摘要：柴油机燃油喷射系统的演进是一部从机械粗放控制到电子精密智能控制的发展史。其目标始终是追求柴油机更高的燃烧效率、更低的污染排放和更强的动力性能。总的来说，高压共轨系统是追求高性能、低排放和低噪音时的主流先进选择；而在极端注重可靠性、燃油条件不佳的严苛工业环境中，电控单体泵系统可能更受青睐。

 

一、燃油系统工作的基本原理

 

1、燃油喷射的过程

  柴油发电机燃油喷射过程一般指的是燃油从喷油泵经高压油管到喷嘴，再由喷嘴的喷孔高压喷射的整个历程。燃油喷射过程并不包括燃油在燃烧室的历程，所以又叫燃油喷射的管内过程。图1表示燃油喷射过程中喷油泵端压力P_н、喷油器端压力p_n，以及针阀升程h的变化过程。整个过程一般分为三个阶段，即喷射延迟阶段、主喷射阶段和喷射结束阶段，如图1所示。

（1）喷射延迟阶段：如图1（a）所示，该阶段从喷油泵的柱塞顶封闭进回油孔的理论供油始点起到喷油器的针阀开始升起（喷油始点）为止。这阶段中在出油阀开启后，受压缩的燃油进入高压油管，产生压力波并以声速（约1200～1300m/s）沿高压油管向喷油器端传播，当喷油器端的压力超过针阀开启压力p_n时，针阀升起，喷油开始。供油始点和喷油始点一般用供油提前角θ_fs和喷油提前角θ_fi来表示，两者之差称为喷油延迟角。发动机转速越高以及高压油管越长，则喷油延迟角越大。

（2）主喷射阶段：如图1（b）所示，该阶段从喷油始点到喷油器端压力开始急剧下降为止。由于喷油泵柱塞持续供油，喷油泵端压力和喷油器端压力都保持高的水平而不下降，绝大部分燃油在这一阶段以高的喷射压力和良好的雾化质量喷入燃烧室，其持续时间取决于循环供油量和喷油速率。

（3）喷油结束阶段：如图1（c）所示，该阶段从喷油器端压力开始急剧下降到针阀落座停止喷油为止。由于喷油泵柱塞套筒的回油孔打开和出油阀减压容积的卸载作用，泵端压力带动喷油器端压力急剧下降，当喷油器端压力低于针阀开启压力时，针阀开始下降。这一阶段内还有少量燃油从喷孔喷出，但由于喷油压力下降，燃油雾化变差，因而应尽可能缩短这一阶段，减少这一阶段的喷油量，即喷油结束阶段应干脆、迅速。

  喷油停止后高压油管内的平均压力称为残余压力p₀，残余压力的大小也会影响喷射过程的进行，可通过出油阀等控制其大小。

2、异常喷射

（1）喷射过程的压力波动现象

  从上述分析可知，实际喷射过程是比较复杂的。在整个喷射期间，高压油管各个截面上的油压不相等，并且每个截面上油压的大小均随时间而变化。油压的变化所以会具有这样的波动特性，主要有以下三方面的因素影响。

① 燃油的可压缩性：在压力变化不大的情况下，可以认为液体是不可压缩的。但在柴油发电机的燃料供给系统中，油压变化的幅度Δp很大，在喷射时的最高油压可达（70～100）MPa，而喷射结束后高压油管中的剩余油压仅有几个兆帕，因此，在高压喷射过程中燃油的可压缩性必须加以考虑。

② 高压油管的容积变化：高压油管一般是用厚壁无缝钢管制成，具有一定的弹性，在变化的油压作用下，将使油管的容积发生变化。喷射过程中油压的变化愈大，或高压油管的长度或内径愈大，则高压油管容积的变化愈大。

③ 高压油管中的压力波动：由于燃油的可压缩性及高压油管容积的变化，使高压油路成为一个弹性系统，燃油在其中的流动也就具有波动性质。而且随着高压油路中燃油容积的增加或油压变化幅度的增大，都将使高压油管中压力波动的影响增大。

  燃油高压系统中存在着压力波动现象的最终结果，使实际的喷油规律与喷油泵所确定的供油规律有很大的差异，不仅使实际喷油始点在时间上落后于喷油泵的几何供油始点［一般相差8～12°曲柄转角（CA）］，而且使实际喷油持续时间拉长，最大喷油速率较最大供油速率低，循环喷油量也低于循环供油量，这些都给柴油发电机的燃烧过程造成不良的影响。当高压油路中燃油的容积愈大，或压力变化的幅度愈大，以及柴油发电机转速愈高时，燃油高压系统中压力波动现象所造成的不良影响也就愈大。

（2）异常喷射

  柴油发电机在运转中除因喷射器故障而造成不正常喷射外，即使在正常运行情况下，还可能因燃油系统设计时各参数选择或配合不当，使压力波动影响严重，造成不正常喷射。不正常喷射现象主要有二次喷射、滴漏和断续喷射等。

① 二次喷射：喷射终了喷油器针阀落座以后，在压力波动的影响下再次升起喷油的现象由于二次喷射是在燃油压力较低的情况下喷射的，导致这部分燃油雾化不良，会产生燃烧不完全，炭烟增多，并易引起喷孔积炭堵塞。此外，二次喷射还使整个喷射持续时间拉长，进而使燃烧过程不能及时结束，造成柴油发电机经济性下降、零部件过热等不良后果。二次喷射易发生在高速、大负荷工况。

② 滴漏：在喷油器针阀密封正常的情况下，喷射终了时由于系统内的压力下降过慢而使针阀不能迅速落座，出现仍有燃油流出的现象。这种在喷射终了时流出的燃油速度及压力极低，难以雾化，易生成积炭并使喷孔堵塞。

③ 断续喷射：由于在某一瞬间喷油泵的供油量小于从喷油器喷出的油量与填充针阀上升空出空间的油量之和，造成针阀在喷射过程中周期性跳动的现象。这时喷油泵端压力及针阀的运动方向不断变化，易导致针阀偶件的过度磨损。

④ 不规则喷射和隔次喷射：供油量过小时，循环喷油量不断变动甚至出现有的循环不喷油的现象。不规则喷射和隔次喷射易发生在柴油发电机怠速工况下，造成怠速动转不稳定，工作粗暴，并限制了柴油发电机的最低稳定转速。

  为避免出现不正常喷射现象，应尽可能地缩短高压油管长度，减小高压容积，降低压力波动。并合理选择喷射系统的参数，如喷油泵柱塞直径、凸轮廓线、出油阀形式及尺寸、出油阀减压容积、高压油管内径、喷油器喷油孔尺寸、针阀开启压力等。

 

图1  柴油机燃油系统喷射过程

二、各阶段核心技术解析

 

  图2清晰地勾勒了燃油系统这段演进的关键路径与里程碑。

1、机械时代

（1）空气喷射（约1893-1920年代）：柴油机发明者鲁道夫·狄塞尔最初采用的系统。利用高压空气将燃油吹入气缸。结构复杂笨重，效率低，后被淘汰。

（2）机械式喷射（1920-1980年代主流）：依靠发动机凸轮轴驱动喷油泵柱塞产生高压，通过精密机械结构（如调速器、提前器）控制油量和正时。

① 代表：直列柱塞泵、转子分配泵（如博世的VE泵）、机械式泵喷嘴。

② 特点：完全依赖机械设计，控制精度有限，难以兼顾全工况优化，排放较差。

2、电控过渡时代

（1）位置控制式电控泵（1980-90年代）

① 原理：在传统机械泵基础上，用电子调速器和电磁执行器替代机械调速器，控制油量调节齿杆的位置。喷油正时可能仍由机械提前器控制或辅以简单的电控。

② 特点：实现了油量的初步电控，比纯机械系统更精准、响应更快，是排放升级的过渡方案。

（2）时间控制式电控系统（1990年代）

① 原理：里程碑式进步。喷油泵（高压产生）与喷油控制（正时与油量）实现部分分离。系统保留了由凸轮驱动产生高压的机械方式，但喷油的开始和结束时刻完全由高速电磁阀的开关时刻（即“时间”）来控制。

② 代表：电控单体泵、电控泵喷嘴。

③ 特点：喷油压力大幅提高（可达2000bar以上），控制精度和响应速度跃升，为满足更严排放法规（如欧III）奠定基础。

3、智能电控时代

（1）高压共轨系统（1990年代中后期至今）

① 原理：革命性突破。它彻底将“压力产生”与“燃油喷射”两个功能在时间上和结构上完全解耦。高压油泵只负责向一个公共的蓄压管（共轨管）供油并维持恒定高压，喷油器上的电磁阀（或压电晶体阀）则完全独立地受ECU控制，决定何时喷、喷多少。

② 特点：喷射压力高且独立于发动机转速，低速也能获得高压，雾化极好。控制自由度达到巅峰，可实现每循环多次喷射（预喷、主喷、后喷），极大优化燃烧，降低噪音和排放。控制精度和响应速度最快。目前满足国三/欧四及以上最严排放标准的绝对主流技术，广泛应用于各类柴油机。

（2）未来演进趋势

  燃油喷射系统的演进并未停止，正向更智能、更集成的方向发展：

① 智能化与预测控制：系统将与更多传感器（如缸内压力传感器）和更强大的ECU结合，实现基于实时燃烧状态的闭环控制和基于工况的预测性自适应调节。

② 更高压力与更精确喷射：喷射压力向2500bar甚至更高迈进，喷孔更微细化，实现近乎完美的空气混合。

③ 与电气化深度集成：例如，采用48V电气系统为电动高压油泵供电，实现压力的完全主动控制，进一步摆脱对发动机凸轮轴的机械依赖。

④ 面向替代燃料的适配：为适应生物柴油、合成燃料等低碳燃料，喷射系统需要在材料兼容性、控制策略上进行新的优化。

 

图2  柴油机燃油喷射系统演进历程

 

总结：

从机械到电控柴油机，柴油机燃油喷射系统的演进本质是“控制权”的转移——从固定的机械凸轮转移到灵活的电子计算机手中。每一次技术跨越，都使柴油机变得更清洁、更高效、更安静、更智能。高压共轨系统代表了当前燃油喷射技术的最高水平，并将持续演进。

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