自从开始实施排放法规以来，对发动机排放的要求越来越严厉，致使柴油机技术采用的喷油压力持续不断地提高，其中大约20年前欧洲推广的1000bar喷射压力的分配泵以及12年前进入市场的1350bar喷射压力的共轨喷油系统是现代柴油机高压喷射的两个里程碑。7年前又首次推出了采用压电直接控制技术的共轨喷油系统应用于轿车，并投入了批量生产。
为了满足现行和未来的排放法规(如欧Ⅴ和欧Ⅵ)限值和减少当前世人关注的引起全球气候变暖的温室气体CO2排放，则还必须进一步改善现代柴油机的燃烧过程，因此对空气系统和喷油系统提出了更高的要求。其中，一种非常适合于现代柴油机达到未来废气有害物和CO2排放目标的燃烧过程被命名为“优化的传统燃烧系统”(oCCS)(图1)。这种燃烧过程的微粒和NOx排放值几乎达到了如柴油机均质燃烧(均质充量压缩点火HCCI)过程那样的排放水平，而且还避免了均质燃烧(HCCI)过程的缺点。与欧Ⅳ燃烧过程相比，oCCS燃烧过程由于其NOx排放对负荷的依赖关系不大，因此有利于开发能降低燃油耗的发动机小型化设计。
同时，为实现oCCS燃烧过程所必需的前提条件是降低压缩比、降低进气涡流强度以及合适的活塞顶燃烧室形状，而其中特别重要的是优化燃油喷射，包括喷油状况以及每工作循环多达8次喷射的准确性和精度，并通过应用经改进的多孔喷油嘴获得最佳的油束准备。此外，高效、冷却和可调节的废气再循环(EGR)与优化的增压相结合也是重要的必备条件。鉴于降低了压缩比，陶瓷预热塞在废气排放状况处于临界状态的冷起动阶段提供了最佳的支持。
与当今应用的燃烧过程相比，为了能充分利用较大的EGR率和较高的增压压力降低排放的潜力，在发动机部分负荷时就将喷油压力提高到1800bar是必要的(图2)。
新型的2000bar共轨喷油系统
为了实现上述目标，博世公司已经为这种燃烧过程开发成功了一种最新型的2000bar喷射压力的CRS-3型高压共轨喷油系统(图3)，它采用了新型的压电直接控制式喷油器和CP4高压泵，借助于其良好的控制柔性以及间距短而又非常精确的多次喷射获得了极其突出的性能。由于喷油器、高压泵和共轨管等部件以及整个系统都获得了明显的改善，因此在发动机低转速和部分负荷范围内就已经成功地达到了所期望的高喷油压力，而其轻的重量和高的效率更有助于达到降低CO2排放目标。由于系统压力建立迅速，因此能够用CP4高压油泵最佳地适应起动－停车系统。
这种新型的2000bar喷射压力的共轨喷油系统已于2007年投入批量生产，为柴油机开发新型燃烧过程提供了前提条件，从而为发动机制造厂商提供了达到现在和未来的排放法规限值，并进一步降低燃油耗和CO2排放的机遇。
CP4型共轨高压泵系列
新型的CP4共轨高压泵系列具有新颖的结构特点，其基本结构与市场上可购买到的博世CP1H型3缸偏心轮泵不同，它是一种具有双凸轮和滚轮的径向柱塞泵(图4)。与传统的偏心轮泵相比，这种泵基于双凸轮的工作原理只应用一个柱塞泵油单元，因此CP4型共轨高压泵只需要较小的结构空间，并具有明显轻的重量。
CP4型共轨高压泵从一开始就是为高转速(泵最高试验转速高达5500r/min)设计的，因此该泵能适应发动机以高转速和1∶1的传动比运转。双凸轮与高的油泵转速相结合使得供油时间比传统的偏心轮泵明显短，因而减少了柱塞的泄漏，从而达到了最佳的效率(图5)。
为了使得变型数目尽可能少，油泵的高压部分被限制在一个紧凑的泵头上(图6)，这样不仅在变型管理方面，而且在实际的高压强度和重量方面也带来了不少好处，因此能够采用铝合金泵体。除了上述提及的结构特点之外，与CP1H高压泵相比，还能进一步减轻重量，带高压元件的CP4型高压泵的重量只有CP1H高压泵的60％。为了看得更清楚起见，图7上示出了每1000bar喷油压力的油泵重量比较。
此外，CP4型高压泵的这种模块化单柱塞或双柱塞结构能够达到通常较大的3柱塞泵所能达到的泵油量。
喷油系统的工作能力还取决于所能达到的计量精度。CP4型高压泵基于其工作原理还具有明显的优点，通过选择适当的传动比能够满足3~8缸发动机的同步供油需要。由于CP4型高压泵具有高的泵油效率，因此在低转速时就能够达到高的泵油压力，特别适合于象oCCS那样的新型燃烧过程。
所介绍的CP4型高压泵性能对于排放品质、燃油耗和运转平稳性等都是非常有利的，而且这种共轨高压泵通过采用已经试验过的附加措施就能够用例如美国市场使用的柴油运转。
压电直接控制式喷油器
为达到上面提到的废气有害物和CO2排放目标所需要的最佳混合气形成完全取决于喷油器的喷射品质。为此，所有的共轨喷油器原则上都具备相同的功能模块：
① 喷油嘴；
② 伺服阀；
③ 电子－机械执行器。
这些模块在实现其功能时会产生一些干扰因素，例如不希望出现的泄漏以及因横向力或刚度低所产生的摩擦等。同样，随着喷油压力的不断提高，对密封性和强度的要求也提高了，例如危险的长油道钻孔偏位等。第三代共轨喷油器持续不断的开发，从一开始就已考虑到了所有这些要求，并已经开发成功一种最高喷油压力高达2000bar的压电式喷油器，而且没有增加重量和结构空间，已首先应用于轿车的批量生产。
压电式喷油器系列以图8所示的基本结构为基础，使得这种压电式喷油器从2003年进入市场以来就能很好地适应越来越高的喷油压力。
这种基本结构包含有喷油器体、喷油嘴和由伺服阀、液压偶件和压电执行器组件所组成的功能结构模块，而这种功能结构模块可以根据用户的需求灵活应用，因此在喷油器体、电插头和喷油嘴的设计中还可以有很多的变更。其基本优点，第一是伺服链(压电执行器、液压偶件和转换阀)内部具有高的刚度；第二是避免了喷油嘴针阀上的机械力，而在带有挺杆的喷油器中会产生这种机械力从而增加磨损。这种基本结构能够有效地降低运动质量和摩擦，对喷油器的工作稳定性和功能变化起到了有利的作用。
总而言之，这种压电直接控制式喷油器，由于要求达到以下目标而必须具有独特的结构设计：
① 针阀具有高的动态性能，降低阀座节流损失；
② 每工作循环最多可实现8次喷射(3次预喷 、2次主喷、3次后喷)；
③ 在整个共轨压力范围内具有稳定的最小喷油量能力，即最小喷油量的计量精度高；
④ 优化长油道钻孔偏位，以提高高压强度；
⑤ 整个喷射过程中的压力损失最小；
⑥ 在使用寿命期内整个特性曲线场中的喷油量(包括电控单元的补偿功能在内)精度高而重复性又好。
为了达到所设定的目标，特别是要明显提高喷油压力，借助于功能分析来确定其开发重点(图9)。通过非常精确地识别喷油器每个元件的载荷及其承载能力，有效地扩大了这种基本结构的承载极限(＞2000bar)，同时优化并进一步开发其制造工艺方法，使其顺利地投入了批量生产，并且从批量生产一开始就达到了非常好的质量水平。迄今博世公司已经生产了2千万只这种类型的压电直接控制式喷油器。
喷油嘴的进一步开发
喷油嘴是燃烧室与喷油系统之间的接口，因此由喷油嘴完成的油束准备同样具有重要的意义。博世公司已经为这种先进的压电直接控制式喷油系统开发了一种喷油嘴方案，并具有以下优点：
① 在高喷油压力下具有高的液压效率；
② 具有良好的抗积炭耐久性；
③ 功能几何参数偏差更小，例如喷孔仰角(注：指喷孔中心线与喷油器轴线之间的夹角)公差减小了一半。
其中开发的关键是直径约为100μm的非常小的喷孔，并且要求具有非常高的位置和直径精度以及表面粗糙度。为此，博世公司内部开发了一种创新的机械加工技术，采用一种经改进的侵蚀工艺方法来确保满足高的加工要求，并与一种经进一步开发的工艺方法共同对喷孔表面进行液力研磨加工，这样就能够将要求如此高的喷油嘴制造出来。采用这种喷油嘴能够在中高负荷范围内获得高的升功率和非常低的排放值。
共轨管的开发重点
共轨管是共轨喷油系统重要的高压部件。对于2000bar共轨系统而言，可以采用激光焊接共轨，也可以采用锻钢共轨，同时其还必须带有能适应高系统压力的附件——压力传感器和压力调节器。焊接共轨为应用标准零件提供了可能性，而锻钢共轨则具有最大的降低重量的潜力。
系统功能
对于整个共轨喷射系统而言，除了纯粹的高压液力部件之外，还要开发进一步优化喷油系统和空气系统公差的系统功能。这种功能能够及早地识别出可能存在的偏差，并将这种偏差最小化(图10)。其中，所谓的自学习功能对于系统具有重要的意义，它不仅在新发动机状态而且在整个使用寿命期内都能优化计量精度。通常这些功能无须附加的传感技术就能实现，从而有利于保持低成本，并有助于提高系统的耐久性。其中零油量标定(ZFC)就是一个例子，这种功能2003年就已开发成功，并从那时起在批量生产中的应用证实了其可靠性。这些功能无须附加的传感技术就能在汽车行驶过程中连续不断地监测并修正如预喷射油量那样大小范围内的喷油量。
发展方向
为了达到更高的排放和燃油耗目标，EGR率和增压压力还将进一步提高，并通过采用发动机小型化技术将对排放有重大影响的运转范围移向较高的负荷，因而不仅仅对于高功率发动机存在着继续提高喷油压力的趋势，因此未来还将开发高于2000bar喷油压力的共轨喷油系统，而压电式喷油器为此提供了最好的前提条件，目前2000bar喷油压力的压电式喷油器已经用于批量生产。CP4高压泵和锻钢共轨管在结构设计上同样也具备进一步提高压力的潜力。未来的目标是喷油压力要大大超过2000bar，而且装配要具有兼容性，并不增加重量(图11)。除了提高喷油压力之外，还必须在动态性能、计量精度和油束准备等方面有所进步。
先进的燃烧过程对喷油系统提出了更高的要求，重要的是燃烧室内的喷油状况、计量准确度和精度的优化。为了充分发挥潜力，就必须提高发动机部分负荷范围内的喷油压力。为此开发的这种压电直接控制式高压共轨喷油系统能在整个发动机特性曲线场范围内以很小的间隔实现柔性控制的非常精确的多次喷射。其压电式喷油器已经过喷油压力高达1800bar的百万次实况喷射证实了其可靠性，并进一步开发成功地用于2000bar系统压力。采用新开发的效率和重量优化的CP4高压泵能够满足部分负荷范围内更高压力的需要。同时这种2000bar共轨喷油系统的所有部件都具有进一步提高压力的潜力.
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