柴油共軌噴射發動機

衛東

柴油轎車已有了80年的歷史，而最近20年可以說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）。歐洲可以說是柴油車的天堂，今天在歐洲，眾多品牌的轎車都配有共軌柴油發動機，如標致公司就有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。可以說柴油共軌系統開辟了降低柴油發動機排放和噪音的新途徑。

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，可在一定范圍內自由設定。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。電控單元作用于噴油器電磁閥上的脈沖信號控制燃油的噴射過程。噴油量的大小取決于燃油軌中的油壓和電磁閥開啟時間的長短，及噴油嘴液體流動特性。

共軌柴油噴射系統與泵噴嘴系統相比具有更大優勢。燃油噴射壓力是柴油發動機的重要指標，因為它聯系著發動機的動力、油耗、排放等。10年前共軌柴油噴射系統得到了顯著發展，與泵噴嘴直噴系統相比有更高的燃油噴射壓力，并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。共軌已經使柴油機的響應性和駕駛舒適性達到了接近汽油發動機的水平，同時它具有著顯著的燃油經濟性和低排放特性。

共軌系統能夠在發動機的所有轉速范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。由于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。共軌系統可以保證發動機在所有轉速范圍內保持高燃油壓力，并且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。而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。

噴嘴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年年底誕生了裝配著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。對于這款最小排量的共軌柴油發動機來說，其優勢也是非常明顯的。

當年，安裝了第二代共軌燃油噴射系統的梅賽德斯-奔馳E320發動機，其最大功率150kW，在1000rpm時輸出扭矩250Nm，在1400rpm時即可得到峰值扭矩的85%，在 1800～2600rpm的廣闊區域內實現500Nm的峰值扭矩。0～100km/h的加速時間只有7.7s。綜合油耗是6.9L/100km，80L的油箱使續航能力達到了1000km。相比配有汽油機的E320的綜合油耗9.9L/100km來說，共軌噴射柴油發動機的燃油經濟性優勢明顯。

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溫度。第二代可根據發動機需求而改變輸出壓力，并具有預噴射和后噴射功能。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。預熱后的氣缸使主噴射后的壓燃更加容易，缸內的壓力和溫度不再是突然地增加，有利于降低燃燒噪音。在膨脹過程中進行后噴射，產生二次燃燒，將缸內溫度增加200～250℃，降低了排氣中的碳氫化合物。

由于其強大的技術潛力，今天各制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，于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200～2000bar實現了彈性調節，而其最小噴射量也實現了精確控制，減小了煙度和NOX的排放。可以說在今天的商用車市場上，柴油共軌噴射柴油發動機占據了主要市場，它有著強大的技術潛力。