柴油机管理系统(修改)

目录

目录 (1)

第一章柴油机基础知识 (2)

第一节柴油机及燃油喷射系统的发展历史 (2)

第二节柴油机工作原理 (3)

第三节发动机的换气过程 (7)

第四节燃油喷射 (8)

第五节柴油机的燃烧过程 (15)

第六节柴油发动机排放 (19)

第七节发动机的主要性能指标 (29)

第八节柴油机的速度特性 (29)

第二章传统柴油机燃油供给系 (32)

第一节概述 (32)

第二节喷油器 (34)

第三节喷油泵 (38)

第四节调速器 (50)

第五节辅助装置 (78)

第六节直列泵及调速器的调整 (80)

第三章分配式喷油泵 (101)

第一节 VE型分配泵结构与基本工作原理 (101)

第二节 VE型分配泵附加装置 (112)

第三节VE分配式喷油泵的安装尺寸检查 (120)

第四节分配式喷油泵的调试 (124)

第四章电子柴油机控制 (127)

第一节系统概况 (127)

第二节电控燃油喷射系统的控制功能 (131)

第三节串行数据传输（CAN） (147)

第五章传感器 (152)

第一节传感器工作原理 (152)

第二节传感器及其电路的基本测量 (162)

第六章典型的电控燃油喷射系统 (165)

第一节位置控制式电子控制燃油喷射系统 (165)

第二节电磁阀控制的燃油喷射系统 (171)

第七章发动机排放的最小化措施 (201)

第一节发动机排放的最小化措施 (201)

第二节排气处理 (210)

第八章电控柴油机故障诊断 (229)

第一节在车诊断（OBD） (229)

第二节电子元件监控 (233)

第三节电控柴油控制系统诊断设备 (237)

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第一章柴油机基础知识

第一节柴油机及燃油喷射系统的发展历史

在1895年, 鲁道夫·迪塞尔首次将他的发明公瞩于公众：压燃点火发动机。与已经熟知的汽油机相比其具有公认的优点：它要求较少的、相对便宜的燃油，并使更高动力的设计成为可能。迪塞尔的发

明不久被接受，并且在

短时间内在船机和固定

作业机械上成为不可替

代的发动机，然而初期

的柴油机有一个最大的

缺点发动机转速低，不

能实现高速化。但随着

越来越多领域对柴油机

的使用和对柴油机系统

图 1-1 柴油机的发展进程

优点的了解，小型高速

的自动点火发动机需求

也越来越多。

高速柴油发动机的障碍表现在燃油供给方面，在当时使用的空气-燃油喷射系统，燃油通过压缩空气吹入到燃烧室，制约了发动机转速提高的要求。此外这要求有较大的“空气泵”设备，使得柴油机在机构尺寸和重量上不能显著降低。

燃油喷射系统的发展进程可以通过业界领军企业产品的发展进程得以了解。

在1922年末，罗伯特·博世决定致力于柴油机喷射系统开发时，在技术上的先天条件就是有利的：已经具备内燃机方面的开发经验，制造技术的高度发展，以及在此基础上从润滑油泵机构方面获

得的知识都可以被

使用。

在1923年初大

约有一打不同的喷

射泵的草图产生，在

1923年中期发动机

的首次测试中开始

运行， 于1925年

图1-2 博世公司燃油喷射系统发展进程

2

夏，喷油泵的最终结构图纸被确定，1927年系列化生产的喷油泵首次出厂。

因为博世完成的这个喷油泵的研发生产，使得鲁道夫·迪塞尔的发动机向前发展并获得意想不到的效果，让柴油发动机大大提升了应用范围，特别是在车辆领域的使用。

柴油发动机和喷射系统的研发持续进行：从六十年代初由博世研发的带有自动提前装置的分配式喷油泵在发动机上开始出现，到进而十年之后，其又带来了通过长时间研究、实验后生产的更为完备的电子柴油机控制系统。 通过博世公司十年的创新，非常精确的小燃油喷射量得以实现，先前的问题变成历史，罗伯特·博世柴油机的梦想变为现实。

第二节柴油机工作原理

柴油发动机是一种压燃

式发动机,压燃式发动机吸入

气缸的是纯净的空气,并被压

缩到很高的温度,柴油经喷射

装置以高压喷入气缸并与高

温空气混合着火燃烧,对外作

功，从而将化学能转变为机械

能。柴油发动机的优点是：燃

油消耗低，较低的有害废气排

放。柴油发动机有四冲程也有

二冲程的，汽车使用的柴油机

多为四冲程。

一、发动机的总体构造

柴油机由许多机构和装

图1-3 柴油机基本构造

置组成,其机构型式很多,不

同机型每一种机构的结构不一定相同,但这些机构的共同的目的是使发动机能很好的进行工作循环,将燃烧产生的热能转变为机械能,保证发动机长期正常工作。通常柴油发动机由下列机构和系统组成：

机体 机体构成发动机的骨架，所有的运动件都装在它上面，而且其本身的许多部分又分别为曲柄连杆机构、配气机构、供给系、冷却系、润滑系的组成部分。气缸盖和气缸壁共同组成燃烧室的一部分，是承受高温与高压的机件。

曲柄连杆机构 曲柄连杆机构是发动机的主要运动件，它们的作用是将活塞在气缸中往复运动转变为曲轴的旋转运动，在膨胀行程中气缸内气体对活塞顶的压力通过曲柄连杆机构的传递变成扭矩输出，因此它是往复式发动机传递动力的重要机构。

配气机构 配气机构的作用是使新鲜空气及时冲入气缸，并从气缸及时排出废气。

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4燃油供给系 柴油机燃油供给系的作用是把经过过滤的柴油在规定的时间内以一定的压力喷入气缸。

冷却系 冷却系的作用是利用冷却水或空气作为介质，将受热零件所接受的热量及时传递出去，保证发动机在高温环境中的正常工作。

润滑系 润滑系的作用是将机油送到发动机运动件的摩擦表面，以减少运动件的摩擦阻力，并起到冷却部分摩擦表面，清洗摩擦表面的作用。

起动系 起动系的作用是依靠起动机的外力作用，使发动机由静止状态转入工作状态。

二、四冲程柴油机工作循环

第一冲程 活塞由上死点向下运动，将空气经打开的进气门吸入气缸，故而称之为进气冲程。

第二冲程 活塞由下死点向上运动，进、排气门关闭，气

缸内的空气以

14:1-24:1的压

缩比被压缩，空

气升温至800

℃，在压缩行程

结束时，喷油器以接近1500巴的压力将柴油喷入气缸。该冲程

称之为压缩冲程。

第三冲程 在一定的发火延迟后，雾化的燃

油与空气混合自行发火燃烧，气缸内空气压力迅

速升高，推动活塞下行对外作功。该冲程称之为

作功冲程。

第四冲程 活塞向上运动，排气门打开，燃

烧的废气被排出气缸。该冲程称之为排气冲程。

然后，新鲜的空气再次被吸入，一个新的工

作循环由开始了。

三、发动机的实际工作过程

根据发动机的工作特征，把四冲程发动机的

工作循环分为进气、压缩、燃烧、膨胀、排气等

过程。示功图表示各个过程和气缸内气体压力随图1-4 柴油机的工作循环

图1-5 柴油机的实际工作循环

容积而变化的情况。

（一）、进气过程：（ra线）在活塞接近上止点时，进气门打开，这样可使进气开始时具有较大的进气通道截面，新鲜气体容易流进气缸。当活塞开始由上止点向下止点移动时，上一循环留在压缩容积中的废气开始由r点膨胀到r’点，压力由排气压力Pr下降到低于大气压力Po的进气压力Pa，新鲜气体随之被吸入气缸，由于受进气系统阻力的影响，到进气终了时，进气压力Pa仍低于大气压力Po。新鲜气体进入气缸后，要受气缸中的高温机件和残余废气的加热。因此，在进气终了时的进气温度Ta，常高于大气温度To。

在全负荷工况下，柴油机进气终了时的进气压力Pa=0.080-0.095MPa，进气温度Ta=30℃-70℃.

(二)、压缩过程：（ac线）活塞从下止点向上止点移动，进排气门全部关闭，使进入气缸的空气与残余废气继续混合，并被压缩。压缩终了时，活塞到达上止点，此时，混合气被压缩到活塞上方的燃烧室内，压缩比ε等于气缸总容积Va与燃烧室容积Vc之比。

压缩比表示活塞从下止点移动到上止点时，气体在气缸内被压缩的程度，也表示燃气膨胀时体积变化的倍数。压缩比愈大，在压缩终了时混合气的压力和温度便愈高，燃烧速度也愈快。因而发动机发出的动力也愈大，经济性愈好，但当压缩比过大时，不仅不能进一步改善燃烧情况，反而会出现不正常燃烧现象。

柴油机中压缩终了时的气体压力Pc与温度Tc，Pc=3-5Mpa，Tc=480℃-680℃。

（三）、燃烧过程：（cz线）由燃烧所放出的热量使工质的温度和压力升高，然后将其中的一部分热能转变为机械功。

柴油机在上止点前开始喷油，初期喷入气缸的燃料在高温空气的影响下迅速燃烧，所发热量使气体压力与温度剧增。而此时气缸内容积变化甚微。以后的燃烧是在活塞由上止点向下移动，一面喷油一面燃烧，使气体压力增高不大，而容积却有增大，所以整个燃烧过程可视为由接近等容加热和等压加热两部分组成。

柴油机在全负荷工况下，燃烧最高压力Pz=6-9Mpa,最高温度Tz=1800℃-2000℃

（四）、膨胀过程：（zb线）高温、高压气体推动的活塞由上止点向下止点移动，气体压力与温度降低，而气体容积增大。

在全负荷工况下，柴油机膨胀终了的压力Pb和温度Tb’ Pb=0.2-0.4Mpa,Tb=700℃-900℃。

（五）排气过程：（b’ br线）此时排气门在活塞到达下止点前b’处打开，大部分废气利用气缸内外压力差而自由排出。当活塞由下止点向上止点移动时，继续将余下废气强制排出，此时废气的平均压力（称为排气压力或背压）约为0.105-0.120Mpa。柴油机的排气终了Tr=450℃-650℃。

四、增压式柴油机的工作原理

增压是将进入柴油机气缸的空气，通过增压器预先压缩，提高进气压力，有时还通过

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中间冷却器加以冷却，降低进气温度，提高其密度，同时增加喷油量，从而达到多烧燃料，提高功率的目的。

目前使用最广、

最有效的是废气涡轮增压。废气涡轮增压的特点是利用柴油机排出的废气作为能源，驱动增压器运转，不需要消耗柴油机功率。

将柴油机排气管接到增压器的涡轮壳上，柴油机排出的高温和有一定压力的废气经涡轮壳进入喷嘴环，由于喷嘴环的通道面积做成由大到小，因而废气的压力和温度下降，而速度却迅速提高。这个高速的废气气流，按着一定的方向冲击涡轮，使涡轮高速旋转。废气的压力、温度和速度越高，涡轮转的越快，通过涡轮的废气最后排入大气。涡轮与压气机叶轮固装在同一根转轴上，压气机叶轮也与涡轮以相同的速度旋转，

将经过空气滤清器滤清过的空气吸入压气机壳。高速旋转的压气机叶轮把空气甩向叶轮的外缘，使其速度和压力增加，并进入扩压器。扩压器的形状做成进口小出口大，因此，气流的速度下降压力升高。再通过断面由小到大的环形压气机壳使空气气流的压力继续提高。这个高压气体经柴油机进气管进入气缸与柴油混合燃烧，从而保证发动机发出更大的功率。增压式与非增压式四行程柴油机工作循环各特征点的压力和温度数值见表1-1。

表1-1 增压柴油机与非增压柴油机比较

图1-6废气涡轮增压器

1- 压气轮 2-废气涡轮 3-旁通道 4-控制阀

7

第三节 发动机的换气过程

从排气门开始开启到进气门完全关闭的整个过程，称之为发动机的换气过程。 要使发动机作功多、扭矩大、功率大，就需要燃料在气缸内燃烧时放热多，这既有赖于气缸中所能充填进去的燃料量，也依赖于充填进去的空气量。对于用液体燃料的

发动机来说，燃料所占体积极小，而空气所占体积极大，所以在发动机气缸中燃烧所能放出热量的多少，主要受限于能够充入气缸的空气量的多少。

换气过

程分为自由排气、强制排气（从排气门开启到下止点这一段为自由排气，下止点以后为强制排气）和进气三个阶段。

（一）自由排气阶段 由于气门开启只能逐渐增大其流通截面，如果排气门在活塞到达下止点才开始开启，则气缸内的压力（柴油机膨胀终了时的压力约为0.3Mpa 左右），因气门流通截面增大过慢，而下降迟缓，不能实现充分排气。而且在活塞向上止点运动时将会形成较大的反压力，增加排气行程中所消耗的功率。因此，有必要使排气门在膨胀行程接近终了，活塞尚未到达下止点前就开始打开，即排气提前，通常排气提前角是在下止点前40°-80°曲轴转角。利用燃气的压力向缸外排气，称为自由排气。

（二）强制排气阶段 在自由排气阶段，随着活塞向下止点移动，气缸内压力不断下降。当活塞到达下止点或稍后一些，（全负荷运转时在下止点后10°-30°），以后的排气主要靠活塞推出，所以称为强制排气。在强制排气阶段接近终了时，由于排气门开始关闭，产生较大的节流作用，在上止点附近，气缸压力又复上升。这压力升高是随着活塞接近上止点时，气门通道面积的缩小而增大，其结果是排气消耗功和残余废气量都增加了。因此，排

B

T B D C

D C

D C

排气门

进气门

00.40

0.80

1

2

3

4

亚临界排气

超临界排气

排气行程进气行程

φj1

φφp1

φp2

气门的完全关闭不能恰恰在活塞到达上止点之时。而应在活塞过了上止点之后，这就是排气迟闭，通常排气迟闭角为上止点后10°-30°曲轴转角。此外，排气门的迟闭，还可能利用排气管中气体的流动惯性把气缸内的废气继续吸出，降低废气余量，增加新鲜充量，而又不致发生废气的倒流。

（三）进气过程 为了增加进入气缸内的新鲜充量，在活塞到达上止点前，进气门提前开启，以便使活塞在开始回程时进气门提供一定大小的通道面积让新鲜充量流入。进门气一般在上止点前10°-30°曲轴转角开始开启。尽管进气门提前开启，但真正新鲜充量开始吸入要待气缸内余废气膨胀至低于进气管内进气压力之后。随着进气门开启面积的逐渐加大，新鲜充量受到气缸壁。高温零件和残余废气的加热，压力逐渐上升，到进气终了时，由于进气动能部分的转变为压能，压力几乎回升到接近大气压。如果进气门关闭早，譬如在活塞到达下止点时，则因进气通道处的严重节流作用使进气量减少，而且还增加了吸气所需的消耗功。为了利用活塞过了下止点后新鲜充量由于流动惯性继续冲入气缸的所谓过后充气现象来达到增加气缸充气量的目的。进气门一定要在活塞过了下止点后40°-80°曲轴转角才关闭。但如进气门关闭过迟，在发动机低速运转时进气会倒流，对充气不利，但在高速时，可利用进气惯性增加进气量。这样，在上止点附近就有一段时间进排气门同时开启，称为气门重迭，重迭角可达20°-60°曲轴转角。

在柴油机中，因为进气管内的压力总是接近大气压，适当的气门重迭角可以减少残气，增加进气量。在非增压柴油机中，气门重迭通常在20°-60°范围内。在采用废气涡轮增压时，由于进气压力大于排气压力，可以利用较大的气门重迭角促使新鲜充量以一定的数量扫过燃烧室而直接流入排气管内，这个过程被称为燃烧室扫气过程。在扫气过程中，不仅燃烧室中所残留的废气得过以或多或少地被清除，增加气缸内的新气充量，同时还可借扫气期间通过的低温新鲜充量带走燃烧室容积中的热量，并降低排气温度。当然，燃烧室的扫气会增加新鲜充量的损失，但是，在柴油机中，新鲜充量是纯粹的空气，因而没有象汽油机中那样具有燃料损耗的严重问题。气门重迭角一般可达60°-140°曲轴转角。

第四节燃油喷射

由于效率高，柴油机消耗的燃油相对较少，比汽油机少接近30%。但与汽油机相比，柴油机的混合气形成有如下的特点：首先是柴油机的混合气只能在气缸内部形成。其次是混合气形成的所占的时间过短。通常占15°-35°曲轴转角。因而形成的混合气成分在燃烧室内各自很不均匀，而且随着燃油的不断喷入在不断的改变，即属于非均质燃油混合气。混合气的形成质量对于保证柴油机在尽可能小的的平均过量空气系数下燃烧完全和燃烧及时有决定性的影响，所以对于混合气的形成有着特殊的要求，也就是说不仅对进气量（过量空气系数）、燃烧室形状等有要求外，对燃油喷射也有要求。

一、混合气的形成过程

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（一）、直接喷射（统一式燃烧室）

燃烧室为整

体式，其部分处于

活塞顶部的活塞

的凹坑内。 压缩

时燃烧室内的凹

腔增强了空气的

运动，浅凹腔用于

低速柴油机，深凹

图1-8 直接喷射

腔用于高速柴油

机。

燃油经多孔喷油器以高压喷入气缸内，有两种喷射的可能性：空气分配喷射和缸壁分配喷射。

（1）具有小涡流和雾状喷射的喷射方式

这些燃烧过程，工作中气缸内的空气涡流非常小甚至没有，重要的是利用喷射油雾的能量完成混合气形成，原来这种方式被用于中、低转速的大型发动机，这些发动机由于热力原因必须用较高过量空气系数的混合气工作。

燃烧室通常由宽的、ω型燃烧凹坑形成，它通常位于活塞的中心位置，燃油通过正交的5到8孔多孔喷油嘴喷入，对于4气门发动机喷油器也是位于中心。

因为一方面，持续提高的NOx 和颗粒物排放标准，也要求采用高过量空气系数的混合气和高油雾喷射能量（由高的喷射压力产生）。另一方面，从欧2开始所有商用汽车11缸以下的发动机，由于燃油消耗的原因，对应于其工作转速带的限制更严格，所以以上描述的方式在商用汽车发动机上广泛使用。特别是由于喷射起始时刻较迟，这样能进一步降低了NOx 排放，但也使得这些发动机上产生较大热应力。

（2）涡流辅助的多孔喷油器原理

对于较高的额定转速、大工作转速范围的小型发动机（主要是轿车、有篷货车的发动机），仅仅通过喷射形成油雾能量是不能有效的彻底快速的形成混合气，必须借助燃烧室内部的空气流动。为此，特别小的活塞凹坑被使用。另外，需要获得从活塞顶部到喷射油雾撞击点的剧烈的压缩进气流，并获得通过合适的进气元件（涡流进气道）进一步提升空气进给的旋转。为了此目的，通过空气燃油完全弥散和下游的燃烧室部分的使用，气缸空气旋转的最终速度以这样的方式选择，。在喷射过程中，从油嘴喷射的油雾和垂直转动的空气漩涡有利于空气/燃油混合气的形成。

这种燃烧方式使用相对较少的4到6孔的油嘴，油嘴尽可能位于活塞凹坑的中心位置。

如果燃烧室部分不能完整的包住，空气的利用和动力将遭创，由于局部燃油浓度过高，

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10空气不足，会促使碳烟的生成。

（3）M-方式

除了喷射油雾能量以外，MAN 缸壁分配燃烧

系统（M-方式）燃油适宜的应用到燃烧室壁，主

要利用燃烧室壁的热量和空气涡流进行混合气

形成。燃油沿空气涡流的方向喷射到燃烧室壁上，在壁

上形成的油膜，油膜蒸发并与燃烧内剧烈旋转的

空气混合。这种方法空气利用非常高，排放值（碳

烟排放）低。

由于燃烧室壁油膜比压缩空气内的油滴的

蒸发慢，这样在冷机和低发动机转速时，这种燃

烧方式不能达到燃油消耗和气体排放的要求。

（二）、间接喷射

间接喷射的燃烧室由在气缸盖内无冷却的燃烧腔（预燃室）和气缸内的主燃烧室两部分组成。选用轴针式喷油器。

1．预燃室方式

预燃室为一狭长的燃烧室,经单

孔或多孔喷射道与主燃烧室相连。压

缩行程终了时,燃油经轴针式喷油器

喷入预燃室,喷射压力为120-140巴，

预燃室内的空气只够燃油部分燃烧，

燃油未燃部分温度升高转变为气态。

由于预燃室内气压升高，气态燃油经

喷射道喷入主燃烧室，并在主燃烧室

内进行燃烧。

优点：

*各种转速下混合气形成良好；

*发动机运转柔和；

*转速高。

缺点：

*起动时需用预热塞加热；

*燃油消耗大；

预燃室方式适用于轿车和商用车。 图1-10 间接喷射工作原理 图1-9 M-方式

2．涡流室方式

在气缸盖内部有一球形燃烧室,它通过一条切线通道与主燃烧室相同,该通道具有较大的断面。压缩时大部分空气流入涡流室，涡流室内存在强大的涡流，燃油经轴针式喷油器喷入，喷射压力为100-125巴。燃油与旋转的高温空气充分混合，涡流室中先发生燃烧，并蔓延至主燃烧室。

优点：

*发动机运转柔和；

*混合气形成良好；

*转速高。

缺点：

*必须有辅助起动措施；

*燃油消耗大。

二、柴油机燃油混合气的特点与控制

1．非均质混合

由于柴油机的燃油混合气在内部形成，所以燃烧时的混合气是不规则，即非均质混合气。对于非均质混合气，空燃比（λ）的分布是从油雾边缘的纯净的空气（λ=无穷大）到油雾中心纯的燃油（λ=0）。

2．质量控制方式

图1-11显示了静态单个雾滴的λ分配

和相应的火焰区。对于非均值燃油混合气形

成这种方式，发动机负荷可以通过燃油喷射

量来控制。因为对于喷射油雾的每一个雾滴

通常会发生这个可燃区域，这就是所谓的

“质量控制”。因为以非均质混合，燃烧发

生在0.3 <λ<1.5相对较窄的范围。 为了

获得这些易燃的混合气，要通过扩散和紊流

以及燃油混合气生成所需的能量来获得，当

然也通过燃烧本身获得。

图1-11静态单个雾滴的空燃比变化

三、 混合气形成的因素

由油嘴喷孔处的压力决定的射程、由油嘴几何形状决定的喷雾锥角以及最终的燃油喷射速度决定了空气/燃油混合空间，以及在此空间内的雾滴的范围。油雾的能量受喷孔处的压降和喷孔处油流形状的影响。

1．热能

燃烧室壁和压缩空气的热能用于喷射燃油（在燃烧室壁的油膜和在高压气内的油滴）

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的蒸发。

2．燃烧室形状

燃烧室的合理设计非常重要，它与活塞的运动可以获得涡流（压缩进气流），而且液态燃油和空气/燃油油雾在燃烧室内可以得到合理的分配。

3．有序的空气运动（涡流）

燃烧室内作用于燃烧气体的运动（常常以固态的旋转和潜在的扰流形式），如果燃油方向与空气运动方向近似垂直，将大大改善“油滴蒸发”。

燃烧室壁油膜蒸发后，蒸气层随空气的旋转而移动，燃烧的气体被新鲜的空气将热量隔开。有条理的涡流使燃油与空气的快速混合，有序的涡流通过特殊设计的进气道形状或者通过气缸到预燃室的移动部件（通过切线通道）来获得。

四、发动机各工况对燃油喷射的要求

（一）起动工况

起动包含从点火、加速到自行持续运转的过程，在压缩过程中经加热的空气必须点燃喷射的燃油，柴油要求的着火温度为250℃。

1．影响起动性能的因素

（1）起动温度

冷态发动机必须保证在尽可能低的发动机转速和低的环境温度下能起动。发动机转速越低，最终的压缩压力越低，因而最终在气缸内产生的温度越低。同时低温时蓄电池电压的降低也会引起起动转速降低。

（2）热扩散和泄漏

由于工作温度还没达到活塞环的工作要求，而引起的泄漏。冷态的发动机在压缩循环存在热扩散，对带有分隔式燃烧室的发动机，由于燃烧室的表面较大，热扩散比较严重。

（3）摩擦损失

此外，发动机机械元件的摩擦力在低温时比正常工作温度时大，随着温度的升高发动机机油的流动性增加，发动机机械元件的配合间隙也会减小。

（4）燃油调节

通过滤清器加热或直接加热燃油的方法，可以避免低温时由于石蜡结晶引起的燃油问题，对于现代的柴油机燃油这个问题仅仅发生在低于-25 ℃的温度。

2．改善发动机起动性能的措施

（1）辅助起动系统

对采用预燃室式的柴油发动机，起动辅助是笔型预热塞。在预燃室式发动机上它位于预燃室内，对于直喷式发动机，通常采用进气加热。有几秒预热时间的预热塞可以使发动机能快速起动。两种方法用于改善燃油的蒸发和混合气的形成，并且点火更可靠。

（2）喷油量调节

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再进一步的方法是，起动时喷射过量的燃油，用以补偿燃油的沉积和泄漏损失，并提升发动机转矩以满足发动机加速的要求。另外，提前喷射起始时刻以补偿起动时的点火延迟，保证在上死点范围（在很高的最终压缩温度）点火。

（3）喷射起始时刻

必须保证理想的尽可能精确的喷射起始时刻， 如果喷射太早，燃油将沉积在气缸壁上，蒸发量少，此时压缩空气的温度也低。如果燃油喷射太迟，点火将在膨胀行程发生，活塞正在下行，活塞受到的作用力就会减小。通过燃烧室内的燃油的分配和混合气的形成，喷射系统（油泵和油嘴）必须保证对空气/燃油的正确混合和对雾滴尺寸的要求，它们必须尽“快”在燃烧室内形成。

由于日益提高的排放要求，起动时的排放将会被严格的限制，特别是从2000年开始起动阶段被包括在驱动循环内（Euro3）。

（二）低怠速/部分负荷

柴油发动机的低怠速和部分负荷工況非常关键。相对于汽油机而言，柴油机在此工作范围的优势是燃油消耗低。不足之处是噪音和爆震（特别是冷机状态），着火延迟是低怠速时产生噪音的主要原因。

象起动工况一样，低转速和小负荷时压缩终了气体温度较低，在怠速时更突出。

因为燃烧时气缸内气体温度上升比较缓慢，燃烧室温度较全负荷时相对较低（即使发动机在工作温度），燃烧室温度较低且不均匀。由于气缸内壁表面积较大，散热快，预燃室式和涡流室式柴油机这个问题更显著。这可以通过提高压缩比补救，然而，在全负荷时燃油消耗较高和机械噪音较大，所以这种补救措施的可能性是有限的。在喷射过程中对喷射起始时刻、喷油量和喷油特性的要求很高。例如，怠速时最高的燃烧温度仅仅出现在上止点附近很小的活塞行程内，喷射起始时刻要求非常精确。

对于每行程5到7mm3 的低怠速供油量,对燃油计量的精确度（每行程0.5 mm3 相当于10%）的要求非常重要。由于在着火点集聚的燃油量对气缸压力的升高起决定性作用，所以在着火延迟期仅仅可以喷射少量的燃油，噪音取决于压力升高曲线的梯度，该梯度越陡，产生的“敲缸声”越大。另外还必须精确的喷射起始时刻和精确的喷油量，喷射系统必须确保喷油过程（每个行程的总供油量和 0.25 mm3 /每度曲轴转角 ）在15 到 20曲轴转角之间完成，各缸均一。现在降低噪音更普遍的办法是采用预喷射，为此燃烧室要预处理，这在没有电磁阀控制的传统系统无法应用。

（三） 全负荷

全负荷特性描绘了对应于发动机转速的最大扭矩过程，其中可变的边界条件可能加以考虑。依据发动机转速扭矩特性，扭矩的最大点在发动机额定转速的一半。

喷射系统必须满足这一要求，为了这个目的，通常使用的机构有机械式、气压式、液压式或电子装置，这里仅仅描述液压方式。

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“预供油和后供油效应”被考虑，柱塞泵的供油量的理论计算是用柱塞的底部面积乘以有效行程。实际上，供油早开始迟结束，所以实际的有效行程比其几何有效行程大，这个动态性能被称之为预供油和后供油效应。这个性能适用所有的活塞式燃油泵。

通过改变横截面和流动速率，可以根据发动机转速予以修正，从而来改善供油量特性。

五、 燃油喷射量的调节与限制

对于柴油机，燃油被直接喷入到高压、高温的空气中自动点燃，不象汽油机被强制点火。所以对柴油机来说，进入气缸内的空气是常量，仅仅只是对燃油量进行调节。

（一）燃油计量

所以燃油系统决定了发动机的性能，在所有的发动机转速和负荷下，燃油系统负责燃油的计量和整个过程中燃油的理想分配。另外进气压力和温度也是要考虑的重要条件。

对燃油喷射的要求：

?正确的燃油量；

?精确的喷油时刻；

?正确的压力；

?正确的喷射过程；

?在燃烧室内正确的位置。

（二）燃油喷射量的限制

在燃油计量时，除要求形成理想的混合气外，通常还要考虑发动机或车辆的有关工作限制。如：

1．冒烟限制

由于相当部分混合气的形成发生在燃烧过程，即使在中等的过量空气系数条件下，局部的富油仍会产生较高的黑烟排放。对于空气利用的质量可驾驭的空然比来测量，此处所谓的烟雾限制被用于全负荷油量限制。预燃室式发动机的烟雾点的过量空气系数是10%到25%，直喷发动机是40%-50%的过量空气系数。

2．燃烧压力限制

柴油发动机工作过程中，在点火过程中已蒸发并与空气混合的燃油，在高压条件下剧烈燃烧。这被称之为“剧烈”燃烧。较高的燃烧压力峰值产生在这个过程，这就是发动机相当笨重的原因。由此会引起发动机零件的负荷周期性的变化，所以零件尺寸和零件的可靠性将会限制燃烧压力的提高。

3．排气温度限制

柴油发动机排气温度的限制由燃烧室周围零件的热应力、气门和排气系统的热稳定性、在排气构件所需热量来决定。

4．发动机转速的限制

通过柴油发动机过量空气以及燃油量控制的描述表明，在一定的发动机转速的条件下，

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15动力仅与喷油量有关。如果发动机扭矩减小，但燃油供给不改变，发动机转速将升高。如果在发动机超过临界转速前不减少燃油供给量，发动机将会“飞车”，可能导致发动机自行损坏。所以对柴油发动机来说，发动机转速限制或发动机转速控制是非常重要的。

如果柴油机作为工程机械的动力或发

电机等其它动力设施而言，发动机负荷是一

定的，发动机转速被保持或维持在一个许用

的限值，对作为车辆动力的柴油机而言，发

动机的转速必须由驾驶员通过加速踏板自

由选择，在负荷卸去时，发动机转速不得低

于低怠速极限而熄火。所以，控制系统被分

成全程调速器和两级调速器。 当考虑到上述要求后，轿车发动机工作范围的图形可以被定义。

图1-12显示依据发动机转速、负荷、温度和压力要求修正的燃油量。燃油量符合一定的转速下所有缸平均要求的值和它们的平均量。例如，工作条件产生喷射系统精确性的高要求。对于一个4缸4行程75KW 200g/kwh 的发动机全负荷喷油量总要求为15kg/h，4行程发动机在2400rpm 每小时喷油288000次，转换成一次喷射，这意味着每行程62.6 mm 3

(ρ柴油=0.83)。

相比较，一个小的雨滴具有接近30 mm 3的体积，喷射系统对单一缸必须精确计量燃油，并均匀地分配到多缸发动机的某一气缸， 计算的喷油量作为喷射系统计算的参考值。特别是在低转速、全负荷时受发动机的烟雾限值所限制，高转速时受排气构件温度所限制。

精确的燃油量是通过发动机实验来确定。通常，计算标准基于海平面，如果发动机工作在海平面以上，燃油量必须根据大气压力来修正。每1000米海拔空气密度降低7%，这仅对自然吸气式发动机有效，对于废弃涡轮增压的柴油机空气量的降低仅为自然吸气式发动机的一半。

与常用条件下热机的油耗形成相比，实际燃油消耗是受实际运行条件影响的。特别是轿车经常频繁冷机起动、短距离、低负荷下工作，冷机运行时大的摩擦使得油耗增加。 第五节 柴油机的燃烧过程

柴油机是采用内部混合的方式形成可燃混合气。即借助喷油泵、喷油器，将燃油在接近压缩终了时刻喷入燃烧室，经过一系列复杂的化学反应而自行发火燃烧。由于接近压缩终了时才喷油，并要求在上止点附近燃烧迅速完成，整个时期是很短促的（约几千分之几秒），因而严重的影响混合气形成的均匀性。由于燃料是在燃烧进行中继续喷入的，随时间的不同，混合气成分也是不断变化的。在混合气浓的地方，燃料因缺氧燃烧迟缓，甚至燃烧不完全而引起排气冒烟，而在混合气稀的地方空气得不到充分利用。所以目前柴油机都要在平均空气

1-12燃油喷射量的限制 工作限制

过量系数α>1的情况下工作（α一般在1.15-2.2范围内），这就使气缸工作容积的利用率降低。因此，要提高柴油机的性能，就必需在保证充气量尽可能大的情况下，尽量提高空气利用率，使燃烧完全和及时。

一、柴油机的燃烧过程

根据实际的特征，将一个连续的燃烧过程划分为四个不同的阶段。一般分为：着火落后期、速燃期、缓燃期和补燃期。

1．着火落后期 从燃料开始喷入气缸起到形成火焰中心为止的这一段时期称为着火落后期。柴油机燃烧过程的着火落后期，主要是形成发火源，以保证燃烧过程在整个燃烧室中的发展。柴油机的着火落后期，除了对化学反应需要做准备工作以外，还需要进行燃料在燃烧室中的分布、受热、蒸发与扩散

等一系列物理准备。在这些准备工作

以后，可能在一处或几处形成火焰中

心而燃烧。

着火落后期时间虽然很短，但对

燃烧过程中有极大的影响。如果着火

落后期时间愈长，在气缸中所聚集的

燃料数量就愈多，在着火前形成的可

燃混合气也愈多。一旦燃烧开始，压

力就突然上升，使运动零件受强烈的

冲击负荷，发动机动转粗暴，影响发

动机的使用寿命。因此，为了能控制

燃烧过程，降低柴油机的机械负荷并

使柴油机运转平稳，应该尽可能地缩

短着火落后期。

影响着火落后期的因素很多，在

正常运转情况下，压缩温度和压力是

影响着火落后期的主要因素，此外，

喷油提前角、转速及燃料性质等对着

图1-13 柴油机燃烧过程展开图

火落后期也有较大影响。

2．速燃期 从燃料发火开始到迅速燃烧出现最高压力时为止的这段时期。最高压力点一般在上止点后6°-10°曲轴转角时出现。

由于燃料是连续喷入气缸内的，所以在初期所喷射的燃料发火时，气缸内已经有一定量的燃料，而且这些燃料的各部分处在不同的情况下，有的在蒸发，有的已经与空气形成混合气，而且有的已经有相当程度的化学准备。于是当气缸内燃料发火时，往往是多处发火，

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火源迅速形成，燃料迅速燃烧，气缸内压力和温度急剧上升，压力升高率ΔP/ΔФ较高。如压力升高率ΔP/ΔФ过高，柴油机的工作粗暴。

速燃期中的燃烧主要取决于着火落后期和在着火落后期里形成的可燃混合气数量。如果着火落后期长，而且在此期间内喷入的燃料量很多，又都形成了可燃混合气，则一旦发火，火焰即迅速向各处传播，燃烧速率很高，于是压力升高率增加，柴油机势必工作粗暴。因此，解决柴油机工作粗暴的主要途径是缩短着火落后期。如选用十六烷值高的燃料；减少着火落后期里的喷油量和减少着火落后期里形成的可燃混合气数量。

柴油机冷机起动或怠速运转时，气缸中温度较低，燃料着火落后期较长，而此时润滑油粘度较高，柴油机的摩擦损失较大，尽管无负荷每循环喷油量仍然很大，因此压力升高率也较大，产生较强的爆震。这种爆震是在低速运转的特殊条件下产生的，一般称为怠速爆震。随着转速升高及带负荷运行，柴油机热状态正常，怠速爆震即自行减小消失。

3．缓燃期 从最高压力点开始到出现最高温度的阶段。最高温度一般在上止点后20°-35°曲轴转角出现。

在由速燃期转到缓燃期时，燃料仍在继续喷射，燃烧以很快速度继续进行，温度升高到最高值（达1700-2000℃），放热量达总放热量的70-80%，但由于活塞已开始向下运动，压力也略有下降，由于气缸中温度很高，化学反应很快，着火延迟很短，喷入燃料很快着火燃烧，但是由于燃烧室内氧气渐少，废气增多，燃烧条件变得不利，可能燃烧不完全，产生碳烟随废气排出，影响燃料的经济性的排气净化。因此，在缓燃期加强燃烧室内的气流运动，加速混合气形成，对保证在上止点附近迅速而完全地燃烧有重要作用。

4．补燃期 从最高温度点开始到燃料基本上完全燃烧时止。实际上补燃时期的终点很难确定，往往到排气门打开时，气缸内仍有放热的化学反应，所以排气中也还含有未氧化完全的物质。一般认为放热量Q达到循环总放热量的95%-97%时就算补燃期结束。在补燃期内，由于气缸内压力，温度下降，气流运动减弱，废气量增多，燃烧条件变坏，形成碳烟的可能性更大。特别是在高速、高负荷时，由于充气量少，混合气形成的燃烧时间更短，补燃现象比较严重，有时甚至一直继续到排气过程中。在补燃期，因为气体在膨胀，气缸内的压力下降较快，补燃所放出的热量不能有效利用，并增加了散往冷却水的热损失，使柴油机的经济性和动力性下降。补燃还增加活塞组的热负荷以及使排气温度增高，所以，总是希望补燃期尽可能地缩短。

二、影响柴油机燃烧过程的主要因素

1．燃料性质的影响 对燃烧过程影响较大的柴油性质有发火性、粘度、凝点。燃料的自燃温度对燃烧过程的影响主要表现在对着火落后期的影响上。降低自燃温度可使着火落后期缩短，因而燃烧初期在燃烧室中的燃料量减少，速燃期中的压力升高率减小，使发动机工作柔和。适当的提高燃料的十六烷值，会使着火落后期缩短。粘度大的柴油不易雾化，蒸发性差。蒸发性影响油滴的蒸发速度，从而影响可燃混合气的形成速度。

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2．压缩比的影响 压缩比增加，压缩终了的温度和压力上升，因而加速燃料的蒸发与燃烧前的物理化学准备，着火落后期缩短，使速燃期中的压力升高率降低，工作比较柔和，使冷机起动迅速可靠。但是过高的压缩比会带来最高燃烧压力的增长，使发动机的机械负荷增加，机械效率下降。

压缩比的选择要根据发动机的具体使用情况而定。对于较高速的柴油机，由于冷机起动和混合气形成的要求，压缩比一般较高，使压缩终了时压力和温度增高，有利于起动和加速混合气形成与燃烧。对于增压柴油机，为了减轻机械负荷，需要降低压缩比，以限制燃烧的最高压力。

3．喷油规律的影响 喷油规律是指喷入燃烧室的燃料总量Δg与曲轴转角Ф之间的变化关系。如果着火落后期内喷入气缸的燃料量较少，速燃期内的压力升高率因而降低，使柴油机工作柔和，但燃烧时间延长，热效率降低。如在其他条件都相同，循环供油量仍为Δg的情况下，如果着火落后期内喷入气缸的燃料量增多，速燃期压力升高率增大，燃烧时间缩短，使柴油机的功率和热效率提高，但工作较粗暴。

喷油规律主要决定于高压油泵的凸轮外形，此外还与柱塞直径、喷嘴的构造和调整，以及油管的尺寸等有关。

4．喷油提前角的影响 喷油提前角是指喷油开始到活塞上止点为止的曲轴转角。柴油机的喷油提前角的改变会导致柴油机性能指标的变化。增大喷油提前角，由于燃料是在空气密度和温度都较低的情况下喷入的，其物理、化学准备条件较差，着火落后期延长，导致速燃期的压力升高率增大，柴油机工作粗暴，同时也增加了柴油机压缩功。但喷油过迟，燃烧会在膨胀过程中进行，因而使压力升高率降低，最高压力下降，排气温度增加，排气冒烟。冷却水的热损失增加，热效率下降。

最佳喷油提前角主要随发动机的转速和负荷的变化而变化。当转速增加时，燃烧过程所占曲轴转角增大，如不适当增大喷油提前角，则会延续到膨胀过程中去。因此在转速变化较大的车用柴油机上，常装有喷油提前自动调节装置，以适应转速自动改变喷油提前角。负荷（喷油量）不同，最佳喷油提前角也不同，负荷愈大，最佳喷油提前角愈大。

5．转速与负荷的影响 当发动机的转速增加时，燃烧室内的空气涡流运动加强，喷油压力也有所提高，使燃油雾化变好，促使着火准备过程加快，提高混合气形成速度，所以着火落后期随着转速增加而缩短。这说明随着转速的增加，要求将喷油提前角加大，使燃烧仍能在上止点附近完成。

柴油机的负荷增加时，喷油量加大，燃烧室的温度增高，改善了燃烧条件，因此着火落后期缩短，柴油机工作稳定柔和。但是，由于循环喷油量加大以及喷油延续角增加，会使总的燃烧过程时间延长。

如若负荷减小，循环喷油量也随着减少，于是空气过量系数增加，使燃料燃烧迅速完全，热效率提高。但当负荷过低或怠速运转时，燃烧室温度低，燃料着火落后期较长，尽管

18

19负荷低或无负荷，每循环喷油量仍较大，因此压力升高率亦较大，产生柴油机特有的怠速敲缸现象，这是在使用中经常见到的正常现象，当负荷上升时，该现象会立即减小消失。

第六节 柴油发动机排放

一、起因

燃油完全燃烧要求的空气量可以依据化学方程式计算出来，并将其定义为每kg 燃油完全燃烧理论所需空气的量（以kg 为单位）。其理论燃烧过程为：

Heat O H n nCO O n H C n n +++?+++22222)1(213

汽油机和柴油机理论所需空气量在14.5-14.8kg 空气/kg 燃油，实际使用中，供给到发动机的空气量可以与理论空气量不同，实际供给的空气量与理论所需空气量的比值被称之为过量空气系数λ(lambda)。 过量空气系数λ

5.14?=燃油空气

M M λ

缺少空气λ＜1

过量空气λ＞1

燃油完全或理论燃烧

的产物仅为二氧化碳（CO 2）

和水蒸气（H 2O）

。 在发动机上，所有的燃

油颗粒不可能完全燃烧，与

下列因素有关：

? 过量空气系数

? 燃烧温度

? 发动机负荷

? 发动机状态

?

燃油成分

20其它的燃烧产物会污染环境。柴油机实际的燃烧的产生的成分如图1-14所示。影响发动机排放的基本因素如图1-15所示。 1． 预喷射 预喷射是以较大的喷油提前角（最大到上死点前40°）将少量燃油（1-2.5 mm3）的燃油喷入气缸，它将为燃烧室提供预处理，预喷射 (PI)接下来主喷射(MI)。

(1)预喷射的目的

从发动机的两个工况范围来说明预喷射的目的。 部分负荷工况：降低燃烧噪音和碳烟生成；

全负荷工况：通过改善柴油的雾化质量来降低燃烧所产生的碳氢化合物，从而改善燃烧和降低噪音。

（2）预喷射的作用

预喷射可以在主喷射前对燃烧室的压力和温度进行预处理，它可以带来以下好处： ? 可以减少主喷射的着火预燃期；

? 噪音降低 (降低燃

烧的峰值压力)；

? 部分的理想燃烧。

预喷射必须条件：预喷

射不能影响主喷射，诸如共

轨压力波动和喷油器性能的

影响；必须为主喷射提供理

想的条件（预喷射与主喷射

的时间间隔应为变量）；必须

使用最小的可重复的燃油量(但不小于0.5 mg/行程), 依据工作点主喷射量为1 -2.5 mm 3 /

图1-15 基本影响因数

行程。

依据各自的工作点预喷射必须被最优化。本章节中，应用参数是预喷射量和相对于主

喷射起始时刻的预喷射的位置。喷射过程和从预喷射到主喷射共轨的压力不变时，涉及应用

参数的基本法则：

下，过量喷射的燃油可能引

起燃烧压力升高；过多的预

喷射油量会提高颗粒物排

放。相关参数如图1-16所

示。

（3）排放测量：

尽管，预喷射影响如图

1-17所示，但有时可能对带

预喷射的排放性能作修正，

所以仍需对一单缸模型和系

列产品类似的发动机在台架

上进行测试。该测试必须按

整个工作范围的临界参数的

最优化方式进行，换句话说，测试必须限定在排放和舒适性参数（噪音、性能）的一个非常

窄的范围。

2． 主喷射

主喷射是燃烧过程的非常重要的一部分，主喷射的目标是：

?高的扭矩生成；

?低的燃油消耗；

?低的废气排放；

?低的噪音；

为了这些目标，主喷射必须满足：

?精确的喷射起始时刻；

?精确的喷油量；

?理想的喷射时期；

?在燃烧室内良好的燃油分配和燃油雾化；

?正确的喷射过程。

（1）燃油喷射

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