柴油机燃油供给两种控制模式对比分析.doc

题目：柴油机燃油供给两种控制模式对比分析摘 要目前，能源危机和生态环境污染问题是全世界人们关注的焦点，随着各种动力机械保有量的不断增加，各种有害的尾气和颗粒的排放成为了目前各个国家所面临的急需解决的一大社会难题。因此对柴油机的排放要求就显得格外的重要。 柴油机的性能主要由它的喷油量、喷油率、喷油压力和喷有时间来决定的。柴油机的燃油供给系统就显得尤为重要。机械式柴油机和电控式柴油机都可以对这几个重要的指标进行控制，但是这两种柴油机对这几个指标的控制方法差别是很大的。通过对两种柴油机对这几个指标的控制方法进行比较分析，电控式柴油机的优势是显而易见的，电控式柴油机是目前及将来柴油机的主流发展趋势。关键词：柴油机 ，燃油供给控制模式，对比Abstract At presents, the energy crisis and ecological environment is the focus of attention, with various mechanical power multiple increasing, various harmful exhaust and particle emissions became at various countries face a major social needed to resolve problems. So on diesel engine emission requirements are especially important. The performance of the diesel engine is mainly by its injection quantity, injection rate and injection pressure and jet had time to decide. Diesel fuel supply systems are particularly important. Mechanical and electric type diesel engine to the several important indicators for control, but these two kinds of diesel engine a few to this index of the control method is very big difference. Based on two of these a few index of the diesel engine control method for comparative analysis, The advantage of electric control type diesel engine is obvious, electronic type diesel engine is the mainstream of the current and future development trend.Keywords: diesel engine, fuel supply control mode, contrast 目 录前 言11 基本概念21.1 柴油机燃油供给系统21.2 柴油机燃油供给系统的两种模式21.2.1 机械控制式供给系统31.2.2 电子控制式供给系统31.3两种控制方式目前的发展状况32 两种控制模式的对比分析42.1 柴油机燃油供给系统机械式自动控制42.2机械式燃油供给系统的基本组成42.3柴油机燃油供给系统电子式自动控制62.4电子式燃油供给系统的基本组成62.5机械式柴油机的控制内容102.5.1 喷油量的控制102.5.2 喷有压力的控制112.5.3喷油率的控制122.5.4 喷油时间的控制122.6 电子式柴油机的控制内容132.6.1 喷油量的控制132.6.2 喷油压力的控制132.6.3 喷油率的控制142.6.4 喷油时间的控制143 两种柴油机各项控制内容对比分析153.1喷油量控制的对比分析153.2喷油压力控制的对比分析193.3喷油率控制的对比分析233.4喷有时间控制的对比分析23结 论25致 谢26前 言随着科学技术的进步和现代制造业的发展，柴油机这一将化学能转变为机械能的重要动力机械之一，因为效率高，节约燃油消耗，较少的废气排放污染物、动力集中、结构紧凑等诸多特点，被用作内燃机车的动力装置有一定的优势，柴油机自1893年狄塞尔发明以来，经过100多年的发展，其技术水平不断提高，尤其进些年，由于热力学、空气动力学、材料学、应用力学以及电子技术的发展及其在柴油机领域的进一步应用，使得柴油机技术水平有了重大的发展，这一发展的结果，使柴油机在面对其它许多动力机械的挑战中。不仅问稳稳据着主要地位，而且有不断扩大发展的优势。但是，和自然界中的生存法则一样，柴油机也在不停地更新换代，以满足日益发展的社会的需要。经过多年的研究和新技术应用，柴油机的现状已与以往大不相同。现代先进的柴油机一般采用电控喷射、高压共轨、涡轮增压中冷等技术，在重量、噪音、烟度等方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平。随着国际上日益严格的排放控制标准(如欧洲、标准)的颁布与实施，无论是汽油机还是柴油机都面临着严峻的挑战，解决的办法之一是采用电子控制燃油喷射的技术。现在，柴油机电子控制技术在发达国家的应用率已达到60%以上。共轨式电控燃油喷射技术有助于减少柴油机的有害尾气排放量，并具有降低噪声、降低燃油耗、提高动力输出等方面的综合性能。高压共轨电控燃油喷射技术的应用有利于地球环境保护，加速促进柴油机工业、汽车工业，特别是工程机械相关工业的向前发展。 高压电控燃油喷射系统对控制排放十分有利，其中,共轨式电控喷射系统的供油和燃油计量是完全分开的，从而其喷油压力、喷油过程和喷油持续期不受负荷和转速的影响，尤为各国青睐。我国对现代柴油发动机电控技术的研究和开发尚处于起步阶段，目前还主要集中在对柴油发动机电控喷射系统的研究与开发上。但随着社会经济的发展，对环保的要求越来越高，柴油发动机电控系统的研究和相应产品的开发必将成为我国汽车柴油发动机技术领域中的一个热点，这将大大促进我国汽车柴油发动机产品的更新换代，为在未来短期内参与国际竞争奠定坚实的基础。1 基本概念1.1 柴油机燃油供给系统柴油机燃油供给系统是柴油机重要的组成部分，其主要作用是：根据柴油机不同工况的要求，以柴油机规定的工作次序，将一定量的清洁柴油定时、定量、定压，并以一定的喷油质量喷入燃烧室，使其与空气迅速混合并自行燃烧，做功后将燃烧废气排除汽缸。柴油机燃油供给系统一般由燃油供给装置、空气供给装置、混合气形成装置和废气排出装置四部分组成。l一燃油箱2一溢油阀3一燃油滤清器4一抽管5一手压输油泵6一输油泵7一喷油泵8一回油管9一高压油管10一燃烧室11一喷油器12一排气管13一排气门14一回油管15一空气滤清器16一进气管图1-1柴油机燃油供给系统 柴油机燃油供给系统的工作原理：输油泵从燃油箱内将柴油吸出，并产生一定的压力，经过柴油滤清器的滤清作用，将柴油滤去杂质后进入喷油泵，喷油泵将燃油压力提高，。当燃油压力达到一定值时，喷油器将燃油以雾状喷入燃烧室经高压油管送至喷油器，喷油器顶部回油孔泄漏的少量燃油及喷油泵低压油腔限压阀流出的过量燃油，经回油管流回燃油箱。柴油机燃料供给系统可以分为低压油路和高压油路。1.2 柴油机燃油供给系统的两种模式 目前，根据其控制原理的不同，柴油机燃油供给系统可以分为两种控制模式，一种是机械式控制系统，另一种是电子式控制系统。1.2.1 机械控制式供给系统机械式控制系统的核心是通过调速器对喷油泵的供油量进行自动调节，来保证柴油机的平稳运行。1.2.2 电子控制式供给系统电子控制系统主要是通过传感器来对机械的运动进行检测，将检测所得到的信息反馈给计算机，通过计算机对机械运动进行控制，来达到预期的目标。1.3两种控制方式目前的发展状况 柴油机的发展历程距今已经有100多年的历史了，柴油机的性能和质量在不断的改进和提高。由于柴油机具备高扭矩、高寿命、低油耗、低排放等特点，柴油机成为解决汽车及工程机械能源问题最现实和最可靠的手段。因此柴油机的使用范围越来越广，数量越来越多。同时对柴油机的动力性能、经济性能、控制废气排放和噪声污染的要求也越来越高。机械式控制系统的柴油机在柴油机刚诞生之时，的确为社会的发展带来了巨大的贡献，但是时代在发展，要求在提高，传统的机械式控制柴油机已经显示出了落后性，近年来，随着计算机技术、传感器技术及信息技术的迅速发展，使电子产品的可靠性、成本、体积等各方面都能满足柴油机进行电子控制的要求，并且电子喷油控制很容易实现。电子式控制柴油机的应用越来越普遍。与机械式控制柴油机相比，电子式控制柴油机不仅能提升排放清洁度，由于为柴油机加入了以芯片组为控制核心的电子系统，还具备了更好的可控制性和可管理性，使整车性能获得质的飞跃。在环保排放标准提升越来越快的今天，机械发动机为满足排放标准，后续技术投入非常大，而电控发动机却具备更好的向上兼容性，只需要局部改进，就能够提升排放清洁度。因此，电控式柴油机显示出了比较强大的生命力。2 两种控制模式的对比分析2.1 柴油机燃油供给系统机械式自动控制 柴油发动机的工作过程其实跟汽油发动机一样的，每个工作循环也经历进气、压缩、作功、排气四个行程。但由于柴油机用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸发，而其自燃温度却较汽油低，因此可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。柴油机在进气行程中吸入的是纯空气。在压缩行程接近终了时，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。由于柴油机压缩比高（一般为16-22），所以压缩终了时气缸内空气压力可达3.5-4.5MPa，同时温度高达750-1000K（而汽油机在此时的混合气压力会为0.6-1.2MPa，温度达600-700K），大大超过柴油的自燃温度。因此柴油在喷入气缸后，在很短时间内与空气混合后便立即自行发火燃烧。气缸内的气压急速上升到6-9MPa，温度也升到2000-2500K。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转而作功，废气同样经排气管排入大气中。柴油机工作性能的好坏，其燃油供给系统对其起着非常重要的作用。 人们在长期的社会实践中，针对柴油机喷油系统的定时，定量控制，先后研究开发了多种控制系统。最早应用于喷油系统的自动控制是以机械原理为主。以机械原理作为控制方式的喷油系统是现代柴油机的鼻祖，现在先进的电子控制式也是在此基础上不断完善和改进的。2.2机械式燃油供给系统的基本组成 机械式燃油供给系统的基本组成功能模块有：喷油压力调节机构，喷油量调节机构，喷油时间调节机构和喷射机构。图2-1为一般柴油机机械式燃油供给装置的组成。 1- 燃油箱；2-供油提前角调节装置；3-喷油泵；4-低压油管；5-输油泵；6-调速器；7-高压油管；8-喷油器；9-回油管；10-柴油滤清器图2-1 柴油机燃油供给装置的组成 组成机械式燃油供给系统基本功能模块的主要零部件及其基本功能如下：喷油泵对系统中的燃油进行加压、计量，然后按照一定的次序将燃油供入到各个汽缸所对应的喷油器中去。（1）提前器-连接在发动机驱动轴和喷油泵被驱动轴之间，由其内部机构的作用，改变喷油时间。这是一个自动相位调节机构。（2）调速器-调速器检测出发动机适时的转速，并将适时转速和设定的转速进行比较，产生与两种速度差相对应的作用力，使发动机的转速向设定转速靠拢。调速器既是一种速度传感器，又是调节喷油量的执行器，是一种典型的速度自动调节装置。调速器是机械式燃油供给系统的核心组件，正是在它的作用下才完成了各种调控目的。（3）喷油器-喷油器安装在发动机汽缸盖上，将喷油泵送过来的高压燃油物化成容易着火和燃烧的喷雾，并使喷雾和燃烧室大小、形状相配合，分散到燃烧室各处，和空气充分混合。喷油器是一个自动阀，可以对其开阀压力进行设置，而喷油嘴的结构确定其关闭压。所以，也可以说喷油嘴是一个压力传感器，也可以说是一个自动阀。（4）输油泵-将油箱中的燃油吸出来，送入到喷油泵的低压腔中。（5）高压油管-无缝钢管，将喷油泵中的高压燃油送入喷油嘴中。（6）滤清器-将燃油中的杂物滤去，保证喷油嘴正常工作。（7）回油管-将多余的燃油送回油箱。典型的喷油泵总成由喷油泵、调速器、提前角和输油泵组成。喷油泵中装有泵油机构和喷油量调节机按照构，按照喷油顺序向喷油器供油。喷油泵常见的种类有：直列泵、分配泵、分列泵（不带凸轮轴的直列泵）和泵油嘴。调速器和喷油泵的油量调节机构连在一起，按照驾驶员的意愿调节喷油量。2.3柴油机燃油供给系统电子式自动控制柴油机具有油耗低、排放低、功率大、转矩大的特性，不仅成为各类重型和中性工程机械的主导动力装置，而且日益成为轻型汽车的重要动力装置，与汽油机一样，柴油机也必须通过计算机控制全面提高性能，以满足日益提高的各方面要求。对柴油机进行计算机控制就是通过对影响柴油机性能的相关因素进行优化控制，使柴油机在各种工况下的排放、油耗和功率等性能得到全面改善。采用电子控制燃油喷射及排放的柴油机即为电喷柴油机。电喷柴油喷射系统由传感器、ECU(计算机)和执行机构三部分组成。其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、油门踏板位置、喷油时刻、进气温度、进气压力、燃油温度、冷却水温度等传感器，将实时检测的参数同时输入计算机(ECU)，与已储存的设定参数值或参数图谱(MAP图)进行比较，经过处理计算按照最佳值或计算后的目标值把指令送到执行器。执行器根据ECU指令控制喷油量(供油齿条位置或电磁阀关闭持续时间)和喷油正时(正时控制阀开闭或电磁阀关闭始点)，同时对废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，使柴油机运行状态达到最佳。2.4电子式燃油供给系统的基本组成喷油量和喷油定时是柴油机计算机控制系统中最基本的和最主要的控制内容。其他的控制内容还有启动控制，暖机控制，怠速控制，废气再循环控制，进气压力控制，巡航控制，柴油机制动控制等。尽管目前的柴油机计算机控制系统仍是多种控制方式并存，控制系统的硬件组成不尽相同，控制的内容、方式和策略有所不同，但从功能和机构看，柴油机的电子控制系统是有传感器、控制单元和执行器组成。柴油机电控系统经过一代又一代的向前发展，现在产生了一代全新的柴油机燃油系统柴油机电控共轨式燃油系统。柴油机控制系统的传感器-各种柴油机控制系统所采用的传感器的数量和种类会有所不同。柴油机计算机控制系统所用传感器的机构和原理与汽油机的基本相同。主要的传感器和作用如下：（1） 转速和定时基准传感器定时基准传感器也被成为曲轴位置传感器，用于向控制单元发送关于柴油机曲轴位置的信号。定时基准传感器通常采用转速传感器或位置传感器。一般将其设在柴油机曲轴上。有的系统则将其设在配气凸轮轴上。控制单元可以从其信号中读取曲轴位置信息和柴油机转速信息，并据此进行调速控制，优化喷油定时。（2） 加速踏板位置传感器 有些柴油机计算机控制系统在加速踏板下安装一个电位计或变阻器作为加速踏板位置传感器，当加速踏板处于怠速和到底之间的某一位置时，控制单元将传感器的输出电压与存储的代表加速踏板踩到底传感器的电压值进行比较，并按比例控制供给喷油量控制执行器的输出信号，使喷油器的实际喷油量与驾驶员的期望喷油量匹配。一般加速踏板位置传感器中还设有怠速开关，以保证柴油机在加速踏板位置传感器发生故障时能够保持怠速运转。（3） 增压压力传感器增压压力传感器向控制单元提供关于进气管内空气压力的信号。控制单元根据该信息不仅可以通过控制涡轮增压器的废气旁通阀或变截面执行器对增压压力进行闭环控制，而且还可以确定气缸的进气量，进而对喷油量进行限制。例如，当加速踏板位置传器信号表明驾驶员要求供给满负荷喷浊量的75时，如果控制单元根据涡轮增压压力判定要求的喷油量与进气量不匹配，将会按照涡轮增压压力所反映的气缸进气量控制实际喷油量，以黑烟和排放增加。（4） 大气压力传感器大气压力传感器用于感测环境压力，控制单元根据该传感器的信号可以调节控制喷油定时和喷油量的信号，对大气压力的变化进行补偿。（5） 空气温度传感器空气温度传感器向控制单元提供进气管内的空气温度信号，控制单元根据进气温度调节喷油量控制信号，以控制尾气排放。（6） 冷却液温度传感器冷却液温度传感器向控制单元提供柴油机冷却液的温度信号。控制单元根据该信号进行工况控制或启动柴油机保护功能，有些控制系统还利用该信号对冷却风扇进行控制。（7） 机油压力传感器机油压力传感器向控制单元提供柴油机机油主油道内的机油压力信号。当机油压力低于设定值时，控制单元将启动柴油机保护功篚，降低柴油机的转速和功率，甚至使柴油机熄火停转。（8） 机油温度传感器机油温度传感器向控制单元提供柴油机的机油温度信号，控制单元根据该信号控制柴油机工况或启动保护功能。（9） 燃油温度传感器燃油温度传感器一般设置在燃油细滤器盖内，向控制单元提供燃油温度信号。控制单元会根据燃油温度的变化自动调节喷油量的信号，以免因燃油密度随着温度变化而导致柴油机输出功率的降低。（10） 燃油压力传感器燃油压力传感器一般安置在燃油细滤器的出口，向控制单元提供输油压力信号。控制单元根据该信号对燃油供给系统低压部分的状态进行监测，当供油阻力超过设定限值时，控制单元将发出维护柴油机燃油系统的警告信号。（11） 车速传感器车速传感器一般设置在车辆变速器输出轴上，向控制单元提供车辆的速度信号。控制单元根据该信号进行巡航控制和车速限制控制。有的柴油机控制系统会通过柴油机制动以限制最高车速，其中有些柴油机电子控制系统在柴油机进入高强度制动时，还使柴油机冷却风扇离合器接合，利用柴油机风扇进一步增强柴油机的制动能力。除了以上常见的传感器之外，有的柴油机计算机控制系统还设有机油油位传感器、冷却液液位传感器、冷却液压力传感器等。还会有一些开关用于向控制单元输入各种控制或操纵指令，常见的开关有空调开关、巡航开关、离合器开关、制动开关、变速器驻车与空挡开关等。柴油机控制系统的控制器：控制器-其核心部分是计算机，他负责处理所有信息，执行程序，并将运行的结果作为控制指令输出到执行器。此外，还具有一种通讯功能，即和其他的控制系统如传动装置控制器进行数据传输和交换，同时考虑到其他系统的实时情况，适当修正燃油系统的执行指令，即适当修正喷油器、喷油提前角等。与此同时，还可以向其他控制系统送出必要的信息。柴油机控制系统的执行器：执行器根据控制器送来的执行指令驱动调节喷油量及喷油正时的相应机构，从而调节柴油机的运行状态。柴油机计算机控制系统的执行器主要是喷油控制执行器，此外还有废气再循环控制阀、涡轮废气旁通阀、冷却风扇离合器、柴油机制动控制阀、柴油机断油停机电磁阀等。1- 燃油箱；2-ECU冷却器；3-手动注油泵和预滤器；4-输油泵；5-燃油滤清器；6-燃油计量单元；7-回油阀；8-燃油流量调节电磁阀；9-高压油泵；10-燃油共轨管；11-轨压限制器；12-轨压传感器；13-流量限制器；14-喷油器图2-2 燃油供给系统 图2-2是一种电子式燃油供给系统的组成图。通过对机械式燃油供给系统和电子式燃油供给系统的组成，我们可以看出电子共轨式燃油供给系统在结构上和机械式燃油供给系统有以下几方面的区别：（1）用供油泵代替了原来的喷油泵。利用发动机的转动，通过供油泵将燃油加压，并送入共轨中。在供油泵上配置了供油泵控制阀（PCVPump Control Valve）,在EUC指令的控制下，调节供入共轨中的燃油量。此外，供油泵带有输油泵。输油泵的作用是从油箱中抽油，并将燃油供入供油泵的柱塞腔中。（2）取消了调速器和提前器；新增加了储存高压燃油的共轨组件；由于采用共轨式电控燃油系统，原来安装喷油泵的托架变更了。（3）机械式喷油器变更为电控式喷油器。可以最佳地控制喷油量、喷有时间和喷油率。（4）高压配管（即高压油管）的形状变更了。高压配管外径由6.35变更为8，内径由2变更为4。电子式燃油供给系统的组成原件与机械式燃油供给系统相比，得到了很好的简化，将机械式燃油供给系统的多个原件进行了功能合并，使得电子式燃油供给系统的组成更加紧凑。能够更快捷、更迅速、高效率、更精确的对柴油机的燃油供给进行调节。2.5机械式柴油机的控制内容 从上个世纪20年代到70年代的半个世纪内，柴油机喷油系统始终是在机械、液压、气压的作用下进行自动控制，其中以机械调速器应用最为广泛。在那半个世纪内，人们通过不断的研究摸索，在机械的道路上不断攀登，解决了不少难题，取得了不少的成就，增加了很多有效的附加装置，扩大了控制范围，如启动加浓、正负校正、转速（负荷）自动提前、增压补偿、大气压力补偿等多种功能。机械式燃油供给系统到底能控制哪些内容呢？下面让我们详细的了解一下。2.5.1 喷油量的控制柴油机的基本能量是来自柴油在汽缸内燃烧所做的功，柴油机输出的动力决定于供入汽缸内的油量的多少。喷油量控制是柴油机能否正常运行的决定性因素，控喷油量的计量机构和控制机构是燃油系统的重要组成部分。众所周知，如果不考虑节流效应，在柴油机进气行程中进入汽缸内的空气量与发动机转速和负荷无关，可以视为常量。如果发动机的转速和喷油时间不变，仅只改变每循环供入汽缸中的燃油量，则发动机的输出功率和燃油消耗率则会随之改变。这是由于汽缸内部混合气的形成过程、燃烧过程等一系列的物理的、化学的变化因素决定的。所以，每循环的供油量的多少是有严格的制约的。但是，在一定的范围内，发动机的输出功率大体上和每循环的供油量成正比，所以，按照油门开度大小调节喷油量，就可以控制发动机的输出功率。如果喷油量越过某一最佳值时，则柴油机输出功率下降，冒黑烟，而且排气中的有害物质成分迅速增加。这是由于相对于汽缸中有限的空气量，燃油量过多，氧气不足，不能完全燃烧，变成炭黑而排出的缘故。因此，不论在何种情况下，每循环供入汽缸中的燃油量必须充分利用，排气中的有害成分必须符合排放规定。在柴油机中，每循环喷油量是由柴油机的工作负荷确定的。柴油机的每循环喷油量可以参考下述理论公式来进行计算。Qp=其中：标定工况喷油量（mm3） 每缸标定功率（kW） 标定工况凸轮转速(r/min) 燃油密度每缸排量（L）平均有效压力（k Pa）比油耗(g/kW h) 在机械供油系统中，此公式被广泛应用，但在电子控制燃油喷射系统中，为了满足排放法规，每循环喷油量必须进行精确计算，精确控制。随着对柴油机排放要求的不断提高，进一步改进缸内燃烧过程是降低有害物质的重要条件。为了改进汽缸内燃烧质量，除了控制柴油机的供油量外，更重要的是控制柴油机的喷油压力和喷油率。2.5.2 喷有压力的控制提高柴油机的喷油压力一直是柴油机燃油系统追求的基本目标之一。经实验表明喷油压力与发动机的氮氧化物等有害物质的排放量有着很大的关系。提高喷油压力可以明显改善柴油机的排放状况。柴油燃烧过程与燃油雾化质量密切相关。燃油喷入气缸中，汽缸内气体流动，促进燃油雾化，和汽缸内气体混合，形成均匀的混合气体。通过改进进气系统，可以在汽缸内形成具有更高能量的空气流动，使燃油一边运动，一边雾化，一边燃烧。因此，要求燃油系统必须具有足够高的喷射能量，即要有比较高的喷油压力。在传统的机械式燃油喷射系统中，喷油压力决定于发动机转速和负荷。对于常规的燃烧系统，从发动机的燃烧分析结果看，提高喷射压力会使缸内最高爆发压力、最大放热率、最高燃烧温度和最大压力升高率都有明显的增加，这有利于改善发动机平均有效压力、燃油耗、热效率和排烟，但不利于发动机的热负荷、机械负荷、噪声和氮氧化物的降低。在大负荷工况下可以通过提高喷射压力、推迟喷油定时的方法求得氮氧化物和固体颗粒的折中关系，而在低负荷工况下则需要减少混合燃烧的比例，因此，需要适当降低喷油初期的喷射压力。对于高压喷射系统，喷油嘴端的喷油压力达到120-140兆帕时，平均喷雾粒径几乎达到极限，即喷油压力继续升高，喷雾粒径减小的很少，但是，在这种情况下，还需要更高的喷油压力。理由如下：（1）柴油机在低速和中速工况下，为了使燃烧雾化良好。所以减少喷油孔直径。这样，在动力输出工况下，喷油延续期显然过长，因此，为了动力输出，必须要有比较高的喷油压力，缩短喷油延续期。（2）经过实验我们还可以得知：喷油压力越高，在喷雾束中局部区域的油气当量比较低。由于高压喷射，在能量高的局部区域，空气能比较活跃的引入雾束内部。因此局部过浓的混合气比例降低，所以，排气中黑烟明显降低。2.5.3喷油率的控制所谓喷油率是指单元时间内喷油量与喷油时间的比值。广义的喷油率控制，指的是喷油规律控制，应包括定时（喷油提前角）控制、喷油期长短控制和喷油率大小（喷油率曲线外形）控制。喷油率直接影响着柴油机的燃烧过程、排放性能等重要指标。喷油率是除混合气形成因素外，对燃烧过程又一重大的影响因素。当然，喷油率本身也和混合气形成是密不可分的。如果喷油时期控制得很长，即使大幅度提高喷油压力，也无法缩短放热和燃烧时间；又如，初期喷油量很大，即使推迟喷油，也无法把NOX和噪声降得很低。反过来，如能把初期喷油量控制得很小，就是不推迟喷油，也可达到同样效果。可见，喷油率若能控制，将很好的提高柴油机的燃烧性能。在机械式燃油系统中，燃油喷射过程是一个非常复杂的过程。机械的、液力的和弹性的各种作用综合在一起，这个过程是人力很难干预到的。理想的喷油率可分为三个时期，即喷油初期，喷油中期，喷油后期。理想的喷油率的要求一般为：初期要求喷油率低，喷油量少，以降低NOX和噪声；中期要求短而高的喷油率段，以提高喷油压力，缩短缓燃期，促进混合气形成，使微粒碳烟排放和耗油率降低；后期则要求迅速结束喷油，以减少后燃油量和促进碳烟氧化。喷油中期的控制，一般是通过提高喷油压力来实现。控制初期喷油率的主要技术有：机械式预喷射装置，双弹簧喷油器，电控喷油系统控制预喷射。末期喷油段要求迅速关闭，可以通过减轻油嘴往复运动部分（针阀、推杆、弹簧）的质量，加速针阀关闭速度来控制。喷油终了时，喷油压力从最大压力降到针阀关闭压力，这个过程的时间越长，则在低压状态下喷油的时间越长。这样，必然导致燃烧恶化，排放变差、发动机性能下降。所以，应当尽可能缩短喷油结束时的断油过程时间的长短。总而言之，越快越好，越干脆越好。但是，还要注意另一方面的不良影响，即针阀落座时对座面的冲击压力。2.5.4 喷油时间的控制为了实现良好的燃烧过程，燃油喷射时间也应该随柴油机转速和负荷的变化而变化。喷有时间对柴油机性能、气体的排放也有着明显的影响。什么时候向柴油机里喷入柴油，才能使得排出的气体里所含的有害物质比较少，这是我们考虑的越来越多的事情。推迟喷有时间是降低氮氧化物含量的有效手段。将初期燃烧向后推迟，则汽缸内温度会随之下降，可以减少氮氧化物的生成。那么，合适的 喷油时间是有哪些因素决定的呢？一般认为，决定合适的喷有时间应考虑以下几个因素：（1）排放法规 首先应当考虑排放法规的各种极限。柴油机排气中最难解决的课题是如何降低氮氧化物的排放值。下表列出了氮氧化物的排放值与汽缸内最高平均温度TMAX的大致关系。各项实验都向我们表明：柴油机排气中氮氧化物气体成分的含量与汽缸内最高平均温度有直接关系。适当控制汽缸内最高平均温度，就可以控制氮氧化物的排放值。 NOX 排放值与汽缸内最高平均温度NOX法规汽缸内最高平均温度TMAXNOX法规汽缸内最高平均温度TMAX无法归 22000C以上欧19000C欧22000C（2）着火始点 根据排放法规，可以根据着火始点大体决定喷油始点。随着排放法规的严格，着火点越往后推迟。相应的汽缸内的最高平均温度从22000C下降到20000C，最后下降到19000C。从而满足氮氧化物的排放法规的要求。（3）着火延迟 着火延迟期长，预混合燃烧量增加，汽缸内最高平均温度升高，氮氧化物的排放量增加；压缩比大，则着火延迟期短；压缩比小，则着火延迟期长。在任何情况下都应该尽量缩短着火延迟期。在传统的两种泵管嘴系统中，由于存在喷油延迟和着火延迟这两种现象，所以喷油时间的控制和调节是非常必要的。2.6 电子式柴油机的控制内容2.6.1 喷油量的控制和机械式柴油机一样，喷油量控制也对电控柴油机能否正常运行起着很重要的影响。柴油机输出的动力决定于供入汽缸内的油量的多少。电控式柴油机的喷油量是根据传感器的各种信息，电子控制单元计算出目标喷油量；计算出喷油装置需要多长的供油时间，并向驱动单元发送驱动信号；根据控制单元送来的驱动信号，在供油装置中的电磁阀的作用下，控制喷油装置开始供油或结束供油，从而控制喷油量。2.6.2 喷油压力的控制喷油压力的控制不仅在机械式柴油机中很重要，对于电控柴油机同样重要。提高喷油压力可以对柴油机内部的净化起到很好的作用。燃油喷射压力是柴油发动机的重要指标，因为它联系着发动机的动力、油耗、排放等。提高喷油压力可以起到以下两方面的效果。（1）降低微粒碳烟的排放量喷油压力增高，则粒径减小，贯穿距加大，雾锥角加大，喷雾区的总体积也跟着加大，再加上紊流的增强，这些都直接促进了燃油与空气的混合。其直接效果是降低了每一时刻浓混合气成分的比例，使生成微粒碳烟的范围自然缩小。即使不可避免仍有过浓混合气出现，但因粒子小，周围空气多，也会加快燃烧和氧化速率，使碳烟形成之初就被加速氧化。所以高压喷射必然使微粒碳烟排放降低。（2）降低燃油消耗率喷油压力增大必然缩短喷油时期，使燃烧加速，使燃烧放热更集中于上止点附近，从而降低了燃油消耗率。2.6.3 喷油率的控制在电控式燃油系统中，通过电磁阀的开启或关闭来控制断油特性时，电磁阀的形状和电磁阀的相应特性是非常重要的。快速断油特性对颗粒的影响和排放的实验表明，通过缩短喷油持续时间，下降坡形喷油速率是可以降低发动机的炭烟排放的喷油率形状。当喷油持续期不变时，上升坡形喷油率与矩形喷油率相比，炭烟排放高而氮氧化物排放低。因下降坡形喷油率的初始喷油率过高，故氮氧化物排放比令两种喷油率高。我们对燃烧的过程研究可以发现：燃烧初期的速率对发动机的性能影响很大。为了减少氮氧化物的生成，减少预混合燃烧的比例是一项重要的技术。从喷油装置方面来看，需要降低初期的喷油率，即缩短着火滞燃期。2.6.4 喷油时间的控制电控柴油机燃油供给系统的控制方法在具体的电控燃油系统中不尽相同，但是各类型电控柴油机的时间控制的目地都是一样的，都是为了使柴油得到更好的燃烧，达到比较好的排放性能，来满足现在对柴油机的排放性能越来越高的排放要求，根据柴油机的运行工况和环境条件经常的调节时间。对比分析：通过以上对柴油机的机械式燃油供给系统和电子式燃油供给系统的各项控制内容的叙述，我们可以知道，在控制内容上，两种柴油机并没有太大的区别，都可以对喷油量、喷油压力、喷油率和喷油时间进行控制调节。通过对以上几项内容的控制调节，来改善柴油机燃油系统的性能。虽然在内容上二者无明显区别，但是各自在调控的具体方法上还是不同的。下面让我们对比分析一下它们之间的不同点。3 两种柴油机各项控制内容对比分析3.1喷油量控制的对比分析机械式燃油系统对喷油量的调节主要是通过调速器来完成的，利用离心力和弹簧作用力的平衡关系决定调节齿杆的位移，从而控制喷油量。为了避免出现上述高速时超速“飞车”和低速与怠速时不稳定运行的现象，必须在柴油机上加装调速器，以保证使转矩能随转速n的上升而陡降。除了上述防止超速与保持怠速稳定这两项基本任务以外，调速器作为柴油机及其燃料供给系统的重要控制部件，还担负着其他重要功能，如保持怠速与最高转速之间各工况的转速稳定（全程调速），起动加浓，转矩校正以及增压与海拔高度补偿等，以满足柴油机在各种情况下的运转需要。（1） 调速器按其结构与工作原理分类可以分为机械式调速器、液压式调速器、电子调速器。（2） 调速器按其功能分类有单极调速器、两极调速器、全程调速器和全程两极组合式调速器。每一种调速器的组成及其工作原理也大有区别。下面以RQ两极调速器为例来分析一下它的组成和工作原理。图3-1所示为RQ两极式调速器的机构简图。飞锤17在喷油泵凸轮轴18的驱动下旋转，当转速增加时，飞锤即在离心力作用下克服调速弹簧16的预紧力向外张开，此运动通过飞锤转臂13转变为滑柱12的轴向移动，从而使牵引杠杆5绕滑块4上的支点旋转，牵引杆端部遂通过连接叉杆6将喷油泵齿杆向减少油量方向拉动；反之若转速降低，则将喷油泵齿杆向增加油量方向推动。同时，若驾驶人员通过加速踏板使操纵杆2在停车挡块1与全负荷挡块3之间转动时，牵引杆5则改由下部滑座10上的铰链为支点摆动，从而拉动喷油齿杆，达到增加或减少供油量的目的。在RQ两极调速器的飞锤中同心地安装了三组弹簧，外弹簧4为怠速工况弹簧，内弹簧3为两个同心安置（防止共振并优化弹簧特性）的调速弹簧。由于调速弹簧压缩量与预紧力比怠速弹簧大很多。致使飞锤在怠速与标定转速之间的中间广大转速范围内不起作用，调速器只控制怠速与标定转速，中间转速范围则由驾驶人员控制，从而构成了两极调速器。图3-1 RQ两极式调速器的机构简图1停车挡块 2操纵杆 3全负荷挡块 4滑块 5牵引杠杆6连接叉杆 7喷油泵齿杆 8喷油泵柱塞 9弹性触止10滑座 11导向销 12滑柱 13飞锤转臂 14飞锤座15调节螺母 16调速弹簧 17飞锤 18喷油泵凸轮轴RQ两极调速器的工作原理如图3-2所示，图3-2a所示为起动工况，起动油量是通过将操纵杆2压向全负荷挡块3来达到的；图3-2b所示为怠速工况，这时操纵杆2回到怠速位置，由于牵引杆5的摆动支点随滑块4向上移动，改变了杠杆比，从而保证了在低速工况下飞锤的工作能力（能够压缩怠速弹簧并克服喷油泵齿杆的运动阻力，完成怠速的调速作用）；图3-2c所示为部分负荷转速工况；图3-2d所示为全负荷工况，随着操纵杆2推向部分负荷与全负荷方向，牵引杆5的杠杆比也逐渐变化，但由于调速弹簧的预紧力很大，飞锤在克服了怠速弹簧4的行程后，一直压在调速弹簧上，直至转速升高至标定转速后，才能压缩调速弹簧使喷油泵齿杆向减少油量方向移动，实现高速工况的调速作用。图3-2 RQ两极调速器工作原理图a）冷起动工况 b）怠速工况 c）部分负荷工况 d）全负荷工况RQ系列调速器的特点是飞锤质量大，工作能力强，故多用于转速不是很高的载重汽车或相应的工程机械等方面。电控式燃油系统中由传感器和开关检测各种信息，由电控单元发出控制指令，由执行机构驱动调节齿杆，从而控制喷油量。电控式燃油系统中，对喷油量的控制与机械式相比又进行了细化。（1） 基本喷油量控制 用途不同的发动机，要求的转矩特性也不相同。为了使发动机有相应的转矩特性，则必须按一定规律设定基本供油量特性。（2） 怠速运转控制怠速运转时，发动机产生的转矩和发动机自身的转矩相平衡。在低温下，发动机润滑油粘度高，自身摩擦大，怠速转速降低，引起运动转速不稳，使发动机启动困难。相反，怠速转速升高，发动机的噪声和油耗都要恶化。为了补偿这些问题，即使发动机的负荷变化，仍要保证维持目标怠速转速所必需的喷油量，这就是怠速转速控制。（3） 起动油量控制发动机的起动过程由初始发火、完全发火、转速上升到起动完成等几个阶段组成。低温起动时，由于发动机的摩擦大，起动性和起动响应都变劣。所以，起动时必须调整喷油量。使发动机产生的转矩大于发动机自身的摩擦力矩，这就是启动油量控制（4） 各缸喷油量不均匀性控制各缸喷油量不均匀，发动机会产生振动，为了使转速波动均匀，应分别调整每一缸的喷油量，这一功能就是各缸喷油量不均匀性控制。柴油机电控喷射按控制方式分为两大类。一类是位移控制方式，它的特点是在原来机械控制循环喷油量和喷油正时的基础上，用线位移或角位移的电磁执行机构或电磁-液压执行机构来控制循环供油量（喷油泵齿杆位移）。其典型产品有直列柱塞泵电控系统、一部分VE分配泵电控系统以及电子调速器等等。另一类是时间控制方式，该类电控高压喷射装置的工作原理与传统机械式的完全不同，是在高压油路中利用一个或几个高速电磁阀的启闭来控制喷油泵和喷油器的喷油过程。喷油量的多少是由喷油压力的大小与喷油器针阀的开启时间长短来决定的。不论是何种电控方案，均由传感器、电控器（ECU）与执行器三部分组成。传感器的功用是检测柴油机及车辆运行时的各种信息，如进气与环境压力、冷却液、机油与燃油温度、进气流量、喷油泵油量调节机构（直列泵中的齿杆或VE分配泵中的溢流环套）的位移、曲轴转角信号与柴油机转速、车辆的行驶速度、喷油器针阀的升程等等。目标设定则应包括柴油机转速与负荷（加速踏板）。反映上述各种信息的信号多数是模拟信号，有的是数字信号或脉冲信号，在送人ECU以后，尚需经过滤波、整形及放大处理，模拟信号还要经过AD转换，全部转变成计算机能够接受且量程合适的数字信号。电控器（ECU）是柴油机电控的核心部分。它的硬件部分包括微处理器，各种存储器（RAM，ROM，EPROM，EEPROM），输入输出接口（I0）以及上述各部分之间传递信息的数据总线，地址总线和控制总线以及产生时间节拍脉冲的计时器等等。ECU软件的核心内容是柴油机的各种性能调节曲线、图表和控制算法，其作用是接受和处理传感器的所有信息，按软件程序进行运算，然后发出各种控制脉冲指令给执行器或直接显示控制参数，其中，喷油量和喷油正时脉冲是ECU发出的最重要的控制指令。为了实现对柴油机喷射过程控制的优化，储存在ECU中的曲线和图表包括一些在产品开发过程中通过大量试验总结出的综合各方面要求的目标值，如喷油量与喷油正时随转速与负荷变化的三维曲面图；这种图形一般称为脉谱（MAP）图。当ECU接受到从针阀升程传感器送来的实时喷油始点信号时，就能对实际值与目标值两者之间进行比较与计算，并发出控制指令，以保证两者之间差别为最小，从而实现理想的喷油正时。至于循环喷油量的控制，原理也是一样。但它除了转速与负荷以外，还与柴油机一系列其他因素（如进气流量，冷却液、机油与燃油的温度，增压压力与环境大气压力等）有关。两种柴油机喷油量控制方式对比分析：机械式柴油机采用调速器，利用离心力和弹簧作用力的平衡关系决定调节齿杆的位移，从而控制喷油量。但在电控柴油机的喷油量控制中，代替调速器的是：ECU、电磁执行器、齿杆位置传感器、转速传感器。机械式燃油系统中可用的控制信息量是非常有限的。在电子控制式燃油系统中，发动机的运行状态、各种环境条件等各种信息都可以通过传感器检测，ECU根据预先设计好的程序处理各种传感器和开关信息，计算出最适合于当时发动机的运行状态和各种具体条件的控制参数，通过执行机构控制喷油量。比机械式燃油供给系统的喷油量控制更加精确和柔性。3.2喷油压力控制的对比分析 机械式燃油供给系统的喷油压力是由多方面决定的，包括凸轮形状、柱塞直径、出油阀直径、高压油管长度和内径、喷油嘴参数等一系列因素。 机械式燃油供给系统通喷油压力常采用以下几种方法：改变柱塞直径、改进凸轮形状、改变喷油直径等。为了满足柴油机功率指标不断强化以及节能与环保指标日益严格的要求，人们在大力改进传统的燃料喷射与调节系统、努力提高其机械与液力刚度以满足高压喷射要求的同时，也在不断致力于研制与开发新型的高压喷射系统。传统柴油机燃料供给系统压力调节通常是按产生喷射功率的高压部分的工作原理与结构特点来进行分类的，以下选几个有代表性的分别作简要介绍。（1）泵-管-嘴系统这种系统的特点是喷油泵为往复式柱塞泵，由凸轮轴来驱动。喷油泵的每次供油伴随着一次喷油过程，因此也可称为脉动式燃料供给系统。喷油泵与喷油器之间有高压油管连接。其中按喷油泵结构以及高压油管连接长度不同可分为合成泵系统、分配泵系统及单体泵系统。 合成泵系统在这个系统中，多缸柴油机各缸供油单元安装在同一个油泵壳体中，构成合成式喷油泵，其横向剖面图如图3-3所示。其中图3-3左图所示为我国早期引进的A型泵结构，图3-3右图所示为目前国内外柴油机仍广泛彩的P型泵。为适应提高喷油压力的要求，后来采用了U字形的封闭式结构，这就比原来A型泵中C字形的开口式结构的机械刚度有明显的提高。图3-3 直列式喷油泵的横剖面图1出油阀座 2滤清元件 3出油阀 4柱塞套 5吊装法兰6喷油泵柱塞 7齿圈 8控制套筒 9球头杠杆臂 10油量控制齿杆11柱塞控制臂 12柱塞回位弹簧 13调节螺钉 14弹簧座15凸轮轴 16滚轮挺柱 17侧盖 分配泵系统在分配泵系统中，采用一个或少量柱塞实现对多缸（46缸）柴油机各缸的供油，因此喷油泵的体积小，结构紧凑，成本低，主要用于小型高速车用柴油机，特别是轿车柴油机中。图3-4所示为轴向柱塞分配泵（简称VE泵）的结构。这种分配泵只有一个柱塞6，当它与固定在一起的端面凸轮盘4一同旋转时，依靠凸轮型线表面（其凸轮数与缸数相当）与固定滚轮之间的相互作用，完成往复与旋转运动，同时实现压油与向各缸配油的任务。图3-4 轴向柱塞分配泵（VE泵）结构1滑片式输油泵 2调速器驱动齿