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三、电控共执燃油系统
20世纪90年代研制出了一种全新的燃油喷射系统一电控共轨燃油系统。该系统已显示出其巨大的优越性。
共轨系统不再应用柱塞脉动供油原理，而是先将柴油以高压状态蓄积在被称为共轨（common rail）的容器中，然后利用电磁三通阀将共轨中的压力油引到喷油器中完成喷射任务。利用安装在高压油路中的高速、强力电磁溢流阀来直接控制喷油始点和喷油量，通过实时变更电磁阀升程和改变高压油路中的油压来实现喷油率和喷油压力的控制。
共轨中蓄积的与喷油压力相同的柴油直接进入喷嘴（针阀腔），开启针阀进行喷射，这就是高压共轨系统。比较成熟的共轨系统有德国博世公司的CR系统、日本电装公司的ECD-U2系统等。
第一代蓄压式电控共轨系统出现在20世纪末。第二代高压电控共轨系统紧接着在21世纪初就出现了。
高压共轨系统与其他系统相比，喷油压力不随转速的变化而变化，与负荷也无关，这种特性对低速和部分负荷下的燃油经济性和烟度相当有利，而共轨系统可以做到喷油压力不随转速变化而变化，并可保持到柴油机的低转速达500r/min，同时，最小循环供油量可达每循环1 mm3，其值远小于重型货车用柴油机为保持最低稳定转速所需的每循环12mm3。
高压共轨系统是一个电子控制的精确的压力一时间油量控制系统，共轨中压力波动很小，它没有常规电控喷油系统中存在的一些问题，如没有由压力波而产生的难控区、失控区，也没有调速器能力不足等问题，可实现柴油机所需的理想油量控制特性。
1．共轨喷油系统工作原理
图2-22为博世公司的共轨燃油喷射系统的基本组成图，主要由电控单元（ECU） 14、高压油泵（high-pressure pump） 2、共轨管（common rail） 6、电控喷油器（electronic injector） 8，以及其他传感器（sensors） 12与其他执行器（executors） 13等组成。
低压的齿轮泵3将燃油输人高压油泵2，高压油泵2将燃油加压送入共轨管6，共轨管6中的压力由电控单元14根据油轨压力传感器7测量的油轨压力及电控单元预设的压力MAP图进行调节。高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元从预设的MAP图中确定合适的喷油定时、喷油持续期和喷油率，然后电液控制的电控喷油器8将燃油喷人气缸。高压油泵只起向燃油轨供油的作用，其工作频率与柴油机转速没有固定的约束关系，可任意选择，只需保持共轨腔的油压即可。
该系统高压供油泵是一个二缸直列泵，该泵的凸轮是一个三叶凸轮，近似三角形，凸轮轴旋转一次，每缸供油三次，装在它上面的油泵控制阀（PCV）接受来自ECU的指令控制旁通油量，达到控制共轨管内的油压的目的。共轨管中的油压由燃油压力传感器送到ECU中，并经预先储存在ECU中的油压MAP图（喷油压力与转速、负荷关系图）的比较和修正，进行喷油压力的反馈控制。共轨油压同样作为喷油器的背压（控制室内压力）使用，喷油量与喷油定时的控制依靠三通阀（TWV）不断变动控制室内的背压来实现，即依靠ECU指令，变化作用在TWV上的电脉冲宽度来实现循环喷油量的变化，依靠改变脉冲的定时来实现喷油定时的变化，依靠喷油器设计措施和脉冲作用方式的变化来实现喷油率的变化。可实现三角形、靴形和引导喷射三类喷油率形状。
2．共轨喷油系统构成
（1）高压油泵高压油泵（high-pressure pump）的供油量的设计准则是必须满足在任何工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转矩最低、接触应力小和耐磨的设计原则来设计凸轮。
博世公司采用由柴油机驱动的三缸径向柱塞泵（图2-23）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，使其峰值转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。
ECD-U2系统通过控制直列泵上面的油泵控制阀的旁通油量（图2-24），即控制低压燃油有效进油量的方法，达到控制共轨管内油压的目的。其工作原理如图2-25所示，即：
1）柱塞下行，控制阀开启，低压燃油经控制阀流人柱塞腔。
2）柱塞上行，但控制阀中尚未通电，处于开启状态，低压燃油经控制阀流回低压腔。
3）在达到供油量定时，控制阀通电，使之关闭，回流油路被切断，柱塞腔中的燃油被压缩，燃油经出油阀进入高压油轨。利用控制阀关闭时间的不同，控制进入高压油轨的油量的多少，从而达到控制高压油轨压力的目的。
4）凸轮经过最大升程后，柱塞进入下降行程，柱塞腔内的压力降低，出油阀关闭，停止供油，这时控制阀停止供电，处于开启状态，低压燃油进入柱塞腔，进入下一个循环。
（2）共轨管共轨管（common rail）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。博世公司的CR系统的共轨管如图2-26所示。
共轨管容积具有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振荡的作用，使高压油轨中的压力波动控制在5MPa以下。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适应柴油机工况的变化。
（3）电控喷油器电控喷油器（Electronic injector）是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，它的作用是根据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、喷油量和喷油率喷人柴油机的燃烧室。
博世公司的CR系统和ECD-U2的电控喷油器的结构基本相似，都是由与传统喷油器相似的喷油嘴、液压控制活塞、控制量孔、控制电磁阀等组成。下面仅以ECD-U2的电控喷油器为例加以说明。其结构原理如图2-27所示。
1）三通阀（TWV）的工作原理与喷油量控制。ECD-U2每个喷油器总成的上方均有一个电控TWV。TWV包括内阀和外阀，外阀和电磁线圈的衔铁做成一体，由线圈的通电来指令外阀的运动，阀体则用来支承外阀。三个元件精密地配合在一起，分别形成密封内阀座A和外阀座B，随着外阀的运动，A、B阀座交替关闭，三个油道（共轨管、回油管和液压活塞上腔）两两交替接通，三通阀仅起压力开关阀的作用，本身并不控制喷油量。
当线圈没有通电时：外阀在弹簧力作用下落座，内阀在油道①的油压作用下上升（图2-29），此时密封内阀座A开启，油道①、②相通，高压油从油道①进入液压活塞上腔中。
当线圈通电时：外阀在电磁力的吸引下向上运动，关闭密封内阀座A，此时内阀仍停留在上方，外阀座B开启，油道②、③相通，活塞上腔向回油室放油，这时喷油器喷油。线圈通电时间即喷油脉宽，决定喷油量。油道①、②也称为控制量孔，液压活塞上部的空间称为控制室的容积。
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应缩短。博世公司CR系统开启响应时间为0. 35ms，关闭响应时间为0. 4ms，全负荷能耗为50W。
2）喷油定时控制。在ECD-U2系统中喷油定时可以自由地独立控制，方法是控制定时脉冲送达TWV的时间，在ECU中要进行两次运算，即首先在各种传感器信号的基础上算出最终的喷射开始时刻（BTDC曲轴转角）；然后计算为实现该时刻目标而决定激励脉冲送到TWV的时间t。基础喷油定时由发动机转速和负荷（循环喷油量）决定，然后根据进气管压力、冷却液温度等进行修正。
3）喷油率的控制。ECD-U2系统可以实现三角形、引导喷射（即预喷）和靴形三种喷油率。
①三角形喷油率。实现方法是使喷油器针阀升起速度不要太快，以降低初期喷油量。因此，在动力活塞上方专门设计了一个单向阀和一个节流小孔。单向阀阻止动力活塞上方燃油通过，燃油只有通过小孔逐步泄出，造成动力活塞上方燃油压力下降速度放慢，针阀缓慢上升。
②预喷射喷油率。在ECD-U2上实现预喷射比较简单，只要在主喷射前给TWV一个小宽度的电脉冲信号，即可实现。ECD-U2系统最小预喷油量为每循环1mm3耐，预喷射和主喷射之间的时间间隔最小为0. 1 ms（图2-28） 。
③靴形喷油率。要实现靴形喷油率图形（图2-29），需要针阀有一个小的预行程停留才能获得。为此喷油器总成结构略有变动，在TWV与液压活塞之间的节流孔处改为一个靴形阀（孔）。靴形阀和液压活塞间的间隙作为可调的预行程。当TWV通电时，靴形阀中的高压燃油被释放到泄油道，喷油嘴打开到相当于预行程的高度，针阀在该处停留，一直维持到靴形阀末端残余压力通过靴形阀节流孔下降一定程度后，针阀才继续升高到最大升程，达到最大喷油速率。依靠预行程量和靴形阀节流孔直径的合理组合，可以得到各种形式的靴形喷油率。靴形喷油率由于初期喷油率低，可以获得较低的NOx二排放。
柴油机电控系统由传感器、执行器和发动机电控单元（ECU或ECM）组成。传感器检测出发动机或喷油泵本身的运行状态；发动机电控单元根据各个传感器的信息控制发动机的最佳喷油量、最佳喷油时间；执行器根据ECU的指令，准确控制喷油器和喷油时间。以一汽大众宝来柴油发动机为例，图2-30为电控系统组成。其传感器包括柴油机转速、加速踏板位置、车速及进气压力、进气温度、燃油温度及冷却液温度等传感器。ECU根据各种传感器实时检测到的柴油机运行参数，与ECU中预先已经存储的参数值或参数图谱（MAP图）相比较，按其最佳值或计算后的目标值，把指令输送到执行器。执行器根据ECU的指令，控制喷油量和喷油定时。柴油机电控系统还可和整车传动装置的ECU、制动防抱死系统ECU,以及其他系统的ECU通信，从而实现整车的电子控制。
