電噴發動機高壓共軌知識講座

電控高壓共軌系統

一、概述

共軌系統由高壓泵、噴油管、高壓蓄壓器（共軌）、噴油器、電控單元和感測器及執行器組成。

共軌式噴油系統主要的貢獻就是將噴射壓力的產生和噴射過程彼此完全分開，通過對共軌管內的油壓實現精確控制，使高壓油管壓力大小與發動機的轉速基本無關。這一柴油發動機技術的創新最大限度地降低了柴油發動機車型的振動和噪聲，同時將油耗進一步降低，使排放更加清潔。但共軌技術的噴油壓力低於泵噴嘴系統，一般只能達到160MPa左右。由於噴油壓力調節寬泛，採用共軌技術的柴油車能更好地適應各種工況，起步也不會困難。

第一代共軌高壓泵總是保持在最高壓力，導致燃油的浪費和很高的燃油溫度。第一代共軌系統為商用車設計的，最高噴射壓力為140MPa，乘用車噴射壓力為135MPa。

第二代共軌系統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。帶有控制油量的油泵，噴射壓力能達到160MPa。即使在壓力較低的情況下，該系統也可以根據實際狀況提供適量的噴油壓力。不僅有助於降低燃油消耗，而且還可以降低燃油溫度，從而省去燃油冷卻裝置。預噴射降低了發動機噪聲：在主噴射之前百萬分之一秒內少量的燃油被噴進了汽缸壓燃，預熱燃燒室。預熱後的汽缸使主噴射後的壓燃更加容易，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，將缸內溫度增加200～250℃，降低了排氣中的碳氫化合物。

第三代共軌系統帶有壓電直列式噴油器。2003年，第三代共軌系統面世，壓電式（piezo）共軌系統的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。省去了回油管，在結構上更簡單。壓力從20～200MPa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。最高噴射壓力達到180MPa。此套採用新研發的壓電直列式噴油器的系統使帶預噴和後噴的噴油率曲線範圍更為自由。

與其它噴射系統相比，共軌系統把壓力產生與實際燃油噴射過程分離。“軌”被作為高壓蓄壓器，其內部燃油壓力始終保持與發動機具體工況相適應的最佳壓力。共軌系統可被輕易地安裝到各類不同的發動機中。除此之外，共軌系統還提供了更廣闊的擴充套件功能和在燃燒過程設計上更多大的自由度，它可以使柴油發動機以更低的排放、更好的燃油經濟性和低噪聲執行。電控共軌系統，是國內專家一致認為目前水平最高、將來會佔統治地位的一種電控系統。其噴油器的特殊設計，可實行靈活的多次噴射，且噴射壓力可在不同轉速和負荷條件下任意調節，給發動機帶來的好處是極為理想的指標。由於這些因素，電控共軌技術已普遍為新一代乘用車柴油發動機採用。

高壓共軌系統示意圖

二、共軌噴油系統主要特點

電控高壓共軌噴油系統與傳統的凸輪驅動的機械調節式噴油系統相比，其與柴油機匹配的靈活性要大得多，主要表現在以下幾個方面。

寬廣的應用領域（用於小型乘用車和輕型載重車，每缸功率可達30 kW；用於重型載重車、內燃機車和船舶，每缸功率可達200 kW左右）。

噴油壓力可達135MPa，甚至更高。

噴油始點可變。

可實現預噴射、主噴射和後噴射。

噴油壓力可隨柴油機運轉工況而變化。

三、共軌噴油系統的功能

⑴基本功能

其基本功能是在正確時刻以精確的數量和合適的壓力控制燃油的噴射，從而保證柴油機的平穩執行，並獲得低燃油消耗、廢氣排放和運轉噪聲。

⑵附加功能

附加的控制和調節功能用於減少廢氣排放和燃油消耗，或提高安全性和舒適性。例如用來實現廢氣再迴圈(EGR)、增壓壓力調節、車速控制和電子防盜鎖等。

普通噴油系統的噴油特性：

在普通的噴油系統，例如分配泵和直列泵中，只有主噴射而沒有預噴射和後噴射，而在電磁閥控制的分配泵中僅可實現預噴射。普通噴油系統中壓力的產生和噴油量的計量是通過凸輪和供油柱塞來實現的。這種方法對噴油特性來講，會產生下列現象：

⑴噴油壓力隨轉速和噴油量的增加而升高；

⑵噴油過程中噴油壓力上升，但到噴油終了時又降低到噴油嘴關閉壓力。

因此，會產生下列結果：⑴小噴油量時的噴油壓力較低；⑵峰值噴油壓力是平均噴油壓力的兩倍以上；

⑶噴油過程曲線近似於三角形，這有利於燃燒完善。

峰值噴油壓力對噴油泵及其驅動裝置構件承受的負荷具有決定性的影響。對普通噴油系統而言，它是燃燒室中混合氣形成品質好壞的評價尺度。

四、噴油特性

噴油特性

共軌噴油系統的噴油特性：

對理想的噴油特性，除了普通噴油特性的要求之外，還有下列要求：

⑴對發動機的任何一個工況點，噴油壓力和噴油量的確定都可以是互為獨立的。

⑵噴油開始初期（即在噴油開始到燃燒開始之間的點火延遲期內）的噴油量應儘可能小。

帶有預噴射和主噴射的共軌噴油系統可滿足上述要求

燃油噴射的型式

1、預噴射

預噴射可在上止點前40°內進行。如果預噴射的噴油始點早於上止點前40°曲軸轉角，則燃油可能噴到活塞頂面和汽缸壁上使潤滑油稀釋到不允許的程度。預噴射時，少量燃油（1～4 mm3）噴入汽缸，促使燃燒室產生“預調節”，從而改善燃燒效率。壓縮壓力由於預反應或區域性燃燒而略有提高，因此縮短了主噴油量的著火延遲期，降低了燃燒壓力上升幅度和燃燒壓力峰值，燃燒較為柔和。這種效果減小了燃燒噪聲和燃油耗，許多情況下還降低了排放。

在無預噴射時的壓力特性曲線（如圖5所示）中，在上止點前的範圍內，壓力上升尚較平緩，但隨著燃燒的開始壓力迅速上升，達到壓力最大值時，形成一個較陡的尖峰。壓力上升幅度的增加和尖峰導致柴油機的燃燒噪聲明顯提高。而在有預噴射的壓力特性曲線（如圖6所示）中，在上止點前範圍內，壓力值略高，但燃燒壓力的上升變緩。

預噴射間接地通過縮短著火延遲期而有助於發動機扭矩的增加。根據主噴射始點和預噴射與主噴射之間的時間間隔的不同，燃油耗降低或增加。

燃油噴射的型式

2、主噴射

主噴射提供了發動機輸出功率所需的能量，從而基本上決定了發動機的扭矩。在共軌噴油系統中，整個噴油過程的噴油壓力近似恆定不變。

3、後噴射

對於那些催化NOx的催化器而言，後噴射的燃油充當還原劑，用於還原NOx。它在主噴射之後的做功行程或排氣行程中進行，其範圍一般在上止點後200°內。

與預噴射和主噴射不同，後噴射的燃油在汽缸中不會燃燒，而是在廢氣中剩餘熱量的作用下蒸發，帶入NOx催化器中作為NOx的還原劑，以降低廢氣中NOx的含量。

過遲的後噴射會導致燃油稀釋發動機的潤滑油，其噴射範圍要由發動機製造廠家通過試驗來確定。

五、燃油系統

柴油機電控高壓共軌噴油系統由低壓供油部分和高壓供油部分組成。

1.低壓供油部分

共軌噴油系統的低壓供油部分包括:燃油箱（帶有濾網）、輸油泵、燃油濾清器及低壓油管。

⑴燃油箱

⑵低壓油管

低壓供油部分,除採用鋼管外還可使用阻燃的包有鋼絲編織層的柔性管。油管的佈置必須能夠避免機械損傷，並且在其上滴落的燃油既不能聚積，也不會被引燃。

⑶輸油泵

輸油泵是一種帶有濾網的電動泵或齒輪泵,它將燃油從燃油箱中吸出,將所需的燃油連續供給高壓泵。

⑷濾清器

燃油濾清器將進入高壓泵前的燃油濾清淨化,從而防止高壓泵、出油閥和噴油器等精密件過早磨損和損壞。

燃油系統—低壓

2.高壓供油部分

共軌噴油系統的高壓供油部分包括：帶調壓閥的高壓泵、高壓油管、作為高壓儲存器的共軌（帶有共軌壓力感測器）、限壓閥和流量限制器、噴油器、回油管。

⑴高壓泵

高壓泵將燃油壓送到共軌的壓力為135MPa,高壓燃油經高壓油管進入類似管狀的共軌中。

⑵共軌

在共軌中燃油仍保持其壓力,即使噴油器噴油時,由於燃油的彈性而產生蓄壓作用，燃油壓力基本保持不便。燃油壓力由共軌壓力感測器測定，通過調壓閥調節到規定數值。限壓閥的任務是將共軌中的燃油壓力限制在150MPa以內。

⑶噴油器

當高壓燃油在噴油器中被電子控制的電磁閥釋放時，噴油嘴開啟，將燃油直接噴入發動機燃燒室。

⑷高壓油管

高壓燃油油管必須能夠經受噴油系統的最大壓力和噴油間歇時的區域性高頻壓力波動。該油管是由鋼管制成,通常外徑為6mm，內徑為2.4mm。

各缸的高壓油管長度是完全相同的，共軌與各缸噴油器之間的不同間距是通過各缸高壓油管的彎曲程度進行長度補償的，但油管長度應儘可能短一些。

燃油系統---高壓

六、元件結構和功能

1.低壓部分

低壓部分向高壓部分提供足夠的燃油,其主要組成部件如圖8所示。

⑴輸油泵

輸油泵的任務是在任何工況下，為燃油提供所需的壓力，並在整個使用壽命期內，向高壓泵提供足夠的燃油。

目前輸油泵有2種類型，即電動輸油泵（滾子葉片泵）和機械驅動的齒輪泵。

⑵燃油濾清器

六、元件結構和功能

2.高壓部分

高壓部分除了產生高壓力的元件外,還有燃油分配和計量元件

⑴高壓泵（徑向柱塞泵）

A作用 ：高壓泵位於低壓部分和高壓部分之間，它的任務是在車輛所有工作範圍和整個使用壽命期間，在共軌中持續產生符合系統壓力要求的高壓燃油，以及快速啟動過程和共軌中壓力迅速升高時所需的燃油儲備。

B結構

高壓泵通常像普通分配泵那樣裝在柴油機上，以齒輪、鏈條或齒形皮帶連線在發動機上，最高轉速為3000r/min，依靠燃油潤滑。因為安裝空間大小的不同，調壓閥通常直接裝在高壓泵旁，或固定在共軌上。

高壓泵示意圖

調壓閥結構示意圖

作用共軌的任務是儲存高壓燃油,高壓泵的供油和噴油所產生的力波動由共軌的容積進行緩衝。在輸出較大燃油量時，所有汽缸共用的共軌壓力也應保持恆定，從而確保噴油器開啟時噴油壓力不變。

共軌壓力感測器示意圖

限壓閥的作用相當於安全閥，它限制共軌中的壓力，當壓力過高時開啟放油孔卸壓。共軌內允許的短時最高壓力為150MPa。外殼在通往共軌的連線端有一個孔，此孔被外殼內部密封面上的錐形活塞頭部關閉。在標準工作壓力（135MPa）下，彈簧將活塞緊壓在座面上，共軌呈關閉狀態。只有當超過系統最大壓力時，活塞才受共軌中壓力的作用而壓縮，於是處於高壓下的燃油流出。燃油經過通道流入活塞中央的孔，然後經回油管流回油箱。隨著閥的開啟，燃油從共軌中流出，結果降低了共軌中的壓力

共軌噴油器示意圖