摘要：高压共轨喷射系统是针对发电用柴油发电机对理想燃油喷射系统的要求而开发的新型时间-压力式电控燃油喷射系统。其核心设计理念在于将传统泵-管-喷油器三个单元按各自功能相互独立，从而大幅提高燃油喷射系统的控制自由度。在功能层面，该系统实现了高压喷射，并对喷射压力、喷射时刻及喷油规律均可进行直接调控，为燃烧放热规律的精确控制提供了必要的技术条件。典型的高压共轨喷射系统包括德国博世公司的CR型系统和日本电装公司的ECD-U2型系统。本文以博世CR型系统为主线，系统阐述了其高压泵（三缸Y字形径向布置）、共轨管（含压力传感器、液流缓冲器及压力限制器）及二位二通电磁阀式喷油器的结构特点与工作原理，详细分析了共轨压力控制与喷射过程控制的独立调节机制及进出油孔直径、控制室容积对针阀响应特性的影响规律。在此基础上，对比介绍了ECD-U2型系统的直列三山凸轮高压泵与三通电磁阀式喷油器的结构差异与控制原理，分析了多阶段喷射模式（先导喷射、预喷射、主喷射、后喷射及迟后喷射）的功能目标与实现条件，并进一步阐述了压电式喷油器在响应速度与喷射精度方面的技术优势及其对多阶段喷射控制的支撑作用。最后归纳了高压共轨系统在喷射压力、喷射时刻、喷射量及喷射速率等方面实现柔性控制的综合技术特点。
一、CR型高压共轨喷射系统
图1所示为博世公司的CR型高压共轨喷射系统，主要由三缸Y字形径向布置的高压泵、共轨管（蓄压室）、共轨压力传感器、二位二通电磁阀式电控喷油器及ECU（电子控制单元）等组成。ECU通过各传感器的实时信息，分别独立控制高压泵（决定共轨压力）和喷油器（决定喷射过程），因此喷射压力的控制与喷射过程的控制完全解耦。共轨压力（轨压）可根据柴油发电机工况任意设定，而喷油器的喷射量取决于共轨压力和喷油器电磁阀的开启持续时间（通电脉宽）。通过共轨压力与喷射过程的独立控制，显著提高了喷射系统的控制自由度和控制精度。
1. 高压泵
高压泵的核心功能是按一定的供油速率向共轨（蓄压室）供油，保证在任意工况下共轨中的油压保持恒定。由于发电用柴油发电机负荷（喷射量）变化范围很宽，为保证不同工况下均能维持设定的喷射压力（共轨压力），要求高压泵具有足够的供油速率和快速的响应能力。
CR型高压共轨喷射系统的高压泵主要由泵体、泵盖、进油阀、柱塞泵组件（三个柱塞泵以120°夹角Y字形径向均匀布置）、柱塞弹簧、驱动轴及偏心轮等组成。每个柱塞泵的柱塞在其弹簧作用下分别压在由偏心轮驱动的三角平面环的三个平面上。为减少零件数量并有利于高压泵轻量化，将柱塞与挺柱设计为一体。当偏心轮随驱动轴旋转一转时，三个柱塞泵各供油一次，由此保证较高的供油频率，使轨压波动得以快速补偿。此外，驱动轴前端驱动低压供油泵向高压油泵供油，驱动轴轴承采用滑动轴承以减小摩擦损失，驱动轴前后端采用油封以防漏油。
当柴油发电机工作时，曲轴前端定时齿轮驱动高压泵驱动轴，偏心轮随驱动轴旋转。对某一个柱塞泵，当偏心轮偏过时，柱塞在其弹簧作用下下移，柱塞顶上设置的单向阀打开，柱塞压油腔内进油；当偏心轮顶起三角平面环时，柱塞上移，此时通过弹簧作用使单向阀关闭（预行程），随着柱塞进一步上移，柱塞腔油压升高，推开出油阀向共轨供油（如图2所示）。高压泵驱动轴旋转一转时，三个柱塞泵各泵油一次。
为调节轨压，博世公司第二代高压共轨喷射系统在高压泵进油口处设置节流阀，由ECU控制。ECU根据不同工况对轨压的要求调节节流阀开度，控制高压泵供油量，实现对轨压的闭环控制。由于高压共轨喷射系统的喷油压力产生与燃油喷射过程无关，且喷油时刻与高压油泵供油时刻解耦，高压油泵的压油凸轮可按照接触应力最小和耐磨性原则设计——即采用偏心轮驱动三角形驱动环来驱动柱塞的方式，有效降低凸轮接触应力，延长使用寿命。
2. 共轨及高压油管
共轨的作用是将高压泵提供的高压燃油进行蓄压后，按一定的设定压力均匀分配到各缸喷油器。共轨的容积应能有效削减高压油泵供油压力波动和每个喷油器喷油过程引起的压力振荡，使高压油轨中的压力波动控制在5 MPa以下；但其容积又不能过大，以保证共轨具备足够的压力响应速度，快速跟踪柴油发电机工况变化。图3所示为CR型高压共轨管的结构示意图。
在共轨中安装有压力传感器，ECU随时检测轨压，以此反馈控制高压泵的泵油量，达到精确控制喷射压力的目的。为在喷射（或供油）过程中减小轨压波动，在进油口和出油口处设置了液流缓冲器（限流器）。高压油管是连接共轨管与喷油器（或高压泵）的管道，应具备足够的燃油流量，减小燃油流动时的压力降，并要求高压管路系统中的压力波动小，能承受高压燃油的冲击，同时在起动时共轨中能迅速建立轨压。为保证各缸均匀性，要求各缸高压油管长度尽量相等，使每个喷油器获得相同的喷油压力，减少各缸喷射量偏差；同时高压油管应尽可能短，使从共轨到喷油嘴的压力损失最小。
3. 二位二通电磁阀式喷油器
喷油器的主要作用是根据ECU控制指令，按一定的喷雾质量完成喷射量的定量、定时及喷油规律控制。喷射量通过喷油器开启持续时间（通电脉宽）控制，喷射时刻通过开启时刻控制。喷雾质量主要取决于喷射压力（即轨压）、喷孔总截面积及燃烧室内气流状态。喷油规律可通过多次喷射等方式实现。高压共轨系统的核心优势在于高压泵供油过程（轨压控制）与喷油器喷射过程（喷油控制）相互独立，可分别实现喷射压力和喷射过程的柔性控制，有利于放热规律优化，而不受二次喷射等不正常喷射现象限制。但控制精度主要取决于喷油器响应特性，而影响响应特性的关键因素在于喷油器结构。
CR型高压共轨喷射系统采用二位二通电磁阀式喷油器，其结构如图4所示，主要由电磁阀系统、液压控制系统和针阀偶件组成。电磁阀系统包括电磁阀、电磁阀弹簧及球阀，球阀根据ECU指令控制液压控制室出油孔的开闭；液压控制系统包括柱塞、柱塞套（与球阀体一体）、进出油孔及其弹簧，主要控制针阀升起或落座；针阀偶件包括针阀及针阀体，两者配合间隙约为2 μm。
（1）喷油器工作过程：当柴油发电机运行时，高压共轨中的高压燃油在进入喷油器针阀承压锥面的同时，通过液压控制系统进油孔进入液压控制室。当ECU接通电磁阀时，球阀升起，液压控制室出油孔被打开，作用在柱塞顶上的油压迅速降低，使作用于针阀顶部的柱塞弹簧压力与柱塞顶部油压之和小于针阀承压锥面上使针阀升起的油压，针阀升起，开始喷油。当ECU关闭电磁阀时，球阀在其弹簧作用下落座，关闭出油孔，来自共轨的高压油由进油孔进入液压控制室并立即建立油压，加上柱塞弹簧压力，使作用于针阀顶部的力大于针阀承压锥面上的开启力，针阀迅速落座，喷射结束。
（2）控制参数：喷油定时通过电磁阀通电时刻精确控制；喷射过程中的喷油速率取决于轨压、喷油器喷孔总喷射面积和针阀升程规律；喷射量通过电磁阀通电持续时间（控制脉宽）控制。工况一定时，喷射压力（轨压）由ECU根据目标值确定，因此喷射速率取决于喷孔直径、喷孔数和针阀升程规律。喷孔数选择需兼顾雾化与燃烧室空间匹配——喷孔数过少则燃烧室空间利用率低；过多则可能造成相邻喷孔喷注在涡流作用下相互干涉，影响混合气形成质量。喷孔直径直接影响喷射总面积、喷射速率和喷雾质量——喷射总面积增加则喷射时间缩短但雾化质量下降。初期喷油速率过快是造成燃烧噪声和NOₓ排放增加的主要原因。博世第二代高压共轨喷射系统喷孔数一般取5～7，喷孔直径0.125～0.169 mm，针阀升程0.20～0.25 mm。
（3）针阀升程规律：针阀升程规律取决于液压控制室内油压变化速率。控制室容积不宜过大，否则针阀升起和落座速度减慢（如图5所示），影响响应特性，喷油结束时不能快速断油，后期雾化不良；但容积过小则不能提供足够有效行程，影响喷油能力。对一定控制室容积，内部油压变化取决于出油孔出油速率与进油孔进油速率之差——两者面积比过小则油压降低缓慢，针阀无法达到最大升程；面积比过大（进油孔过小）则出油孔关闭后油压建立缓慢，针阀关闭不严、响应特性下降（如图6所示）。因此需对进出油孔直径进行优化匹配。
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图1 CR型高压共轨喷射系统 |
图2 Y字形高压泵工作原理图 |
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图3 CR型高压共轨管结构图 |
图4 二位二通电磁阀式喷油器结构图 |
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图5 控制容积对针阀升程规律的影响曲线图 |
图6 进出油孔直径对针阀升程规律的影响曲线图 |
二、ECD-U2型高压共轨喷射系统
ECD-U2型高压共轨喷射系统总体布置形式与CR型相似，主要区别在于高压泵和喷油器的结构。
1. 高压泵
ECD-U2型采用如图7所示的柱塞直列型三山凸轮高压泵。凸轮一个工作断面上设有三个凸起，凸轮轴每转一圈泵油三次，提高供油频率，使共轨油压得到及时补充。为获得平缓而稳定的共轨压力，要求高压泵供油频率与柴油发电机喷射频率相一致。每缸高压泵均设置一个PCV（泵控制阀）电磁阀。柱塞下行时PCV阀打开，燃油经PCV阀进入泵室完成进油；柱塞上行时若PCV阀未通电则保持开启，已进入的燃油经PCV阀回流，共轨油压不变化。当共轨压力低于设定值时，ECU在需要供油时刻接通PCV阀使之关闭，回油通路被切断，泵室内燃油受压压力升高，推开出油阀送往共轨补充轨压（如图8所示）。供油量取决于PCV阀关闭后的柱塞升程（供油有效行程），通过改变PCV阀关闭时刻改变有效行程，控制共轨压力。该方式可减小功率消耗，但需确定控制脉宽及其与凸轮轴相位关系，控制系统较复杂。
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图7 直列型高压泵结构图 |
图8 直列型高压泵控制原理图 |
2. 共轨
ECD-U2型共轨结构（如图9所示）与CR型类似，均安装压力传感器、液流缓冲器（限流器）和压力限制器。压力传感器向ECU提供轨压信号；液流缓冲器在喷油器泄漏时切断供油，同时减小压力波动；压力限制器在轨压异常时迅速泄压。当高压输油泵最大循环供油量为600 mm³时，共轨容积约为94,000 mm³。
图9 ECD-U2型高压共轨喷射系统的共轨结构图
3. 喷油器
ECD-U2型采用三通电磁阀式喷油器（如图10所示），由针阀偶件、液压柱塞、节流阀及三通电磁阀（TWV）组成。TWV通电时刻决定喷油定时，通电持续时间决定喷射量。
（1）三通电磁阀结构：由内阀（固定柱塞）、外阀（与衔铁一体，由线圈控制上下运动）和阀体组成，配合精度高，形成两个密封面且不能同时接通。第一密封面控制液压柱塞顶部控制室与共轨的连通，第二密封面控制控制室与泄油孔连通。ECU接通TWV时，外阀上移关闭第一密封面，共轨高压燃油无法进入控制室，第二密封面打开，控制室内高压油经泄油孔泄油，油压迅速降低，针阀在承压锥面高压燃油推力下升起，开始喷油（如图11a所示）。TWV断电时，外阀在弹簧力下移关闭第二密封面，第一密封面打开，共轨高压燃油进入控制室，液压柱塞在高压燃油和弹簧力作用下使针阀落座，停止喷油（如图11b所示）。
（2）控制原理：TWV接通和断开时刻根据台架试验标定的目标控制MAP图，由ECU工况判断后确定。控制室容积决定针阀开启灵敏度——过大则喷油结束时不能快速断油，后期雾化不良；过小则不能提供足够有效行程，流动阻力加大。为控制初期喷油速率以降低排放，喷油器在液压柱塞上方设有单向阀和小孔节流阀。单向阀阻止控制室燃油回流，只允许共轨燃油流入；控制室燃油通过小孔节流阀逐渐泄油，控制压力降低速率，从而控制针阀升起速度。单向阀孔径（进油量孔）和节流阀最小直径（泄油量孔）及控制室容积对喷油规律影响显著。泄油量孔和控制室容积决定针阀开启速度，关闭速度取决于单向阀流量特性和控制室容积。适当减小控制室容积可加快针阀响应速度，减少燃油温度对喷射量影响。一般TWV开启响应时间0.35 ms，关闭响应时间0.40 ms，全负荷状态能耗约50 W。
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图10 三通电磁阀式喷油器结构图 |
图11 三通电磁阀式喷油器工作过程图 |
三、多阶段喷射及压电式喷油器
高压共轨喷射系统对喷油规律的精确柔性控制，可实现对燃烧速率的精确控制。目前正向多阶段（多脉冲）喷射方式“Multijet”发展——将每个循环喷射量分成多阶段喷射，精确控制燃烧室温度和压力，提高循环热效率同时降低排放。
1. 喷射过程
图12所示为六阶段喷射模式。主喷射分为两次进行，有效降低最高燃烧温度以抑制NOₓ生成，但要求喷油器具备很高响应特性。
（1）先导喷射：进气终了或压缩初期进行的少量喷射，快速提高压缩行程中燃烧室温度和压力，缩短起动、暖车时间，降低怠速噪声和碳烟排放，改善低速转矩。仅在冷态下使用。
（2）预喷射：主喷射前进行的少量喷射，提高燃烧室温度为主喷射做准备，缩短着火延迟期，降低燃烧温度和燃烧噪声，抑制NOₓ生成。
（3）后喷射：主喷射后在膨胀过程中进行的少量喷射，保证膨胀过程中气缸温度降速不致过快，改善废气氧化环境，减少碳烟排放，提高排气温度有利于后处理装置催化反应。
（4）迟后喷射：排气过程中进行的少量喷射，增加废气中HC含量以提高NOₓ催化还原装置转化效率。
多阶段喷射需确定阶段数、各阶段起始点、持续期及阶段间时间间隔。特别是预喷射与主喷射之间、两次主喷射之间的时间间隔对燃烧过程较为敏感。
图12 六阶段喷射模式示意图
2. 响应特性
电磁阀式喷油器响应特性受电磁阀结构限制，实现多阶段喷射时受限。博世第二代系统预喷射与主喷射最短时间间隔不能小于900 μs，限制了主喷射分阶段或预喷射与主喷射最小时间间隔的控制。为此开发了压电式高压共轨喷射系统，仅将电磁阀式喷油器改为压电式喷油器，其余相同。压电石英晶体变形速度快，开关响应速度比电磁阀更快，同样喷射量只需更短持续时间。采用压电晶体片取代电磁线圈，可减小喷油器内整个喷射控制链的累积误差，提高喷射精度。压电式喷油器利用多层压电薄片叠加形成的压电堆，通过液压放大机构放大位移以满足高速开关阀流量要求。但压电晶体片在电学上是纯电容负载，级联后电容成倍增加，级联过多会使充放电时间增加而产生较大迟滞，故积层量需适当。
3. 压电式喷油器结构
压电式喷油器由压电执行器（压电晶体单元构成，通过薄层技术将多层压电石英晶体烧结成一定长度的立方体）、液压放大器及针阀组成。压电晶体单元产生的变形量非常小，通过液力放大器放大后再传递给针阀，保证最大升程。压电模块和液压放大器内充满约1 MPa的系统压力柴油，保证稳定工作环境。图13为压电式与电磁阀式喷油器性能对比——相同轨压和喷射脉宽下，压电式喷射能力明显更高，喷射速率快、峰值高、持续时间短，响应特性更优。压电式喷油器运动部件数和自重更少，噪声水平更低。目前只有压电式喷油器能够实现多阶段喷射过程的精确控制，是电控喷油器的发展趋势。
图13 压电式喷油器和电磁阀式喷油器的性能对比
四、高压共轨喷射系统的特点
时间压力控制式高压共轨电控喷射系统，共轨压力波动很小，没有常规电控喷射系统中因压力波产生的难控区、失控区及调速能力不足等问题。喷射压力的控制完全独立于转速和负荷。现将其技术特点归纳如下。
1. 喷射压力与喷射过程的独立控制
（1）控制解耦优势：高压共轨系统的核心特点在于喷油压力的建立（由高压泵和共轨管完成）与燃油喷射过程（由喷油器电磁阀完成）在物理和控制上完全独立。这种解耦使得喷射压力和喷射正时可以分别优化，不再像传统泵-管-嘴系统那样受凸轮升程曲线和柴油机转速的机械约束。
（2）轨压的柔性设定：共轨压力可根据柴油发电机工况（转速、负荷、冷却液温度等）由ECU实时调整，实现对喷射压力的柔性控制。低负荷时降低轨压以减少泵驱动损失和降低燃烧噪声，高负荷时提高轨压以保证足够的喷油速率和贯穿距。
（3）控制精度提升：由于轨压相对恒定且波动小（控制在5 MPa以下），喷射量的控制仅取决于电磁阀通电脉宽，消除了传统系统中因压力波传播引起的喷油量不一致问题，各缸喷射量偏差显著降低。
2. 喷射量、喷射时刻与喷射速率的独立控制
（1）喷射量控制：喷射量由共轨压力与电磁阀开启持续时间（通电脉宽）共同决定。在轨压恒定的条件下，喷射量与电磁阀通电脉宽呈线性关系（如图14所示），控制简单且重复精度高。对一定喷射量，轨压越高则喷射脉宽越小，喷射过程缩短。
（2）喷射时刻控制：喷油定时由电磁阀通电时刻精确控制，不受柴油机转速波动影响，控制范围宽，可实现任意角度的喷油提前或延迟调节。
（3）喷射速率控制：通过合理设计喷孔参数（孔数、孔径）和针阀升程规律（由控制室进出油孔直径及容积决定），可实现初期喷油速率较低、后期快速停止喷射的“d”形（三角形）喷射速率特征，有效降低燃烧噪声和NOₓ排放。
3. 多阶段喷射能力
（1）柔性喷油模式：高压共轨系统可在单个工作循环内实现多次喷射——包括先导喷射（冷起动改善）、预喷射（缩短着火延迟）、主喷射（能量输出主体）、后喷射（碳烟氧化促进）及迟后喷射（后处理温度提升），每次喷射的油量、时刻和间隔均可独立设定。
（2）燃烧过程优化：通过多阶段喷射，可将放热过程分为多个阶段进行控制，有效避免燃烧温度峰值过高和压力升高率过陡，在保证热效率的同时显著降低NOₓ与碳烟排放。
（3）喷射间隔限制：电磁阀式喷油器受响应特性限制，预喷射与主喷射之间最短时间间隔通常不小于900 μs。压电式喷油器因响应速度更快，可进一步缩短间隔，实现更精细的燃烧控制。
4. 系统适应性
（1）全工况覆盖：由于轨压控制独立于转速和负荷，高压共轨系统在起动、怠速、部分负荷和全负荷等各工况下均能提供稳定可控的喷射压力，不存在传统系统中因低转速导致供油压力不足的缺陷。
（2）环境适应性：控制系统可根据海拔、环境温度等外部条件变化，自动调整轨压设定和控制参数，保证在高原、高寒等不同环境下的可靠运行。
（3）故障容错能力：通过轨压传感器实时反馈和ECU的闭环控制，当高压泵供油能力下降或喷油器出现故障时，系统可及时调整控制策略并报警，提高系统的容错能力。
5. 喷射规律的可控性
（1）ECD-U2型：通过三通电磁阀、单向阀和节流阀控制液压柱塞顶部油压，实现初期喷射速率低、快速停止喷射的喷射速率控制。
（2）CR型：通过出油孔和进油孔直径大小控制液压柱塞顶部油压，同样可实现理想的喷射速率形状。两者均易实现多阶段喷射——只需在主喷射前给三通电磁阀一个不同的小宽度脉冲信号即可。
（3）放热规律控制：通过喷射规律的精确控制，可实现对燃烧放热规律的直接调控，为柴油发电机的高效清洁燃烧提供技术保障。
6. 系统局限性
（1）高压泵驱动损失：由于需要长时间维持系统内高压（通常为120～180 MPa，部分可达200 MPa以上），高压泵持续消耗柴油机功率，增加了机械驱动损失，在低负荷工况下相对影响更大。
（2）高压密封问题：系统内长期保持极高的燃油压力，对高压油管接头、共轨管连接处、喷油器进油口等密封部位提出了极为严苛的要求。密封失效不仅导致泄漏和压力下降，还可能造成高压燃油喷射伤人。
（3）部件成本较高：共轨管、高压泵和喷油器均需采用高强度材料和精密加工工艺，制造成本和维护成本高于传统机械式喷油系统。
（4）系统复杂性增加：需要ECU、各类传感器（轨压传感器、曲轴传感器、温度传感器等）和执行器（电磁阀）的协同工作，控制系统较复杂，故障诊断和维修难度较高。
图14 喷油器流量特性曲线图
总结
高压共轨喷射系统通过将传统泵-管-喷油器单元的功能解耦，实现了喷射压力与喷射过程的独立控制，显著提升了燃油喷射系统的控制自由度与精度。博世CR型与电装ECD-U2型是两种典型技术路线——前者以Y字形径向高压泵和二位二通电磁阀式喷油器为特征，后者以直列三山凸轮高压泵和三通电磁阀式喷油器为特征。系统具有喷射压力柔性控制、喷油量与喷油时刻独立调节、喷射规律可设计的突出优点，可实现多阶段喷射以优化燃烧放热过程。多阶段喷射技术（先导喷射、预喷射、后喷射、迟后喷射）通过精确控制燃烧速率，在提升热效率的同时有效降低NOₓ与碳烟排放，是实现柴油发电机清洁高效燃烧的关键路径。压电式喷油器因更高的响应速度和喷射精度，成为多阶段喷射控制的核心执行元件，代表着电控喷油器的发展方向。尽管高压密封、系统能耗和制造成本等问题仍需持续优化，高压共轨系统作为现代柴油发电机燃油喷射的主流技术方案，其发展前景广阔。
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