现代轿车柴油机电控高压喷油系统
范明强
(本刊专家委员会委员)
教授级高级工程师，曾任中国第一汽车集团公司无锡研究所发动机研究室主任、湖南奔腾动力科技有限公司轿车柴油机项目部总工程师、无锡柴油机厂高级技术顾问和多所高校客座教授。
现代轿车柴油机早就抛弃了以往笨重、噪声、振动和冒黑烟的令人厌烦的形象，已成为轻声无烟的清洁动力，广泛地应用于轿车，现在欧洲柴油轿车的市场占有率已超过50％，几乎每家第二辆家庭用车都购买柴油轿车，甚至在高档轿车，特别是运动型SUV车上，现代柴油机以其高扭矩、驾驶机动性好和低燃油耗而博得了人们的喜爱。
1989年开始在轿车上大量采用直接喷射是柴油机发展史上的一个重要里程碑。Audi 100轿车上第一台增压直喷式(TDI)柴油机装备了博世(Bosch)公司生产的电控轴向柱塞式分配泵。直到九十年代末，接着又推出了高压直接喷射系统：1996年的径向柱塞式分配泵，1997年的蓄压式共轨喷油系统和1998年的单元喷油器系统(UIS)，亦即众所周知的“泵喷嘴”。
今后，现代轿车柴油机的市场仍将继续拓展，汽车维修人员将会越来越多地碰到现代电控高压柴油喷射系统，这样就为汽车维修行业的日常维修工作增添了一些特有的新内容。为了准确无误地诊断故障和专业化的修理，汽车维修人员必须懂得这些新颖的电控高压柴油喷射系统的原理、结构和功能，并掌握其实际操作和故障诊断及其维修技能。
一、混合汽形成和燃烧
当今汽车用户期望轿车高功率、高扭矩、低油耗、低噪声和低排放：而汽车废气排放标准却越来越严格，因此对现代轿车柴油机提出了非常高的要求。
对柴油机而言，良好的混合汽形成是燃油完全而有效燃烧的先决条件。对此，柴油喷射系统承担着极其重要的角色，它必须以正确的油量，在正确的时刻，以尽可能高的压力和良好的雾化品质将柴油直接喷入汽缸。在这些方面，即使微小的误差也会导致废气中有害物排放的增加，大的噪声和高的燃油耗。
为了满足对现代轿车直喷式柴油机的要求，首先必须优化柴油喷射系统各方面的控制参数。
1.着火滞后
喷油开始到混合汽着火使燃烧室中压力开始升高之间的时间间隔被称为着火滞后。为了优化柴油机中的燃烧过程，降低燃烧噪声和有害物排放，希望着火滞后尽可能短，但是在这段时间内已喷入了相当多的燃油，会导致汽缸内的压力瞬间升高，汽缸压力升高速率(每度曲轴转角的压力升高幅度)大大增加，从而会产生很大的噪声和振动。为了避免产生这种现象，现代柴油机将每循环的总喷油量一般分成2-3次或更多次喷入汽缸。
2.预喷射
预喷射也称为先导喷射，发生在主喷射之前，其作用是为实现一个尽可能柔和的燃烧过程，降低燃烧噪声。由于预喷射的油量非常小，因此着火滞后缩短，燃烧室中的压力和温度平缓升高，为主喷射油量的迅速着火创造了最佳的前提条件，还能对降低燃烧噪声和有害的氮氧化物(NOX)排放起到有利的作用。
3.主喷射
主喷射就是每循环总喷油量中主要的大部分油量的喷射。在主喷射的时候，为了获得尽可能完全的燃烧，良好的混合汽形成是极其重要的，因此必须要有高的喷油压力，以便使燃油雾化成微小的油滴，并能与空气相互良好地混合。完全燃烧产生的有害物质排放少，功率收益高，燃油耗低。
4.后喷射
由于后喷射在主喷射之后进行，大多处于柴油机膨胀作功行程的中后期，因此其主要作用并非是增加柴油机的功率输出，而主要是用来提高排气温度，特别是在冷机状态，以便提高废气后处理装置的温度，从而提高其废气净化效率，或者是在装有减少碳烟颗粒(PM)排放的颗粒捕集器情况下，当颗粒捕集器中捕集到的碳烟颗粒累积到一定程度时，排气阻力明显增大，要进行后喷射来提高其温度，使这些碳烟颗粒烧尽，以便颗粒捕集器恢复捕集碳烟颗粒的功能，这被称之为颗粒捕集器的“再生”。因此，后喷射并非是一直进行的，而是在上述情况下有必要的时候才实施。
在柴油机开发时，已将通过大量试验所得到的所有运转工况最佳的喷油量、喷油次数和间隔、喷油时刻等运行参数存储在发动机电控单元中。发动机实际运转时，电控单元根据相关传感器得知当时的发动机运转工况(转速和负荷)，调用与此相应的运行参数来进行喷油，使发动机始终处于最佳的运行状况。从而获得高功率、低油耗、低噪声和低排放。
为了使读者对现代轿车直喷式柴油机缸内的燃烧状况有一个比较直观的印象，图1－1示出了从特制的汽缸盖上向汽缸中拍摄到的直喷式柴油机燃烧过程中几个典型阶段燃烧状况的高速摄影彩色照片，从左上方第一幅照片开始顺序排列，演示出了从喷油(左上方第一幅照片中央蓝色的6个喷射油束)一活塞顶ω形燃烧室(照片中黑色圆圈内)中混合汽首先着火－火焰扩展至整个汽缸的完整的过程。图1－2示出了汽缸压力随时间变化曲线及与其同步的喷油器针阀升程曲线，从图中可以清楚地看出预喷射对降低汽缸压力升高率及其压力波动的作用。这些知识都有助于理解后面将要介绍的内容。
二、共轨喷油系统
1.发展历史
共轨喷油系统是现代轿车柴油机的核心技术。实际上，其基本原理是由柴油机之父——鲁道夫·狄塞尔(RudoIf DieseI)本人独创的。1912年在他的一本书中就这样描述过这种原理：“它既简单而又富有创造性：用一台连续运转的柴油泵在一根分配管中产生压力，由这根高压分配管(英语称之为“Common－Rail”——共轨)将柴油准备好并供给所有的汽缸”。1926年在苏黎世(Zurich)大学中继续研究这种喷射原理，但是并没有应用在汽车上。
当意大利飞亚特(Fiat)公司在CromaTDid轿车上推出世界上第一台共轨直接喷射式柴油机的时候，几乎没有一个人相信这种共轨直接喷射系统在轿车上的这个成果。因为反对这种共轨直接喷射系统有足够的证据：大的燃烧噪声，特别是在低转速运转工况，以及高的废气排放值等，因此面临严厉的废气排放标准很快就显示出这种新颖柴油机的极限。但是，飞亚特(Fiat)公司仍坚持柴油机采用这种共轨直接喷射系统的观点。为了克服共轨直接喷射系统柴油机的这些弊病，该公司继续致力于进一步改进这种共轨柴油喷射方法。因为当时流行的柴油喷射系统都不能与发动机转速和负荷无关地独立调节喷油压力，也无法实施预喷射，因此最终还是将希望寄托在开发共轨喷射原理上。
此后，起初将该项目委托给意大利玛格奈特·玛瑞利(Magneti-Marelll)公司，1990年又将研究小组转移到飞亚特(Fiat)研究中心，与飞亚特集团的工程师们一起继续开发出命名为“Unijet”的系统。当时，虽然共轨喷射原理在理论上为人们所熟悉，但是因压力和工作频率都非常高，要求系统中的零部件极其精密，如此高的精度对于当时的机械加工设备和工艺水平提出了极其严峻的挑战，没有人能够把它制造出来。
直至1992年，他们才证实了共轨喷射的技术可行性。当时的喷油压力还只有70MPa，与此相比，现在的系统工作压力已高达180MPa。此时，飞亚特公司试图为这种创新的喷油系统的产业化生产寻找一个合作伙伴。最终，决定与德国博世(Bosch)公司合作，该公司是当时世界上柴油机喷射技术领域内水平最高的企业，最终完成了产品开发工作，并为产业化生产作好了准备。当然，这个过程又延续了五年，直到1997年，第一套批量生产的共轨喷射系统才装备在Alfa 156 JTD轿车上，并在德国法兰克福(frankfurter)国际汽车博览会(IAA)上展出。
几乎与此同时，博世(Bosch)公司与梅塞德斯·奔驰(Mercedes-Benz)公司合作也开发出一种柴油机共轨喷射系统，并同样也在1997年末以缩写词CDI(CommonRail Direct Injection)命名推上市场。现在，共轨喷射几乎在所有著名的德国、法国、意大利、韩国和日本汽车制造厂商那里都能找到。除了博世(BOSCh)公司之外，西门子(Siemens)、德尔福(Delphi)和电装(Denso)等公司都能向汽车工业提供其独特的电控共轨喷射系统。由于其在喷射油量、喷射压力、喷射时刻和喷射次数等方面具有独特的控制柔性，与其他电控高压柴油喷射系统(分配泵和泵喷嘴)相比显示出更多的优越性，能为现代轿车直喷式柴油机的性能开发和节能减排提供宽广的自由度，其市场推广的潜力巨大，因此电控共轨喷射系统有着美好的前景(图2-1)。
2.系统优点
与其他的高压喷射系统相比，共轨喷射系统具有众多的优点，其中最重要的一点是燃油的压力产生和喷射是分开的，因此每个运转工况区域的喷油压力与发动机转速无关而能自由选择，在低转速和部分负荷工况区域也能产生高的喷油压力。同时，喷油时刻的选择也有很高的自由度。而在以往凸轮控制的喷油系统中，由于机械结构上的限制，喷油时刻的调节是很有限的。此外，还能将要喷射的油量分成几份喷入汽缸，这样为了获得柔和的燃烧就能实现多次喷射，先进行预喷射，后面再跟随着主喷射和后喷射。因此，共轨喷射系统无论是在喷油量、喷射压力、喷射时刻和喷射次数等方面具有独特的控制柔性，能为现代轿车直喷式柴油机的性能开发和节能减排提供宽广的自由度。
另外，共轨喷射系统能适应现有柴油机的结构而无须大的改动费用，这是其结构上的一大优点，更有利于推广应用。
三、博世共轨喷油系统
博世(Bosch)共轨喷油系统(图3－1)自从1997年进入市场以来已发生了许多变化。在这期间，已使用了第三代蓄压式喷油系统，特别是在高压的产生和喷油器方面获得了进一步的发展，然而系统的基本结构和工作原理仍保持不变。燃油系统可分为两个部分：低压油路和高压油路(图3-2和图3-3)。
1.低压油路
低压油路由下列部件组成：燃油箱、电动燃油泵、带预热装置的燃油滤清器和回油管等。根据制造厂商和柴油机型式的不同，低压油路还可能包括更多的部件，例如：单向阀或补偿储油罐。以保证高压泵进口处的压力保持恒定。为了确保在任何运转条件下高压泵的燃油供应，在某些系统设计中高压泵还可能串联一只机械传动的辅助齿轮泵(图3-4)。
大多数汽车制造厂商都将电动燃油泵和油面高度传感器集成为一个完整的总成安装在燃油箱中。当点火开关接通时，电动燃油泵经燃油泵继电器由柴油机电控单元控制，先运转大约3秒钟，在管路中建立起预压力。这种程序对排除系统中可能存在的气泡是很重要的，这样一旦发动机运转，电动燃油泵就能连续地将柴油输往低压管路。
在第一代共轨喷油系统中，燃油箱中回油管的末端装有一个节流阀，它可使回油管路中的压力一直保持在0.06～0.09MPa。这样的回油压力对集成在高压泵进油口处的安全阀的功能是很重要的，这种功能将在“压力的调节”一节中介绍。
2.高压油路
高压油路由燃油高压泵、共轨、高压油管、电控喷油器和限压阀等部件组成(图3-2和图3-3)。在高压油路中产生喷射所需的燃油压力，并储存在共轨中。电控喷油器用一根短的高压油管与共轨相连，它由电控单元控制将所需的油量精确地在正确的时刻喷入汽缸。
(1)高压的产生
高压泵用于产生高压燃油，它的任务是在整个汽车运行期间，在柴油机任何运转工况范围内提供足够的燃油压力。
在第一代共轨喷油系统中，系统的最大工作压力为135MPa；而在第二和第三代共轨喷油系统中，系统的最大工作压力则提高到了160MPa。
高压泵是一种径向柱塞泵(图3-5)，根据柴油机结构型式的
不同，它的驱动轴可由联轴节、齿轮、链条或齿形皮带传动，并按照最大油泵转速不超过3000r／min来选择其传动比。高压泵由燃油直接润滑和冷却。在高压泵的驱动轴上有一个偏心凸轮，由其推动呈120°角度星形布置的油泵柱塞上下运动泵油(图3-6)。
燃油从低压油路经安全阀进入高压泵。安全阀是一个受弹簧力作用的圆柱形阀芯，其底部有一个直径经标定的节流量孔，进入的一小部分燃油可经该量孔返回到回油管路。安全阀的任务是阻止气泡进入高压泵，它的开启压力为0.05－0.15 MPa。当泵油柱塞向下止点运动的时候，燃油经过进油阀进入泵油室。在泵油柱塞下止点以后再开始上升时，进油阀被关闭，燃油被压缩，达到共轨压力时，出油阀被打开，燃油被压入高压管路。在泵油柱塞到达上止点时，由于泵油室的油压突然降低，出油阀被关闭，过程重新开始。
(2)压力的调节
高压管路中的压力是由柴油机电控单元控制压力调节阀改变填充系数来确定的。当达到共轨压力的时候，压力调节阀打开，泵出的燃油的一部分能通过回油管返回到燃油箱，同时保证回油管中0.06～0.09 MPa的压力，使高压泵进油口处的安全阀即使在回油量必须很大的时候(例如汽车滑行工况)仍保持在开启状态。
高压泵的泵油率是按大泵油量设计的，即使在全负荷工况下也能向共轨提供足够的燃油，那么在怠速运转和部分负荷工况时泵油量要比喷射所需的油量多得多。为了提高整个系统的效率，由一个泵油室溢流电磁阀使进油阀不能完全关闭而与低压油道相通来减少泵油元件的泵油量(图3－5和图3－6)。
从第二代共轨喷油系统开始就采用了泵油量可调的高压泵(图3－7)，其工作原理仍保持不变，只是燃油的高压取决于低压侧。为此，在泵油元件的进油管路中装有一个电磁阀，它根据需要限制进入泵油室被压缩的燃油量，以降低共轨中的压力，而若增加泵油量就能提升共轨中的压力，因此只有实际所需的油量被压缩到所需的高压，从而使整个系统的效率明显改善。
(3)高压的储存(高压共轨)
高压共轨是一根由模锻钢制成的管子(图3－8)，其任务是在高压下储存喷射所需的燃油，并消除脉动供油和喷油过程所产生的压力波动。在共轨上装有来自高压泵的燃油进油口和通往喷油器的高压油管。所有的高压油管应尽量短，以避免材料膨胀所带来的不利影响，并且维修时不得任意换用规格不同的高压油管。
此外，在共轨上还装有燃油压力传感器和限压阀。后者的任务是限制由制造厂商预先确定的最大共轨压力，以防止共轨过载。这种纯机械式的阀不能改作为减压阀，在预定的压力下才打开，把多余的燃油排入回油管。根据系统的设计，也可在共轨上安装调压阀。
3.电控喷油器
电控喷油器(图3－9)在原理上是一个两通电磁阀。它是制造公差极小的精密部件，其任务是将燃油以精确的油量在准确的时刻喷入燃烧室，这是由柴油机电控单元向喷油器发出驱动电脉冲来实现的。电控喷油器由喷油器体、液压伺服系统、孔式喷嘴和电磁阀组成，由共轨通过高压油管向其提供高压燃油。(未完待续)