2.4 發動機燃料供給系

2.4.1 燃料供給系概述

氧氣、可燃物、燃燒溫度是燃燒三要素。具體對發動機而言，需解決的問題可歸納為：①選用什么物質作為可燃物。不同的可燃物具有不同的物理和化學性質，這決定發動機的不同結構。②現代發動機的活塞走完一個行程所耗時間是以毫秒級計算的，如何在極短的時間內使可燃物與空氣混合。③如何控制可燃物與氧氣混合體（工質）的數量和比例。這關系到發動機的動力性、經濟性和環保性。

第一個問題造成了發動機的多樣性。例如，汽油發動機、柴油發動機、天然氣發動機等，現有的保有量最大的發動機是汽油和柴油發動機。第二個問題和第三個問題是促使發動機不斷地發展的動力。例如，汽油發動機的燃油供給系在此動力推動下，從化油器式到缸外電噴式再到如今的缸內直噴式，都與這兩個問題有關。柴油發動機的發展經歷也是如此?？梢赃@么說，發動機的每一次變動都與它們有關。

1.燃油供給系的作用和組成

燃油供給系的作用，是向發動機提供空氣和燃油，使其混合，并對供給量和濃度進行有效地控制，以滿足發動機在各種工況下的需求，最后將燃燒產生的廢氣經消聲后排入大氣。

車用發動機燃料供給系由于燃料的不同及科技的發展，發動機的構成截然不同，但按功能劃分，可用如圖2.56所示框架示意。

功能構成中最大的不同在“工質形成與控制”和“燃油供給”部分，“空氣供給”和“廢氣排除”部分差異不大。

2.工質（可燃混合氣）

（1）可燃混合氣的濃度。可燃混合氣中空氣與燃料的比例稱為可燃混合氣的濃度。它對發動機的動力性與經濟性有很大的影響，通常用空燃比和過量空氣系數來表示。

①空燃比?？扇蓟旌蠚庵锌諝赓|量與燃料質量之比稱為空燃比，記做A/F。即、

理論上，1kg汽油完全燃燒需要14.7kg的空氣。因此對于汽油機而言，A/F=14.7的可燃混合氣可稱為理論混合氣（標準混合氣）。若A/F<14.7，則意味著可燃混合氣中汽油含量有余，而空氣含量不足，稱為濃混合氣。反之，A/F>14.7的可燃混合氣則稱為稀混合氣。應當注意的是，14.7僅是汽油的理論空燃比，不同燃料的理論空燃比數值是不同的。

②過量空氣系數。燃燒1kg燃料實際供給的空氣質量與理論上完全燃燒1kg燃料所需的空氣質量之比稱為過量空氣系數，記做α。即

無論使用何種燃料，α=1的可燃混合氣稱為理論混合氣；α<1的稱為濃混合氣；α>1的稱為稀混合氣。

過量空氣系數α與空燃比A/F在數值上的對應關系如表2.8所示。

表2.8 α與A/F的數值對應關系

（2）不同濃度的工質對發動機性能的影響?？扇蓟旌蠚鉂舛葘ζ蜋C性能的影響是通過試驗獲得的。在汽油機轉速一定和節氣門全開的條件下，流入進氣管的空氣量為一定值。此時通過改變汽油供應量來改變混合氣濃度，測出相應的發動機功率和耗油率。圖中縱坐標為功率Pe和燃油消耗率ge的相對值。在功率坐標上，以功率值中的最大值為100%；而在耗油率坐標上，以耗油率最小值為100%（如圖2.57所示）。

①標準混合氣（α=1）。在理論上，標準混合氣所含空氣量正好可以使燃料完全燃燒。但實際上，由于時間和空間條件的限制，汽油不可能與空氣絕對均勻地混合，因此可燃混合氣中的汽油是不可能絕對完全燃燒的。

②稀混合氣（α>1）。為了保證燃料的充分燃燒，需要供給比理論上稍多一些的空氣量，使燃料與空氣更容易混合，有助于燃料完全燃燒，這種混合氣被稱為經濟混合氣。在圖2.57中，α=1.11時，耗油率最低，經濟性最好。對于不同的汽油機，一般α在1.05～1.15的范圍內，可以獲得最好的燃油經濟性。當混合氣過稀時，燃燒速度過低，發動機功率下降，熱損失加大，發動機動力性和經濟性均有所下降。當混合氣稀到α=1.4左右時，燃料分子之間的距離將增大到使混合氣的火焰不能傳播的程度，導致發動機熄火。此α值被稱為過量空氣系數的稀著火界限。

③濃混合氣（α<1）。當混合氣中汽油含量較多時，汽油分子密集，燃燒速度加快，壓力大，熱損失少，功率有所增加。在圖2.57中，α=0.88時，功率最大，動力性最好。對于不同的汽油機，一般α在0.85～0.95的范圍內，可以獲得最好的動力性，這種混合氣被稱為功率混合氣。但是功率混合氣中空氣含量不足，必然有一部分汽油不能完全燃燒，導致發動機的經濟性較差。當混合氣過濃時，由于燃燒很不完全，不僅造成發動機動力性和經濟性下降，還會造成燃燒室積炭，排氣污染嚴重。當混合氣濃到α=0.4左右時，由于燃燒過程嚴重缺氧、火焰不能傳播，導致發動機熄火。此α值被稱為過量空氣系數的濃著火界限（如表2.9所示）。

表2.9 過量空氣系數與燃燒關系

由以上分析可知，為了保證汽油機穩定可靠地運轉，汽油機在穩定工況下所用混合氣濃度一般應在0.85～1.15的范圍內調節。對于特定的汽油機，究竟應照顧動力性的要求，還是照顧經濟性的要求，或者二者適當兼顧，要根據發動機的具體工況進行具體分析。

（3）汽油機各種工況對可燃混合氣濃度的要求。發動機工況指發動機的轉速和負荷情況。汽車在行駛過程中牽引力及行駛速度經常要發生變化，作為其動力裝置的發動機，其運行工況也需隨之做頻繁的轉換。汽油機在不同的運行工況下對混合氣的濃度有著不同的要求。

①穩定工況對混合氣濃度的要求。發動機的穩定工況是指發動機已經完成預熱，轉入正常運轉，且在一定時間內轉速或負荷沒有突然變化的工況。按負荷大小可劃分為怠速與小負荷、中等負荷、大負荷與全負荷三個范圍。

怠速和小負荷工況。怠速是指發動機在對外無功率輸出的情況下以最低轉速穩定運轉。此時可燃混合氣燃燒所做的功，只用以克服發動機的內部阻力。怠速工況時，節氣門接近關閉，進入汽缸的可燃混合氣很少，且其中的汽油霧化蒸發不良，混合氣燃燒不完全，排氣污染增加。此外，殘余廢氣對新鮮混合氣的稀釋作用明顯，如果新鮮混合氣達不到足夠的濃度，將導致怠速轉速不穩，甚至熄火。因此，當汽油機怠速時，要求供給少而濃的混合氣（α=0.6～0.8）。當節氣門略開（節氣門開度在25%以下）而轉入小負荷工況時，新鮮混合氣的品質逐漸改善，隨著進氣量的增加，廢氣對混合氣的稀釋作用也逐漸減弱，因而混合氣濃度可以減小至α值為0.7～0.9。隨著負荷的逐漸增大，混合氣逐漸變稀。

中等負荷工況。車用發動機在大部分工作時間內處于中等負荷狀態工作，節氣門開度一般在25%～85%的范圍內。在中等負荷狀態下，進入汽缸的混合氣增多，殘余廢氣的量相對減少，燃燒條件改善。此時，燃油的經濟性要求是首要的，因此，隨發動機負荷的增大，混合氣的供給應由濃變?。é林禐?.9～1.1）。這樣，在兼顧動力性的情況下，保證了發動機具有良好的經濟性。

大負荷和全負荷工況。汽油機在大負荷及全負荷工作時，要求發出足夠的功率或扭矩以克服外界阻力（車輛重載爬坡、高速行駛等）。此時，節氣門開度達到85%以上，要求發動機能發出盡可能大的功率。在達到全負荷之前的大負荷范圍內混合氣應從以滿足經濟性要求為主，逐漸轉到以滿足動力性要求為主（α值為0.85～0.95）。

②過渡工況對混合氣濃度的要求。汽車發動機運行過程中還有幾種過渡工況，雖然在全部工作時間中所占比例較小，但對混合氣濃度有特殊的要求。

冷起動工況：發動機起動時轉速只有100～150r/min，特別是在冷啟動時，燃油蒸發性差，不能及時隨氣流進入汽缸內，使汽缸內混合氣過稀，以致無法燃燒。為此，要求噴油器供給極濃的混合氣（α值為0.2～0.6），以保證進入汽缸內的混合氣中有足夠的汽油蒸氣，使發動機順利起動。

暖機工況：冷起動后發動機溫度逐漸升高，直到接近正常值。在暖機過程中，供給的混合氣濃度應隨溫度的升高而逐漸變稀，直到穩定怠速所要求的數值為止。

加速工況：發動機的加速是指節氣門迅速開大，負荷迅速增加的過程。要求汽油機的輸出功率加大，滿足加速過程動力性的要求。但是，加速時節氣門開度突然增大，進氣管內氣壓陡增，而溫度卻因冷空氣的進入而降低，導致進氣管內的汽油蒸發困難，從而加劇混合氣變稀，因此，在加速過程中，必須額外增加供油量，以滿足加速需要。否則不但達不到增加發動機功率的目的，還會導致發動機熄火。

2.4.2 汽油燃油供給系工質供給部分和混合部分

1.汽油供給部分

汽油供給部分主要由汽油箱、電動汽油泵、汽油濾清器、汽油壓力調節器、噴油器、冷啟動噴油器和輸油管道等組成，有的車還裝有汽油壓力緩沖器。燃油流通路徑如圖2.58所示。其作用是用汽油泵向噴油器提供足夠壓力的汽油，噴油器根據來自ECU的控制信號，向進氣歧管內進氣門上方噴射燃燒所需的汽油。

在發動機運行時，汽油由汽油泵從油箱中泵出，經汽油濾清器濾去雜質和水分，到達安裝噴油器的總管，總管中的油壓由壓力調節器調節，脈動阻尼器消除噴油時所產生的微小脈動，確保噴油量精確，噴油器根據發動機ECU的指令，將適量的燃油噴入各進氣歧管或進氣總管。

（1）汽油箱。汽油箱用以儲存汽油。汽油箱的數目、容量、外形及安裝位置因車型而異。乘用車只有一個汽油箱，商用車常有兩個汽油箱，以適應使用要求。汽油箱的儲備里程一般為400～600km。

汽油箱體一般用薄鋼板沖壓焊接而成。油箱上部設有加油管，管口裝有油箱蓋。油箱上表面裝有油面指示表的傳感器和出油開關，出油開關經輸油管與汽油濾清器相通。油箱底部有放油螺塞，用以排除箱內的積水和污物。油箱內裝有隔板，以減輕行駛過程中汽油產生的激烈振蕩。如圖2.59所示為常見商用車汽油箱的結構。

為防止汽油在行駛中濺出或箱內汽油蒸氣泄出，油箱蓋是密閉的。當發動機工作時，油箱內油面下降，箱內產生一定的真空度，真空度過大時，汽油泵將無法從油箱中吸油，影響發動機的正常工作。因此油箱蓋上裝有進氣閥，當油箱內壓力低于一定數值時，進氣閥被大氣壓壓開，空氣進入油箱，使汽油泵能正常供油。另外，在溫度升高的情況下，汽油揮發加快，汽油蒸氣過多，將使油箱內壓力過高，這可以通過在油箱蓋上安裝一個排氣閥來解決。當油箱內壓力超過某一數值時，排氣閥被頂開，汽油蒸氣排向大氣，以保持油箱內的正常壓力。圖2.60所示為帶有復式閥門的油箱蓋。

乘用車上的汽油箱殼體采用高密度聚乙烯塑料制造，其優點是抗沖擊、耐腐蝕、緊密性好、易成型，并且結構緊湊、重量輕、成本低。

（2）電動汽油泵。電動汽油泵的功用是將汽油從汽油箱中吸出，加壓后經噴油器供入發動機汽缸。電動汽油泵按其安裝位置可分為外裝式電動汽油泵和內裝式電動汽油泵兩種。外裝泵將泵裝在油箱之外的輸油管路中，內裝泵則是將泵安裝在燃油箱內。與外裝泵相比較，內裝泵不易產生氣阻和燃油泄漏且噪聲小，大多數電控汽油噴射系統采用內裝泵。汽油泵類型有多種，如圖2.61所示為渦輪式汽油泵。

渦輪式汽油泵的工作原理如下：葉輪由電動機電樞驅動，當電樞轉動時，葉輪圓周槽內的燃油隨著一起高速旋轉，在離心力作用下，進口處產生一定的真空，同時使燃油出口處油壓增高壓開出油閥，從而使燃油從進油口被吸入并流經電樞、磁鐵、殼體，從出油口流出。

內裝式電動汽油泵中的油泵和電動機都浸在汽油中，因此在泵油過程中，燃油不斷穿過油泵和電動機，油泵本身及電動機中的線圈、炭刷、軸承等部位都靠燃油來潤滑和冷卻，使用時要絕對禁止在無油的情況下運轉電動汽油泵，以免燒壞電動汽油泵。

（3）汽油濾清器

汽油濾清器的作用是濾除汽油中的機械雜質和水分，防止噴油器堵塞和腐蝕。濾清器串聯在油管中，在燃油泵的后邊和噴油器之間，不同的汽車安裝的位置不一，有的安裝在汽油箱外面，有的安裝在汽油箱內。目前多數發動機上裝的都是一次性不可拆洗式的紙質濾芯汽油濾清器，更換周期一般為10000公里（如圖2.62所示）。

（4）噴油器

噴油器的功用是按照電控單元（ECU）的指令將一定數量的汽油適時地噴入進氣道或進氣管內，并與其中的空氣混合形成可燃混合氣。噴油器有孔式和軸針式兩類，結構大同小異（如圖2.63所示）。軸針式噴油器的結構如圖2.64所示，噴油器體內有一個電磁線圈，噴油器頭部的針閥與銜鐵結合成一體。當電控單元送來電流信號時，電磁線圈通電，產生電磁力，吸起鐵芯與針閥，將燃油通過精確設計的軸針頭部環形間隙噴出，在噴油器頭部前端將燃油霧化，與空氣混合。

（5）汽油壓力調節器

汽油壓力調節器的作用是控制噴油器的噴油壓力為恒定值（一般為255kPa），使發動機在各種負荷和轉速下，精確地進行噴油控制。噴油器的噴油量主要取決于兩個因素：噴油時間的長短和噴油壓力的高低。噴油時間的長短由電子控制單元（ECU）根據發動機所需油量來決定，并釋放出相應的時間脈沖加以控制，而噴油壓力則要求恒定。由于進氣歧管內的真空度是變化的，那么即使噴油信號的持續時間和噴油器本身壓力保持不變，當進氣管內絕對壓力低（真空度高）時，噴油器噴油量便增加，進氣管內絕對壓力高（真空度低）時，噴油器噴油量便減少。如果不控制燃油壓力，即使ECU加給噴油器的噴油脈沖信號時間相同，當燃油壓力高時，燃油噴射量仍會增加，當燃油壓力低時，燃油噴射量仍會減少。因此，必須保證噴油器的噴射壓力（相對壓力）是恒定的（如圖2.65所示）。

汽油壓力調節器一般安裝在供油總管上，它由金屬殼體構成，其內部由橡膠膜片隔為彈簧室和燃油室兩部分，膜片在彈簧的作用下將通往回油管的閥門關閉（如圖2.66所示）。發動機工作時，來自輸油管路的高壓油由入口進入并充滿燃油室，推動膜片打開閥門，在設定壓力下和彈簧力平衡，部分燃油經回油管流回油箱。油壓處于動態平衡。當進氣歧管的真空度變化時——假設其變高，由于燃油壓力調節器的彈簧室和發動機進氣管相通，進氣歧管的真空度作用于調壓器的膜片彈簧一側，從而減弱了作用在膜片上的彈簧力，使回油量增加，燃油壓力降低，噴油壓力減小，但油壓和進氣歧管真空度的總和保持不變，即噴油器處壓差恒定?？梢姡斢凸軆葔毫Φ拇笮∪Q于膜片彈簧的壓力、真空吸力和來自油泵的油壓三者之和。油泵停止工作時，在彈簧力的作用下閥門關閉。這樣，油泵內的單向閥和壓力調節器內的閥門使油路中殘留壓力保持不變。

2.工質的混合、控制部分

在進氣總管中的節氣門處設置一只（或兩只）噴油器，對各缸實行集中噴射，汽油被噴入進氣氣流中形成可燃混合氣，再由進氣歧管分配到各個汽缸內。這種形式稱為單點電控燃油噴射（SPI）（如圖2.67所示）。單點噴射又稱節氣門噴射或中央燃油噴射，因其易造成各缸混合氣分配不均勻和控制精度較低等原因而趨于淘汰。

單點汽油噴射系統是將汽油呈霧化狀噴射在節氣門處，利用進氣管道、發動機體的溫度和相對較長的混合時間（從節氣門處開始混合至工作缸壓縮沖程終了）使汽油汽化，從而形成可燃混合氣。這種混合氣形成方式的優點主要體現在汽油噴射系統結構上，結構簡單、故障率低；缺點是，由于節氣門至各缸的距離不一，造成各缸得到混合氣的油氣比例不均，因而排氣中含有較多的未完全燃燒的有害成分HC和CO。

在每缸進氣門前分別設置一噴油器，實行各缸分別供油，這種噴射稱為多點噴射（MPI）（如圖2.68所示）。多點噴射因噴油器盡量靠近進氣門、控制精度高、避免了單點電控燃油噴射的缺點等原因而被廣泛使用。這種形式的缺點是成本高，維修復雜。

多點汽油噴射系統則解決了進氣歧管中混合氣分配不均的問題，噴油器位于發動機各缸靠近進氣門的位置處（如圖2.69所示），每一缸可以得到相等的汽油量，使吸入汽缸內的混合氣空燃比一致，因此，發動機可以在精確的混合氣空燃比下工作，排氣中HC和CO的含量較少且節省汽油。這種方式下的混合氣形成過程與單點汽油噴射系統相似。

多點汽油噴射系統的另一種極具發展前景的噴射方式是缸內噴射。缸內噴射方式的典型代表是FSI（Fuel Stratified Injection，燃油分層噴射）技術。這種技術下的混合氣形成過程與上述過程大相徑庭。FSI發動機利用一個高壓泵（噴射壓力3～4MPa，進氣管噴射采用的壓力約為0.3～0.4MPa），使汽油通過一個分流軌道（共軌）到達噴油器，然后通過ECU在恰當的時間控制噴油器將燃料直接注入燃燒室，其控制的精確度接近毫秒。該種噴射的核心點是進氣流在特殊的進氣道中產生可變渦流，使之進入燃燒室時呈現最佳的渦流形態，并以分層填充的方式使混合氣體集中在位于燃燒室中央的火花塞周圍，此時，可燃混合氣的總體混合比高達25∶1以上。這種高稀薄的可燃混合氣在進氣渦流的作用和噴油器的特殊噴油角度配合下，在火花塞周圍混合比達到12∶1左右，形成易于點火的濃混合氣，而外層逐漸稀薄，整個分布呈非均勻狀態。濃混合氣點燃后燃燒迅速擴散至外層，使燃燒徹底完成。可變渦流的形成，由進氣道中的翻板控制（如圖2.70所示）。

可燃混合氣數量和混合比由微電腦控制。微電腦控制部分主要由傳感器、電控單元（ECU）和執行元件（執行器）三大部分組成，作用是根據發動機和汽車不同的運行工況，對噴油量進行調整和修正，檢測各傳感器的工作，并將工作參數儲存和輸出。其工作示意圖如圖2.71所示。

其中，傳感器主要有空氣計量傳感器、進氣溫度傳感器、水溫傳感器、曲軸位置傳感器、節氣門位置傳感器、發動機轉速傳感器、氧傳感器等，用以監測發動機的實際工況，將發動機各種工況下的性能參數轉變為電信號輸給電控單元（ECU）；ECU主要由中央處理器（CPU）、只讀存儲器（ROM）、隨機存儲器（RAM）、輸入和輸出接口電路、驅動電路和存儲在ROM中的發動機控制程序等組成，它是電子控制部分的核心；執行元件主要有汽油泵、噴油器、怠速控制閥（ISC閥）、EGR閥及自診斷系統、故障備用程序啟動和儀表顯示等，用以執行發動機ECU輸出的各種控制指令。

2.4.3 柴油燃料供給系工質形成和供給方式

柴油燃點比汽油低，但汽油揮發后形成的氣體的燃點要比柴油低，而且柴油的揮發性要比汽油差，因此，柴油的性質決定柴油機的燃燒方式為壓燃式。

1.柴油機的特點

由于柴油機混合氣的形成不同于汽油機，所以它有許多優點：

①壓縮比較大，柴油機壓縮比ε為15～20，而汽油機ε為6～10。

②熱效率較高，柴油機為30%～40%，而汽油機為20%～30%，柴油機能使熱力學能更多地轉變為機械能。

③柴油機的燃油消耗率比汽油機低，柴油價格也比汽油便宜，因此經濟性好。

④柴油機沒有點火系，油路系統機件緊密，故障相對減少，工作可靠性高。

⑤由于柴油機是將燃油噴入大量的高溫空氣中進行燃燒，CO和HC的生成量比汽油機少得多，所以排放物污染小，但易產生碳煙等。

但柴油機也有其缺點，主要是轉速低、質量大、噪聲大、振動大、制造和維修費用高等。

2.柴油機燃油供給系的功用

柴油機燃油供給系的功用是儲存、濾清和輸送柴油，并按柴油機各種不同工況的要求，定時、定量、定壓，以一定的噴油質量噴入燃燒室，使其與空氣迅速而良好地混合和燃燒，最后使廢氣排入大氣。

3.工質形成和控制

柴油燃油供給系的結構形式有多種，這里介紹常見的兩種。

（1）傳統式柴油燃油供給系。輸油泵從燃油箱內將柴油吸出，經油水分離器除去柴油中的水分，再經燃油濾清器濾去較大顆粒的雜質，然后送入直列柱塞式噴油泵。在噴油泵內，柴油經過增壓和計量，按發動機做功順序需要，經高壓油管送至做功缸的噴油器，將柴油噴入燃燒室。噴油器須在燃油壓力達到指定值時才將噴油孔開啟，燃油在高壓狀態下（一般在10MPa以上）呈霧狀噴入燃燒室，與事先進入汽缸的純空氣迅速混合，形成混合氣。噴油器內從針閥偶件間隙中泄漏的極少量燃油，經回油管返回燃油箱。噴油泵前端裝有噴油提前器，噴油泵后端與調速器組成一體（如圖2.72所示）。

傳統式燃油供給系的缺點是高壓油管比較長，易造成漏油、各缸供油時刻不一致和各缸供油量不均勻。為保證發動機正常工作，各缸高壓油管的直徑和長度應相等。

（2）微機電控高壓共軌式柴油燃油供給系。帶有初次濾清器的輸油泵將柴油經初次濾清后從柴油箱吸出，柴油經二次濾清后到達噴油泵。噴油泵將柴油增壓后送往共軌管內，共軌管下連各噴油器。當控制單元測出某缸需要噴油時，通知執行單元將相應缸的噴油器打開，柴油按要求的形態噴入汽缸。

對于微機電控高壓共軌式柴油燃油供給系，壓力的恒定是實現電控制的先決條件，當共軌管中的壓力過高時，限壓閥開啟，部分高壓油從回油管流回柴油箱。同時，高壓共軌管上的油壓傳感器時刻向電子控制單元傳遞著信息，便于電子控制單元控制噴油泵的供油量。

電子控制單元還與相關傳感器通過接線相接。這些傳感器主要有：發動機轉速、發動機相位、加速踏板、空氣溫度、冷卻液溫度、進氣流量和增壓狀況等。電子控制單元的分析和處理傳感器傳來的信息后，由電子執行單元使噴油器改變供油量（如圖2.73所示）。

微機電控高壓共軌式柴油燃油供給部分由于采用高壓共軌的方式，從而較好地解決了傳統柴油供給系的缺點。另外，在微機的精確控制下，燃油供給系可理想地做到供油響應時間靈敏、各缸供油量精確、各缸供油提前角一致，以及供油壓力和供油提前角的可調，較好地將NOx和微?？刂圃谳^小的數值內，滿足排放要求。

高壓共軌式電控柴油機是將先進的機械與電控技術集成為一體的內燃機，其顯著優點如下。

①采用先進的電子控制裝置，使噴油過程的控制十分方便，并且可控參數多，利于柴油機燃燒過程的全程優化；電子控制的壓電式執行器開關閥頻率高，實現了快速斷油能力，其控制精度非常高；高壓油路中不會出現氣泡和殘壓為零的現象。因此在柴油機運轉范圍內，循環噴油量變動小，各缸供油不均勻可得到改善。

②采用高壓共軌方式供油，噴油系統壓力波動小，各噴油器間相互影響小，壓力大小與發動機的轉速無關，噴射壓力控制精度較高，噴油量控制較準確，共軌系統中的噴油壓力柔性可調，對不同工況可確定所需的最佳噴射壓力，從而優化柴油機綜合性能。

③電控高壓共軌結合優化了柴油機噴油規律（接近理想噴油規律），可柔性控制噴油速率變化，容易實現預噴射和多次噴射，并可獨立地柔性控制噴油正時，配合高的噴射壓力，可同時控制氮氧化物和微粒在較小的數值內，以滿足排放要求，又能保證優良的動力性和經濟性。

④高壓共軌電控燃油噴射技術的應用有利于地球環境保護，它與目前的小型、中型及重型柴油機均能很好匹配，提高了與柴油機相關的所有工業的發展速度，因而市場前景廣闊，利于推廣。

4.柴油供給部分

柴油燃油供給部分通常由油箱、輸油泵、低壓油管、濾清器、噴油泵、噴油器、高壓油管及一些附屬裝置組成，可分為低壓與高壓兩個油路。低壓是指從燃油箱到噴油泵入口的這段油路的油壓，它由輸油泵建立，油壓一般為0.15～0.3MPa。高壓油路是指從噴油泵到噴油器的這段油路，該油路中的油壓是由噴油泵建立的，油壓可達10MPa以上。

（1）噴油器。噴油器是柴油機燃油供給系統的重要部件之一，其主要作用是使燃油在一定的壓力下，以霧狀的形式噴入燃燒室，并合理分布，以便與空氣混合形成最有利于燃燒的可燃混合氣。根據混合氣形成與燃燒的要求，噴油器應具有一定的噴射壓力和射程，以及合適的噴霧錐角和霧化質量。此外，噴油器在規定的停止噴油時刻應能迅速切斷燃油的供給，不發生燃油滴漏現象，以免惡化燃燒過程。最好的噴油特性是在每一循環的供油過程中，開始噴油少，中期噴油多，后期噴油少，以便工作柔和，改善后期燃燒條件。

噴油器分為開式和閉式兩種，開式噴油器的高壓油腔通過噴孔直接與燃燒室相通，而閉式則在其之間加裝針閥隔斷。目前，中、小功率高速柴油機絕大多數采用閉式噴油器。閉式噴油器按其噴油嘴的結構形式，又可分為孔式噴油器和軸針式噴油器兩種基本形式。

圖2.85所示為孔式噴油器，孔式噴油器主要用于直噴式燃燒室的柴油機內。一般噴油孔的數目為1～8個，噴孔直徑為0.2～0.8mm，噴孔數目與方向取決于各種燃燒室對噴霧質量的要求及噴嘴在燃燒室內的布置。

孔式噴油器主要由針閥、針閥體、頂桿、調壓彈簧、調壓螺釘、噴油器體等零件組成。

噴油器中最重要的組件是噴嘴，噴嘴中最精密的是針閥偶件，它由針閥和針閥體組成，是用優質軸承鋼制成的一對不能互換的高精密偶件，配合間隙為0.002～0.004mm。裝在噴油器體上部的調壓彈簧通過頂桿使針閥緊壓在針閥體的密封面上，將噴孔關閉。

噴油泵壓縮后的燃油從進油管接頭進入，經過縫隙式濾芯及噴油器體內的油道，送入針閥體內的環形油腔。油壓作用于針閥的斜面上，當油壓超過針閥開啟壓力（如18.5MPa），即克服調壓彈簧的預緊力使針閥升起，燃油即開始從噴油孔噴出。針閥的升程受噴油器體下端的限制，針閥最大的升程一般為0.2～0.4mm。針閥升程的大小，決定了噴油量的多少。

當噴油泵停止供油時，由于油壓迅速下降，針閥在調壓彈簧作用下及時回位，將噴孔關閉。調壓螺釘是用來調整噴油開啟壓力大小的。噴油器工作中會有少量柴油從針閥體配合表面之間的間隙漏出。這部分柴油對針閥起潤滑作用，并沿頂桿周圍的空隙上升，通過回油管接頭進入回油管，流回柴油濾清器。

軸針式噴油器的結構基本上與孔式噴油器相近，只是噴嘴頭部結構不同（如圖2.75所示）。

軸針的形狀為柱體或錐體，其頭部伸出噴孔外，噴孔直徑為1～3mm。軸針與針閥體之間形成一個圓環形狹縫，其間隙一般為0.005～0.025mm。噴油時，噴霧形狀呈空心錐狀，噴霧錐角為4°～6°。由于軸針在孔內上、下移動，有自潔作用，不易積炭、堵塞，提高了工作可靠性。噴孔的加工也容易，但要求軸針與孔的同心度要高，不然會出現偏心的噴霧體。它適合用于對噴霧要求不高的渦流室式燃燒室和預燃室式燃燒室。

圖2.76所示為噴油器噴工作時噴射出的霧狀油柱。

（2）噴油泵。噴油泵是柴油機燃油供給系的關鍵零部件，一般和調速器連成一體。它的工作好壞直接影響柴油機的動力性、經濟性和排放性能。它的作用是根據柴油機工況的變化，調節燃油量，并提高燃油壓力，按規定的時間與規律將燃油供給噴油器。它與噴油器等其他元件共同決定噴射過程。

噴油泵的結構形式很多，車用柴油機噴油泵按其作用原理不同大體可分為三類：柱塞式噴油泵（如圖2.77所示）、噴油泵-噴油器（如圖2.78所示）和分配式噴油泵（如圖2.79所示）。柱塞式噴油泵性能良好、結構簡單緊湊、使用可靠，便于維修和供油調節，為目前大多數汽車柴油機所采用。噴油泵-噴油器的特點是將噴油泵與噴油器合成一體，直接安裝在缸蓋上，以消除高壓油管帶來的不利影響，但要求在發動機上另加驅動機構。應用于PT燃油供給系統的噴油器即屬此類。分配式噴油泵是20世紀50年代后期出現的一種新型噴油泵，它只有一對柱塞副產生高壓，依靠轉子或柱塞的旋轉，實現燃油的增壓及分配。多用于小、輕型高速柴油機上。

（3）調速器。在柴油機上裝設調速器，是由柱塞式噴油泵的工作特性決定的。噴油泵每個工作循環的供油量除受到駕駛員油門控制之外，還受到發動機轉速的影響。即在油門位置不變時，隨著發動機曲軸轉速增大，噴油泵供油量略有增加；反之，供油量略有減少。這種供油量隨轉速變化的關系稱為噴油泵的速度特性。

噴油泵的速度特性對工況多變的柴油機是非常不利的。當發動機負荷稍有變化時，導致發動機轉速變化很大。當負荷減小時，轉速升高，轉速升高導致柱塞泵循環供油量增加，循環供油量增加又導致轉速進一步升高，這樣不斷地惡性循環，造成發動機轉速越來越高，最后超過柴油機設計所允許的最高轉速，這種現象稱“超速”或“飛車”；反之，當負荷增大時，轉速降低，轉速降低導致柱塞泵循環供油量減少，循環供油量減少又導致轉速進一步降低，這樣不斷地惡性循環，造成發動機轉速越來越低，最后熄火。

要改變這種惡性循環，就要求有一種能根據負荷的變化，自動調節供油量，使發動機在規定的轉速范圍內穩定運轉的自動控制機構。移動供油拉桿，可以改變循環供油量，使發動機的轉速基本不變。因此，柴油機要滿足使用要求，就必須安裝調速器。

①調速器的功用。調速器是一種自動調節裝置，它根據柴油機負荷的變化，自動增減噴油泵的供油量，使柴油機能夠以穩定的轉速運行。

②調速器類型。汽車柴油機調速器按其工作原理的不同，可分為機械式、氣動式、液壓式、機械氣動復合式、機械液壓復合式和電子式等多種形式。但目前廣泛應用的是機械式調速器，其結構比較簡單，工作可靠，性能良好。

按調速器起作用的轉速范圍不同，又可分為兩極式調速器和全程式調速器。中、小型汽車柴油機多數采用兩極調速器，以起到防止超速和穩定怠速的作用。在重型汽車上則多采用全程式調速器。這種調速器除具有兩極式調速器的功能外，還能對柴油機工作轉速范圍內的任何轉速起調節作用，使柴油機在各種轉速下都能穩定運轉。

2.4.4 空氣供給部分和廢氣排出部分

（1）空氣供給部分

燃油供給系的空氣供給部分主要由空氣濾清器、空氣計量裝置、節氣門體、進氣總管、各缸進氣歧管和怠速控制閥（ISC）等組成，空氣流通路徑如圖2.80所示。它的功用是向發動機提供與負荷相適應的清潔的空氣，同時測量和控制進入發動機汽缸的空氣量，使它們在系統中與噴油器噴出的汽油形成符合要求的可燃混合氣。

在發動機運行時，外界新鮮空氣經空氣濾清器過濾，由空氣計量裝置計量后，通過節氣門體進入進氣總管，再分配到各進氣歧管，與噴油器噴出的汽油混合后被吸入汽缸內燃燒。在發動機冷卻水溫度變化時，怠速控制閥通過調整旁通空氣通道的開度來調整旁通空氣量，繼而調整發動機轉速，使其維持正常怠速。

①空氣濾清器?？諝鉃V清器的作用是清除空氣中所含的塵土和砂粒，以減少汽缸、活塞和活塞環的磨損，另外還有消除發動機進氣行程中所產生的噪聲的作用。常用的空氣濾清器有濕式和干式兩種。

濕式空氣濾清器又稱油浴式空氣濾清器或綜合式空氣濾清器。它由外殼、上蓋、濾芯、機油盤等組成。外殼和上蓋用薄鋼板沖壓而成。濾芯用金屬絲或金屬網編繞。油盤內注入黏度較小的潤滑油。

當發動機處于運行狀態時，吸入的空氣經上下殼體之間的圓環狀縫隙進入濾清器，空氣流立即轉向朝下，先與油盤中的油面接觸，然后流動方向急劇轉變而改向上流。懸浮在空氣中的灰塵雜質，較粗的砂粒由于慣性的作用，就落在油盤中，空氣上流穿過濾芯，細微塵埃便被粘在濾芯上。黏附在濾芯上的塵土由于受到被氣流帶起的油粒的沖刷，漸漸流回機油盤中。經過兩次過濾，純凈的空氣便從中心管進入汽缸（如圖2.81所示）。

干式空氣濾清器又稱紙質空氣濾清器，它由濾清器蓋及其襯墊、紙質濾芯、底座、支架等組成。濾芯用用樹脂處理過的微孔紙制成，呈波折狀，以增加過濾面積。濾芯上下兩端有密封襯墊，由濾清器蓋與外殼壓緊，以保證濾芯兩端的密封。當發動機運轉時，空氣由蓋與殼體之間的縫隙進入空氣濾清器，從濾芯的四周穿過濾紙進入濾芯中央，再進入進氣管（如圖2.82所示）。

現代汽車發動機普遍采用紙質濾清器，因為它具有結構簡單、體積小、質量輕、濾清阻力小、高度低、成本低、維護方便等特點。

②進氣管。通常所說的進氣管包含進氣導流管和進氣歧管。進氣導流管指從空濾器至節氣門處的一根總管，從節氣門處到發動機的部分稱為進氣歧管（如圖2.83所示）。進氣管的作用是將空氣或可燃混合氣送到發動機的各個汽缸，并可使可燃混合氣和油膜（對汽油機而言）得到進一步的汽化。進氣導流管常用復合材料制造，具有一定的柔性，用于連接空氣濾清器和發動機，這種設計便于空濾器和發動機的安裝；進氣歧管常用鑄鐵或鋁合金制造，因為這段安裝在發動機上須承受一定的溫度，有些發動機的進氣歧管上還需安裝一些機件。進氣管的設計原理是使空氣流動阻力盡可能小，保證燃油和空氣均勻混合，并盡可能地將混合氣均勻分配給各缸。

③可變進氣管。有些發動機的進氣方式采用可變進氣管，這是為了充分利用進氣波動效應和盡量縮小發動機在高、低速運轉時進氣速度的差別，從而達到改善發動機經濟性及動力性，特別是改善中、低速和中、小負荷時的經濟性和動力性的目的。發動機在高轉速、大負荷時氣流走粗、短的進氣歧管，中、低轉速和中、小負荷時走細、長的進氣歧管。這種設計的可變進氣歧管可使發動機在所有轉速下的轉矩平均提高5%（如圖2.84所示）。

④空氣計量裝置的作用是檢測流經進氣管的空氣量，并將檢測到的空氣量數據轉換成ECU能夠識別的電子數據，以便ECU做出判斷指令噴油器噴出合適的燃油，形成最佳的可燃混合氣?？諝庥嬃垦b置的測量方法多種多樣，如檢測空氣流的脈動狀況、空氣流的溫度變化、空氣流的能量大小、空氣流的壓力高低等，歸納起來有兩類：測量空氣流量或進氣壓力。這些數據的變化可使計量裝置中電阻阻值發生改變，然后通過測量電阻兩端的電壓變化從而判斷流入空氣量的變化。

（2）廢氣排出部分

①排氣系統指收集并且排放廢氣的系統，包括排氣歧管、排氣管、消聲器、尾管。廢氣自汽缸排出后，隨即進入排氣歧管，經各缸的排氣歧管匯集后，通過排氣管將廢氣排出。氣體在排氣歧管內以脈沖的方式離開引擎，所以各缸的排氣歧管長度及彎度也要設計成盡量相同（如圖2.85所示），使各缸的排氣都能一樣的順暢。排氣歧管一般用鑄鐵，也有用不銹鋼板制成的，接合面處裝有石棉襯墊，以耐高溫，防止漏氣。

②排氣管的作用是匯集各缸燃燒生成的廢氣，經排氣消聲器排出。設計排氣管的原理是盡量降低排氣背壓，排氣阻力越小越好。排氣歧管示意圖如圖2.86所示。

③排氣消聲器的作用就是逐漸衰減排氣壓力及其脈動來減小排氣噪聲并消除廢氣中的火星，使廢氣安全地排入大氣。

當排氣門剛打開時，發動機的排氣壓力為0.3～0.5MPa，溫度為500～700℃，具有一定的能量。同時，由于排氣的間歇性，在排氣管內引起排氣壓力的脈動。如果將發動機廢氣直接排放到大氣中，廢氣高速噴出時勢必產生強烈的噪聲，同時高溫氣體直接排入大氣也會對環境造成危害。因此，在排氣管口處安裝有排氣消聲器，其基本原理是消耗廢氣流的能量，平衡氣流的壓力波動。具體方法是：多次變動氣流方向；使氣流重復通過收縮而又擴張的斷面；將氣流分割為許多小支流，并沿著不平滑的平面流動；將氣流冷卻。

典型排氣消聲器的構造如圖2.87所示。消聲器外殼用薄鋼板焊制，為延長壽命多采用滲鋁處理。消聲器兩端各有一入口和出口，中間有隔板，將其分割成幾個尺寸不同的消聲室，消聲空間由帶許多小孔的管連接。有的還在消聲器內充填耐熱的吸聲材料。吸聲材料多為玻璃纖維或石棉。廢氣進入多孔管和消聲室后，在里面膨脹冷卻，受到反射，又多次與消聲器內壁碰撞消耗能量，結果壓力下降，振動減輕，最后從多孔管排到大氣。加裝排氣消聲器，不可避免地會增加排氣的阻力，使發動機排氣不徹底，廢氣稀釋混合氣，使發動機功率有所下降。

④三元催化器是安裝在汽車排氣系統中的機外凈化裝置，它可將汽車尾氣中的CO、HC和NOx等有害氣體通過氧化和還原作用轉變為無害的二氧化碳、水和氮氣。三元催化器的工作原理是：當高溫的汽車尾氣通過凈化裝置時，三元催化器中的凈化劑將增強CO、HC和NOx三種氣體的活性，促使其進行一定的氧化-還原化學反應，其中CO在高溫下氧化成為無色、無毒的二氧化碳氣體；HC化合物在高溫下氧化成水（H2O）和二氧化碳；NOx還原成氮氣和氧氣（如圖2.88所示)。由于這種催化器可同時將廢氣中的三種主要有害物質轉化為無害物質，故稱三元催化器。

（3）渦輪增壓器

①增壓器的作用。渦輪（Turbo），一般來說，轎車尾部標有Turbo或者T，即表明該車采用的發動機是渦輪增壓發動機。在發動機排量不增大的情況下，提高發動機動力性和經濟性的最有效的措施就是增加進氣量。增壓器的作用就是強制性地將新鮮空氣壓入汽缸，而不是靠發動自然吸入。發動機裝上增壓器后，其最大功率與未裝增壓器的時候相比可以增加30%～100%甚至更高，這就意味著同樣一臺發動機在經過增壓之后能夠產生更大的功率，但是耗油量卻并不增加多少。另一個方面，提高了燃油經濟性和降低了廢氣排放。

②增壓器的類型有機械式、氣波式、廢氣渦輪式和復合增壓式，車用發動機廣泛采用廢氣渦輪增壓系統，其他幾種采用較少。

機械增壓系統安裝在發動機上并由皮帶與發動機曲軸相連接。增壓器的轉子從曲軸處獲得動力將空氣增壓，然后壓入汽缸（如圖2.89所示）。這種系統的優點是提速無延遲現象，動力輸出非常流暢，低轉速也能獲得增壓，發動機動力性能更出色。缺點是由于依靠發動機驅動，因而受到發動機轉速特性的牽制，且消耗了部分動力，另外，機械增壓的噪聲大于渦輪增壓系統。（如圖2.90所示）。

氣波增壓器是使兩種氣體工質直接接觸并通過壓力波來傳遞能量的壓力轉換器，由空氣定子、燃氣定子和轉子組成。空氣定子與內燃機進氣管聯通，燃氣定子與排氣管連通。轉子由內燃機曲軸通過皮帶驅動。轉子被皮帶按箭頭方向帶動轉動時，轉子上由葉片組成的軸向氣道與高壓燃氣入口接通，高壓廢氣急速進入氣道遂產生壓縮波。壓縮波以聲速將其能量沿氣道傳播，并傳遞給先前充滿氣道內的空氣，使其壓力和密度升高形成高壓狀態并沿壓縮波傳遞方向流動。高壓空氣出口設在高壓燃氣入口的斜對面，并順轉動方向向后錯開一個角度。當軸向氣道與高壓空氣出口接通時，高壓空氣的壓力大于進氣管壓力，高壓空氣進入內燃機進氣管供入汽缸。在廢氣到達氣道長度的2/3左右時，軸向氣道恰好轉過高壓燃氣入口，廢氣停止流入軸向氣道。當軸向氣道與低壓燃氣出口接通時，廢氣利用殘余膨脹力經排氣管排入大氣，軸向氣道內的壓力迅速下降。當軸向氣道與低壓空氣入口接通時，由于廢氣的流動造成軸向氣道內處于負壓，新鮮空氣自大氣被吸入氣道。軸向氣道轉過低壓空氣入口和低壓燃氣出口后，軸向氣道內遂充滿新鮮氣體。轉子繼續轉動又開始下一個相同的循環（如圖2.91所示）。氣波增壓器的增壓壓力與大氣壓力之比可達2.5∶1，增壓壓力在整個內燃機轉速范圍內變化不大，能量轉換過程也不受轉子慣性的影響，因此氣波增壓器具有良好的速度和負荷響應特性，比較適合汽車發動機增壓的要求。但氣波增壓器運轉噪聲大，結構不如渦輪增壓器（見廢氣渦輪增壓）緊湊，不太適合安裝在體積較小的轎車上，故應用尚少。

廢氣渦輪增壓系統是利用發動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內的渦輪，渦輪又帶動同軸的泵輪，泵輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入汽缸（如圖2.92和圖2.93所示）。這種增壓器的優點是利用了發動機的廢氣動能做動力，消耗發動機的能量較少。不足之處是，當發動機轉速較低時，增壓器起得作用幾乎為零，隨著發動機轉速增加，廢氣排出速度增加，渦輪轉速也同步增加，壓入汽缸的空氣也更多。因此，這種增壓器的工作時間有一定的滯后性。另外，廢氣渦輪增壓器的工作溫度很高，高溫帶來兩方面缺陷：第一，潤滑油受到高熱而快速氧化。解決措施是選用耐高溫、抗氧化好的優質機油和加裝機油冷卻器。第二，進氣流受高溫影響使發動機的充氣系數下降，解決措施是加裝進氣冷卻器或加大發動機冷卻系的冷卻效果。另外，增壓器在工作時，轉子的轉速非常高，可達到每分鐘數萬轉，如此高的轉速和溫度使得常見的機械滾針或滾珠軸承無法為轉子工作，因此，渦輪增壓器普遍采用全浮動軸承，由潤滑油來進行潤滑和冷卻。

復合增壓系統。機械增壓有助于發動機低轉速時的扭矩輸出，但是高轉速時作用有限，而廢氣渦輪增壓在發動機高轉速時擁有強大的功率輸出，低轉速時則力不從心。復合增壓系統把機械增壓和渦輪增壓結合在一起，同時解決低速扭矩和高速功率輸出的問題（如圖2.94所示）。

在復合增壓系統的工作過程中，低轉速時由機械增壓提供大部分的增壓壓力，中轉速時，兩個增壓器同時提供增壓壓力，隨著轉速的提高，渦輪增壓器發揮更大的作用，與此同時，機械增壓器的增壓壓力逐漸降低，最后停止工作。機械增壓器的工作通過電磁離合器控制，在發動機轉速超過設定值時，電磁離合器分離，機械增壓器完全停止工作，防止消耗發動機功率，這時的發動機由渦輪增壓器提供所有的增壓壓力。

復合增壓系統在大功率柴油機上采用比較多，汽油機上還比較少。采用這一系統，其發動機輸出功率大、燃油消耗率低、噪聲小，但結構復雜、技術要求高、維修保養不易。