电控高压燃油喷射系统：实现国Ⅲ排放标准的常规技术

电控高压燃油喷射系统是目前实现国Ⅲ排放标准的公认常规核心技术，主要包括电控高压共轨（Common Rail）、电控单体泵（EUP）和电控泵喷嘴（EUI）三种系统。高压喷射可使燃油充分雾化，提高雾化质量，并为燃油与空气的迅速混合提供充足能量，优化混合气形成，可提高燃烧过程中的碳粒氧化速率，降低颗粒物排放；电子控制则可保证发动机在各种运转工况下喷油定时和喷油规律的优化，有效抑制氮氧化物的生成。提高燃油喷射压力是降低柴油机排放中的微粒（PM）和氮氧化物（NO_x）的重要措施，排放标准越严，喷油压力要求越高。

在国外，电控高压共轨系统多用于轻型车，而电控单体泵系统则多用于重型车，欧洲市场上85%以上的重型柴油机采用电控单体泵技术，而美洲重型柴油机市场则偏向于高压共轨技术。在国内，新开发的柴油发动机广泛采用电控高压共轨系统，而电控单体泵因其具有对原产品结构改动较小、成本低等优点，多用于老产品升级改造。无论是国外还是国内，采用电控泵喷嘴的产品都相对较少。

图1-1 泵喷嘴

（1）电控泵喷嘴技术（EUI）在泵喷嘴系统中，柴油机电控泵喷嘴将高压油泵、喷油器和控制电磁阀集成于一体，如图1-1所示，装配在发动机燃烧室上方的气缸盖上，由发动机凸轮轴驱动的摇臂进行驱动。柴油机电控泵喷嘴通过各种相关的传感器和发动机电控单元对喷油正时和喷油量进行精确控制。安装在发动机上的各种传感器向发动机电控单元传递相应的发动机工作状态和功能参数，系统将这些信息与存储在发动机电控单元内的经过优化后的参数进行对比，以进一步确定最佳的喷油正时和喷油量，从而使发动机获得最佳性能。然后，系统将控制信号传送给电磁阀驱动的溢流阀，通过该溢流阀精确控制燃油喷射正时和喷油量。电磁阀接通时喷油开始，喷油量由电磁阀接通持续时间控制。

电控泵喷嘴的主要优点有：①燃油喷射压力非常高，燃油雾化效果好，喷射的油粒非常细小，有利于和空气的混合，燃烧效果得到改善，减少了排放积炭与颗粒。②取消了喷油泵与高压油管，无需担心密封性问题。③低转速时输出的扭矩较大，发动机工况更稳定。④通过电磁阀的两次动作能实现可控预喷射。

电控泵喷嘴的主要缺点是：①因为它要求与常规发动机缸盖不同的特殊缸盖，并且还要求加强发动机某些零部件（如连杆、曲轴等）的强度，因此结构改动较大。②因其供油规律仍受凸轮控制，在喷油压力控制及实现多次喷射等方面不如共轨系统精确。

该技术被沃尔沃、曼、依维柯、东风康明斯发动机有限公司（简称“东风康明斯”）、陕西汽车集团有限责任公司（简称“陕汽”）等企业采用，另外，美国康明斯的全电控发动机应用的也是电控泵喷嘴技术。目前采用该技术的发动机全球保有量已经超过40万台，行驶里程达3000亿km，是久经考验的成熟产品。

图1-2 单体泵

（2）电控单体泵技术（EUP）单体泵是指一个气缸一个油泵，这里的油泵指的是高压油泵，或称为喷油泵，如图1-2所示。电控单体泵技术的主要特征是其油泵与配气机构共用一根凸轮轴，使结构得到最大程度的简化，并缩短了油泵出油口到喷油器的管路距离。由于油泵提升压力的原理与直列泵类似，所以其喷油规律表现为“三角形”的前缓后急的特征，在一定程度上有利于燃烧过程的优化，最高压力可达到180～200MPa。

电控单体泵系统已在欧美成功使用了十多年，被公认为是性能优越、稳定可靠、使用寿命长的电控燃油喷射系统之一。在21世纪的最初几年内，欧洲和北美的重型车生产商仍采用电控单体泵系统。该技术用在奔驰、珀金斯、依维柯、道依茨等发动机上，国内应用相对较少，主要有道依茨一汽大柴、玉柴等。

对于中国市场来说，采用单体泵对发动机的改动非常少，只在油路系统做些变化，而且单体泵对油品质量的忍耐程度比共轨系统好很多。

由于电控单体泵是在发动机每个气缸装配一个高压泵，因此，它的最大优点是结构相对简单，性能可靠，故障率低，寿命长，维修方便。单体泵对油品的清洁度不太敏感，尤其是大功率柴油机，由于喷射压力较大，在当前国内油品质量无法满足要求的条件下，使用单体泵或其组合泵是较好的选择，但国内已经错过了发展单体泵的最佳时机。

①德尔福在国内的失势。作为单体泵技术最成熟的企业，德尔福原本有意在国内大力推广其单体泵技术，但是由于种种原因，它在中国市场的发展并不成功，远落后于博世、康明斯等厂家。

②由于工艺方面的原因，国内单体泵技术在国Ⅲ阶段被“机械直列泵+EGR”技术所取代。某些国内企业在单体泵技术上投入较大，在理论技术上达到国Ⅲ标准问题不大，凭借其价格优势原本在低端重卡市场应有一定竞争力。但是，由于加工/检测能力不成熟（核心问题在泵体锥面密封性的加工技术不过关），造成故障率较高，无法提供大批量装机。随着“机械直列泵+EGR”技术的出现，各整车厂在低端市场均转向了该技术，令各个单体泵厂家失去了发展的最佳时机。

③国内零部件一致性不足。以单体泵和喷油器连接的高压油管为例，国内能够做好已比较勉强。提升国产零部件的一致性，降低故障率并非一朝一夕可成。

（3）共轨技术（Common Rail）“CRDI”是英文Common Rail Direct Injection的缩写，意为高压共轨柴油直喷系统，如图1-3所示。该系统主要由高压油泵、喷油管、高压蓄压器（共轨）、喷油器、电控单元、传感器及执行器组成。在高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开，由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过控制高压油泵电磁阀开启持续时间，从而对实现公共供油管内的燃油压力精确控制；通过控制喷油器电磁阀开启时刻、持续时间，从而精确控制喷射提前角、燃油喷射量。高压油管压力的大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，从而改善发动机的燃烧工作过程，在有效降低发动机排放水平的同时，还能够改善发动机的燃油经济性和降低燃烧噪声。

高压共轨技术的技术关键在于恒高压密封问题（泵体设计以及喷油器内部的密封，尤其是在高寒/高温的条件下）；高速强力喷油器（高可靠性、高精度、多次喷射、强力高压喷射）；ECU的设计难度也有所增加，因为既要满足驱动高速强力喷油器的要求，又要实现多次喷射，所以成本控制、功耗降低、ECU硬件设计难度皆有所提高；共轨的标定问题是一个多维受限模糊边界的最优化问题，其标定的工作量以及成本控制一直困扰着系统的开发人员，随着法规的日益严格，基于模型的闭环控制的共轨系统可能会逐渐取代以标定为基础的开环控制模式。(www.xing528.com)

高压共轨系统的一大优点是采用独立的高压油泵，可以达到很高的喷油压力，同时喷油压力的大小与发动机的转速和负荷无关，可以独立控制，即使在低转速和低负荷时也能保证足够的喷油压力，而这正是原有机械式油泵的最大缺陷。该系统的另一优点是通过对喷油器的电磁阀进行必要的设计和控制后，可以有效降低燃烧时的噪声和NO_x的排放量。

图1-3 共轨系统

高压共轨技术的主要特点是：

①采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀，使得喷油过程的控制十分方便，并且可控参数多，益于柴油机燃烧过程的全程优化。

②采用共轨方式供油，喷油系统压力波动小，各喷油器间相互影响小，喷射压力控制精度较高，喷油量控制较准确。

③高速电磁开关阀频响高，控制灵活，使得喷油系统的喷射压力可调范围大，并且能够方便地实现预喷射、后喷射等功能，为优化柴油机喷油规律、改善其性能和降低废气排放量提供了有效手段。

④系统结构移植方便，适应范围宽。不像其他的几种电控喷油系统，对柴油机的结构形式有专门要求，高压共轨系统与目前的小型、中型及重型柴油机均能很好匹配。

目前，拥有高压共轨系统产品的企业主要有：博世、电装、德尔福、康明斯、斯堪尼亚等。采用该技术的国外公司有沃尔沃、奔驰、曼，国内重卡公司有陕汽、一汽解放、欧曼、红岩等企业，国内发动机厂家有潍柴、玉柴、锡柴。高压共轨技术成为目前能够实现国Ⅲ排放标准应用最广泛的技术。

（4）三种电控高压燃油喷射系统的比较 关于实现国Ⅲ排放标准的常规核心技术的三种电控高压燃油喷射系统的特征比较见表1-2。

表1-2 三种电控高压燃油喷射系统比较

从表1-2可以看出，在达到国Ⅲ排放标准的技术中，电控高压共轨是燃油喷射技术水平最先进、最成熟的技术，也是未来实现更高排放标准的理想选择。如果从系统层面泛泛而谈的话，显然共轨技术的开发难点和关键技术比单体泵要多，电控单体泵技术是基于传统机械式脉动泵式的单体泵加上了电控组件（电磁阀和ECU）而已；而共轨技术的实现则是柴油机发展史上里程碑式的创举。高压共轨技术虽然最先进，但是其成本较高，对油品质量要求高，而且在短时间内实现国产化难度很大。

电控单体泵一直是与共轨平行的技术路线，都是通过电控喷油来实现燃烧的高效率，只是由于单体泵使用和研发较少，一直是跟随当前的标准，从这个角度而言，单体泵为发展中的技术。单体泵技术由于主要应用在中重型商用车上，其关键技术最难的是控制成本（制造成本与共轨相当，甚至更贵，这是系统构成不同导致的），同时也是实现单体泵的高可靠性要求的。

单体泵主要是设计天生有缺陷，即无法做到自由控制燃油喷射压力、柴油机低速性能欠佳、不能实现多次喷射。单体泵对原发动机来说具有一定优点：不要改动缸盖缸体四大件，匹配要求低，具有自主知识产权，国家予以扶助，可以达到欧Ⅲ排放标准，在低端柴油机厂家得到广泛应用。

与共轨技术相比，电控单体泵要便宜30%甚至50%。同时单体泵对油品质量的要求要低于共轨系统。

潍柴动力股份有限公司（简称“潍柴”）的燃气发动机是IVIO协助设计的，最早的设计方案是电控单体泵，但是没有厂商提供电控单体泵，而博世在中国只生产电控共轨系统，在这种情况下，潍柴选择了电控共轨系统。在电控燃油喷射技术的选择上，陕汽、东风、还有其他部分商用车企业多倾向于共轨技术，一汽解放等则更愿意使用物美价廉的电控单体泵。

由于国内各整车厂目前国Ⅲ的主机技术以高压共轨和“直列泵+EGR”技术为主，仅有玉柴机器集团有限公司（简称“玉柴”）、道依茨一汽（大连）柴油机有限公司（简称“一汽大柴”）等少数厂家有单体泵技术。并且，国Ⅲ标准是个过渡阶段，升级到国Ⅳ是必然的，国内电控单体泵厂商在国Ⅳ技术上并不成熟，在高压共轨主导的市场下，企业采用的技术路线都必须在继承自身条件的前提下进行成本最优的选择和开发，基本为持续升级，发动机厂商并没有多大动力选择电控单体泵方案。