柴油机电控高压共轨燃油系统概论

张秀梅振乾

（1.万荣县农机发展中心，山西 万荣 044200；2.运城市晋禹黄河工程维修养护有限公司，山西 运城 044000）

柴油机燃油喷射系统已进入电控共轨时代。随着机动车排放法规越来越严苛，传统柴油机燃油系统已不能适应排放法规要求，高压共轨燃油系统应运而生，它改变了柴油机冒黑烟、噪声大、满身油污等传统形象，展示出了清洁、噪声小、省油等全新形象[1]。

尽管现在对椰果采摘机的研究技术还不够成熟，但是绝对不能急于求成，一定要科学规划，合理布局，考虑到综合经济效益。1992年2月，海南省第二届人民代表大会从实施可持续发展战略、发挥海南环境优势、打造海南特色和加快和实现全省经济社会协调发展的大局出发，做出了建设生态省的决定。而建设大型椰子种植基地响应了海南建设生态省的目标，所以机械化椰果采收模式的使用必然会有力地推动“百万亩椰林工程”的建设，促进椰子产业化的发展。同时，应注重基础性的人才培养，在年轻人群当中，树立有关椰果采摘机的研究意识，为培养优秀专项人才储备奠定基础。

1 发展历程

1.1 三座里程碑

燃油供给系统是柴油机的关键部件之一，柴油机的发明、创新主要围绕燃油系统进行。柴油机问世一百多年来，燃油系统经历了三个大的发展阶段，每一次发展都可称为一个里程碑。高压共轨燃油系统被称为第三座里程碑[2]。

（二）病理变化 剖检见腹腔有少量黄色或淡红色腹水，浆膜表面有出血斑点。剖检变化主要发生在肝脏，肝脏色黄肿大，质脆，严重的有灰黄色坏死灶，小叶中心出血和间质明显增生，质地变硬，胆囊萎缩，胆汁少而浓。大腿前和肩下区的皮下肌肉内发生出血，其他部位也常见肌肉出血，胃底弥漫性出血，有的出现溃疡，肠道有出血性炎症，胃肠道中有血凝块，肾脏肿胀，苍白或淡黄色，全身淋巴结肿胀，充血。脾脏通常无变化 ，心外膜和心内膜有明显出血，脂肪黄染，有时结肠浆膜呈胶样浸润，通过对临床症状和剖检病理变化的分析，初步怀疑是霉玉米引起的黄曲霉素中毒。再做实验室诊断。

第一座里程碑：1893年柴油机问世。鲁道夫·狄赛尔（RudolfDiesel，1858.3.18～1913.9.30）最初研制成功的柴油机采用空气式燃油喷射系统。这种系统机型庞大，效率低，只能用于固定作业和船舶。为了将燃料送进燃烧室内，需要单独的压缩机，不仅成本昂贵，效率也很低。

恒协基爱养老服务中心，作为民间养老服务机构，其业务模式基本迎合了我省当下养老服务体系建设的规划，除了日常养老服务中心的托管运营服务工作，承担社区老年人福利性服务外，还承接政府在老龄化事业服务中“兜底一批”的业务内容，例如:为80岁以上老人、行动不便的老人上门送餐服务等；开展了老年人日间托管、长期入住照护、居家服务、送餐服务、家政、陪聊看护、助浴等为老服务项目。

第二座里程碑：1927年，德国博世公司成功生产出机械式燃油喷射系统，由此取代了空气式燃油喷射系统，不仅使柴油机迅速发展，还将柴油机用途扩大到汽车、拖拉机上。罗伯特·博世（Robert Bosch,1861-1942）1922年开始着手研究柴油机燃油系统，博世公司于1927年生产出了直列式喷油泵，为柴油机高速、小型化解决了关键技术问题。

第三座里程碑：1995年，日本电装公司在藤泽英也领导下，成功研制并批量生产重型柴油机电控共轨系统，开创了清洁柴油机新时代。1997年，德国博世公司推出了乘用车柴油发动机共轨系统。在其后不长的时间内，这两家公司都开发出了完整的共轨系统，并展开了激烈的研发竞赛。

1.2 研发竞赛

竞赛的核心内容是喷油压力（即压强，下同）和一个工作循环内喷油次数。对于高压共轨系统来说，产品的最高喷油压力越高,每个工作循环最多喷油次数越多，技术水平就越高。开始阶段，两公司围绕这两项指标进行了你追我赶。后来两家追求目标发生分歧，博世公司将目标喷油压力定为250 MPa，但并不追求每循环喷油次数；电装公司的目标喷油压力为200 MPa，但追求较多的喷油次数。

竞争的原动力来自世界各国一次比一次更严格的排放法规，为了满足法规要求，共轨系统需要不断进步。在高压方面首先取优的是博世公司，其第一代共轨喷油压力为135 MPa；2000年生产的第二代喷油压力为160 MPa，2003年开始生产压电晶体式喷油器，喷油压力仍为160 MPa,而且可以先导喷油；2005年生产的第三代喷油压力为180 MPa；2008年即所谓的第四代共轨系统实现了最高喷油压力250 Mpa。同年，电装公司实现了目标喷油压力200 Mpa。研究表明，提高喷油压力，能提高发动机的输出功率、减少冒黑烟、减少颗粒物（PM）的排放。

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小直径压力钢管根据现场的运输和起吊条件，在制造厂内尽可能完成多的焊接工作，一般将设计单节组对成大节后出厂，减少安装现场的工作量。使用自动组对设备进行钢管环缝的组装，从而实现大节组对。拼装时将已焊好的单节压力钢管吊装到滚轮架上，通过操控一侧的带驱动滚轮架，使两节压力钢管靠拢。之后转动一侧的滚轮架调节焊缝间隙，待间隙初步符合要求后，通过调节滚轮高度使两节钢管一段范围内的间隙及错位达到规范要求，并进行定位焊接，如图3所示。

电控高压共轨的压力控制也可概括为三代：第一代，系统中高压泵总是保持最高压力（如160MPa），由此造成了能量浪费和很高的燃油温度。第二代，系统可根据发动机需求改变输出压力，并具有预喷和后喷射功能。第三代，因为使用压电式喷油器，所以称为压电式共轨系统。系统中用压电执行器代替了电磁阀，响应性好，喷油控制更加精确[4]。

1.3 技术形成过程

共轨概念首次出现在1913年，当年Thomas Galf发明的“Electro Magnetically Operated Nozzle（电磁阀开闭喷油嘴）”是目前知道的最早柴油机共轨系统模型。1913年—1933年，在美国先后发表过与共轨相关的专利，且有记录证明曾经生产过共轨柴油机。1962年出版的由Buman Deluca撰写的《燃油喷射与控制（Fuel Injection and Control）》一书中指出：在1962年以前就有共轨系统了，而且也是用电磁力驱动喷油嘴上部高压油路的开闭。但不知何因没有形成生产力就悄然无息了。笔者分析可能当时计算机技术并不成熟，不能为其提供配套技术。

20世纪80年代初，发达国家汽油机电子控制燃油喷射系统（EFI,Electronic Fuel Injection）已经完全代替了传统的化油器,EFI就是汽油机的共轨系统，我国俗称为“电喷”。该系统的原型是1951年VENDIX获得专利的Electrojector,当时没有得到使用。环保部门提出了减少汽车尾气有害物质的要求，博世、电装为了适应节能减排要求才将该系统成功产业化。这其中原因一是当时计算机技术已成熟，二是汽油的喷射压力很低，一般为250～350 Kpa[5]，所以较易实现。

在完成了汽油机电控喷油系统之后，日本电装公司1991年发表了ECD-U2高压共轨系统论文，人们就将和该系统相似的燃油喷射系统一律称之为“共轨系统”或“共轨”。共轨这个词开始进入柴油机世界。1995年，该公司开始批量生产中重型柴油机的电控共轨系统，世界上第一辆配置共轨系统的载货汽车是日野公司的“RANGER”载重汽车[6]。博世公司1997年成功生产出柴油乘用车共轨系统。此后，在很短的时间内，欧洲的柴油乘用车高压共轨系统几乎全部取代了传统的燃油系统。2000年，共轨系统扩大到农业机械和工程机械。

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1.4 产业化道路

（3）喷油器：共轨系统喷油器由上部的控制部分和下部的喷油嘴组成，控制部分有电磁阀式和压电晶体式两种型式。喷油器按照控制部分不同分为电磁阀式何压电晶体式。控制部分是用来接通和截止高压燃油的机构，对喷油器本身来说，它起控制作用，对燃油系统来说，它是执行机构。

（1）供油泵：供油泵就是高压油泵，它将燃油加压后送入共轨内。供油泵和输油泵做成一体，输油泵从油箱抽取燃油，并输送给供油泵。供油泵采用柱塞泵，有直列式和分配式两种型式，大多采用电控分配式。

2 电控高压共轨燃油系统原理和组成

2.1 电控高压共轨燃油系统的原理

首先从外观上看，装有高压共轨燃油喷射系统的柴油机，气门室罩上部有一个长管状密闭容器，这个容器叫做燃油轨，各缸喷油器都连接到这个容器上，共同使用这一燃油轨，称为“共轨”。燃油轨又叫做高压蓄压器、共轨管等，是存储高压燃油的地方。供油泵（电装公司称为供油泵或供给泵，博世公司称为高压油泵）通过单向电磁阀向共轨内不断供入柴油产生高压，装在共轨管上的压力传感器将共轨内压力值反馈给控制单元，控制单元通过控制安装在共轨上的电磁泄压阀的适当开启泄油，调节共轨压力。各个电磁阀的开闭，都受电子控制单元的控制，叫做“电控”。共轨内的压力等于喷油器的喷油压力，可达100～250 Mpa，是传统柴油机喷油压力的 6～20 倍，称为“高压”。

控制系统主要由传感器、控制器（ECU）和执行器等3部分组成，这和其他电控系统没有大的区别。

2.2 电控高压共轨燃油系统的组成

共轨系统无疑是高精尖技术的结晶，其基础技术有四项：即高压技术、电磁阀技术、ECU技术和传感器技术。共轨系统按其功能可分为控制系统和燃油供给系统两部分。

（2）控制器：又称为控制单元，核心是ECU。ECU就是一个微型计算机，它将传感器送来的信息与其已储存的数值进行比较，对供油泵、喷油器上的电磁阀等执行机构进行控制，使柴油机达到最佳运转状态。在机车上，ECU还可以和其他控制系统进行数据交换和传输，根据其他系统输入的信息，对喷油量、喷油时间等适当修正。

2.2.1 控制系统

为区别汽油机习惯叫法的“电喷”，将柴油机叫做“电控”，正规叫电控高压共轨。装有电控高压共轨燃油系统的柴油机，可简称“电控柴油机”、“高压共轨柴油机”或“共轨柴油机”等。

（1）传感器：是实时检测发动机和机车运行状态及驾驶员操作量等信息，并反馈给电子控制单元ECU。共轨系统传感器种类较多，为便于条理化，将其按功能分为四类:即温度传感器；压力传感器；转速、转角及控制传感器；排气成分传感器。

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（3）执行器：如电磁阀、喷油器等，是执行ECU指令的部件，它能把电信号变成机械动作。

共轨系统起初各气缸一个工作循环只能进行两次喷油，即先导喷油和主喷油。由于研制出高响应特性的新型电磁阀式压电晶体式喷油器[3]，2008年，电装公司实现了一个工作循环每个气缸可以喷油9次，博世公司实现一个循环喷油5次，这已经是很高的技术了，预喷油和主喷油之间仅仅间隔万分之一秒（0.1 ms），而人眼眨一下需要五百分之一秒（2 ms）。2011年，博世公司生产出了一个循环可以喷油8次（比电装仅差一次）、喷油压力为200 Mpa的乘用车共轨系统。增加喷油次数能使发动机工作更加柔和，减少噪声、爆燃和颗粒物排放。

2.2.2 燃油供给系统

燃油供给系统主要由供油泵、共轨、喷油器等3部分组成。

为验证本文方法在的可行性和有效性，选取条纹密度较高的模拟工程实践中出现的4倍peaks(512 pixel×512 pixel)函数进行仿真，结果如图2.

（2）共轨：共轨管上有限压阀、压力传感器以及高压油管接口等零部件。

目前世界上主要有三大公司在研发和生产柴油机高压共轨系统，日本电装、德国博世、美国福特[7]。此外，还有美国德尔福和德国西门子等公司。据2009年市场统计，全世界共轨产品销售额中，博世占60%以上，电装占20%左右，其他所有公司占不到20%。此后虽有变化，但变化不大。

3 使用效果

3.1 动力强劲

共轨系统喷油压力不受柴油机的转速和负荷影响。在低转速下，仍可实现较高的燃油喷射压力，可使低速低负荷工况的性能得到改善，尤其可进行低转速、大转矩启动。在启动或者加速时，都能倍感动力十足强劲，在整个转速范围内、各种场合下都能充分发挥其动力性，平稳加速、噪声很低、平顺行驶、驾乘舒适。

3.2 经济性好

共轨柴油机和以前传统的机械式泵管嘴燃油系统柴油机相比，燃油消耗大约降低5%；和相同排量的气道喷射式柴油发动机相比，燃油消耗量可节省30%以上，如果加上柴油价格较低，按现在价格估算，相同排量下柴油车的燃油费用是汽油车的60%。

博世公司认为，未来的柴油机可以比现在更高效，燃油消耗最大可降低到1/3。因此中型车有望做到燃油消耗3 L/100 km（即 33 km/L），CO2排放量低于 99 g/km。

3.3 排放清洁

现在的共轨柴油机实际排放和1970年—1980年相比，氮氧化合物（NOX）和PM排放值都已经降低了90%以上，且还有进一步降低的空间。今天的清洁柴油机排放已经达到汽油机的排放水平，有些机型已经超过了汽油机。

共轨柴油机堪称清洁柴油机，它的排放非常干净。有人描述：如果戴上白手套触摸排气管内壁，手套不会变黑，用眼睛直观排气管内壁，能够看到管壁原来的金属底色。

4 国内应用概况

国内推广应用高压共轨柴油发动机有两个显著特点：一是先在汽车上应用，再应用到拖拉机等其他机械；二是先在大中型柴油机上应用，再延伸到小型机上。

从时间上看，首先在实施汽车国三排放标准时推广应用。2005年12月30日，北京率先实施国三标准。2007年7月1日，全国范围内开始全面实施国三排放标准。由于当时大部分柴油汽车还是机械式燃油系统，为满足国三排放要求，大部分柴油车采用引进技术。2009年12月23日，国内首款拥有自主知识产权、具有国际先进水平的CA6DM重型柴油发动机生产线在一汽解放锡柴分公司建成[8]。

目前，全国机动车（主要指汽车）普遍实施国五标准。据报道，从2019年7月1日起，北京、上海、天津、广东、安徽、山东、河南、海南等省市[9]以及山西太原、阳泉、长治、晋城、吕梁、晋中、临汾、运城等8市提前实施国六机动车排放标准[10]。

大约在2014年—2015年，共轨柴油机开始在我国农业机械、工程机械应用，一些知名制造企业的柴油机[11]和大中型拖拉机、联合收割机、工程机械等都采用了共轨柴油发动机。作为节能减排、满足更高排放要求的支撑性技术[12]，柴油机高压共轨技术必将得到快速推广。