高压共轨
高压共轨燃油直喷（英語：Common Rail Direct Fuel Injection System）是一種以高壓燃油軌為核心的直接噴射系統，該燃油軌負責將燃油供應至各汽缸內的電磁閥 [1]。
其工作壓力通常超過2,000巴（200兆帕或29,000磅/平方英寸）[2]。此技術與傳統使用低壓燃油泵驅動單體噴射器（或泵噴嘴）的系統形成對比 [3]。
相較於早期低壓燃油噴射技術，高壓共軌噴射能將燃油霧化成更多、更細的液滴，大幅提升液滴表面積與體積比，從而改善燃燒效率與引擎動力輸出，同時降低燃油消耗與廢氣排放 [4]。
此特性促進燃油液滴更充分的氣化作用，使大氣中的氧氣更有效地與氣化燃油結合，實現更完全的燃燒過程 [5]。
高压共轨燃油直喷現已廣泛應用於柴油引擎，並成為汽油直噴系統（GDI）技術的基礎架構之一 [6]。
历史
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1916年，英國維克斯公司（英語：Vickers Ltd ）率先在G級潛艇的柴油引擎中採用了機械式共軌系統。每旋轉90度，四組柱塞泵即可維持每平方英吋約3,000磅（210巴，21兆帕）的恆定噴射壓力，並透過燃油管路中的閥門選擇性切斷單缸燃油供應 [7]。
1921年至1980年間，多克斯福德引擎公司（英語：Doxford Engines Ltd）在對置活塞船用引擎中應用了改良型共軌系統。其多缸往復式燃油泵可產生約600巴（60兆帕，8,700磅/平方英吋）的壓力，燃油儲存在蓄能瓶中 [8]。壓力控制透過可調式泵浦行程與溢流閥實現，並以凸輪軸驅動的定時閥控制布萊斯、CAV或盧卡斯噴油器，使燃油自氣缸側壁噴入兩活塞間形成的燃燒腔。早期設計具備分離的前進與倒車定時凸輪，後期版本改為每缸雙噴油器配置，最終的恆壓渦輪增壓型號則配備四支噴油器。此系統能適用於柴油與重質燃料油（黏度600 cSt，預熱至約130°C）。
共軌系統在船舶與機車領域中應用多年。美國庫珀－貝塞默公司（英語：Cooper-Bessemer）於約1942年推出的GN-8型柴油引擎即採用液壓驅動共軌技術，為後期改良型共軌系統的重要實例 [9]。
汽車用共軌系統原型由瑞士工程師羅伯特·胡伯於1960年代末研製，由蘇黎世聯邦理工學院的馬可·甘瑟博士（英語：Marco Ganser）進一步開發。甘瑟博士其後於1995年創立甘瑟－海德羅瑪股份有限公司（英語：Ganser-Hydromag AG），專門從事高壓燃油噴射技術研究 [10]。
首款應用於公路車輛的共軌柴油引擎為IFA北豪森引擎廠於1985年研製的MN 106引擎，搭載於IFA W50卡車，但因資金不足而未能進入量產階段 [11]。
全球第一款成功量產的共軌柴油車輛於1995年在日本推出。由日本電装株式会社（英語：Denso Corporation）的伊藤昭平博士與宮木正彥博士開發的ECD-U2共軌系統，搭載於日野Ranger卡車，並由電裝宣稱為全球首款商用高壓共軌系統 [12][13][14]。
現代共軌系統由電子控制單元（ECU）監控，採電控方式驅動噴油嘴，取代傳統機械設計。此技術於1990年代由馬瑞利集團、菲亞特研究中心與埃拉西斯公司（Elasis）共同設計原型，並由物理學家馬里奧·里科（Mario Ricco）完善。由於當時菲亞特財務困難，該技術後被博世公司收購以推動量產 [15]。
1997年，Alfa Romeo 156搭載2.4升JTD柴油引擎，成為首款使用電子共軌系統的乘用車。稍後，梅賽德斯－賓士W202亦引入此技術 [16]。 2001年，通用推出Duramax LB7 V8引擎（6.6升），應用於Chevrolet Silverado HD與GMC Sierra HD皮卡。2003年康明斯與道奇推出共軌柴油引擎，福特則於2008年以6.4升Powerstroke引擎跟進。至今，幾乎所有非商用柴油車輛皆採用共軌系統 [17]。
缩写
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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
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電磁閥或壓電閥實現了對燃油噴射時間與量的精密電子控制，而共軌技術所提供的更高壓力則能提升燃油霧化效果。為降低引擎噪音，引擎電子控制單元可在主噴射前預先注入少量柴油（即「導噴」），藉此減弱爆炸衝擊與震動，同時針對燃油品質變化、冷啟動等情境優化噴射時機與劑量。部分先進共軌系統每行程可執行多達五次噴射[1]。
共軌引擎根據環境溫度僅需極短甚至無需預熱時間，且相較舊式系統能產生更低的引擎噪音與排放物。[18]
柴油引擎歷來採用多種噴射形式，常見類型包含單體噴射系統與分流器/直列泵系統。儘管這些舊式系統能精準控制燃油量與噴射時機，仍受限於若干因素：
其驅動方式依賴凸輪軸，且噴射壓力與引擎轉速成正比。這通常意味著最高噴射壓力僅能在最高轉速時達成，且隨著轉速降低，可達到的最大噴射壓力亦隨之下降。此特性適用於所有泵浦，即使是共軌系統所用的泵浦亦然。在單體式或分流式系統中，噴射壓力直接取決於單次泵送動作的瞬時壓力（無蓄壓器），因此此關聯性更為顯著且棘手。 單次燃燒循環中可指令的噴射次數與時機受限。雖然舊式系統可實現多次噴射，但技術難度與成本遠高於新系統。 典型分配式/直列式系統中，噴射起始於預設壓力（常稱爆破壓力），並於預設壓力結束。此特性源於汽缸頭內「非智慧型」噴油嘴的運作機制——其開關動作取決於噴油嘴柱塞所受彈簧預載壓力。當噴油嘴內壓力達預設值時，柱塞抬起即啟動噴射。 在共軌系統中，高壓泵將燃油儲存於儲油槽內，壓力可達2,000巴（200兆帕；29,000磅/平方英寸）以上。「共軌」一詞意指所有燃油噴射器皆由共同燃油軌供油，該燃油軌實為儲存高壓燃油的壓力蓄能器。此蓄能器為多個燃油噴嘴供應高壓燃油。此設計簡化了高壓泵的功能，使其僅需維持目標壓力（可透過機械或電子控制實現）。燃油噴嘴通常由引擎控制單元（ECU）控制。當噴油嘴接收到電氣觸發訊號時，其內部由噴嘴與柱塞構成的液壓閥門將透過機械或液壓方式開啟，使燃油以設定壓力噴射入汽缸。由於燃油壓力能量儲存於遠端，且噴油嘴採用電氣驅動，因此噴射起始與終止時的噴射壓力極接近蓄能器（共軌）壓力，從而產生方波噴射速率。若蓄壓器、泵浦及管路尺寸配置得當，每次多點噴射事件的噴射壓力與速率皆能保持一致[4]。
第三代[模糊]共軌柴油引擎現已採用壓電噴油嘴提升精準度，燃料壓力可達2,500巴（250兆帕；36,000磅/平方英寸）。[19]
参见
[编辑]参考文献
[编辑]- ^ 1.0 1.1 .Robert Bosch GmbH. Diesel Engine Management. Springer Vieweg. 2014. ISBN 978-3658039813.
- ^ Common Rail Diesel Injection System: Function and Benefits. SAE Technical Paper. 2018. doi:10.4271/2018-01-1234.
- ^ How Common Rail Injection Works. Autoevolution. [2026-02-28].
- ^ 4.0 4.1 Heywood, John B. Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill Education. 2018. ISBN 978-0070286375.
- ^ Atomization and Spray Characteristics in High Pressure Common Rail Systems. Journal of Engine Research. 2020, 15: 245–259.
- ^ Understanding Common Rail Diesel Injection. Engine Builder Magazine. 2019-08-05 [2026-02-28].
- ^ Walker, John Lamb. Marine Diesel Engines. Butterworth-Heinemann. 1980. ISBN 978-0852643075.
- ^ Development of Opposed-Piston Marine Engines. Trans. Inst. Marine Engineers. 1979.
- ^ History of Hydraulic Common Rail Systems. Diesel World Magazine. [2026-02-28]. （原始内容存档于2026-05-20）.
- ^ Robert Bosch GmbH. Diesel Engine Management. Springer Vieweg. 2014. ISBN 978-3658039813.
- ^ The History of Diesel Common Rail Development in East Germany. SAE International Journal. 1999. doi:10.4271/1999-01-0202.
- ^ DENSO Develops World's First Commercial Common Rail System. Denso Global. 1995-06-12 [2026-02-28].
- ^ 240 Landmarks of Japanese Automotive Technology - Common rail ECD-U2. Jsae.or.jp. [2009-04-29]. （原始内容存档于2009年9月8日）.
- ^ Diesel Fuel Injection. DENSO Global. [2011-08-03]. （原始内容存档于2011-08-07）.
- ^ Robert Bosch GmbH. Automotive Handbook. Wiley. 2022. ISBN 978-1-119-91190-6.
- ^ JTD Diesel: The First Passenger Car Common Rail Engine. Automotive Engineer. 1998.
- ^ The Rise of Common Rail Diesel Engines. Autoweek. [2026-02-28].
- ^ Effects of Common Rail Injection Systems on Engine Performance and Emissions. Energy Conversion and Management. 2019, 196: 694–703.
- ^ Bosch Common Rail Injection Technology. Bosch Mobility Solutions. [2026-02-28].
外部链接
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- Animation explaining common rail functioning （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- Bosch Common Rail System – Bosch Mobility Solutions 官方網站