柴油共轨喷射发动机

卫东

柴油轿车已有了80年的历史，而最近20年可以说柴油发动机有了突飞猛进的发展。在1997年，博世与奔驰公司联合开发了共轨柴油喷射系统 （Common Rail System）。欧洲可以说是柴油车的天堂，今天在欧洲，众多品牌的轿车都配有共轨柴油发动机，如标致公司就有HDI共轨柴油发动机，菲亚特公司的JTD发动机，而德尔福则开发了Multec DCR柴油共轨系统。可以说柴油共轨系统开辟了降低柴油发动机排放和噪音的新途径。

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。

共轨柴油喷射系统与泵喷嘴系统相比具有更大优势。燃油喷射压力是柴油发动机的重要指标，因为它联系着发动机的动力、油耗、排放等。10年前共轨柴油喷射系统得到了显著发展，与泵喷嘴直喷系统相比有更高的燃油喷射压力，并能提供弹性燃油分配控制，通过ECU灵活地控制燃油分配、燃油喷射时间、喷射压力和喷射速率。共轨已经使柴油机的响应性和驾驶舒适性达到了接近汽油发动机的水平，同时它具有着显著的燃油经济性和低排放特性。

共轨系统能够在发动机的所有转速范围内获得非常高的燃油压力。灵活的电子控制系统对正时和喷射压力的控制在发动机各种工况下都能够获得低排放和高效率。由于压力的形成与喷射过程分离，使发动机设计人员在研究燃烧和喷油过程时获得了更大的自由。共轨系统可以保证发动机在所有转速范围内保持高燃油压力，并且可根据发动机工况的要求调节喷射压力和喷射正时，使发动机在低速工况下也能实现完全燃烧，所以即使是在很低的转速也能获得大扭矩。而预喷射技术的应用在降低排放和噪音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。对于这款最小排量的共轨柴油发动机来说，其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。

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，缸內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200～2000bar实现了弹性调节，而其最小喷射量也实现了精确控制，减小了烟度和NOX的排放。可以说在今天的商用车市场上，柴油共轨喷射柴油发动机占据了主要市场，它有着强大的技术潜力。