高压共轨

高压共轨燃油直喷（Common Rail Direct Fuel Injection System）是一种以高压燃油轨为核心的直接喷射系统，该燃油轨负责将燃油供应至各汽缸内的电磁阀。

其工作压力通常超过2,000巴（200兆帕或29,000磅/平方英寸）。此技术与传统使用低压燃油泵驱动单体喷射器（或泵喷嘴）的系统形成对比。

相较于早期低压燃油喷射技术，高压共轨喷射能将燃油雾化成更多、更细的液滴，大幅提升液滴表面积与体积比，从而改善燃烧效率与引擎动力输出，同时降低燃油消耗与废气排放。

此特性促进燃油液滴更充分的气化作用，使大气中的氧气更有效地与气化燃油结合，实现更完全的燃烧过程。

高压共轨燃油直喷现已广泛应用于柴油引擎，并成为汽油直喷系统（GDI）技术的基础架构之一。

## 历史

<image>

1916年，英国维克斯公司（Vickers Ltd）率先在G级潜艇的柴油引擎中采用了机械式共轨系统。每旋转90度，四组柱塞泵即可维持每平方英寸约3,000磅（210巴，21兆帕）的恒定喷射压力，并透过燃油管路中的阀门选择性切断单缸燃油供应。

1921年至1980年间，多克斯福德引擎公司（Doxford Engines Ltd）在对置活塞船用引擎中应用了改良型共轨系统。其多缸往复式燃油泵可产生约600巴（60兆帕，8,700磅/平方英寸）的压力，燃油储存在蓄能瓶中。压力控制透过可调式泵浦行程与溢流阀实现，并以凸轮轴驱动的定时阀控制布莱斯、CAV或卢卡斯喷油器，使燃油自气缸侧壁喷入两活塞间形成的燃烧腔。早期设计具备分离的前进与倒车定时凸轮，后期版本改为每缸双喷油器配置，最终的恒压涡轮增压型号则配备四支喷油器。此系统能适用于柴油与重质燃料油（黏度600 cSt，预热至约130°C）。

共轨系统在船舶与机车领域中应用多年。美国库珀－贝塞默公司（Cooper-Bessemer）于约1942年推出的GN-8型柴油引擎即采用液压驱动共轨技术，为后期改良型共轨系统的重要实例。

汽车用共轨系统原型由瑞士工程师罗伯特·胡伯于1960年代末研制，由苏黎世联邦理工学院的马可·甘瑟博士（Marco Ganser）进一步开发。甘瑟博士其后于1995年创立甘瑟－海德罗玛股份有限公司（Ganser-Hydromag AG），专门从事高压燃油喷射技术研究。

首款应用于公路车辆的共轨柴油引擎为IFA北豪森引擎厂于1985年研制的MN 106引擎，搭载于IFA W50卡车，但因资金不足而未能进入量产阶段。

全球第一款成功量产的共轨柴油车辆于1995年在日本推出。由日本电装株式会社（Denso Corporation）的伊藤昭平博士与宫木正彦博士开发的ECD-U2共轨系统，搭载于日野Ranger卡车，并由电装宣称为全球首款商用高压共轨系统。

现代共轨系统由电子控制单元（ECU）监控，采电控方式驱动喷油嘴，取代传统机械设计。此技术于1990年代由马瑞利集团、菲亚特研究中心与埃拉西斯公司（Elasis）共同设计原型，并由物理学家马里奥·里科（Mario Ricco）完善。由于当时菲亚特财务困难，该技术后被博世公司收购以推动量产。

1997年，Alfa Romeo 156搭载2.4升JTD柴油引擎，成为首款使用电子共轨系统的乘用车。稍后，梅赛德斯－奔驰W202亦引入此技术。

2001年，通用推出Duramax LB7 V8引擎（6.6升），应用于Chevrolet Silverado HD与GMC Sierra HD皮卡。2003年康明斯与道奇推出共轨柴油引擎，福特则于2008年以6.4升Powerstroke引擎跟进。至今，几乎所有非商用柴油车辆皆采用共轨系统。

## 缩写

<image>

各家制造商对高压共轨技术有自己的名称：

- 阿斯霍克雷兰德： CRS用于U系卡车与E4系大客车。
- 婆罗多奔驰： 4D34i用于914R与1214R卡车
- 宝马： d
- 路虎神行者使用TD4
- 雪佛兰： VCDi （由VM Motori授权）
- 雪铁龙： HDI
- 康明斯与斯堪尼亚汽车： XPI （联合风险投资）
- 康明斯： CCR （康明斯的高压泵与罗伯特·博世的喷油器）
- 戴姆勒： CDI （与克莱斯勒的吉普车称作CRD）
- 菲亚特集团 （包括菲亚特，阿尔法·罗密欧与蓝旗亚）： JTD （也称作MultiJet， JTDm， TDi， CDTi， TCDi， TiD， TTiD， DDiS与QuadraJet）
- 福特汽车： TDCi （Duratorq与Powerstroke发动机）
- 本田： i-CTDi与i-DTEC
- 现代汽车与起亚： CRDi
- 伊朗霍德罗： EFD
- 五十铃： iTEQ
- 吉普汽车： CRD
- 小松制作所： Tier3， Tier4， 4D95与高版本的HPCR系列
- 马恒达： CRDe与m2DiCR
- 马自达： MZR-CD与Skyactiv-D （由福特汽车与标致雪铁龙联合风险投资供货）与早期的DiTD
- 梅赛德斯-奔驰： CDI
- 三菱汽车： DI-D （主要用作最近开发的4N1发动机家族）
- 日产汽车： dCi （英菲尼迪也用dCi发动机，但不称作dCi）
- 欧宝： CDTI
- 宝腾： SCDi
- 标致雪铁龙集团： HDI或HDi （与福特汽车联合开发） – 见PSA HDi发动机
- 雷诺： dCi （与日产联合风险投资）
- 双龙汽车： XDi （大部分由戴姆勒制造）
- 斯巴鲁汽车： TD或D （截止2008年1月）
- 马鲁蒂铃木公司： DDiS （源自Fiat）
- 塔塔汽车： CR4， DICOR与TDi
- 丰田： D-4D与D-Cat
- 大众集团 （大众，奥迪，西亚特，斯柯达）：涡轮增压直喷（TDI） （最新型号用共轨取代了单体泵发动机）
- 沃尔沃： D与D5发动机，Volvo PentaD系列发动机

## 原理

<image>

电磁阀或压电阀实现了对燃油喷射时间与量的精密电子控制，而共轨技术所提供的更高压力则能提升燃油雾化效果。为降低引擎噪音，引擎电子控制单元可在主喷射前预先注入少量柴油（即“导喷”），借此减弱爆炸冲击与震动，同时针对燃油品质变化、冷启动等情境优化喷射时机与剂量。部分先进共轨系统每行程可执行多达五次喷射。

共轨引擎根据环境温度仅需极短甚至无需预热时间，且相较旧式系统能产生更低的引擎噪音与排放物。

柴油引擎历来采用多种喷射形式，常见类型包含单体喷射系统与分流器/直列泵系统。尽管这些旧式系统能精准控制燃油量与喷射时机，仍受限于若干因素：

其驱动方式依赖凸轮轴，且喷射压力与引擎转速成正比。这通常意味着最高喷射压力仅能在最高转速时达成，且随着转速降低，可达到的最大喷射压力亦随之下降。此特性适用于所有泵浦，即使是共轨系统所用的泵浦亦然。在单体式或分流式系统中，喷射压力直接取决于单次泵送动作的瞬时压力（无蓄压器），因此此关联性更为显著且棘手。

单次燃烧循环中可指令的喷射次数与时机受限。虽然旧式系统可实现多次喷射，但技术难度与成本远高于新系统。

典型分配式/直列式系统中，喷射起始于预设压力（常称爆破压力），并于预设压力结束。此特性源于汽缸头内“非智能”喷油嘴的运作机制——其开关动作取决于喷油嘴柱塞所受弹簧预载压力。当喷油嘴内压力达预设值时，柱塞抬起即启动喷射。

在共轨系统中，高压泵将燃油储存于储油槽内，压力可达2,000巴（200兆帕；29,000磅/平方英寸）以上。“共轨”一词意指所有燃油喷射器皆由共同燃油轨供油，该燃油轨实为储存高压燃油的压力蓄能器。此蓄能器为多个燃油喷嘴供应高压燃油。此设计简化了高压泵的功能，使其仅需维持目标压力（可透过机械或电子控制实现）。燃油喷嘴通常由引擎控制单元（ECU）控制。当喷油嘴接收到电气触发讯号时，其内部由喷嘴与柱塞构成的液压阀门将透过机械或液压方式开启，使燃油以设定压力喷射入汽缸。由于燃油压力能量储存于远端，且喷油嘴采用电气驱动，因此喷射起始与终止时的喷射压力极接近蓄能器（共轨）压力，从而产生方波喷射速率。若蓄压器、泵浦及管路尺寸配置得当，每次多点喷射事件的喷射压力与速率皆能保持一致。

第三代模糊共轨柴油引擎现已采用压电喷油嘴提升精准度，燃料压力可达2,500巴（250兆帕；36,000磅/平方英寸）。

## 外部链接

- Animation explaining common rail functioning
- Bosch Common Rail System – Bosch Mobility Solutions 官方网站