第5单元柴油机燃油喷射

1、第5单元 柴油机燃油喷射课文A 柴油机燃油喷射概述某些轿车和货车采用了柴油机。柴油机利用压缩高温而不是火花塞来点燃混合气。柴油机燃油喷射系统与汽油机燃油喷射类似，但却需要更高的喷油压力。吸入气缸的是空气，并且空气受到更大程度的压缩。压缩比之高，足以使被压缩的空气达到1000（538.2）。在活塞完成压缩行程的某个精确时刻，柴油燃料被喷入燃烧室，或者喷入偏置的预燃室。受压缩的空气的高温足以将燃料点燃，继而作功行程开始。1.柴油机燃油供给系统一般介绍柴油机燃油供给系统的布置如图5-1所示。典型的柴油机燃油供给系统的组成包括：燃油箱、输油泵、柴油滤清器、喷油泵、喷油器和必要的油管。图5-1所示的系统

2、是一种采用计算机控制电子喷油泵的新型柴油机燃油供给系统。1）燃油中含水量传感器有些汽车安装了一只燃油中含水量传感器。该传感器能够通知驾驶员燃油中有水。然后，通过一只安装在有水分离器底部的阀将水吸出去。水对燃油喷射系统会产生极其严重的破坏作用。2）柴油滤清器为了避免喷油系统发生故障，必须使柴油燃料保持清洁靠。即使很小的颗粒也足以堵塞喷油嘴。柴油机燃料系统一般采用一只或几只滤清器，以便过滤掉尘土和其他沉积物。3）喷油泵在压缩行程的终了，柴油被直接喷入汽缸。由于柴油机采用高压缩鼻（大约22:1），喷油泵必须能够产生高压。喷油泵的压力因泵的不同和发动机的不同而存在很大的差异。喷油压力的范围为30001

3、5000磅力/平方英寸（20685103425kPa）。4）喷油泵怎样产生压力喷油泵通过在一个圆筒内安装一只柱塞的方法，将燃油封闭在柱塞上方。当柱塞向上运动时，就会对燃油产生压力。压力的增加使喷油器开启，因而将燃油喷入发动机。对应于每个喷油器，喷油泵上就有一个柱塞，或者一个泵（常常由两个或者几个对置柱塞组成）为所有的喷油器供油。2.喷油泵的类型喷油泵的设计有若干种类型。最常用的轿车和轻型货车柴油机喷油泵属于直列式或分配式喷油泵。喷油泵首先提高燃油压力，然后以适当的时刻将高压柴油输送到各个气缸。3.直列式喷油泵对于每个汽缸来说，直列式喷油泵采用一套单独的柱塞副-凸轮组件。这些柱塞副-凸轮组件在同

4、一个壳体内排成一行。这些凸轮是一根共用的凸轮轴的组成部分。凸轮轴由发动机驱动，并以一半的发动机转速转动。驱动方式有链传动、带传动和齿轮传动。来自输油泵的燃油被输送到所有的柱塞总成。随着凸轮轴的转动，每个柱塞都在各自的缸筒内上、下运动。一根控制齿条既一根一侧带有齿轮牙齿的杆与每个柱塞组件啮合。通过移动控制齿条，所有柱塞的有效泵油行程（泵油量）都能得到调节（图5-2）。（1）直列式喷油泵计量控制每个柱塞均在一个单独的缸筒内工作。柱塞的上一部分具有一个宽带即切掉的凹槽区。凹槽的一边形成一条螺旋线。柱塞还有一个垂直槽，此垂直槽从柱塞的顶部向下伸到凹陷区。柱塞的底部借助于凸缘与带齿的控制套相连，控制套的

5、齿与控制齿条啮合。当控制齿条来回移动时，柱塞就会在缸筒内旋转，因此柱塞得有效泵油行程将会发生变化。（2）喷油泵出油阀从喷油泵缸筒流出的燃油会供给输油阀。燃油流动迫使出油阀离开阀座。当螺旋部分开启缸筒进油孔时，泵筒中的燃油压力瞬间下降，这就导致了出油阀快速落座。在此期间，高压供油管路（喷油器壳体、到喷油器的管路和出油阀弹簧室）的容积突然增加了出油阀行程对应的体积。这部分容积的增加导致了输油管路压力的突然下降，这就使喷油器针阀能快速而干脆地关闭，无滴油现象发生。直列式和分配式喷油泵都采用出油阀。4.分配式喷油泵分配式喷油泵如图5-3所示。你会发现一台双柱塞式喷油泵能为所有的喷油器供油。转子上有一个

6、出油阀。1）喷油泵吸油循环燃油从串接式燃油泵进入输油泵。经过输油泵后，燃油经过转子油道，进入泵油室和燃油计量阀区。过多的燃油流经输油泵压力调节器，再回到进油侧。为了让燃油流过转子油道，转子必须转动到足以使转子油道与燃油进油孔对正的位置。凸轮环所处的位置能使泵的柱塞在进入泵油室的燃油的作用下被迫分开。喷油泵柱塞移开的距离决定着供油量的大小。柱塞移开的距离受到调速器操纵的计量阀的控制。2）喷油泵排油循环当有一定角度的进油道不再与进油孔对正时，燃油就被封闭在泵油室中。凸轮环滚子已被向内挤压，从而迫使两个柱塞向内相向移动，因而被封闭的燃油通过出油阀，进入喷油器高压油管，从而打开喷油嘴，将燃油喷入汽缸。

7、3）喷油泵回油输油泵压力迫使燃油通过液压头中的通气孔。该孔被一根线部分堵塞，防止流量过大和压力损失。来自输油泵的的任何空气夹杂着燃油，穿过通气孔，进入调速器连杆室，然后回到燃油箱。4）电控断油在柴油机上使用电控燃油切断阀（图5-4），目的就是关闭发动机。此电控断油阀通电时，它就将一个计量阀转至关闭位置，因而停止供油。5.喷油泵的其他装置喷油泵上还可以装有一个粘度补偿阀。该阀能够在使用轻柴油或重柴油（或低温）时，保持功能不变。为了对发动机转速和（或）负荷的变化进行补偿，可以自动提前或推迟供油定时。自动供油提前机构如图5-3所示。6.柴油机喷油器类型燃油压力、燃油粘度、喷嘴设计和喷嘴状况必须全都正

8、确，这样才能形成适当的喷注型式。喷油器设计有多种，但都归属于两种基本类型，一种是孔式喷油器，另一种是轴针式喷油器。柴油机喷注的型式将随发动机的设计的不同而变化。7.预热塞和进气加热器为了在冷起动期间，容易点燃压缩的空气-燃油混合气，柴油机采用了预热塞和进气加热器。预热塞是一种伸入到燃烧室内的电操纵装置。通电时，预热塞的尖部被加热到暗红色。涡旋运动的、高度压缩的空气-燃油混合气被预热器端部加热。这种增加的热量有助于发动机起动，从而使混合气更容易点燃。对于老式车辆，预热塞必须靠操作者来接通，并且允许在发动机起动之前，将燃烧室加热几秒钟。在新型发动机上，预热塞自动接通和关闭。在大多数起动情况下，预热

9、塞通电时间很短。发动机可能在钥匙接通之后的数秒钟之内就能起动起来。在发动机起动之后，预热塞仍然可以短时通电。进气加热器能够加热流经它的空气，这些空气然后进入进气歧管。加热元件是一个用电来加热的丝网。起动前，计算机给加热元件通电。第5单元课文B 一种新型的柴油机电子控制燃油喷射系统在柴油机排放法规日趋严格的形势下，燃油喷射系统的最重要设计目标是：降低排放，同时改善主要性能（提高输出，降低燃油消耗和降低噪声）。因此，燃油喷射系统必须满足下列要求：1）具有高的喷射压力；2）增强控制功能。除了控制喷油量和喷油定时外，还要控制喷油压力和喷油速率。一种适合于采用电子控制，能够对喷油量、喷油定时、喷油速率和

10、喷油压力进行单独控制，并实现高压要求的新概念燃油喷射系统已经研制成功。作为第二代泵喷嘴该系统叫做ECD-U2。ECD-U2系统不仅具有优异的喷射特性，而且对于安装该系统的发动机来说还具有下列优点:1）由于发动机不需要额外的凸轮轴，因而具有优异的可安装性。2）由于油泵的平均驱动转矩和最大驱动转矩低于直列式油泵，所以发动机油泵传动部件设计容易，且传动噪声减小。3）该系统的维修方式与传统的直列式油泵相同。4）只要对喷嘴支架设计略加改进，该系统计可用于各种发动机。1.ECD-U2系统概要ECD-U2系统的组成包括：高压油泵、共轨、喷油器以及控制这些部件的ECU和传感器（见图5-5和图5-6）。通过使用

11、一只油泵控制阀（PCV）来改变高压油泵的泄油量，即可实现共轨压力控制。共轨压力由安装在共轨上的一只高压传感器进行检测，此压力依据发动机负荷和转速被控制在一个预定值上，这就是共轨压力的反馈控制。与通常情况一样，共轨压力要加给喷油器的喷嘴一侧，但还要加给喷嘴的背后一侧。通过利用三通阀（TWV）来控制喷嘴背压，即可改变喷油量和喷油定时。通过改变加给三通阀的脉宽，即可实现喷油量的控制。通过改变加给三通阀的脉冲的定时，即可实现喷油定时的控制。喷油速率可以按照三种不同的规律进行控制，即形、靴形和预喷射。2.喷油量控制在ECD-U2系统中，喷油量受加给喷油器执行器的脉冲宽度信号的控制，而喷油器执行器又受EC

12、U的控制，ECU按照由各种传感器监测的发动机工作条件，计算出最佳喷油量。图5-7给出了喷油量控制框图。在ECU中，喷油量的计算分两个阶段进行：·喷油量计算：根据发动机工况信息，确定每次喷射的目标喷油量；·脉宽计算：确定加给执行器的脉宽指令，实现目标喷油量。喷油量的控制仿照传统的电子控制调速器的方法，即从脉谱图中分别找到基本喷油量QBASE（QBASE=f（Ne，ACCP）和最大容许喷油量，QFULL（QFULL=f（Ne，PIM，THA），然后选择较小值即为最终喷油量。电子控制的特点得到了充分的利用，以便确保QBASE和QFULL能够自由并以灵活的形式得以编程。不用说，该系

13、统能够实现像在低温条件下根据冷却液温度增加喷油量，以及发动机怠速反馈控制（即所谓的ISC控制）这样的一些附加功能，而做到这一点，只需对系统的相关程序进行调整，无须增加任何硬件。脉冲宽度的计算方法已经固化到ECD-U2系统中。ECD-U2系统是一个完善的“时间-压力计量系统”，因此，按照关系式Q =f（TQ，PC），以独特的方法对喷油量进行控制，这就是说，根据QFIN和共轨压力PC，在喷油前可以很容易地从脉谱图上查到脉冲宽度TQ。最后，通过电源驱动电路，控制喷油器三通阀通电时间为TQ，从而得到了与QFIN相应的喷油量。如上所述，ECD-U2系统是一种前所未有喷油量控制系统，在喷油量控制方面比现有

14、的电子控制系统具有更好的灵活性，并且具有更好的控制响应性，能够检测出每一次喷油的最新发动机状况，并在喷油量控制中将发动机最新状况及时考虑进去。3.喷油器控制当接收到来自ECU的指令脉冲信号时，三通阀（见图5-8）升起，因而将喷油器指令活塞顶部（即喷嘴背压一侧）的高压燃油释放到回油油道。此时，三通阀下面的油压迅速从共轨压力下降到大气压力，而单向节流孔的下游指令室内的压力则根据节流孔的限流程度逐渐下降。由于这些节流孔的作用，喷嘴针阀的上升运动是逐渐的，这对燃烧是有利的，这样就得到了所谓的D喷油速率（图5-9）。随着规定时间TQ的流逝，三通阀被断电，并回到其原始位置。此时，指令室压力立即变为共轨压力

15、（在压力上升的方向，单向节流阀并不工作），喷嘴立即关闭，喷油被快速截断。具体工作情况如下（图5-8）：当线圈没有通电时，外阀在弹簧力作用下处于下面位置。而内阀在油道1所加油压的作用下升起。这样，阀座A开启，油道1和2互相连通，因而共轨压力就从油道1进入指令室2。当线圈通电时，外阀受到电磁力作用而向上运动，使阀座A关闭。而内阀在油道1所加油压的作用下已经在升起位置。这样，阀座A关闭，阀座B开启。油道2和3相互连通，指令室内的燃油就被排放到泄油道3中。4.喷油定时控制采用ECD-U2系统，通过送给喷油器三通阀的脉冲信号的定时（时间）能灵活控制喷油定时。在喷油定时控制中，在ECU内进行着与喷油量控制

16、相同的下面两个阶段的计算：·FIN的计算。以各种传感器信号为基础，确定最终喷射开始时刻FIN（BTDC）；·TC的计算。为实现FIN，确定送给三通阀脉冲信号的开始通电时刻TC。BASE是根据发动机转速Ne和负荷QFIN所确定的基本喷油定时。然后，经过进气压力较正、冷态水温校正等各种校正之后，确定最终喷油定时FIN。由于FIN是一个以曲轴转角（BTDC）来度量的值，所以要根据发动机转速，将其转换成时间TT。进而，得到了从30BTDC信号（时间计数的参考）之后经历的时间TC，以便给喷油器输出脉冲信号。与喷油量控制不同的是，喷油定时控制涉及到将曲轴转角转换成时间的问题，并且容易受

17、到发动机转速变化的影响，因此必须确保发动机转速传感器具有一定的脉冲数目。为了确保考虑瞬态模式之后的喷油定时控制的精确性，ECD-U2系统还采用了一只发动机转速（曲轴转角）传感器，该传感器每15曲轴转角就产生脉冲信号。5.喷油速率控制喷油速率的控制是一种确保同时提高输出，降低油耗，降低排放和噪声的非常有效的手段。次阿勇ECD-U2系统，可以得到以下几种喷油速率型式：·D型。喷油速率先逐渐上升进而，然后再急剧下降。·预喷射型。在主喷射前，有一个喷油量很小的预先喷射。·靴型。预喷射与主喷射合为一体，形成像靴子一样的“T”型喷油速率曲线。1）D型喷射D型喷油速率是通过利用

18、一个单向节流孔，限制喷嘴后面的指令室内的压力下降速度来实现的。通过限制单向节流孔，就限定了针阀的初始升程，从而就得到了逐渐上升的喷油速率（见图5-9）。并且，在所有情况下，喷油终了的喷油速率急剧下降。通过选择节流孔直径和共轨压力，可以获得适合于发动机燃烧的最佳喷油速率曲线。2）预喷射预喷射（图5-10）是通过在主喷射之前提供一次小的喷射，每次喷射驱动两次三通阀来实现的。由于改善了三通阀的响应性和对硬件进行的各种改进以便限制各个点的液压脉动，使预喷射油量减小到1ml/次和预喷射与主喷射之间的间隔缩短为0.1ms已经实现。3）靴型喷射通过在一定的预升程点上将喷嘴针阀停止运动，实现了靴形喷射。图5-

19、11是实现靴形喷射的一种喷油器的结构和原理。这种喷油器在三通阀的下面安装了一个靴阀，用来替代普通喷油器上使用的单向节流孔。靴阀与指令活塞之间有一个间隙，用于形成可调节的预升程。当给三通阀通电时，靴阀中心的高压被释放到回油道，喷嘴打开与预升程相应的开度。然后维持此开度，并一直持续到靴阀周围的油压残余高压经过靴阀节流孔而进一步降低为止。然后，喷嘴针阀再上升到最高点，达到最大喷油速率。简单地说，通过预升程与靴阀节流孔直径的合理搭配便可获得各种靴形喷油速率曲线。6.喷油压力控制ECD-U2系统具有喷油压力可灵活控制的特点。借助共轨压力传感器的反馈信号，来改变高压油泵的泄油量，即可对喷油压力即共轨压力进

20、行控制。通过改变电磁阀关闭的时刻即可对高压油泵实现精确的控制。 在ECU中进行着两个阶段的计算，这就像喷油量控制的情况一样：·PFIN的计算。以各种传感器信号为基础，确定最终喷油压力PFIN；·TF的计算。为实现PFIN，确定送给PCV阀脉冲信号的开始通电时刻TF。PFIN是根据发动机转速Ne和负荷QFIN确定的目标喷油压力，在进行水温校正之后便可得到其喷油压力的最终值。目标压力PFIN与由高压传感器检测的实际共轨压力Pc之差即为反馈校正值的大小。通过参考通电开始时刻便可得到指令值TF。在经过了由气缸识别信号（用作时间计数的参考）所提供的时间TF之后，脉冲就被输出给油泵控制

21、电磁阀。在系统开始工作时，必须首先产生用作系统工作基准的油压。为此，选择了一种不同的模式作为控制算法。这种模式用在因为转速过低而无法检测到气缸识别参考信号时的那个阶段。控制阀按照一固定的频率反复开、闭，与发动机转速并不同步。阀的开、闭周期也经过选择，以便实现在平均值基础上的最大可能的泄油量。高压油泵产生的高压燃油供应与喷油器的喷油定时几乎同步，这样在燃油消耗和供应方面，就不会产生临时过剩和不足。因此，共轨压力保持稳定，无需安装蓄能器。此外，对每次喷射，都能做到对油泵泄油速度进行控制，因而也就获得了高的控制精度和极佳的响应性。由于如前所述的燃油消耗与供应的精确平衡，所以，与另外的一些采用减压阀来

22、泄掉多余燃油的系统相比，该系统能在很大程度上降低损失。课文C 涡轮增压器与机械增压器增压器的作用是迫使更多空气燃油混合气进入发动机气缸。这些额外的空气和燃油使发动机具有更大的功率输出。涡轮增压器是一种由发动机废气驱动的增压器。机械增压器是由通过传动带或链条有发动机曲轴驱动的增压器。1.涡轮增压器有些发动机上装有涡轮增压器是为了提高发动机的输出功率。内燃机所产生的功率与气缸内被压缩的空气数量直接有关。由于混合气在进入到气缸之前就得到压缩，所以能使更多的空气和燃油分子填入燃烧室。涡轮增压器依靠从气缸排出的高温废气的快速膨胀来推动涡轮叶片旋转。一台典型的涡轮增压器是由涡轮（或叫高温工作轮）、轴、压气

23、机（也叫低温工作轮）、涡轮壳、压气机壳、中间壳及旋转组件所组成。一个废气旁通阀用控制进入涡轮壳的废气量的方法来控制涡轮增压器的输出。涡轮增压压力是涡轮增压器产生的实际压力增加量。大部分涡轮增压器用经过滤清的压力机油来润滑，这种有压力的机油通过油管被输送到增压器的润滑油入口。通常，涡轮增压器安装在靠近排气歧管的位置上。为了将废气送给涡轮，在排气歧管与涡轮壳之间设有一根废气管。另有一根管将压气机壳的进气送给节气门体总成。在涡轮增压器内，涡轮（高温工作轮）通过一根轴与压气机叶轮（低温工作轮）连接在一起。每个工作轮都安装在它自己的螺旋型蜗壳内。蜗壳用于控制和引导废气流和进气流。连接两个工作轮的轴用轴承

24、支承。压缩空气的过程一般在发动机的转速高于2000 r/min时才开始。废气流的冲击力通过喷嘴的引导而作用到涡轮侧。在高温废气冲击涡轮，引起涡轮旋转的同时，经过专门弯曲的涡轮叶片将高温废气引向涡轮壳的中心，从这里废气流出涡轮增压器。这种作用形成了一种叫做涡流的气流。一旦涡轮开始旋转，压气机叶轮（形状像一个倒转的涡轮）也开始旋转。这样，空气被吸入中心，此后由压气机叶轮叶片携带着一起旋转，并在离心力的作用下向外甩出。然后，空气离开压气机，并在压力作用下经过进气系统的剩余部分而进入气缸。一般情况下，空气被吸入气缸靠的是大气与发动机真空之间的压力差。然而，涡轮增压器能够将进气的压力提高到高于正常大气压

25、力。增压压力就是用来描述由涡轮增压器产生的实际压力增加量的一个术语。例如，10 lbf/in2增压压力是指以24.7 lbf/in2（14.7 lbf/in2的大气压力加10 lbf/in2的增压压力）的压力将空气压入发动机。涡轮增压器能使发动机吸入和燃烧更多燃油和空气。涡轮增压器的增压压力一般为68 lbf/in2。由于正常的大气压力为在海平面上14.7 lbf/in2，所以你可以明白，涡轮增压器能使发动机的进气增加50%。因此，你可以期望功率增加50%。由于涡轮增压器的效率并非百分之百，所以，功率增加30%40%。效率不到百分之百的原因之一是转动涡轮的功率不是免费的。在非气流中设置一个涡轮

26、会增加排气系统的节流作用。这就是说，在排气冲程中，发动机必须克服更高的排气背压。这就会使同时着火的气缸的功率有所下降。涡轮增压器在空气稀薄的高海拔地区是有帮助的。在高海拔地区，由于活塞的每个进气行程，发动机都会吸入更少的空气，所以普通的发动机功率都会下降。涡轮增压发动机的功率也会下降，但是由于较稀薄的空气涡轮增压器更容易泵入，所以功率下降程度要小得多。采用化油器的老式汽车会自动增加燃油量，以此来配合气缸进气量的增加。采用燃油喷射的现代轿车也这样做。燃油喷射系统依靠排气管中的氧传感器来确定空燃比是否正确，以此，如果安装有涡轮增压器，燃油喷射系统会自动增加燃油量。如果在燃油喷射汽车上安装了一只增压

27、压力太大的涡轮增压器，燃油喷射系统就不会提供足够的燃油（控制器内编制的软件程序不允许这样，或者油泵和喷油器不能提供足够的燃油）。在这种情况下，必须做些其他改动，以便从涡轮增压器获得最大益处。涡轮增压器利用废气来驱动涡轮。涡轮通过一根轴与压气机轮相连，见图5-12。该轴的转速接近150000r/min。为了适应如此高的转速，必须非常小心地将涡轮轴支承起来。大多数轴承在如此高转速下会爆裂开来。因此，大多数涡轮增压器都是用液体轴承。这种轴承将轴支承在薄薄的一层机油上，机油在油泵的作用下不断地被送往涡轮轴的周围。这样做有两个目的：一是对涡轮轴和涡轮增压器的其他某些部件进行冷却，另一个是让涡轮轴旋转阻力

28、减小。有些涡轮增压发动机装有中间冷却器，以便对来自涡轮增压器的压缩空气进行冷却。对涡轮增压发动机，推迟点火是控制爆燃的常用的一种方法。大部分系统采用对爆燃敏感的装置，以便只有在检测到爆燃时才推迟点火。有些系统利用电子控制单元通过传感器信号来控制废气旁通控制阀。2.涡轮增压器增压控制如果涡轮增压器的增压压力（进气歧管提高的压力）太高，就会引起爆燃和其他的发动机故障。增压压力受旁通阀的控制。旁通阀控制着发动机的废气流量。旁通阀采用机械方法即真空膜片来控制。当进气歧管压力高于规定值时，真空膜片运动，从而将旁通阀打开，废气就会绕过涡轮而排出去。这样涡轮转速下降，使增压压力降至较适当的水平上。由于进入到

29、发动机内的混合气数量增加（压力相应增加），发动机压缩比必须低于非增压发动机。现代机械增压和涡轮增压发动机均装有电子控制机构，以便调节点火正时，防止爆燃。3.涡轮增压器的维修为了检查涡轮增压器，应起动发动机并听一听涡轮增压系统产生的响声。在技师对这种特殊响声比较熟悉之后，通过是否存在高频声音就能很容易区分是压气机出口有空气泄漏还是发动机有空气泄漏，是发动机有废气泄漏还是涡轮增压器有废气泄漏。如果涡轮增压器响声声强变化，可能的原因是空气滤清器堵塞，或者是压气机进气管道材料松软，或者是压气机叶轮和压气机壳有灰尘。听声音之后，应检查空气滤清器，并从空气滤清器上拆下通往涡轮增压器的管道，检查是否有尘土或者是因为外来物造成的损坏。检查压气机出口连接处的管夹是否松动，并检查发动机进气系统有无螺栓松动和衬垫泄漏等现象。然后，脱开废气管的