柴油共軌噴射發(fā)動(dòng)機(jī)

衛(wèi)東

柴油轎車已有了80年的歷史，而最近20年可以說(shuō)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）。歐洲可以說(shuō)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(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)。可以說(shuō)柴油共軌系統(tǒng)開辟了降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放和噪音的新途徑。

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(guò)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(wú)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(guò)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。

共軌柴油噴射系統(tǒng)與泵噴嘴系統(tǒng)相比具有更大優(yōu)勢(shì)。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。10年前共軌柴油噴射系統(tǒng)得到了顯著發(fā)展，與泵噴嘴直噴系統(tǒng)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(guò)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。共軌已經(jīng)使柴油機(jī)的響應(yīng)性和駕駛舒適性達(dá)到了接近汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的水平，同時(shí)它具有著顯著的燃油經(jīng)濟(jì)性和低排放特性。

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(guò)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(guò)程時(shí)獲得了更大的自由。共軌系統(tǒng)可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持高燃油壓力，并且可根據(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。而預(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。

噴嘴的緊湊結(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。對(duì)于這款最小排量的共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，其優(yōu)勢(shì)也是非常明顯的。

當(dāng)年，安裝了第二代共軌燃油噴射系統(tǒng)的梅賽德斯-奔馳E320發(fā)動(dòng)機(jī)，其最大功率150kW，在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7.7s。綜合油耗是6.9L/100km，80L的油箱使續(xù)航能力達(dá)到了1000km。相比配有汽油機(jī)的E320的綜合油耗9.9L/100km來(lái)說(shuō)，共軌噴射柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)明顯。

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(wàn)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(guò)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?/p>

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200～2000bar實(shí)現(xiàn)了彈性調(diào)節(jié)，而其最小噴射量也實(shí)現(xiàn)了精確控制，減小了煙度和NOX的排放。可以說(shuō)在今天的商用車市場(chǎng)上，柴油共軌噴射柴油發(fā)動(dòng)機(jī)占據(jù)了主要市場(chǎng)，它有著強(qiáng)大的技術(shù)潛力。