電控柴油機(jī)控制策略高壓共軌技術(shù)

共軌系統(tǒng)將燃油壓力產(chǎn)生和燃油噴射分離開來，如果把單體泵柴油噴射技術(shù)比做柴油技術(shù)的革命的話，那共軌就可以稱作反叛了，因?yàn)樗畴x了傳統(tǒng)的柴油系統(tǒng)而近似于順序汽油噴射系統(tǒng)。共軌系統(tǒng)開辟了降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放和噪音的新途徑

歐洲可以說是柴油車的天堂，在德國柴油轎車占了39%。柴油轎車已有了近70年的歷史，而最近10年可以說柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在1997年，博世與奔馳公司聯(lián)合開發(fā)了共軌柴油噴射系統(tǒng) (Common Rail System)。今天在歐洲，眾多品牌的轎車都配有共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，如標(biāo)致公司就有HDI共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，菲亞特公司的JTD發(fā)動(dòng)機(jī)，而德爾福則開發(fā)了Multec DCR柴油共軌系統(tǒng)。

共軌系統(tǒng)與之前以凸輪軸驅(qū)動(dòng)的柴油噴射系統(tǒng)不同，共軌式柴油噴射系統(tǒng)將噴射壓力的產(chǎn)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(tǒng)的機(jī)械式噴油器，燃油軌中的燃油壓力由一個(gè)徑向柱塞式高壓泵產(chǎn)生，壓力大小與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，可在一定范圍內(nèi)自由設(shè)定。共軌中的燃油壓力由一個(gè)電磁壓力調(diào)節(jié)閥控制，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作需要進(jìn)行連續(xù)壓力調(diào)節(jié)。電控單元作用于噴油器電磁閥上的脈沖信號(hào)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(shí)間的長(zhǎng)短，及噴油嘴液體流動(dòng)特性。

燃油噴射壓力是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的重要指標(biāo)，因?yàn)樗?lián)系著發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力、油耗、排放等。共軌柴油噴射系統(tǒng)已將燃油噴射壓力提高到1800巴

最近2年，匹配直噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的轎車在歐洲得到了顯著發(fā)展，有著高效和出色的燃油經(jīng)濟(jì)性，并降低了發(fā)動(dòng)機(jī)噪音。直噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)使用的是泵噴嘴系統(tǒng)，國內(nèi)生產(chǎn)的1.9TDI寶來就應(yīng)用這一系統(tǒng)，最高噴射壓力可達(dá)到1800巴。泵噴嘴直噴系統(tǒng)好雖好，但燃油壓力不能保持恒定，隨著排放控制的更加苛刻，就需要更高及恒定的柴油噴射壓力和更完善的電子控制，于是眾多制造商們就把優(yōu)點(diǎn)更多的柴油共軌系統(tǒng)作為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向。這一系統(tǒng)有很高的燃油壓力，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(shí)間、噴射壓力和噴射速率。通過對(duì)以上特性的控制，共軌已經(jīng)使柴油機(jī)的響應(yīng)性和駕駛舒適性達(dá)到了汽油發(fā)動(dòng)機(jī)水平，同時(shí)它具有著顯著的燃油經(jīng)濟(jì)性和低排放特性。

在發(fā)動(dòng)機(jī)所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保證高燃油壓力，高的噴射壓力可以在低轉(zhuǎn)速工況下獲得良好的燃燒特性

由凸輪軸驅(qū)動(dòng)控制的軸向柱塞式分配泵的發(fā)動(dòng)機(jī)，燃油系統(tǒng)壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系，在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)形成燃油壓力不足，而共軌系統(tǒng)能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)的所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)獲得非常高的燃油壓力。靈活的電子控制系統(tǒng)對(duì)正時(shí)和噴射壓力的控制在發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)人員在研究燃燒和噴油過程時(shí)獲得了更大的自由。可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的要求調(diào)節(jié)噴射壓力和噴射正時(shí)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在低速工況下也能實(shí)現(xiàn)完全燃燒，所以即使是在很低的轉(zhuǎn)速也能獲得大扭矩。預(yù)噴射技術(shù)的應(yīng)用在降低排放和噪音方面取得了更大的進(jìn)步。

高壓共軌(Common Rail)電噴技術(shù)是指在高壓油泵、壓力傳感器和電子控制單元(ECU)組成的閉環(huán)系統(tǒng)中，將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程彼此完全分開的一種供油方式。它是由高壓油泵將高壓燃油輸送到公共供油管(Rail)，通過公共供油管內(nèi)的油壓實(shí)現(xiàn)精確控制，使高壓油管壓力(Pressure)大小與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，可以大幅度減小柴油機(jī)供油壓力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的程度.

共軌技術(shù)是指高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環(huán)系統(tǒng)中，將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程彼此完全分開的一種供油方式，由高壓油泵把高壓燃油輸送到公共供油管，通過對(duì)公共供油管內(nèi)的油壓實(shí)現(xiàn)精確控制，使高壓油管壓力大小與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，可以大幅度減小柴油機(jī)供油壓力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，因此也就減少了傳統(tǒng)柴油機(jī)的缺陷。ECU控制噴油器的噴油量，噴油量大小取決于燃油軌（公共供油管）壓力和電磁閥開啟時(shí)間的長(zhǎng)短。

低壓油泵將柴油從油箱中吸出，經(jīng)過過濾提供給高壓油泵，在低壓泵內(nèi)有一電磁閥控制燃油到達(dá)高壓泵室，燃油進(jìn)入管形蓄壓器—燃油軌道。在共軌上有壓力傳感器時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃油壓力，并將這一信號(hào)傳遞給ECU，通過對(duì)流量的調(diào)節(jié)控制共軌內(nèi)的燃油壓力達(dá)到希望值。噴射壓力根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件的不同從200～1800巴，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(dòng)。

燃油噴射是很復(fù)雜的機(jī)械、液壓、電子系統(tǒng)聯(lián)合做業(yè)，要適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況下的工作環(huán)境，在燃燒之前燃油必須經(jīng)過過濾和增壓，在準(zhǔn)確的時(shí)間以一定的噴射速率噴射到每一個(gè)氣缸內(nèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)電腦控制廢氣再循環(huán)、增壓、排氣后處理系統(tǒng)，以得到最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)特性和廢氣排放。

噴油器的緊湊結(jié)構(gòu)使得共軌系統(tǒng)即使對(duì)小排量4氣門發(fā)動(dòng)機(jī)也是一個(gè)實(shí)用方案。在1999年年底誕生了裝配著3缸共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的Smart，它的排量只有799mL，最大功率30kW，在1800～2800rpm時(shí)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(fā)動(dòng)機(jī)，最大功率150kW，1000rpm時(shí)輸出扭矩250Nm，在1400rpm時(shí)即可得到峰值扭矩的85%，在1800～2600rpm的廣闊區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)500Nm的峰值扭矩。0～100km/h的加速時(shí)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(xù)航能力達(dá)到了1000km。而配有汽油機(jī)的E320的綜合油耗是9.9L/100km。

柴油共軌系統(tǒng)已開發(fā)了3代，它有著強(qiáng)大的技術(shù)潛力

第一代共軌高壓泵總是保持在最高壓力，導(dǎo)致能量的浪費(fèi)和很高的燃油溫度。第二代可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)需求而改變輸出壓力，并具有預(yù)噴射和后噴射功能。預(yù)噴射降低了發(fā)動(dòng)機(jī)噪音：在主噴射之前百萬分之一秒內(nèi)少量的燃油被噴進(jìn)了氣缸壓燃，預(yù)加熱燃燒室。預(yù)熱后的氣缸使主噴射后的壓燃更加容易，缸內(nèi)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(jìn)行后噴射，產(chǎn)生二次燃燒，將缸內(nèi)溫度增加200～250℃，降低了排氣中的碳?xì)浠衔铩?

由于其強(qiáng)大的技術(shù)潛力，今天各制造商已經(jīng)把目光定在了共軌系統(tǒng)第3代——壓電式(piezo)共軌系統(tǒng)，壓電執(zhí)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(jié)構(gòu)上更簡(jiǎn)單。壓力從200～2000巴彈性調(diào)節(jié)。最小噴射量可控制在0.5mm3，減小了煙度和NOX的排放。

“電控”是指噴油系統(tǒng)由電腦控制， ECU（俗稱電腦）對(duì)每個(gè)噴油嘴的噴油量、噴油時(shí)刻進(jìn)行精確控制，能使柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性達(dá)到最佳的平衡，而傳統(tǒng)的柴油機(jī)則是由機(jī)械控制，控制精度無法得以保障。

“高壓”是指噴油系統(tǒng)壓力比傳統(tǒng)柴油機(jī)要高出3倍，最高能達(dá)到200MPa（而傳統(tǒng)柴油機(jī)噴油壓力在60—70 MPa），壓力大霧化好燃燒充分，從而提高了動(dòng)力性，最終達(dá)到省油的目的。

“共軌”是通過公共供油管同時(shí)供給各個(gè)噴油嘴，噴油量經(jīng)過ECU精確的計(jì)算，同時(shí)向各個(gè)噴油嘴提供同樣質(zhì)量、同樣壓力的燃油，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加平順，從而優(yōu)化柴油機(jī)綜合性能。而傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)由各缸各自噴油，噴油量和壓力不一致，運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻，造成燃燒不平穩(wěn)，噪音大，油耗高。

現(xiàn)在，國內(nèi)制造的具備國際先進(jìn)的電控高壓共軌技術(shù)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)采用了歐美柴油機(jī)的最新核心技術(shù)，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)增壓柴油機(jī)。它比傳統(tǒng)增壓柴油機(jī)燃燒效率提高8%、二氧化碳排放低10%、噪音下降15%，徹底改變了柴油機(jī)在人們心目中“噪音大、冒黑煙”的形象。

高壓共軌系統(tǒng)利用較大容積的共軌腔將油泵輸出的高壓燃油蓄積起來，并消除燃油中的壓力波動(dòng)，然后再輸送給每個(gè)噴油器，通過控制噴油器上的電磁閥實(shí)現(xiàn)噴射的開始和終止。

其主要特點(diǎn)可以概括如下：

共軌腔內(nèi)的高壓直接用于噴射，可以省去噴油器內(nèi)的增壓機(jī)構(gòu)；而且共軌腔內(nèi)是持續(xù)高壓，高壓油泵所需的驅(qū)動(dòng)力矩比傳統(tǒng)油泵小得多。

通過高壓油泵上的壓力調(diào)節(jié)電磁閥，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷狀況以及經(jīng)濟(jì)性和排放性的要求對(duì)共軌 腔內(nèi)的油壓進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，尤其優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的低速性能。

通過噴油器上的電磁閥控制噴射定時(shí)，噴射油量以及噴射速率，還可以靈活調(diào)節(jié)不同工況下預(yù)噴射和后噴射的噴射油量以及與主噴射的間隔。

高壓共軌系統(tǒng)由五個(gè)部分組成，即高壓油泵、共軌腔及高壓油管、噴油器、電控單元、各類傳感器和執(zhí)行器。供油泵從油箱將燃油泵入高壓油泵的進(jìn)油口，由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的高壓油泵將燃油增壓后送入共軌腔內(nèi)，再由電磁閥控制各缸噴油器在相應(yīng)時(shí)刻噴油。

預(yù)噴射在主噴射之前，將小部分燃油噴入氣缸，在缸內(nèi)發(fā)生預(yù)混合或者部分燃燒，縮短主噴射的著火延遲期。這樣缸內(nèi)壓力升高率和峰值壓力都會(huì)下降，發(fā)動(dòng)機(jī)工作比較緩和，同時(shí)缸內(nèi)溫度降低使得NOx排放減小。預(yù)噴射還可以降低失火的可能性，改善高壓共軌系統(tǒng)的冷起動(dòng)性能。

主噴射初期降低噴射速率，也可以減少著火延遲期內(nèi)噴入氣缸內(nèi)的油量。提高主噴射中期的噴射速率，可以縮短噴射時(shí)間從而縮短緩燃期，使燃燒在發(fā)動(dòng)機(jī)更有效的曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)完成，提高輸出功率，減少燃油消耗，降低碳煙排放。主噴射末期快速斷油可以減少不完全燃燒的燃油，降低煙度和碳?xì)渑欧拧?/p>