柴油机燃油系统综述

柴油机燃料供给与调节综述
摘要：柴油机因其独有的优越性，在我国国民经济各领域应用广泛。

燃油喷射系统作为柴油机的核心部件，直接影响和决定了柴油机技术水平和换代升级，被誉为柴油机的心脏。

本文重点介绍柴油机燃料供给与调节系统的主要结构及工作原理，还介绍了柴油机燃料供给与调节系统的电子控制。

关键词：柴油机、燃料供给与调节、电控
1 柴油机燃料供给与调节系统概述
柴油机相比于蒸汽机热效率高，经济性好，机动性好，因而对传播有很大的适应性，自问世以后就很快被作为船舶的推进动力。

起初，柴油机用空气喷射燃料，燃料的雾化质量无法的得到保证，并且附属装置庞大笨重，只能用于固定作业。

上世纪初，开始用于船舶。

1905年，制成第一台二冲程船用柴油机。

1922年，德国工程师Robert Bosh 发明了许波泵，使柴油机的用途扩大到汽车、拖拉机等移动机械，许波泵的成功对提高和改善柴油机的性能及各项指标起到了决定性的作用。

20世纪中期增压及增压中冷技术的研发成功，使柴油机性能获得新的飞跃。

20世纪70年代开始，电子技术引入柴油机控制系统，又是柴油机的一次重大技术革命，把柴油机的性能指标提高到一个新的水平。

柴油机是在气缸内部形成混合气，即在活塞接近上止点时，燃料供给与调节系统将燃料以高压、在极短的时间内喷入气缸，实现燃油与空气的混合和燃烧。

因此，对燃料供给与调节系统，无论是在制造与调整精度，还是在与整机的参数匹配方面均有十分严格的要求，为了保证压燃式内燃机在动力性、经济性、排放与噪声等方面达到优良的性能，对其燃料供给与调节系统提出的要求有：（1）能产生足够高的喷油压力，确保雾化、混合气形成和燃烧；
（2）对每一个内燃机运转工况，精确控制每循环喷入气缸的燃油量，且喷油量能随工况变化而自动变化。

在工况不变时，各循环之间的喷油且应当一致。

对多缸内燃机而言，各缸的喷油量应当相等；
（3）在内燃机所运转的工况范围内，尽可能保持最佳的喷油时刻、喷油持续时间与喷油规律，以保证良好的燃烧并取得优良的综合性能；
（4）保证柴油机安全可靠的工作，防止飞车现象发生。

2 柴油机的燃料、混合气形成与燃烧
2.1 柴油
柴油的使用性能指标有发火性、蒸发性、粘度、凝点。

发火性指柴油的自燃能力，16烷值越高，发火性越好。

蒸发性指柴油的汽化能力，其指标由柴油的蒸馏实验来确定。

粘度决定柴油的流动性；粘度越小，流动性越好。

凝点指柴油冷却到开始失去流动性的温度。

柴油按其所含重馏分的多少分为重柴油和轻柴油。

柴油的牌号是根据凝点编定的，有0号、0号、-10号、-20号等。

2.2 混合气形成与燃烧
可燃混合气的形成分空间雾化混合、油膜蒸发混合。

特点是：（1）燃料的混合和燃烧是在气缸内进行的。

（2）混合与燃烧的时间很短0.0017～0.004秒。

（3）柴油粘度大不易挥发，必须以雾状喷入。

（4）可燃混合气的形成和燃烧过程是同时，连续重叠进行的，即边喷射，边混合，边燃烧。

柴油机燃油的燃烧过程是从燃油喷入气缸开始，至膨胀冲程的某个时刻结束。

也就是在这个过程中将燃油的化学能转化为热能，从而转化为输出的机械能。

柴油机的燃烧过程是直接决定着柴油机的各项工作性能的过程，而对柴油机喷油设备的改进使燃油的物化质量的得到改善与燃烧过程有着很大的关系。

人们通常以放热规律来研究柴油机燃烧过程，通过对放热规律的分析，可以了解气缸压力升高率、最高燃烧压力等的变化规律，进而分析柴油机的稳定性，热效率、排放及燃烧噪声等性能，可燃混合气的形成与燃烧大体分四个时期：（1）备燃期：从喷油开始到开始着火燃烧为止：
（2）速燃期：从燃烧开始到气缸内出现最大压力时为止；
（3）缓燃期：从气缸内出现最大压力到出现最高温度为止；
（4）后燃期：是缓燃期以后的燃烧。

对混合气形成的要求有：
①必须要有足够的空气量和适当的柴油量；
②喷油时刻要准确，混合气形成的规律应合适；
③喷油质量应与燃烧室形状相适应，形成均匀的混合气；
④气流的搅动，燃料的性能。

3 柴油机燃油系统的主要部件与工作原理
柴油机燃油系统主要包括喷油泵、喷油器、调速器和提前器四种主要部件，下面介绍其结构与工作原理。

3.1 喷油泵的结构与工作原理
喷油泵的主要功用就是提高柴油的压力并能满足要求：
（1）各缸的供油次序符合发动机各缸的工作顺序；
（2）按照一定的供油规律，定时供油和迅速停供，各缸的供油提前角和供油延续时间相等；
（3）能根据柴油机负荷的大小，与调速器配合供给所需的柴油量，且各缸的供应量均匀。

喷油泵的结构类型较多，现柴油机上常用的有柱塞式喷油泵、喷油泵－喷油器和转子分配式喷油泵等三类。

3.1.1 柱塞式喷油泵
1、柱塞式喷油泵由泵体，分泵，油量调节机构，传动机构组成。

泵体分为上体和下体两部分，由铝合金或灰铸铁铸成。

分泵、油量调节机构及传动部分都装在泵体上。

上体上有纵向油道，即低压油腔。

在下体内加入柴油机机油，保证传动机构的润滑
2、安装位置
喷油泵安装在发动机机体一侧，由柴油机曲轴通过齿轮驱动，齿轮轴和喷油泵的凸轮轴用联轴节连接，调速器装在喷油泵的后端。

3、组成
（1）分泵
分泵是带有一副柱塞偶件的泵油机构，其数量与发动机的气缸数相等。

分泵由柱塞偶件和柱塞弹簧、弹簧下座出油阀偶件、出油阀弹簧、减容器、出油阀压紧座等主要零件组成。

（2）出油阀偶件
出油阀偶件位于柱塞套的上面，出油阀座与柱塞套的接触平面为密封面。

拧入出油阀压紧座，通过高压密封垫圈将出油阀座与柱塞套压紧，同时使出油阀弹簧把出油阀压紧在出油阀座上。

出油阀的圆锥面是密封面，阀的尾部同阀座内孔作滑动配合，为出油阀的运动导向。

供油时油流通过阀尾的切槽顶开出油阀。

出油阀中部的圆柱面称为减压环带，其作用是在喷油泵供油停止后，迅速降低高压油管中的油压，使喷油器立即停止喷油。

（3）油量调节机构
油量调节机构的作用是根据发动机工况要求相应改变喷油泵的供油量，并保证各缸的供油量一致。

其工作原理是：通过转动柱塞，改变其与柱塞套的相对角位置，从而改变柱塞的有效行程来改变喷油泵的供油量。

油量调节机构工作原理：
在柱塞的下端压装着调节臂，其端头插入固定在供油拉杆上的调节叉的凹槽内。

调节叉数与喷油泵的分泵数相同。

供油拉杆装在泵体的导向套管中，其轴向位置受驾驶员或调速器的控制。

移动供油拉杆，柱塞就相对柱塞套转动，从而调节供油量。

移动供油拉杆时，各分泵柱塞旋转角度相同，因此各缸供油量的变化相同。

各缸供油量均匀性的调整，可通过改变调节叉在供油拉杆上的位置来实现。

（4）传动机构
传动机构由凸轮轴和滚轮传动部件组成。

凸轮轴的两端支承在圆锥滚子轴承上，前端装有联轴节，后端装有调速器。

传动机构的工作原理：当柱塞自下死点上移→到柱塞上部的圆柱面→两个油孔和完全封闭→柱塞继续上升→柱塞上部泵腔的燃油压力立即增高→克服出油阀弹簧的弹力→出油阀开始上升。

柱塞继续上移到图所示位置→斜槽同油孔接通→泵腔内的燃油→流向低压油腔→泵腔内油压剧降→出油阀立即回位→喷油泵供油停止→柱塞继续上行至上死点但不再泵油。

3.1.2 分配式喷油泵
分配式喷泵按其结构不同，分为径向压缩式和轴向压缩式两种。

VE分配泵的结构：滑片式输油泵，高压泵，驱动机构，断油电磁阀。

（1）、滑片式输油泵：由转子、滑片、偏心环、调压阀等组成。

滑片输油泵出油口处有调压阀其作用是控制出油口的油压随泵的转速增加而增大。

（2）、高压泵：采用单柱塞式，功用是实现进油，压油，配油。

（3)、驱动机构
（4）、VE分配泵的泵油原理：进油过程、泵油过程、停止供油过程、柴油机停车。

3.2 喷油器的结构与工作原理
喷油器的功用是把柴油雾化成细小的颗粒，并分布到燃烧室中。

对喷油器的要求是：
①应具有一定的喷射压力和射程，以及合适的喷注锥角。

②在规定的停止喷油时刻应立即切断燃油的供给，不发生滴油现象。

常见的喷油器有孔式和轴针式两种型式。

3.2.1 孔式喷油器
孔式喷油器主要用于具有直接喷射燃烧室的柴油机。

孔式喷油器工作原理：
装在喷油器体上部的调压弹簧通过顶杆使针阀紧压在针阀体的密封锥面上，将喷孔关闭。

由喷油泵输出的高压柴油从进油管接头经过喷油器体与针阀体中的孔道进入针阀中部周围的环状空间。

油压作用在针阀的承压锥面上，造成一个向上的轴向推力，当此推力克服了调压弹簧的预紧力以及针阀与针阀体间的摩擦力后，针阀即上移而打开喷孔，高压柴油便从针阀体下端的两个喷油孔喷出。

当喷油泵停止供油时，由于油压迅速下降，
针阀在调压弹簧作用下及时回位，将喷孔关闭。

喷射开始时的喷油压力取决于调压弹簧的预紧力，其预紧力用调压螺钉调节。

在喷油器工作期间，有少量柴油渗入针阀体与针阀之间的间隙。

这部分柴油对针阀起润滑作用，并沿顶杆周围的空隙上升，通过回油管螺栓上的孔进入回油管，流回柴油箱。

3.2.2 轴针式喷油器
轴针式喷油器的工作原理与孔式的相同。

在构造上与孔式不同之处是：轴针式喷油器的针阀下端的密封锥面以下还延伸出一个轴针，其形状呈倒锥形或圆柱形。

轴针伸出喷孔外，使喷孔呈圆环状的狭缝。

喷油时喷注呈空心的锥状或柱形。

常见的轴针式喷油器只有一个喷孔。

由于喷孔直径较大，孔内有轴针上下运动，喷孔不易积炭，而且还能自行清除积炭。

3.3 调速器结构及其工作原理
汽车用柴油发动机的调速器按其功能可分为：两速调速器(只控制发动机的怠速和最高转速)、全速调速器(可控制发动机在怠速至最高转速之间的任一给定转速下稳定运转)和综合调速器(兼具两速和全速调速器的功能)。

调速器按其转速传感方式可分为：气动式调速器(利用膜片感知进气管真空度的变化，自动调节供油量实现调速)、机械离心式调速器(利用喷油泵凸轮轴的旋转，使飞块产生离心力，实现调速作用)和复合式调速器（同时采用气动作用和离心作用进行调速）。

3.3.1 两速调速器
两速式调速器的作用是保证起动加浓，稳定怠速，正常工作时的油量调节和限制超速。

两速调速器工作原理：
当曲轴转速超过发动机的怠速转速时，飞块离心力的轴向分力大于低速弹簧
的预紧力，滑动轴右移并通过调速杠杆使供油拉杆右移(减油)，发动机减速，直至转速降至怠速转速(400～500r／min)，顶块的球头碰到滑套时为止。

若转速低于怠速转速，则飞块离心力下降，低速弹簧通过顶块将滑动轴、调速杠杆和供油拉杆等向左推(加油)，使转速上升至怠速范围，从而保证发动机稳定的怠速工况。

当发动机在大于怠速转速、小于规定的最高转速之间工作时，由于飞块离心力的轴向分力小于高、低速弹簧的合力，所以滑动轴的位置将保持不变(使顶块的球失右侧压在滑套的左端)，即调速器不起调速作用。

在这段转速范围内，发动机转速的调节是由驾驶员通过油门踏板、操纵臂等杆件控制供油量的增减来实现的。

当发动机超过规定的最高转速时，飞块的离心力大于高、低速弹簧的合力而使滑动轴推动顶块、滑套右移，并带动供油拉杆右移减油，从而限制了发动机的最高转速。

如使发动机熄火，将停车手柄扳到停止供油位置即可。

3.3.2 全速式调速器
（1）RSV型全速调速器的构造
喷油泵凸轮轴的后部固定有驱动锥盘，其末端松套着推力锥盘。

飞球保持架为一圆盘，从中心孔向外开有均布的六条径向直切口。

由六个块状的飞球座和个飞球所组成的飞球组件分别嵌装在这六个直切口中，可以沿直切口作径向滑动。

驱动锥盘的内锥面上有六个均布的锥形凹坑。

六个飞球组件的左端嵌入此凹坑中，右端则顶靠在推力锥盘的内锥面上。

调节螺柱上装有四个弹簧：校正弹簧、起动弹簧、低速弹簧和高速弹簧(统称调速弹簧)。

起动弹簧和低速弹簧的后端都支承在可沿轴向滑动的弹簧座上。

起动弹簧的前座支承在径向推力球轴承上，高、低速弹簧的前座支承于起动弹簧前座的内圆面上。

高速弹簧呈自由状态，端头留有一定间隙。

校正弹簧座可轴向移动。

（2）RSV调速器的调速过程
1、起动加浓
起动前，起动弹簧的预拉力通过浮动核杠杆，导动杠杆和调速套筒，使飞块处于向心极限位置。

起动时，驾驶员将加速踏板踩到底，使操纵杆接触高速限位螺钉而置于起动加浓位置，浮动杠杆把供油调节齿杆向左推至起动供油位置，使柴油机顺利起动。

2、怠速工况
柴油机起动后，驾驶员松开加速踏板，操纵杆转至怠速位置。

此时，调速弹簧处于放松状态。

飞块的离心力通过调速套筒推动导动杠杆向右偏转，并带动浮动杠杆以下端为支点顺时针方向摆动，克服起动弹簧的弹力，将供油调节齿杆拉到怠速位置。

3、额定工况
驾驶员将加速踏板踩到底，使操纵杆处于极限位置。

此时调速弹簧处于最大拉伸状态，拉力最大。

张紧的调速弹簧将拉力杠杆拉靠在全负荷供油量限位螺钉上，并通过调速套筒，导动杠杆和浮动杠杆将供油调节齿杆推至全负荷供油位置。

4、一般工况
5、转矩校正工况
6、停油工况
3.4 提前器结构和工作原理
供油提前角自动调节器由主动部分、从动部分和离心件(飞块)三部分组成。

主动部分：主动盘（即联轴器的从动凸缘盘）的腹板上压装着两个销轴，销轴上各套装有飞块和弹簧座片，飞块的另一端压有销钉，在销钉上松套着滚轮内座圈和滚轮。

从动部分：从动盘臂松套在主动盘的内孔中，其外圆面与主动盘的内圆面滑动配合，以保证主动盘与从动盘的同心度。

从动盘的毂用半圆键与喷油泵凸轮轴连接，臂的一侧做成平面和固定在销轴上的弹簧座片之间装有弹簧，臂的另一侧做成弧形面，滚轮紧压在弧形面上。

离心件：飞块安装在主动部分，通过滚轮和从动部分靠接，利用弹簧的预紧力迫使飞块收拢于原始位置，以保证静止或怠速时初始的供油提前角不变。

提前器的工作原理：
发动机工作时，主动盘连同飞块受联轴器的驱动而沿上箭头方向旋转→两个飞块在离心力的作用下绕安装在主动盘上的销轴转动→通过滚轮、从动盘臂迫使凸轮轴沿箭头方向相对于主动盘转动一个角度△θ→弹簧的张力与飞块的离心力平衡→主动盘与从动盘臂同步旋转。

此时，供油提前角等于初始角加上△θ。

△θ随转速的升高而增大，直到最大转速时为止。

4 燃料供给与调节系统低压油路的主要部件
在柴油机燃料供给系低压油路部分上安装的燃油箱、柴油滤清器及输油泵，统称为柴油机燃油供给系的辅助装置。

它们对柴油机燃料供给系的正常工作发挥着重要作用。

4.1 油箱
燃油箱的功用是用来为柴油机贮存燃油。

为了保证柴油机足够长的持续工作时间，燃油箱应具有一定的贮油容积。

对于拖拉机，其油箱容量应能保证持续工作10h以上。

对于汽车，其油箱容量应能保证行驶200～600km。

燃油箱一般是用薄钢板冲压焊接而成，其结构基本相同，其数量和安装位置根据整体布置而定。

目前，较多采用单油箱或双油箱。

除了贮油之外，燃油箱还应能使燃油中的水分和杂质得到初步过虑沉淀。

为此，在加油口处，常设有过滤网，使加入的燃油能得到初步过滤。

在油箱底部设有放油螺塞，用以定期排除油箱里沉积的水和污物。

油箱盖应既能防止燃油渗出，又能防止因油面下降导致油箱内形成一定真空度而影响正常供油，故在油箱盖上开有通气小孔。

对于较大的油箱，为了提高油箱的刚度和避免燃油振荡，在其内部设有隔板。

为了指示油箱中的燃油存量，常设有油箱油尺或在油箱外部装透明塑料管直接观察。

汽车燃油箱中装有油面高度传感器，其显示表头装在驾驶室仪表上。

4.2 滤清器
柴油在运输和贮存的过程中，不可避免地会混入水分和尘土，并随着贮存时
间的延长，实际胶质会增加。

每吨柴油的机械杂质含量可能多达100～250g,其粒度范围为5～50μm。

柴油中的硬质粒子会加剧供油系统精密偶件的磨损，水分会引起零件的锈蚀，胶质可能导致精密偶件的卡死或使小孔堵塞。

因此，为了保证喷油泵和喷油器的工作可靠并延长其使用寿命，在柴油机燃油供给系中，还必须设置燃油滤清装置，以清除燃油中的机械杂质和水分。

拖拉机汽车上的燃油滤清装置主要有沉淀杯和燃油滤清器两种。

有的柴油机上只用单级过滤器，有的柴油机上采用粗、细两级滤清器。

滤清器对机械杂质和水的过滤主要依赖其滤芯微孔的阻拦作用。

根据制作材料的不同，有金属缝隙滤芯、棉纱滤芯、多孔陶瓷滤芯和微孔纸芯滤芯。

由于滤纸经过酚醛树脂的处理，纸质滤芯具有优良的抗水性能。

并且纸质滤芯具有流量大、阻力小、滤清效率高、使用寿命长、重量轻、成本低等优点，因此被广泛应用在汽车和拖拉机上。

4.3 输油泵
输油泵的作用是保证柴油在低压油路内循环，并供应足够数量及一定压力的燃油给喷油泵，其输油量应为全负荷最大喷油量的3-4倍。

输油泵分为齿轮式输油泵，膜片式输油泵，柱塞式输油泵，管道式输油泵等。

5 柴油机燃料供给与调节系统的电子控制
为了实现各个工况喷油的合理与精确，实现对柴油机节能、排放与噪声的严格规定，必须对柴油机及其燃料与调节系统实行电子控制。

传感器包括燃油温度、冷却水温度、进气温度、进气压力齿条位置、油门踏板位置、柴油机转速、车速、喷油时刻等，电子控制单元(ECU)根据各种传感器实时监测到的柴油机运行参数，与ECU中预先存储的参数值或参数图谱（MAP 图）相比较，按其最佳值或计算后的目标值把喷令输送到执行器。

执行器根据ECU指令控制喷油正时（正时控制阀开闭或电磁阀关闭始点）和喷油量（电磁阀关闭持续时间或齿条位置）。

电控柴油喷射系统还能和制动防抱系统ABS的ECU、整车传动装置的ECU及其他系统的ECU互通数据而实现整车的电子控制。

柴油机电控技术和汽油机电控技术有许多相似的地方，整个系统都是由电控单元、传感器、和执行器3大部分组成。

电控单元在硬件方面很相似，在整车管理系统的软件方面也有近似处。

柴油机电控技术有两个明显特点：（1）柴油电控喷射系统的多样化；（2）关键技术和技术难点在柴油喷射电控执行器。

电控柴油机上所用的像温度、压力、转速及油门踏板传感器等传感器，和汽油机电控系统都是一样的。

柴油机是热效率较高的机械。

为造成最佳的燃油和空气混合及燃烧的最有利条件，达到柴油机在功率、转速、怠速、扭矩、排放、噪声等要求，它在适当的时期、空间状态，将适量的燃油通过高压喷油泵和喷油器喷入柴油机的燃烧室。

柴油机燃油喷射具有脉动、高压、高频等特点，器喷射速度高达60~150MPa，甚至200MPa，为汽油机的几百、几千倍。

对燃油高压喷射系统实施喷油量的电子控制，困难得多。

而且柴油机喷射对喷射正时的精度要求很高，相对于柴油机活塞上死点的角度位置远比汽油机要求准确，因而造成柴油机喷射的电控执行器要复杂得多。

因此，电控柴油喷射系统（主要是喷油量和喷油正时）就是柴油机电控技术的关键和难点。

直列泵、单缸泵、分配泵、泵喷油器等结构完全不同的柴油机系统在机械控制时代就已出现，每个系统各有其适用范围和特点，每种系统又有多种不同结构。

柴油喷射系统因复杂的实施电控技术的执行机构而多样化。

与机械控制方式相比，柴油机电控喷射有以下优点：
1、电控技术能使控制更为全面和精确，比原有的机械或机、液控制更能实现性能优化并对相互矛盾的要求进行合理的折中，使用电控技术能使燃油消耗和有害污染物大幅下降。

2、机械或者机、液控制在结构、工艺上的复杂性和局限性，很难实现预喷射或多次喷射、喷油率与喷油压力的精确控制，采用电控后有助于这些控制要求。

3、采用电控技术后，控制对象和目标大为扩展，除常规稳态性能调控外，还可扩展到各种过渡过程的优化控制、故障自动检测与处理、操作过程自动化以及自适应控制等，最终发展成为整机的电脑管理系统，使整机性能与可靠性得到大幅度的提高。

柴油机电控喷射按控制方式分为两大类：
1、位移控制方式：
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)，还可以用改变柱塞预行程的办法，改变喷油正时和供油速率，从而满足高压喷射中高速大负荷和低怠速工况对喷油过程的不同要求。

（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）。

2、时间控制方式：
该类电控高压喷射装置的工作原理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。

5.1 直列泵的滑阀式的电控系统
直列泵的滑阀式电子控制系统包括曲轴转速，针阀运动，进气压力与温度等传感器的信号均传给电控器，电控器在加工处理以上信息并进行分析比较与计算后，给出油量控制与供(喷)油始点控制两个信号，并推动相应的执行器。

5.2 分配泵的时间式电控系统
时间式控制方式与早期的VE泵相比，取消了溢流环套及其操作机构，直接采用高速强力电磁阀来控制喷油，不仅控制精确，也进一步简化了结构。

径向柱塞分配泵电控系统的特点是将柴油机电控器与喷油泵电控器功能适当分开并有机搭配，目的是防止一部分电子元件过热和强电流产生的干涉信号，以提高整个系统的控制精度和可靠性。

5.3 电控高压共轨系统
电控共轨系统中，将产生高压与控制喷射的功能分开，共轨腔只起着蓄压器的作用，共轨中燃油压力可以由ECU与压力调节阀控制，不受柴油机的转速影响，低速下能保证良好的喷雾，高速下能实现柔性控制。

因此增大了调节自由度和改善了控制精度。

在汽车柴油机中，高速运转使柴油喷射过程的时间只有千分之几秒，实验证明，在喷射过程中高压油管各处的压力是随时间和位置的不同而变化的。

由于柴油的可压缩性和高压油管中柴油的压力波动，使实际的喷油状态与喷油泵所规定。