柴油机共轨系统

柴油机共轨系统
[来源：本网讯 2006/12/26]
（日）伊藤泶次古田克则
【摘要】虽然柴油机热效率高，但排放法规的强度也在逐年增加。

为此，近年来，具有高度柔性控制的、能进行超高压喷射的共轨系统已逐渐成为主流。

介绍了共轨系统的结构、运行、特性及其主要部件??供油泵和喷油器的技术和未来发展趋势。

1 前言
与汽油机相比，柴油机热效率高，也就是说在燃油耗方面占有优势，因此在热衷环保的欧洲，柴油车占据汽车总产量的40%。

另一方面，从防止大气污染的观点出发，颗粒（PM）和NOx的排放法规日趋严格，为了应对严格的排放法规，就必须实现燃油的高压喷射化和高度的喷油控制。

本文介绍在近年来可实现超高压喷射且控制自由度高的共轨喷油系统中供油泵和喷油器的
相关技术及其今后的发展动向。

2 共轨系统的构成、运行及特征
图1以日本DENSO公司第二代共轨系统为例示出了系统构成图，图2为系统构成部件的照片。

其主要部件为：供油泵（生成高压燃油）、共轨（蓄积高压燃料）、喷油器（喷射燃油）以及控制这些部件的ECU和检测发动机运行状态的各种传感器。

共轨系统是把在供油泵中生成的高压燃油蓄积在共轨中，然后通过喷油器中的执行器决定喷油开始和结束的电控燃油喷射系统。

图1 共轨系统构成
图2 系统构成部件
共轨系统的第一个特征是可以实现高压喷射而与发动机的转速无关，燃油喷雾可实现微粒化，从而促进燃油和空气的混合。

因此可以实现更完全的燃烧，降低排气中的PM。

为了实现这样的超高压喷射，产生高压的供油泵和蓄压的共轨必不可少。

第二个特征是实现了以往喷油系统不能实现的一个燃烧循环中的多次喷油，也提高了燃烧控制自由度。

第三个特征是由于可以修正喷油量，所以喷油精度高。

因为考虑到燃油耗和降低排放，所以提高喷油器的喷油控制精度很重要。

最近的研究表明，预喷射的喷油量越小，PM和NOx之间的折衷就越弱，为了实现高精度的多次喷射，装有高速执行器的喷油器不可或缺。

3 共轨系统构成部件
以下详细介绍构成上述共轨系统的基本部件：供油泵和喷油器。

3.1 供油泵
如图3的产品发展历史所示，第一代供油泵为卡车用的、以直列式喷油泵为基础的HP0泵，以及乘用车用的、以分配型喷油泵为基础的HP2泵。

乘用车用的HP2泵利用电磁阀实现进油量调整，并采用了在分配型喷油泵上卓有成效的内凸轮。

HP2泵最大压力为145 MPa，而比这更高的压力对传统的内凸轮方式而言已达到极限。

为此，如图4所示，第二代供油泵把柱塞的驱动结构由滚子机构改为平面滑动机构，降低了驱动部分的面压，以实现180 MPa的超高压喷射。

进而，作为对应180 MPa 超高压喷射的另一项技术，在采用上述压力供给机构的同时，在柱塞的滑动面上涂覆陶瓷涂层，进行
0.5/μm的超精密精加工。

在180 MPa的压力下，有必要考虑到材料中μm级的不纯物而优化强度设计。

因而开发了一种只含极少量不纯物的高清洁度材料（图5）。

另外，在高压燃油通道的交叉部位进行电解磨削，以改善R倒角和面的粗糙度，进而提高耐压性。

柴油机共轨系统
图3 供油泵产品发展历史
图4 供油泵概念图
图5 180 Mpa 的高压性能
作为DENSO公司的供油泵系列，有通用高压燃油压送部分的气缸、并将2个气缸对置排列的HP3泵，以及将3个气缸星型配置的HP4泵2种，使用面覆盖了小型发动机到中型货车。

这些泵的特征是在设计上将高压燃油通道和低压燃油通道完全分离，并将高压燃油通道集中于铁制气缸。

通过这项措施，可以在泵壳上使用铝压铸工艺，使HP3泵实现了相同喷射量泵中的最轻质量（3.8 kg）（图6）。

2种泵在进油时都使用了内置的次摆线式输油泵，使用可改变各缸每次进油量的小型线性螺线管式进油面积控制阀来实现燃油的调量。

图6 轻量化设计
图7 喷油器产品发展历史
如上所述，为了实现180 MPa的超高压，就必须融合先进的设计技术、材料技术和先进的加工技术，HP3泵系列集上述技术于一体，其结果是实现了共轨泵中世界领先的高压化。

3.2 喷油器
喷油器的用途是把在供油泵中产生的超高压燃油微粒化，并在最适当的时间将必要量的燃油供给燃烧室。

DENSO公司生产的喷油器产品发展如图7所示。

第一代产品是以最高压力145 MPa和以预喷射/主喷射构成2次喷射为特征的电磁阀式喷油器。

与此相对，第二代产品可对应高达180 MPa 的超高压，并以高响应性执行器实现在很短间隔内完成5次以上的喷油。

现以第二代G2喷油器为例介绍所使用的技术（图8）。

为了确保耐压强度，与供油泵一样，在开发只含极少量不纯物材料的同时，在高压燃油通道的交叉部位利用电解工艺进行R加工，防止了应力集中。

另外，为了降低喷嘴阀座部分的磨损，减小指令活塞的直径，以降低喷嘴关闭时的油压，同时开发特殊的喷嘴阀座形状，将阀座的面压约降低了30%。

图8 喷油器（G2）的设计要点
在性能方面，在执行器上使用电磁阀的同时，对阀的可动部位实行轻量化，并且使用能量损失小的复合软磁性材料，以提高磁性。

其结果是电磁阀的响应速度约达到了第一代产品的2倍。

进而，通过优化油压控制室的容积，提高了与喷油开闭速度相关的油压响应速度。

通过这些改良，实现了4/10 000 s的喷油间隔（一次喷油结束到下次喷油开始的时间），以及在一个燃烧循环内完成5次喷射。

为了应对今后更进一步的高速化要求，现正在开发在执行器上使用压电元件的压电喷油器。

为了提高喷油器喷油量的控制精度，在进行喷嘴流量目标值加工等提高加工精度以提高喷油器个体喷油量调整精度的同时，还开发了通过软件修正个体间喷油量的技术。

将根据执行器的通电时间控制喷油量的喷油器各部件特性输入ECU，可修正和控制与目标喷油量之间的差。

第一代产品是通过修正阻力，在低压、低喷油量和高压、高喷油量2点上实施喷油量修正，第二代产品则采用DENSO 公司开发的QR编码（图9），从低压、低喷油量到高压、高喷油量具有多个修正点，以提高整个领域内的喷油量精度。

特别是可以把预喷射的喷油量精度控制在1±0.5 mm3/循环。

图9 QR 编码实例
4 结语
作为从1995年起采用的卡车用柴油机喷射系统，在日本最初开始生产的共轨系统由于其喷射特性都由电子控制，因此作为低排放、高功率、低燃油耗的柴油机用燃油喷射装置是不可或缺的。

今后要更进一步追求高压喷射化、提高精度和控制自由度、降低成本，为提高柴油机的商品化做出贡献。