Bosch電控高壓共軌系統(tǒng)的工作原理和特點
Bosch電控高壓共軌系統(tǒng)的工作原理和特點/唐永華，張?zhí)?/p>
綜述
Bosch電控高壓共軌系統(tǒng)的工作原理和特點
唐永華，張
恬
（博世汽車柴油系統(tǒng)股份有限公司技術(shù)中心，無錫214028）
摘要：闡述了Bosch柴油噴射系統(tǒng)的發(fā)展歷程，并介紹了Bosch電控高壓共軌系統(tǒng)的組成和工作原理，分析了Bosch電控高壓共軌系統(tǒng)的主要特點。同時指出以Bosch為代表的電控高壓共軌技術(shù)是當(dāng)前實現(xiàn)國3及更高排放標(biāo)準，同時提高柴油機動力輸出、降低油耗和噪音的最佳技術(shù)方案，是今后國內(nèi)柴油機應(yīng)用和發(fā)展的必然趨勢。關(guān)鍵詞：Bosch；柴油機；電控；共軌系統(tǒng)中圖分類號：U467．48
文獻標(biāo)志碼：A
文章編號：1005－2550（2009）05－0009－05
WorkingPrincipleandKeyCharacteristicsofBoschDieselCommonRailSystem
TANGYong－h(huán)ua，ZHANGTian
（BoschAutomotiveDieselSystemCo．Ltd．，Wuxi214028，China）
Abstract：ThisarticleintroducestheevolutionofBoschdieselfuelinjectionsystem，workingprincipleandkeycharac-teristicsofBoschcommonrailsystem．Basedontheanalysisofitsmaincharacteristics，itpointsoutthatBoschcommonrailsystemisthestate－of－the－artdieselinjectiontechnologytomeetChina3andfutureemissionstandards，andmean-whilehelpstoraisepoweroutput，lowerfuelconsumptionandreducenoiseemissionfordieselengine，therefore，itisaninevitabletendencyofChinesedieselengineapplicationanddevelopment．Keywords：Bosch；diesel；electroniccontrolled；commonrailsystem
1柴油噴射系統(tǒng)的發(fā)展歷程
一直以來，博世都是柴油機燃油噴射技術(shù)的先
驅(qū)和領(lǐng)導(dǎo)者，早在1927年就設(shè)計和生產(chǎn)了第一臺直列泵及油嘴，為柴油噴射技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。此后，經(jīng)歷了軸向分配泵、電控分配泵和電控直列泵等發(fā)展過程，尤其是直列泵技術(shù)在幾十年后的今天仍在各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。1994年，生產(chǎn)了第一臺商用車電控泵噴嘴系統(tǒng)（UIS），自此柴油噴射系統(tǒng)從位置控制系統(tǒng)發(fā)展為時間控制系統(tǒng)，用高速電磁閥直接控制高壓柴油噴射，使原來復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)大大簡化。隨后，第一臺單體泵系統(tǒng)（UPS）和第一臺電控徑向分配泵相繼問世。代表著當(dāng)今最先進的柴油噴射系統(tǒng)———電控高壓共軌系統(tǒng)于1997年和1999年分別在乘用車和商用車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)批量生產(chǎn)，它使噴射壓力的產(chǎn)生完全獨立于發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和噴射過程，并由高速電磁閥直接控制高壓柴油噴射，實現(xiàn)了從時間控制系統(tǒng)到時間—壓力控制系統(tǒng)的飛躍（見圖1）。
收稿日期：2009-06-12
圖1Bosch柴油噴射系統(tǒng)的發(fā)展歷程
2Bosch電控高壓共軌系統(tǒng)的工作原理
2．1
高壓共軌系統(tǒng)簡介
高壓共軌燃油噴射技術(shù)是通過高壓油泵壓縮燃油至共軌管內(nèi)形成高壓，再由高壓油管分配到每個噴油器，并通過控制噴油器上的高速電磁閥的開啟與關(guān)閉定時定量地將高壓燃油噴射至柴油機燃燒室內(nèi)，以保證最佳的霧化和燃燒效果，從而使發(fā)動機獲
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得最佳的性能。
高壓共軌系統(tǒng)主要由低壓回路和高壓回路兩部分組成。低壓回路包括低壓油管、燃油濾清器和齒輪泵等，高壓回路包括高壓油泵、共軌管、高壓油管和噴油器等部件，如圖2所示。發(fā)動機工作時，高壓油泵上自帶的齒輪泵通過負壓從油箱中吸油，并以一定的壓力（約5～7bar）將過濾后燃油送入高壓油泵。燃油進入高壓柱塞腔后被壓縮，通過高壓油管進入共軌管形成高壓，每缸噴油器通過高壓油管與共軌管相連，以實現(xiàn)高壓噴射。
便于歐2發(fā)動機升級。其潤滑方式為機油潤滑，潤滑油路與發(fā)動機潤滑油路直接相連。齒輪泵的任務(wù)是向高壓油泵供給足夠的低壓燃油，安裝在高壓油泵泵體后端，依靠位于高壓油泵凸輪軸末端的齒輪來驅(qū)動，它的轉(zhuǎn)速是高壓油泵2．85倍。當(dāng)燃油進入高壓部分后，一路經(jīng)過油量計量單元進入高壓柱塞腔，經(jīng)壓縮后進入油軌，同時多余的燃油通過溢油閥回到油箱中。油量計量單元的主要作用是調(diào)節(jié)進入高壓柱塞腔的油量，以控制共軌管內(nèi)的燃油壓力的大小。
2．3共軌管（Rail）
共軌管是電控高壓共軌系統(tǒng)中所特有的零部
件，主要包括高壓接頭、節(jié)流孔、軌壓傳感器和壓力限制閥，如圖4所示。共軌管的主要作用是蓄壓和分配燃油，阻尼燃油壓力波動同時還限制最高燃油壓力，使之不超過安全限值。軌壓傳感器向ECU提供共軌管內(nèi)的實時壓力信號，做為軌壓閉環(huán)控制的輸入。油軌進出口處的節(jié)流孔設(shè)計可減小共軌管和高壓油管中的壓力波動。壓力限制閥是一個機械閥，當(dāng)壓力超過一定限值時即開啟，以保證共軌管在出現(xiàn)
圖2Bosch商用車共軌系統(tǒng)示意圖
2．2高壓油泵（Highpressurepump）
高壓油泵是高壓共軌系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，
壓力異常時，將壓力迅速釋放從而確保系統(tǒng)安全。當(dāng)壓力限制閥打開后，它仍能將軌壓維持在一個正常范圍（如700～800bar），讓車輛在故障情況下仍能繼續(xù)運行至維修站點，即跛行回家。
它的主要作用是將低壓燃油加壓成為高壓燃油，儲存在油軌內(nèi)等待ECU的噴射指令。高壓油泵由齒輪泵、油量計量單元、溢流閥、進出油閥和高壓柱塞等部分組成。以Bosch目前廣泛應(yīng)用于中國商用車市場并已開始本地化生產(chǎn)的CPN2．2BL為例，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖4Bosch共軌管
2．4噴油器（Injector）
噴油器是電控高壓共軌系統(tǒng)中最關(guān)鍵和最復(fù)雜
的部件，它的作用是根據(jù)ECU發(fā)出的電信號控制電磁閥的開啟和關(guān)閉，將高壓油軌中的燃油以最佳的噴油時刻、噴油量和噴油率噴入柴油機的燃燒室內(nèi)。
噴油器主要由噴油器體、電磁閥、油嘴、針閥組
圖3
Bosch高壓油泵CPN2．2BL
件和彈簧等部分組成，圖5所示為Bosch的第二代商用車噴油器CRIN2。在電磁閥不通電時，電樞將球閥緊緊壓在閥座上，此時控制室和壓力室內(nèi)壓力平衡，油嘴針閥被彈簧預(yù)緊力緊緊壓在油嘴座面上不抬起，即噴油器不噴油；當(dāng)電磁閥通電時，電磁閥通過吸力將電樞抬起，此時控制室內(nèi)燃油經(jīng)球閥量
高壓油泵供油量的設(shè)計準則是：在整個壽命范圍內(nèi)和任何工況下都必須保證高壓油泵的供油量能滿足發(fā)動機在一定軌壓下的噴油量要求，即油量平衡。CPN2．2BL采用2個直列柱塞設(shè)計，通過發(fā)動機凸輪軸驅(qū)動，傳動比為1∶2，與傳統(tǒng)的機械泵類似，以
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孔泄漏，控制室壓力迅速下降，而壓力室壓力沒有變化，從而油嘴針閥被抬起，即噴油器開始噴油；當(dāng)電磁閥關(guān)閉時，控制室的壓力上升，油嘴針閥兩端壓力再次平衡，在彈簧預(yù)緊力的作用下油嘴針閥落座，從而關(guān)閉噴油器完成噴油過程。
模塊負責(zé)驅(qū)動和控制執(zhí)行器工作，并檢測各個執(zhí)行器的電信號錯誤，如短路、斷路和信號不可信等；
CAN通訊模塊用于跟其他整車控制器交換信息，如ABS和ESP；診斷和報警系統(tǒng)用于監(jiān)控系統(tǒng)故障并
觸發(fā)報警裝置工作。
在Bosch電控高壓共軌系統(tǒng)中，有很多用于測定發(fā)動機實時運行狀態(tài)的傳感器，如軌壓傳感器、加速踏板位置傳感器、增壓壓力傳感器、水溫傳感器、進氣溫度傳感器、凸輪軸位置傳感器、曲軸位置傳感器、車速傳感器和機油壓力／溫度傳感器等。主要執(zhí)行器包括噴油器電磁閥、油量計量單元、增壓壓力控制器、EGR閥、輔助加熱裝置、空調(diào)和風(fēng)扇控制器
圖5Bosch第二代噴油器CRIN2
等。
2．5電控單元ECU、傳感器和執(zhí)行器
電控單元ECU、傳感器和執(zhí)行器是電控燃油噴
射系統(tǒng)的三個基本要素。傳感器主要用于采集發(fā)動機及整車的相關(guān)信號，并輸入ECU。ECU接收傳感器信號并進行計算和處理，然后驅(qū)動執(zhí)行器完成控制過程。BoschECU的功能示意圖如圖6所示，主要包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、CPU、RAM、FlashEPROM、
3Bosch電控高壓共軌系統(tǒng)的主要特點
眾所周知，提高柴油機動力性、經(jīng)濟性和降低排放的中心任務(wù)是改善柴油機的燃燒過程。而只有通過靈活的燃油噴射控制才能實現(xiàn)最佳的`缸內(nèi)燃燒。電控高壓共軌系統(tǒng)，是柴油機電控技術(shù)發(fā)展過程中的一個重大飛躍，是迄今為止針對柴油機的最佳解決方案。因為它改變了傳統(tǒng)的機械式噴油系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，使噴射壓力的產(chǎn)生完全獨立于發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和噴射過程，真正的實現(xiàn)了噴油壓力、噴油時刻、噴油量和多次噴射的獨立及柔性控制，從而實現(xiàn)與發(fā)動機的完美匹配，大大提升了柴油機的動力性、經(jīng)濟性、排放及噪聲方面的綜合性能。
EPROM、功率驅(qū)動／診斷模塊和CAN通訊模塊等部
2
分。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以便CPU對其進行直接處理和計算；隨機存儲器
RAM用于對ECU數(shù)據(jù)進行在線實時修改；FlashE-PROM主要用于存儲電控系統(tǒng)的各種標(biāo)定參數(shù)，如MAP圖、曲線和常量等，可重復(fù)擦寫；E2PROM則用于存儲系統(tǒng)錯誤及故障代碼等信息；功率驅(qū)動／診斷
Bosch電控高壓共軌系統(tǒng)是共軌
技術(shù)中的典型代表，具有其自身顯著的優(yōu)點，主要包括：1）高壓噴射；2）獨立柔性的噴射壓力控制；3）精確柔性的噴油時刻控制；4）精確柔性的噴油量控制；5）多次噴射。其主要特點及參數(shù)如圖7所示。
3．1高壓噴射
為了進一步改善柴油機的燃燒
過程以及滿足更為嚴格的排放法規(guī)要求，柴油機的噴射壓力在不斷的提高。試驗證明，高的噴射壓力將明顯改善柴油和空氣的霧化效果，縮短著火延遲期，使燃燒更迅速、更徹底，并有利于提高燃油經(jīng)濟性。
Bosch目前應(yīng)用于中國商用車市
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場的主要是其第二代高壓共軌系統(tǒng)CRSN2（最大噴射壓力為1600ar）和第三代高壓共軌系統(tǒng)
著氣缸的峰值爆發(fā)壓力和最高燃燒溫度。高的爆發(fā)壓力和燃燒溫度可以改善燃油經(jīng)濟性，但會導(dǎo)致
CRSN3（最大噴射壓力可達1800bar），可滿足國3和國4的排放要求。
NOx排放增加。而電控高壓共軌系統(tǒng)不依賴于轉(zhuǎn)速
和負荷的噴射時刻控制能力，將是在燃油消耗率和排放之間實現(xiàn)最佳平衡的關(guān)鍵技術(shù)。
Bosch電控高壓共軌系統(tǒng)中，最佳的噴油時刻
不僅可根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和噴油量等工況要求預(yù)先標(biāo)定在ECU內(nèi)，還可根據(jù)冷卻水溫度、環(huán)境溫度和大氣壓力對其進行實時修正，以實現(xiàn)在各種環(huán)境下噴油時刻的最優(yōu)化。此外，ECU可通過曲軸位置和凸輪軸位置傳感器來準確快速地識別當(dāng)前柴油機的曲軸轉(zhuǎn)角和上止點位置，并以電信號指令迅速給噴油器高速電磁閥加電以實現(xiàn)精確噴射。Bosch電控高壓共軌系統(tǒng)不僅能精確計算和控制噴油時刻，其噴射時刻還可在－40°～30°的曲軸轉(zhuǎn)角范圍自由選
圖7
BoschCRS主要特點和參數(shù)
取。配合高的噴射壓力，可有效降低燃油消耗率并同時減少NOx和顆粒物（PM）的生成，以滿足排放要求。
3．2獨立柔性的噴射壓力控制
由于傳統(tǒng)的柴油機燃油噴射系統(tǒng)的噴射壓力
與柴油機的轉(zhuǎn)速和負荷相關(guān)，這種特性對于低轉(zhuǎn)速、部分負荷條件下的燃油經(jīng)濟性和廢氣排放非常不利［1］。而電控高壓共軌系統(tǒng)的噴射壓力與柴油機的轉(zhuǎn)速和負荷相獨立，因此成功解決了這一難題。對于應(yīng)用Bosch電控高壓共軌系統(tǒng)的柴油機，不僅在低轉(zhuǎn)速和小負荷工況下能輕松實現(xiàn)高壓噴射，還可根據(jù)性能和排放的要求對各種不同的工況自由設(shè)定其所需的最佳噴射壓力，使柴油機在各種工況下的廢氣排放最低、經(jīng)濟性最好、動力性最強，在優(yōu)化柴油機的綜合性能上具有很大的自由度。
3．4精確柔性的噴油量控制
電控高壓共軌系統(tǒng)中，其噴油量的大小主要取
決于當(dāng)前的噴射壓力和噴油器電磁閥的加電時間。一般，噴油器在某一壓力下和一定加電時間下能噴出的油量需在油泵試驗臺上事先測定，即噴油器的噴油特性MAP測量，然后將此值存入ECU中。柴油機在正常工作時，ECU根據(jù)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和負荷需求計算出當(dāng)前所需的噴油量大小，然后通過反查噴油器的噴油特性MAP，計算出當(dāng)前軌壓下所需的加電時間，再通過控制噴油器的電磁閥的加電時間來精確控制噴油量。
Bosch電控高壓共軌系統(tǒng)除了可以自由設(shè)定噴
射壓力，而且還可以根據(jù)發(fā)動機溫度、環(huán)境溫度和大氣壓力等環(huán)境參數(shù)對設(shè)定值進行實時修正，真正實現(xiàn)了噴射壓力在各種環(huán)境下的最優(yōu)化。此外，ECU采用PID控制策略對軌壓實行閉環(huán)控制，通過接收共軌管上軌壓傳感器的信號，并與ECU內(nèi)的軌壓設(shè)定值相比較，PID控制器根據(jù)兩者偏差實時調(diào)節(jié)高壓油泵上油量計量單元的開度來實現(xiàn)軌壓的精確控制，具有動態(tài)響應(yīng)速度快、超調(diào)和波動小等特點。一般，軌壓波動和軌壓在動態(tài)過程中的超調(diào)量可控制在非常小的范圍內(nèi)。
Bosch電控高壓共軌系統(tǒng)中，噴油器電磁閥的
加電時間以微秒為單位，可使每循環(huán)噴油量精確到毫克，而預(yù)噴油量可因此控制在1～2mg之間。同時，噴油器的良好一致性保證各缸間及每次噴射間的偏差最小化。此外，ECU的相關(guān)自學(xué)習(xí)軟件功能還可補償噴油器的噴油特性在使用壽命內(nèi)的細微漂移。因此，對于匹配Bosch高壓共軌系統(tǒng)的柴油機，其循環(huán)噴油量變動小，各缸噴射均勻，可大大減輕柴油機的噪聲和振動并降低有害物的排放。
3．5多次噴射（Multi－injections）
由于傳統(tǒng)的機械式燃油噴射系統(tǒng)不能實現(xiàn)多次
3．3精確柔性的噴油時刻控制
在柴油機高速工況下，柴油的噴射過程只有千
噴射，這對降低發(fā)動機噪聲、排放和改善冷起動方面很不利。而電控高壓共軌系統(tǒng)則能輕易實現(xiàn)多次噴射功能，大大提高了柴油機的綜合性能。多次噴射可
分之幾秒。如何控制燃油在最佳的時刻噴射，將直接影響到柴油機活塞上止點前噴入氣缸的油量，決定
Bosch電控高壓共軌系統(tǒng)的工作原理和特點/唐永華，張?zhí)?/p>
綜
述
分為預(yù)噴（PI）、主噴（MI）和后噴（PoI）。預(yù)噴，即在主噴之前噴入少量的柴油到燃燒室（約1～2mg），燃燒后可使主噴時的缸內(nèi)溫度升高，從而縮短主噴的著火延遲期和降低缸內(nèi)壓力上升速度，使燃燒更為高效而柔和，是降低燃燒噪音、HC和CO排放非常有效的途徑。此外，預(yù)噴還有助于改善柴油機的冷起動性能，降低冷態(tài)工況下白煙的排放以及改善發(fā)動機低速扭矩等［2］。主噴主要用于產(chǎn)生扭矩，其噴油量大小取決于發(fā)動機的性能要求。后噴可分為早后噴（PoI2）和遲后噴（PoI1）。早后噴非�？拷鲊姡扇紵⒛墚a(chǎn)生扭矩，主要用于燃掉燃燒室中殘余的炭煙顆粒，炭煙排放可因此進一步減少20％～70％。遲后噴則相對遠離主噴，一般在上止點后200°曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)噴射，噴出的燃油不燃燒（即不產(chǎn)生扭矩），但會被排氣余熱蒸發(fā)，主要用于為柴油機氧化催化器提供HC，被氧化后發(fā)生放熱反應(yīng)以增加排溫，亦可用于后處理系統(tǒng)中的再生反應(yīng)，如顆粒捕集器（DPF）和NOx儲存催化器（NSC）。
由于主噴與預(yù)噴以及后噴之間的時間間隔因工況要求而不同，如何實現(xiàn)靈活的多次噴射控制能力對改善柴油機的綜合性能和排放將非常關(guān)鍵。Bosch目前廣泛應(yīng)用于中國商用車市場的第二代電控高壓共軌系統(tǒng)（CRSN2）可實現(xiàn)每循環(huán)5次噴射，即2次預(yù)噴，1次主噴，2次后噴。其中，預(yù)噴與主噴、主噴與后噴之間的最小噴射間隔（即上一次噴射結(jié)束到下一次噴射開始的時間）如圖8所示。而更先進的第三代共軌系統(tǒng)（CRSN3）則可實現(xiàn)每循環(huán)7次噴射，它們都可根據(jù)不同的工況要求將理想的預(yù)噴和后噴的油量、噴射次數(shù)以及與主噴的時間間隔等參數(shù)預(yù)先自由設(shè)定和儲存在ECU的各個MAP圖內(nèi)，從而實現(xiàn)多次噴射的靈活控制。
4總結(jié)
隨著對柴油機低油耗、高功率及降低排放、噪聲
等方面的要求日漸強烈，傳統(tǒng)的依靠凸輪機構(gòu)組成的機械式柴油機燃油噴射系統(tǒng)因其控制自由度小、控制精度低、響應(yīng)速度慢等固有的缺點，已無法滿足要求。所以在柴油機上應(yīng)用電子控制技術(shù)已成為必然。而電控高壓共軌燃油系統(tǒng)不僅改變了傳統(tǒng)的機械式噴油系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，使噴射壓力的產(chǎn)生完全獨立于發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和噴射過程，還真正實現(xiàn)了噴油壓力、噴油時刻、噴油量和多次噴射的獨立、精確及柔性控制，從而大大提升了柴油機的動力性、經(jīng)濟性、排放及噪聲方面的綜合性能。因此，以Bosch為代表的電控高壓共軌系統(tǒng)是當(dāng)前實現(xiàn)國3及更高排放標(biāo)準，同時提高柴油機動力輸出、降低油耗和噪音的最佳技術(shù)方案，是今后國內(nèi)柴油機應(yīng)用和發(fā)展的必然趨勢。正是基于此，Bosch早在2004年便開始了與國內(nèi)眾多企業(yè)的高壓共軌柴油機項目的開發(fā)，同時在無錫建立了博世汽車柴油系統(tǒng)股份有限公司（RBCD），致力于共軌系統(tǒng)的本土化研發(fā)、匹配、生產(chǎn)以及銷售，并于2006年在屬下的柴油系統(tǒng)技術(shù)中心開始了專門針對中國市場需求的高壓共軌系統(tǒng)和零部件的本地化開發(fā)，并在無錫實現(xiàn)了關(guān)鍵零部件的本地化生產(chǎn)。參考文獻：
［1］孫吉樹．柴油機電控高壓共軌式噴射技術(shù)分析［J］．延邊
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［2］程婷婷．高壓共軌電控柴油機起動過程及油量研究［J］．
現(xiàn)代車用動力，2008，（1）：20－22．
圖8多次噴射間的最小時間間隔
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