论柴油机高压共轨技术和汽油机缸内直喷技术对内燃机发展的影响
柴油机高压共轨技术：
柴油机高压共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式，由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力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，因此也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。
特点
其主要特点可以概括如下：
共轨腔内的高压直接用于喷射，可以省去喷油器内的增压机构；而且共轨腔内是持续高压，高压油泵所需的驱动力矩比传统油泵小得多。
通过高压油泵上的压力调节电磁阀，可以根据发动机负荷状况以及经济性和排放性的要求对共轨腔内的油压进行灵活调节，尤其优化了发动机的低速性能。
通过喷油器上的电磁阀控制喷射定时、喷射油量以及喷射速率，还可以灵活调节不同工况下预喷射和后喷射的喷射油量以及与主喷射的间隔。
高压共轨系统由五个部分组成，即高压油泵、共轨腔及高压油管、喷油器、电控单元、各类传感器和执行器。供油泵从油箱将燃油泵入高压油泵的进油口，由发动机驱动的高压油泵将燃油增压后送入共轨腔内，再由电磁阀控制各缸喷油器在相应时刻喷油。
预喷射在主喷射之前，将小部分燃油喷入气缸，在缸内发生预混合或者部分燃烧，缩短主喷射的着火延迟期。这样缸内压力升高率和峰值压力都会下降，发动机工作比较缓和，同时缸内温度降低使得NOx排放减小。预喷射还可以降低失火的可能性，改善高压共轨系统的冷起动性能。
主喷射初期降低喷射速率，也可以减少着火延迟期内喷入气缸内的油量。提高主喷射中期的喷射速率，可以缩短喷射时间从而缩短缓燃期，使燃烧在发动机更有效的曲轴转角范围内完成，提高输出功率，减少燃油消耗，降低碳烟排放。主喷射末期快速断油可以减少不完全燃烧的燃油，降低烟度和碳氢排放 [2]。
结构原理高压共轨系统利用较大容积的共轨腔将油泵输出的高压燃油蓄积起来，并消除燃油中的压力波动，然后再输送给每个喷油器，通过控制喷油器上的电磁阀实现喷射的开始和终止。高压共轨系统示意图
CRS
1.高压油泵
高压油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的喷油量与控制油量之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的产生与燃油喷射过程无关，且喷油正时也不由高压油泵的凸轮来保证，因此高压油泵的压油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计。
大部分公司采用由柴油机驱动的三缸径向柱塞泵来产生高达 135MPa 的压力。该高压油泵在每个压油单元中采用了多个压油凸轮，使其峰值扭矩降低为传统高压油泵的 1/9 ，负荷也比较均匀，降低了运行噪声。该系统中高压共轨腔中的压力的控制是通过对共轨腔中燃油的放泄来实现的，为了减小功率损耗，在喷油量较小的情况下，将关闭三缸径向柱塞泵中的一个压油单元使供油量减少。
2. 高压油轨（共轨管）
共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用。它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡，使高压油轨中的压力波动控制在5MPa之下。但其容积又不能太大，以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。
高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器（限流器）和压力限制器。压力传感器向 ECU 提供高压油轨的压力信号；液流缓冲器（限流器）保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油，并可减小共轨和高压油管中的压力波动；压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时，迅速将高压油轨中的压力进行放泄。
3. 电控喷油器
电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，它的作用根据ECU发出的控制信号，通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。
为了实现预定的喷油形状，需对喷油器进行合理的优化设计。控制室的容积的大小决定了针阀开启时的灵敏度，控制室的容积太大，针阀在喷油结束时不能实现快速的断油，使后期的燃油雾化不良；控制室容积太小，不能给针阀提供足够的有效行程，使喷射过程的流动阻力加大，因此对控制室的容积也应根据机型的最大喷油量合理选择。
此外喷油嘴的最小喷油压力取决于回油量孔和进油量孔的流量率及控制活塞的端面面积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后，就确定了喷油嘴针阀完全开启的稳定、最短喷油过程，同时就确定了喷油嘴的稳定最小喷油量。控制室容积的减少可以使针阀的响应速度更快，使燃油温度对喷嘴喷油量的影响更小。
但控制室的容积不可能无限制减少，它应能保证喷油嘴针阀的升程以使针阀完全开启。两个控制量孔决定了控制室中的动态压力，从而决定了针阀的运动规律，通过仔细调节这两个量孔的流量系数，可以产生理想的喷油规律。
由于高压共轨喷射系统的喷射压力非常高，因此其喷油嘴的喷孔截面积很小，如 BOSCH 公司的喷油嘴的喷孔直径为0.169mm×6，在如此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下，燃油流动处于极端不稳定状态，油束的喷雾锥角变大，燃油雾化更好，但贯穿距离变小，因此应改变原柴油机进气的涡流强度、燃烧室结构形状以确保最佳的燃烧过程。
对于喷油器电磁阀，由于共轨系统要求它有足够的开启速度，考虑到预喷射是改善柴油机性能的重要喷射方式，控制电磁阀的响应时间更应缩短。
4. 高压油管
高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道，它应有足够的燃油流量减小燃油流动时的压降，并使高压管路系统中的压力波动较小，能承受高压燃油的冲击作用，且起动时共轨中的压力能很快建立。各缸高压油管的长度应尽量相等，使柴油机每一个喷油器有相同的喷油压力，从而减少发动机各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能短，使从共轨到喷油嘴的压力损失最小。BOSCH公司的高压油管的外经为6mm，内径为2.4mm，日本电装公司的高压油管的外经为8mm，内径为3mm。
供油系统
供油系统精确控制
低压油泵将柴油从油箱中吸出，经过过滤提供给高压油泵，在低压泵内有一电磁阀控制燃油到达高压泵室，燃油进入管形蓄压器—燃油轨道。在共轨上有压力传感器时时监测燃油压力，并将这一信号传递给ECU，通过对流量的调节控制共轨内的燃油压力达到希望值。喷射压力根据发动机运转条件的不同从200～1800bar，再通过电脑控制分别喷射到气缸中，共轨不但保持了燃油压力，还消除了压力波动。
燃油喷射是很复杂的机械、液压、电子系统联合做业，要适应发动机各种工况下的工作环境，在燃烧之前燃油必须经过过滤和增压，在准确的时间以一定的喷射速率喷射到每一个气缸内。发动机电脑控制废气再循环、增压、排气后处理系统，以得到最佳的发动机特性和废气排放。
发展
最近两年，匹配直喷柴油发动机的轿车在欧洲得到了显著发展，有着高效和出色的燃油经济性，并降低了发动机噪音。直喷柴油发动机使用的是泵喷嘴系统，国内生产的1.9TDI宝来就应用这一系统，最高喷射压力可达到1800bar。泵喷嘴直喷系统虽好，但燃油压力不能保持恒定，随着排放控制日益苛刻，就需要更高且恒定的柴油喷射压力和更完善的电子控制，于是众多制造商们就把优点更多的柴油共轨系统作为柴油发动机的发展方向。这一系统有很高的燃油压力，并能提供弹性燃油分配控制，通过ECU灵活地控制燃油分配、燃油喷射时间、喷射压力和喷射速率。通过对以上特性的控制，共轨已经使柴油机的响应性和驾驶舒适性达到了汽油发动机水平，同时它具有着显著的燃油经济性和低排放特性。
在发动机所有转速范围内保证高燃油压力，高的喷射压力可以在低转速工况下获得良好的燃烧特性。
由凸轮轴驱动控制的轴向柱塞式分配泵的发动机，燃油系统压力与发动机转速呈线性关系，在发动机低转速时形成燃油压力不足，而共轨系统能够在发动机的所有转速范围内获得非常高的燃油压力。灵活的电子控制系统对正时和喷射压力的控制在发动机各种工况下都能够获得低排放和高效率。由于压力的形成与喷射过程分离，使发动机设计人员在研究燃烧和喷油过程时获得了更大的自由。可根据发动机工况的要求调节喷射压力和喷射正时，使发动机在低速工况下也能实现完全燃烧，所以即使是在很低的转速也能获得大扭矩。预喷射技术的应用在降低排放和噪音方面取得了更大的进步 。
第一代共轨高压泵总是保持在最高压力，导致能量的浪费和很高的燃油温度。第二代可根据发动机需求而改变输出压力，并具有预喷射和后喷射功能。预喷射降低了发动机噪音：在主喷射之前百万分之一秒内少量的燃油被喷进了气缸压燃，预加热燃烧室。预热后的气缸使主喷射后的压燃更加容易，缸内的压力和温度不再是突然地增加，有利于降低燃烧噪音。在膨胀过程中进行后喷射，产生二次燃烧，将缸内温度增加200～250℃，降低了排气中的碳氢化合物。
由于其强大的技术潜力，各制造商已经把目光定在了共轨系统第3代——压电式(piezo)共轨系统，压电执行器代替了电磁阀，于是得到了更加精确的喷射控制。没有了回油管，在结构上更简单。压力从200～2000bar弹性调节。最小喷射量可控制在0.5mm3，减小了烟度和NOX的排放。
“电控”是指喷油系统由电脑控制， ECU（俗称电脑）对每个喷油嘴的喷油量、喷油时刻进行精确控制，能使柴油机的燃油经济性和动力性达到最佳的平衡，而传统的柴油机则是由机械控制，控制精度无法得以保障。
“高压”是指喷油系统压力比传统柴油机要高出3倍，最高能达到200MPa（而传统柴油机喷油压力在60—70 MPa），压力大雾化好燃烧充分，从而提高了动力性，最终达到省油的目的。
“共轨”是通过公共供油管同时供给各个喷油嘴，喷油量经过ECU精确的计算，同时向各个喷油嘴提供同样质量、同样压力的燃油，使发动机运转更加平顺，从而优化柴油机综合性能。而传统柴油发动机由各缸各自喷油，喷油量和压力不一致，运转不均匀，造成燃烧不平稳，噪音大，油耗高。
国内制造的具备国际先进的电控高压共轨技术的柴油发动机采用了欧美柴油机的最新核心技术，明显优于传统增压柴油机。它比传统增压柴油机燃烧效率提高8%、二氧化碳排放低10%、噪音下降15%，彻底改变了柴油机在人们心目中“噪音大、冒黑烟”的形象。
维护保养
1，高压共轨系统为保证高压喷射，精确流量控制，其各组成部分的精度都非常高，偶件间隙控制相当严格，部分直线度在0.8微米以下，偶件间隙在1.5－3.7微米之间，所以对柴油清洁度提出了很高的要求。传统的柴油滤清器只能过滤10微米以上的颗粒，3微米的颗粒过滤效率很差。高压共轨系统要求滤清器提供95%的水分离效率和98.6%的3－5微米的颗粒过滤效率。满足该性能要求的柴油滤清器均被国外公司垄断，主机厂配套几乎都是国外公司的进口产品或外资企业在国内的投资工厂生产，也有民族品牌进入主机配套，如苏州工业园区的达菲特。这些企业的产品质量可靠，主要的有：外资企业：曼.胡（MH）、帕克(Parker)、弗列加(Fleetguard)、博世(BOSCH)等；国产品牌有如达菲特（DIFITE）等。
2，高压共轨系统部件成本昂贵，如果不按使用说明定期更换滤清器会造成喷油器、高压泵损坏，维修成本相当昂贵。以一台重卡的喷油器为例，大概需要1500元以上的费用 。
汽油机缸内直喷技术原理
缸内直喷技术（GDI）是一种现代发动机技术，其核心在于将燃油直接喷射进发动机气缸内部，而不是像传统发动机那样在进气歧管中喷射。这种技术的优点包括：
· 燃油经济性。通过精确控制燃油的喷射量和时间，缸内直喷技术可以提高燃油的雾化效率，从而确保只有适量的燃油与空气混合，提高燃烧效率。
· 降低排放。由于能够更精确地控制空燃比，缸内直喷技术有助于减少有害气体的排放。
· 提升性能。通过优化燃油和空气的混合，缸内直喷技术可以提高发动机的动力输出。36
缸内直喷系统通常由高压燃油系统、低压燃油系统和发动机控制系统组成。高压燃油系统负责将燃油加压至极高压力，以便有效雾化并喷射进气缸。低压燃油系统则负责将燃油从油箱输送到高压燃油系统。发动机控制系统（ECU）根据吸入的空气量精确控制燃油的喷射量和喷射时机。缸内直喷技术采用两种主要的燃烧模式：均质燃烧模式和分层燃烧模式。均质燃烧模式在进气行程后期喷入燃油，与空气充分混合，确保稳定点火；分层燃烧模式则在压缩行程喷入燃油，形成从火花塞到缸壁燃油浓度逐渐递减的混合气体，以提高燃烧效率和燃油经济性。缸内直喷技术的缺点包括更高的制造成本和复杂性，以及对燃油质量的高要求。
工作原理
FSI技术采用了两种不同的燃烧模式,即均质然烧模式和分层燃烧模式。均质燃烧模式是指在进气行程后期向燃烧室内喷入燃油，在进气行程与压缩行程中完成与空气的充分混合，并在点火时刻使缸内形成较为均匀的混合气，确保稳定点火。分层燃烧模式是指在压缩行程喷入燃油，随着压缩行程的进行，燃油与空气混合，直至点火时刻，从火花塞处至缸壁，燃油浓度由浓到稀，保证有效点火，火焰传播也正常，从而提高燃油经济性。
直喷发动机燃油和空气混合主要有三种方式,即喷射引导、壁面引导和气流引导,具体见图中a、b、c 所示。发动机的喷油器设计在缸盖顶部,火花塞设计在发动机的侧面,此种方式称为喷射式引导,在火花塞周围易形成较浓的混合气,这种布置方式比较适合于分层稀薄燃烧,具有较好的燃油经济性。壁面引导方式是喷油器侧置,火花塞顶置,通过活塞顶部的特殊形状引导油束运动并与空气混合,此种方式可以在火花塞周围形成较大面积的可燃区域。气流引导方式同样采用喷油器侧置、火花塞顶置的形式,利用进气时形成的滚流强化油气混合。壁面引导方式和气流引导方式结构形式相似,多用于均质燃烧模式,可以由传统的 PFI 发动机转化而来,可以实现与 PFI 发动机共用燃烧室及缸盖毛坯,进而实现发动机的平台化和模块化。 [1]
图示
技术优势
缸内直喷发动机与进气道喷射发动机相比有如下优势：
1、大负荷或全负荷工况时,缸内直喷发动机在进气行程中将燃油喷入燃烧室,由于油束的移动速度小于活塞的下行速度,使得油束周围的压力较低,燃油迅速扩散蒸发,进而形成均质燃烧混合气。
另外,燃油蒸发吸收热量使缸内温度降低,增强了抗爆震性能。因此缸内直喷发动机可以用较高的压缩比,提高了发动机的热效率，一般可提高至 11~14。另外由于缸内温度降低,提高了充量系数,可发出较大的功率。当发动机在低负荷运行时,在压缩冲程时刻进行燃油喷射,利用缸内滚流的运动促进油气混合,最后在火花塞电极附近形成适宜点火的油气,并且油气浓度在整个燃烧室内呈现梯度分布,可实现较大的空燃比,从而提高发动机的经济性。同时,分层燃烧模式使燃烧发生在燃烧室的中心区域,燃烧被周边的空气隔绝,降低了热量损失,进一步降低了燃油消耗率。
2、缸内直喷发动机在中、小负荷工况时采用分层燃烧模式,燃油浓度梯度呈现梯度分布,即在缸壁附近分布的大部分是空气,有效地防止了热量传递给缸体水套,提高了燃烧的热效率。
3、进气道喷射发动机在冷起动过程中,缸内温度低,油气蒸发不完全,致使实际喷油量远远超过了按理论空燃比计算得到的喷油量,而且在冷起动时易出现失火或不完全燃烧现象,使 HC排放增加。相反,缸内直喷技术发动机可以精确的控制每个循环的空气与燃油比例,结合分层燃烧直接起动技术,可以降低冷起动时的 HC 排放,瞬态响应好。
4、缸内直喷发动机采用质调节,根据各缸的实际需求进行燃油喷射,可减少各缸之间的差异,提高各缸均匀性,一般与进气道喷射汽油机相比缸内直喷发动机的各缸均匀性可以控制在 3%以内。
关键部件气缸盖
气缸盖是 GDI 发动机的关键部件,尤其是缸盖中燃烧室部分及气道结构对气流运动、混合气形成、火焰传播等起着至关重要的作用。
进气管
对于采用分层燃烧模式的GDI发动机,为了增加进气充量及增强进气滚流,不但对进气管的管径、管长、谐振腔的容积有特殊的要求,而且往往增加可变滚流和可变管长等结构。这样不但进气管结构变得复杂,制造成本较高,而且性能开发和匹配标定的难度也较大。而对于同时采用涡轮增压的缸内直喷发动机来说,由于进气增压的作用,在发动机大部分工况下进气管内均为正压,一般可达 0.2MPa 左右,对进气管的强度要求高,同时发动机本体或整车需要另外增设真空泵满足系统对真空度的需求。
高压油泵
GDI 发动机的喷油压力一般在 10-15MPa 左右,以保证燃油雾化质量及合适的贯穿距离。高压油泵一般由安装在进气凸轮轴上的 4 山凸轮驱动,升程在 2.5-4mm 之间,升程对高压油泵的选择十分重要,直接影响着冷起动时直喷系统的建压时间,升程需根据发动机性能需求、滚轮挺柱寿命、驱动凸轮型线及制造工艺等因素综合设计,一般 3.5mm 左右的升程即可满足使用需求。
喷油器
喷油器是直喷系统的核心部件,喷油器在燃烧室内的布置方式、喷嘴结构形式、油束的喷雾形状都直接影响燃油的雾化、油气混合及燃烧过程,最后影响发动机的性能。另外喷油器喷嘴置于燃烧室内,受燃油品质量影响较大。如果燃油的油品质不好,燃烧不充分,极易生成积碳并堵塞喷嘴,影响喷雾质量及喷油器自身的寿命。
活塞
缸内直喷发动机的活塞顶面形状对燃烧室内气流的运动及混合气的形成有很大的影响,因此缸内直喷发动机都将活塞作为关键部件进行重点的设计和开发。无论是壁面引导、气流引导还是喷射引导,都需要特殊的活塞顶面凹坑相适应,从而达到较为理想的油气混合效果,形成油气浓度的均质分布或梯度分布,保证燃烧的顺利进行。
问题及难点燃油系统
GDI 发动机燃油喷射压力在 10-15MPa 左右,最大可达 20MPa,远高于 PFI 发动机 0.3-0.4MPa 的燃油喷射压力,对高压油轨的材料和可靠性要求较高。另外喷油器直接深入燃烧室内,工作温度在 500-1100℃,而喷嘴的孔隙为微米级,汽油中硫燃烧形成的硫酸盐类化合物及芳香烃燃烧不完全形成的黑色碳烟易堵塞喷嘴,影响雾化效果,加大喷油噪声。同时燃油系统压力高,各部件的磨损增加,导致润滑效果下降。
排放及后处理系统
GDI 发动机采用分层燃烧模式时,由于在压缩行程后期喷入燃油,燃油和空气没有足够的时间进行混合,使得燃油蒸发慢,同时形成的可燃混合气在燃烧室内分布很不均匀,存在部分区域的油气浓度偏大,进而在这些区域产生的 NOx 增加。另外,GDI发动机的大部分运行工况都处于部分负荷,燃烧经常在过量空气系数较大的条件下进行,导致排气中含氧量较多且排气温度较低,在中、小负荷时 HC、颗粒排放物增加,三元催化器达不到最佳的转化温度,对氮氧化物的转化效率低,难以满足严格的排放法规。
电控系统及标定
GDI 发动机对电控系统要求高,为了达到均质燃烧或分层稀薄燃烧所要求的喷雾质量、灵活的喷油定时和点火正时,实现不同燃烧模式下转矩的平顺过度,需采用精度高、响应快的柔性控制策略,开发和标定难度大,标定周期长,一般需要 8-10 个月。
（以上摘自相关资料）。
综上可以看出汽、柴油机在供油系统越来越趋于相同，汽油机和柴油机在结构上并没有本质区别，工作原理都是一样的；区别主要来自于汽油和柴油的自燃点的高低不同，为了更好的获得爆燃产生动力的效率而一个采用火花塞点火，一个采用压燃点火，在缸压上柴油机远远高于汽油机，热效率也高于汽油机；但是如果有一种装置能够消除汽油和柴油的燃烧特质或者说是平衡它们的燃烧差异，会不会也出现压燃式的汽油机呢？请容许我介绍一个专利，主要内容如下：
内燃机燃烧效率最重要的燃油在气缸内的雾化程度和空气的混合程度；汽油机方面由最初的机械式化油器到后来的单点、多点的电控歧管高压燃油喷射，再到现在流行的缸内直喷技术；柴油机则经历了涡流室燃烧、机械式高压油泵喷油最后到了高压共轨高压喷射系统，但无论是汽柴油机现在给汽缸内供油都是利用高压油泵加压油液再通过喷油咀的微孔形成油雾与进入汽缸的空气进行混合做功，油雾雾滴粒径的大小决定了内燃机汽缸内油气混合均匀度，也决定了混合气燃烧的效率，也可以说进入汽缸的燃油的状态决定了燃油的利用率，对于节油和排放的提高有非常大的影响，通过高压喷油泵进入汽缸的燃油状态则取决于喷油压力和喷油咀微孔的大小，喷油压力比较好解决，但是喷油咀喷油微孔的直径已经到了人类掌握的加工技术的极限；就是在这种极限加工技术下，喷出的油雾还是液滴。而这个发明采用简单的设计，利用电热元件加热将油液蒸汽化，而液体的蒸汽是物质的气态存在，是以物质分子状态存在的，它的单个粒径远远小于喷油咀雾化的液滴，因此无论是汽油机还是柴油机采用这个有以下优势：
一、装置结构简单，可以制作成任何形状，制作成本远低于高压油泵。
二、这个装置将蒸汽状（分子形态）燃油送入汽缸，在汽缸内与空气的混合更均匀，从而使燃烧更充分，在同功率的条件下可以有效的降低单位燃油消耗量同时可以使燃油燃烧更充分，有效的降低单位油耗和达到更优的排放指标。
三、燃油蒸汽本身以高温（温度可根据机器点火要求调整）进入汽缸，在冬季或者是高寒地区可以使内燃机冷启动更容易。
四、采用本专利内燃机本体不需要改动仅仅将控制电脑的喷油带宽进行调整即可正常运行。
五、本装置内部压力可根据机器要求调整制造（在10---200MP范围内）。
发明人王文远先生。期待与天下有志有识的英才合作开创中国汽车工业的新里程碑！
柴油机高压共轨技术：
柴油机高压共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式，由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力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，因此也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。
特点
其主要特点可以概括如下：
共轨腔内的高压直接用于喷射，可以省去喷油器内的增压机构；而且共轨腔内是持续高压，高压油泵所需的驱动力矩比传统油泵小得多。
通过高压油泵上的压力调节电磁阀，可以根据发动机负荷状况以及经济性和排放性的要求对共轨腔内的油压进行灵活调节，尤其优化了发动机的低速性能。
通过喷油器上的电磁阀控制喷射定时、喷射油量以及喷射速率，还可以灵活调节不同工况下预喷射和后喷射的喷射油量以及与主喷射的间隔。
高压共轨系统由五个部分组成，即高压油泵、共轨腔及高压油管、喷油器、电控单元、各类传感器和执行器。供油泵从油箱将燃油泵入高压油泵的进油口，由发动机驱动的高压油泵将燃油增压后送入共轨腔内，再由电磁阀控制各缸喷油器在相应时刻喷油。
预喷射在主喷射之前，将小部分燃油喷入气缸，在缸内发生预混合或者部分燃烧，缩短主喷射的着火延迟期。这样缸内压力升高率和峰值压力都会下降，发动机工作比较缓和，同时缸内温度降低使得NOx排放减小。预喷射还可以降低失火的可能性，改善高压共轨系统的冷起动性能。
主喷射初期降低喷射速率，也可以减少着火延迟期内喷入气缸内的油量。提高主喷射中期的喷射速率，可以缩短喷射时间从而缩短缓燃期，使燃烧在发动机更有效的曲轴转角范围内完成，提高输出功率，减少燃油消耗，降低碳烟排放。主喷射末期快速断油可以减少不完全燃烧的燃油，降低烟度和碳氢排放 [2]。
结构原理高压共轨系统利用较大容积的共轨腔将油泵输出的高压燃油蓄积起来，并消除燃油中的压力波动，然后再输送给每个喷油器，通过控制喷油器上的电磁阀实现喷射的开始和终止。高压共轨系统示意图
CRS
1.高压油泵
高压油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的喷油量与控制油量之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的产生与燃油喷射过程无关，且喷油正时也不由高压油泵的凸轮来保证，因此高压油泵的压油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计。
大部分公司采用由柴油机驱动的三缸径向柱塞泵来产生高达 135MPa 的压力。该高压油泵在每个压油单元中采用了多个压油凸轮，使其峰值扭矩降低为传统高压油泵的 1/9 ，负荷也比较均匀，降低了运行噪声。该系统中高压共轨腔中的压力的控制是通过对共轨腔中燃油的放泄来实现的，为了减小功率损耗，在喷油量较小的情况下，将关闭三缸径向柱塞泵中的一个压油单元使供油量减少。
2. 高压油轨（共轨管）
共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用。它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡，使高压油轨中的压力波动控制在5MPa之下。但其容积又不能太大，以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。
高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器（限流器）和压力限制器。压力传感器向 ECU 提供高压油轨的压力信号；液流缓冲器（限流器）保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油，并可减小共轨和高压油管中的压力波动；压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时，迅速将高压油轨中的压力进行放泄。
3. 电控喷油器
电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，它的作用根据ECU发出的控制信号，通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。
为了实现预定的喷油形状，需对喷油器进行合理的优化设计。控制室的容积的大小决定了针阀开启时的灵敏度，控制室的容积太大，针阀在喷油结束时不能实现快速的断油，使后期的燃油雾化不良；控制室容积太小，不能给针阀提供足够的有效行程，使喷射过程的流动阻力加大，因此对控制室的容积也应根据机型的最大喷油量合理选择。
此外喷油嘴的最小喷油压力取决于回油量孔和进油量孔的流量率及控制活塞的端面面积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后，就确定了喷油嘴针阀完全开启的稳定、最短喷油过程，同时就确定了喷油嘴的稳定最小喷油量。控制室容积的减少可以使针阀的响应速度更快，使燃油温度对喷嘴喷油量的影响更小。
但控制室的容积不可能无限制减少，它应能保证喷油嘴针阀的升程以使针阀完全开启。两个控制量孔决定了控制室中的动态压力，从而决定了针阀的运动规律，通过仔细调节这两个量孔的流量系数，可以产生理想的喷油规律。
由于高压共轨喷射系统的喷射压力非常高，因此其喷油嘴的喷孔截面积很小，如 BOSCH 公司的喷油嘴的喷孔直径为0.169mm×6，在如此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下，燃油流动处于极端不稳定状态，油束的喷雾锥角变大，燃油雾化更好，但贯穿距离变小，因此应改变原柴油机进气的涡流强度、燃烧室结构形状以确保最佳的燃烧过程。
对于喷油器电磁阀，由于共轨系统要求它有足够的开启速度，考虑到预喷射是改善柴油机性能的重要喷射方式，控制电磁阀的响应时间更应缩短。
4. 高压油管
高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道，它应有足够的燃油流量减小燃油流动时的压降，并使高压管路系统中的压力波动较小，能承受高压燃油的冲击作用，且起动时共轨中的压力能很快建立。各缸高压油管的长度应尽量相等，使柴油机每一个喷油器有相同的喷油压力，从而减少发动机各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能短，使从共轨到喷油嘴的压力损失最小。BOSCH公司的高压油管的外经为6mm，内径为2.4mm，日本电装公司的高压油管的外经为8mm，内径为3mm。
供油系统
供油系统精确控制
低压油泵将柴油从油箱中吸出，经过过滤提供给高压油泵，在低压泵内有一电磁阀控制燃油到达高压泵室，燃油进入管形蓄压器—燃油轨道。在共轨上有压力传感器时时监测燃油压力，并将这一信号传递给ECU，通过对流量的调节控制共轨内的燃油压力达到希望值。喷射压力根据发动机运转条件的不同从200～1800bar，再通过电脑控制分别喷射到气缸中，共轨不但保持了燃油压力，还消除了压力波动。
燃油喷射是很复杂的机械、液压、电子系统联合做业，要适应发动机各种工况下的工作环境，在燃烧之前燃油必须经过过滤和增压，在准确的时间以一定的喷射速率喷射到每一个气缸内。发动机电脑控制废气再循环、增压、排气后处理系统，以得到最佳的发动机特性和废气排放。
发展
最近两年，匹配直喷柴油发动机的轿车在欧洲得到了显著发展，有着高效和出色的燃油经济性，并降低了发动机噪音。直喷柴油发动机使用的是泵喷嘴系统，国内生产的1.9TDI宝来就应用这一系统，最高喷射压力可达到1800bar。泵喷嘴直喷系统虽好，但燃油压力不能保持恒定，随着排放控制日益苛刻，就需要更高且恒定的柴油喷射压力和更完善的电子控制，于是众多制造商们就把优点更多的柴油共轨系统作为柴油发动机的发展方向。这一系统有很高的燃油压力，并能提供弹性燃油分配控制，通过ECU灵活地控制燃油分配、燃油喷射时间、喷射压力和喷射速率。通过对以上特性的控制，共轨已经使柴油机的响应性和驾驶舒适性达到了汽油发动机水平，同时它具有着显著的燃油经济性和低排放特性。
在发动机所有转速范围内保证高燃油压力，高的喷射压力可以在低转速工况下获得良好的燃烧特性。
由凸轮轴驱动控制的轴向柱塞式分配泵的发动机，燃油系统压力与发动机转速呈线性关系，在发动机低转速时形成燃油压力不足，而共轨系统能够在发动机的所有转速范围内获得非常高的燃油压力。灵活的电子控制系统对正时和喷射压力的控制在发动机各种工况下都能够获得低排放和高效率。由于压力的形成与喷射过程分离，使发动机设计人员在研究燃烧和喷油过程时获得了更大的自由。可根据发动机工况的要求调节喷射压力和喷射正时，使发动机在低速工况下也能实现完全燃烧，所以即使是在很低的转速也能获得大扭矩。预喷射技术的应用在降低排放和噪音方面取得了更大的进步 。
第一代共轨高压泵总是保持在最高压力，导致能量的浪费和很高的燃油温度。第二代可根据发动机需求而改变输出压力，并具有预喷射和后喷射功能。预喷射降低了发动机噪音：在主喷射之前百万分之一秒内少量的燃油被喷进了气缸压燃，预加热燃烧室。预热后的气缸使主喷射后的压燃更加容易，缸内的压力和温度不再是突然地增加，有利于降低燃烧噪音。在膨胀过程中进行后喷射，产生二次燃烧，将缸内温度增加200～250℃，降低了排气中的碳氢化合物。
由于其强大的技术潜力，各制造商已经把目光定在了共轨系统第3代——压电式(piezo)共轨系统，压电执行器代替了电磁阀，于是得到了更加精确的喷射控制。没有了回油管，在结构上更简单。压力从200～2000bar弹性调节。最小喷射量可控制在0.5mm3，减小了烟度和NOX的排放。
“电控”是指喷油系统由电脑控制， ECU（俗称电脑）对每个喷油嘴的喷油量、喷油时刻进行精确控制，能使柴油机的燃油经济性和动力性达到最佳的平衡，而传统的柴油机则是由机械控制，控制精度无法得以保障。
“高压”是指喷油系统压力比传统柴油机要高出3倍，最高能达到200MPa（而传统柴油机喷油压力在60—70 MPa），压力大雾化好燃烧充分，从而提高了动力性，最终达到省油的目的。
“共轨”是通过公共供油管同时供给各个喷油嘴，喷油量经过ECU精确的计算，同时向各个喷油嘴提供同样质量、同样压力的燃油，使发动机运转更加平顺，从而优化柴油机综合性能。而传统柴油发动机由各缸各自喷油，喷油量和压力不一致，运转不均匀，造成燃烧不平稳，噪音大，油耗高。
国内制造的具备国际先进的电控高压共轨技术的柴油发动机采用了欧美柴油机的最新核心技术，明显优于传统增压柴油机。它比传统增压柴油机燃烧效率提高8%、二氧化碳排放低10%、噪音下降15%，彻底改变了柴油机在人们心目中“噪音大、冒黑烟”的形象。
维护保养
1，高压共轨系统为保证高压喷射，精确流量控制，其各组成部分的精度都非常高，偶件间隙控制相当严格，部分直线度在0.8微米以下，偶件间隙在1.5－3.7微米之间，所以对柴油清洁度提出了很高的要求。传统的柴油滤清器只能过滤10微米以上的颗粒，3微米的颗粒过滤效率很差。高压共轨系统要求滤清器提供95%的水分离效率和98.6%的3－5微米的颗粒过滤效率。满足该性能要求的柴油滤清器均被国外公司垄断，主机厂配套几乎都是国外公司的进口产品或外资企业在国内的投资工厂生产，也有民族品牌进入主机配套，如苏州工业园区的达菲特。这些企业的产品质量可靠，主要的有：外资企业：曼.胡（MH）、帕克(Parker)、弗列加(Fleetguard)、博世(BOSCH)等；国产品牌有如达菲特（DIFITE）等。
2，高压共轨系统部件成本昂贵，如果不按使用说明定期更换滤清器会造成喷油器、高压泵损坏，维修成本相当昂贵。以一台重卡的喷油器为例，大概需要1500元以上的费用 。
汽油机缸内直喷技术原理
缸内直喷技术（GDI）是一种现代发动机技术，其核心在于将燃油直接喷射进发动机气缸内部，而不是像传统发动机那样在进气歧管中喷射。这种技术的优点包括：
· 燃油经济性。通过精确控制燃油的喷射量和时间，缸内直喷技术可以提高燃油的雾化效率，从而确保只有适量的燃油与空气混合，提高燃烧效率。
· 降低排放。由于能够更精确地控制空燃比，缸内直喷技术有助于减少有害气体的排放。
· 提升性能。通过优化燃油和空气的混合，缸内直喷技术可以提高发动机的动力输出。36
缸内直喷系统通常由高压燃油系统、低压燃油系统和发动机控制系统组成。高压燃油系统负责将燃油加压至极高压力，以便有效雾化并喷射进气缸。低压燃油系统则负责将燃油从油箱输送到高压燃油系统。发动机控制系统（ECU）根据吸入的空气量精确控制燃油的喷射量和喷射时机。缸内直喷技术采用两种主要的燃烧模式：均质燃烧模式和分层燃烧模式。均质燃烧模式在进气行程后期喷入燃油，与空气充分混合，确保稳定点火；分层燃烧模式则在压缩行程喷入燃油，形成从火花塞到缸壁燃油浓度逐渐递减的混合气体，以提高燃烧效率和燃油经济性。缸内直喷技术的缺点包括更高的制造成本和复杂性，以及对燃油质量的高要求。
工作原理
FSI技术采用了两种不同的燃烧模式,即均质然烧模式和分层燃烧模式。均质燃烧模式是指在进气行程后期向燃烧室内喷入燃油，在进气行程与压缩行程中完成与空气的充分混合，并在点火时刻使缸内形成较为均匀的混合气，确保稳定点火。分层燃烧模式是指在压缩行程喷入燃油，随着压缩行程的进行，燃油与空气混合，直至点火时刻，从火花塞处至缸壁，燃油浓度由浓到稀，保证有效点火，火焰传播也正常，从而提高燃油经济性。
直喷发动机燃油和空气混合主要有三种方式,即喷射引导、壁面引导和气流引导,具体见图中a、b、c 所示。发动机的喷油器设计在缸盖顶部,火花塞设计在发动机的侧面,此种方式称为喷射式引导,在火花塞周围易形成较浓的混合气,这种布置方式比较适合于分层稀薄燃烧,具有较好的燃油经济性。壁面引导方式是喷油器侧置,火花塞顶置,通过活塞顶部的特殊形状引导油束运动并与空气混合,此种方式可以在火花塞周围形成较大面积的可燃区域。气流引导方式同样采用喷油器侧置、火花塞顶置的形式,利用进气时形成的滚流强化油气混合。壁面引导方式和气流引导方式结构形式相似,多用于均质燃烧模式,可以由传统的 PFI 发动机转化而来,可以实现与 PFI 发动机共用燃烧室及缸盖毛坯,进而实现发动机的平台化和模块化。 [1]
图示
技术优势
缸内直喷发动机与进气道喷射发动机相比有如下优势：
1、大负荷或全负荷工况时,缸内直喷发动机在进气行程中将燃油喷入燃烧室,由于油束的移动速度小于活塞的下行速度,使得油束周围的压力较低,燃油迅速扩散蒸发,进而形成均质燃烧混合气。
另外,燃油蒸发吸收热量使缸内温度降低,增强了抗爆震性能。因此缸内直喷发动机可以用较高的压缩比,提高了发动机的热效率，一般可提高至 11~14。另外由于缸内温度降低,提高了充量系数,可发出较大的功率。当发动机在低负荷运行时,在压缩冲程时刻进行燃油喷射,利用缸内滚流的运动促进油气混合,最后在火花塞电极附近形成适宜点火的油气,并且油气浓度在整个燃烧室内呈现梯度分布,可实现较大的空燃比,从而提高发动机的经济性。同时,分层燃烧模式使燃烧发生在燃烧室的中心区域,燃烧被周边的空气隔绝,降低了热量损失,进一步降低了燃油消耗率。
2、缸内直喷发动机在中、小负荷工况时采用分层燃烧模式,燃油浓度梯度呈现梯度分布,即在缸壁附近分布的大部分是空气,有效地防止了热量传递给缸体水套,提高了燃烧的热效率。
3、进气道喷射发动机在冷起动过程中,缸内温度低,油气蒸发不完全,致使实际喷油量远远超过了按理论空燃比计算得到的喷油量,而且在冷起动时易出现失火或不完全燃烧现象,使 HC排放增加。相反,缸内直喷技术发动机可以精确的控制每个循环的空气与燃油比例,结合分层燃烧直接起动技术,可以降低冷起动时的 HC 排放,瞬态响应好。
4、缸内直喷发动机采用质调节,根据各缸的实际需求进行燃油喷射,可减少各缸之间的差异,提高各缸均匀性,一般与进气道喷射汽油机相比缸内直喷发动机的各缸均匀性可以控制在 3%以内。
关键部件气缸盖
气缸盖是 GDI 发动机的关键部件,尤其是缸盖中燃烧室部分及气道结构对气流运动、混合气形成、火焰传播等起着至关重要的作用。
进气管
对于采用分层燃烧模式的GDI发动机,为了增加进气充量及增强进气滚流,不但对进气管的管径、管长、谐振腔的容积有特殊的要求,而且往往增加可变滚流和可变管长等结构。这样不但进气管结构变得复杂,制造成本较高,而且性能开发和匹配标定的难度也较大。而对于同时采用涡轮增压的缸内直喷发动机来说,由于进气增压的作用,在发动机大部分工况下进气管内均为正压,一般可达 0.2MPa 左右,对进气管的强度要求高,同时发动机本体或整车需要另外增设真空泵满足系统对真空度的需求。
高压油泵
GDI 发动机的喷油压力一般在 10-15MPa 左右,以保证燃油雾化质量及合适的贯穿距离。高压油泵一般由安装在进气凸轮轴上的 4 山凸轮驱动,升程在 2.5-4mm 之间,升程对高压油泵的选择十分重要,直接影响着冷起动时直喷系统的建压时间,升程需根据发动机性能需求、滚轮挺柱寿命、驱动凸轮型线及制造工艺等因素综合设计,一般 3.5mm 左右的升程即可满足使用需求。
喷油器
喷油器是直喷系统的核心部件,喷油器在燃烧室内的布置方式、喷嘴结构形式、油束的喷雾形状都直接影响燃油的雾化、油气混合及燃烧过程,最后影响发动机的性能。另外喷油器喷嘴置于燃烧室内,受燃油品质量影响较大。如果燃油的油品质不好,燃烧不充分,极易生成积碳并堵塞喷嘴,影响喷雾质量及喷油器自身的寿命。
活塞
缸内直喷发动机的活塞顶面形状对燃烧室内气流的运动及混合气的形成有很大的影响,因此缸内直喷发动机都将活塞作为关键部件进行重点的设计和开发。无论是壁面引导、气流引导还是喷射引导,都需要特殊的活塞顶面凹坑相适应,从而达到较为理想的油气混合效果,形成油气浓度的均质分布或梯度分布,保证燃烧的顺利进行。
问题及难点燃油系统
GDI 发动机燃油喷射压力在 10-15MPa 左右,最大可达 20MPa,远高于 PFI 发动机 0.3-0.4MPa 的燃油喷射压力,对高压油轨的材料和可靠性要求较高。另外喷油器直接深入燃烧室内,工作温度在 500-1100℃,而喷嘴的孔隙为微米级,汽油中硫燃烧形成的硫酸盐类化合物及芳香烃燃烧不完全形成的黑色碳烟易堵塞喷嘴,影响雾化效果,加大喷油噪声。同时燃油系统压力高,各部件的磨损增加,导致润滑效果下降。
排放及后处理系统
GDI 发动机采用分层燃烧模式时,由于在压缩行程后期喷入燃油,燃油和空气没有足够的时间进行混合,使得燃油蒸发慢,同时形成的可燃混合气在燃烧室内分布很不均匀,存在部分区域的油气浓度偏大,进而在这些区域产生的 NOx 增加。另外,GDI发动机的大部分运行工况都处于部分负荷,燃烧经常在过量空气系数较大的条件下进行,导致排气中含氧量较多且排气温度较低,在中、小负荷时 HC、颗粒排放物增加,三元催化器达不到最佳的转化温度,对氮氧化物的转化效率低,难以满足严格的排放法规。
电控系统及标定
GDI 发动机对电控系统要求高,为了达到均质燃烧或分层稀薄燃烧所要求的喷雾质量、灵活的喷油定时和点火正时,实现不同燃烧模式下转矩的平顺过度,需采用精度高、响应快的柔性控制策略,开发和标定难度大,标定周期长,一般需要 8-10 个月。
（以上摘自相关资料）。
综上可以看出汽、柴油机在供油系统越来越趋于相同，汽油机和柴油机在结构上并没有本质区别，工作原理都是一样的；区别主要来自于汽油和柴油的自燃点的高低不同，为了更好的获得爆燃产生动力的效率而一个采用火花塞点火，一个采用压燃点火，在缸压上柴油机远远高于汽油机，热效率也高于汽油机；但是如果有一种装置能够消除汽油和柴油的燃烧特质或者说是平衡它们的燃烧差异，会不会也出现压燃式的汽油机呢？请容许我介绍一个专利，主要内容如下：
内燃机燃烧效率最重要的燃油在气缸内的雾化程度和空气的混合程度；汽油机方面由最初的机械式化油器到后来的单点、多点的电控歧管高压燃油喷射，再到现在流行的缸内直喷技术；柴油机则经历了涡流室燃烧、机械式高压油泵喷油最后到了高压共轨高压喷射系统，但无论是汽柴油机现在给汽缸内供油都是利用高压油泵加压油液再通过喷油咀的微孔形成油雾与进入汽缸的空气进行混合做功，油雾雾滴粒径的大小决定了内燃机汽缸内油气混合均匀度，也决定了混合气燃烧的效率，也可以说进入汽缸的燃油的状态决定了燃油的利用率，对于节油和排放的提高有非常大的影响，通过高压喷油泵进入汽缸的燃油状态则取决于喷油压力和喷油咀微孔的大小，喷油压力比较好解决，但是喷油咀喷油微孔的直径已经到了人类掌握的加工技术的极限；就是在这种极限加工技术下，喷出的油雾还是液滴。而这个发明采用简单的设计，利用电热元件加热将油液蒸汽化，而液体的蒸汽是物质的气态存在，是以物质分子状态存在的，它的单个粒径远远小于喷油咀雾化的液滴，因此无论是汽油机还是柴油机采用这个有以下优势：
一、装置结构简单，可以制作成任何形状，制作成本远低于高压油泵。
二、这个装置将蒸汽状（分子形态）燃油送入汽缸，在汽缸内与空气的混合更均匀，从而使燃烧更充分，在同功率的条件下可以有效的降低单位燃油消耗量同时可以使燃油燃烧更充分，有效的降低单位油耗和达到更优的排放指标。
三、燃油蒸汽本身以高温（温度可根据机器点火要求调整）进入汽缸，在冬季或者是高寒地区可以使内燃机冷启动更容易。
四、采用本专利内燃机本体不需要改动仅仅将控制电脑的喷油带宽进行调整即可正常运行。
五、本装置内部压力可根据机器要求调整制造（在10---200MP范围内）。
发明人王文远先生。期待与天下有志有识的英才合作开创中国汽车工业的新里程碑！
