外公司壟斷，主機廠配套幾乎都是國外公司的進口產品或外資企業在國內的投資工廠生產，也有民族品牌進入主機配套，如蘇州工業園區的達菲特。這些企業的產品質量可靠，主要的有：外資企業：曼.胡（MH）、帕克(Parker)、費列加(Fleetguard)、博世(BOSCH)等；國產品牌有如達菲特（DIFITE）等。

2.高壓共軌系統部件成本昂貴，如果未按使用説明定期更換濾清器，會造成噴油器高壓泵損壞，維修成本相當昂貴。以一台重卡的噴油器體為例，大概需要1500元以上的費用 ^[1]  。