第七章 内燃机的燃料供给与调节

燃机的“心脏”。
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分类：
按应用的燃料种类与着火机理不同，可分为 压燃式内燃机供给系统和点燃式内燃机供给系统。
压燃式内燃机使用轻质柴油和重质柴油，故 一般称为柴油机。 由于柴油的挥发性差，自燃温度低，因此在 柴油机中，将燃油在高压下喷入燃烧室，以内部 混合气形成与压燃方式来实现燃烧过程。
压燃 式内 燃机 的供 给方 式：
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四 电控汽油喷射系统
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传感器与开关量可以将驾驶员的意图、汽油机 的工况与环境信息及时、真实地传输给ECU，电控 器根据来自各个传感器的输入信号及其他开关信号， 用控制软件并结合存储的各种标定数据与图表进行 分析运算，决定应如何控制，并以相应的点信号向 执行器发出各种控制指令，执行器产生相应的动作 实现所要求的控制。
柴油机典型燃料供给与调节系统(p147)：
高压油管 喷油器
喷油器回油管 燃油滤清器
喷油泵溢流管 供油提前器
离心式调速器
喷油泵 输油泵
油箱
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柴油机典型燃料供给与调节系统的优缺点：
优点： 在喷油泵与喷油器之间有较长的高压管连接， 使喷油泵在柴油机上的布置比较灵活。
缺点： 由于高压管道的存在，油管内的燃油在高压下的 可压缩性导致了整个燃料供给系统高压部分液力刚性 的降低，难于实现高压喷射与理想的喷油规律。 喷油泵直接由柴油机驱动，当柴油机转速降低 时，喷油压力也相应降低，恶化了燃料喷射与混合气 形成。
第七章 内燃机的燃料供给与调节
第一节 功能： 概 述 主要功能是及时、优质地为内燃机气缸内
提供适量的燃料，以保证缸内混合气体形
成与燃烧的有效进行。 重要性： 它对内燃机的主要性能指标如动力性、燃
料经济性、排放与噪声以及可靠性耐久性
等都具有十分重要的影响，因此人在强调
这个系统的重要性时，常常把它比喻成内
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汽油机喷射方式按喷油器安装位置与工作原理不同可分 为： 进气道多点喷射； 进气总管或中央单点喷射； 缸内直接喷射；
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进气道多点喷射：对喷油压力要求不高，有利于降低成本，能实现 燃油供给量的精确控制以及在各缸之间的均匀分配； 进气总管或中央单点喷射：单点喷射系统在进入各缸的燃油量的控 制精度与均匀性方面达不到进气道多点喷射的水平，但由于其功能 仍由于化油器，而且制造成本较低，因而在经济型轿车上仍然得到 较广泛的应用。 缸内直接喷射：可以提高压缩比并能减少部分负荷下节气门的节 流损失，因而可使汽油机在提高动力性能的同时，在燃油经济性 方面得到大幅种性能调节曲线、 图表和控制算法，其作用是接受和处理传感器的所以信 息，按软件程序进行运算，然后发出各种控制脉冲指令。
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执行器的作用： 其功能是接受ECU传来的指令，并完成所需调控的 各项任务。
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电控共轨系统中喷油器 的结构与工作原理：
图7－67a所示为停止 喷油状态，这时电磁 阀在ECU的指令下断 开，球阀5在弹簧的 作用下关闭溢流孔6， 从高压共轨腔进入喷 油器体的燃油通过进 油孔7与高压油道10 同时充满控制柱塞的 上腔8与针阀的盛油 槽，两者保持平衡， 这时针阀11在弹簧的作用下关闭喷孔，喷油器处于待喷即 停止喷油状态。图7－67b所示为电磁阀通电工作，球阀5 控制柱塞上腔卸压，控制柱塞9连同整个针阀组件失去压 力平衡，针阀则在盛油槽内高压油的作用下打开喷嘴进行 喷射。
其工况的调节则是通过改变喷入气缸燃油量， 即采用改变混合气浓度的质调节方式来实现。
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点燃式内燃机的供给方式： 点燃式内燃机大多使用汽油。 由于汽油易蒸发， 在常温就有一部分转 变为汽油蒸汽，因此 通常采用外部混合气 形成方式，燃料通过 装在进气总管上的化 油器吸入或通过装在 进气道进气门前的喷 油气喷入进气道内， 与空气一道进入气缸 形成可燃混合气。
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其工况的 调节是通过改 变节气门的位 置以改变进入 气缸的混合气 量，即是通过 量调节的方式 来实现的。
化油器燃料供给系统曾经广泛应用于汽油机中 备 注： 并发展到一个十分成熟的阶段，但由于燃烧过程的 精确控制、保证各缸混合气分配均匀性以及排放等 方面的固有缺陷，已经逐渐被汽油喷射方式取代。 4
或
dVb f (t ) dt
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喷油规律曲线：
dVb q AP ( ) d c js dc
喷油规律曲线
je
供油规律曲线
平均喷油规律：
Ф js喷油始点
Ф je喷油终点
je js j
AP q Qm j j
je
dVb ( d c ) d c js
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柴油机燃料供给与调节系统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分类，一般分成如 下三类： 1）泵－管－嘴系统；
2）泵－喷嘴系统；
3）共轨式系统；
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泵－管－嘴系统的特点： 1）喷油泵为往复式柱塞泵，由凸轮轴来驱动； 2）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； 3）喷油泵与喷油器之间有高压油管连接。
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。
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泵－喷嘴系统的特点： 1）将喷油泵与喷嘴合为一体；
2）由于省去了高压油管，大大增加了整个系统高 压部分的液力刚度，因此成为目前柴油机燃料供给 系统中喷油压力水平最高的结构形式；
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共轨式系统（common rail system）的特点： 原理：
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（二）最大平均供油速率Qmax： 定义：
平均供油率是指喷油泵在供油持续期内每度凸轮转 角的平均供油量，最大平均供油速率Qmax是最大循环供 油量的条件下，取凸轮转角供油持续期作为计算依据求 得的平均供油速率。
可见，在同样的喷油持续期内，提高最大平均供油 速率可以增加循环供应量。 提高最大平均供油速率的途径是增加柱塞直径和提 高柱塞平均速度。
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第四节 柴油机喷油泵评价指标和结构参数的确定 一，喷油泵的系列化与工作能力的评价指标： （一）最大循环供油量Vmax：
定义： 规定取喷油泵最大柱塞直径并设出油阀减压容积为零， 采用标准切线凸轮，以凸轮升程至最大几何速度前的 0.3mm处作供油终点，将依据7o凸轮转角供油持续期内 的柱塞有效行程计算所得的循环供应量，定义为喷油泵的 最大供应量。 最大供油量越大，表示喷油泵的尺寸越大，工作能力 越强，能满足更大功率柴油机的配套要求。
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三 点燃式内燃机燃料供给系统的功能、分类与发展
汽油机在不同工况下对于混合器浓度有如下要求： 1）当汽油机在部分负荷范围内运行时，应当供给较希的混合 气，以保证较高的燃料经济性。 2）当汽油机节气门接近全开或全开的大负荷或全负荷工况下， 应当供给较浓的混合气，以保证较好的动力性能。 3）汽油机采用三效催化器来降低有害排放时，则应在从部分负 荷到接近全负荷的大部分工况下，供给化学计量比混合器，因为三 效催化转化器只有在空燃比为化学计量比的一个狭小窗口范围内才 能保持较高的转换效率。 4）为了保证汽油机怠速的运转稳定性以及过渡工况的需要，应 当对混合气的浓度作相应的调整，例如怠速加浓、起动于加速补偿 等。
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柱塞升程及供油率曲线：
pe
ω p柱塞的速度
Hp喷油泵凸 轮升程
q p AP
d
p
ps
Hpe几何供油 的终点
c
He柱塞的有 效行程
Hps几何供油 的始点
平均几何供油率p155：
pe ps p
Qpm
AP p
pe
d
p
ps
阴影部分乘 以柱塞的面 积就是每循 环供应量qp
油箱 压力传 感器 蓄压管道 （共轨）
限压阀
虑清器 输油泵 喷嘴
高压 油泵 各种传感器 电控器 （ECU）
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共轨式系统的特点：
优点：
1）这种系统能产生较高的喷油压力，且压力基本上保持 恒定而不受柴油机转速与负荷的影响，因此，属于恒压 式燃料供给系统； 2）改善了柴油机在低速与低负荷时的喷雾品质 ； 3）由于燃料喷射是采用改变电磁开启时间的控制方式， 比较容易对喷油时刻与喷油持续时间进行调节，并能实现 较理想的喷油规律； 4）在柴油机上布置比较容易。
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电控方案的组成： 传感器； 电控器ECU）； 执行器。
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传感器的作用： 检测柴油机及车 辆运行是的各种 信息，如进气与 环境压力、冷却 液、机油与燃油 温度、进气流量、 进气流量、喷油 泵油量调节机构 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。
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电控器的作用： 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，输入输出接口（I/O）以及各部分 之间传递信息的数据总线，地址总线和控制总线等等。
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（三）最大许用泵端压力：
定义： 指喷油泵所能承受的泵端压力的峰值，其准确数值 应是柱塞腔的实测压力。
最大许用泵端压力是一个即反映喷油泵强化程度又 表征其工作可靠性的重要指标。
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（四）喷油泵最高工作转速： 喷油泵转速np在二冲程柴油机中与柴油机转速n相 同，在常见的四冲程柴油机中，则有np＝n/2。 在传统的柱塞式喷油泵中，n或np增大，最大泵端压 力与喷油压力均会增加，但同时柱塞运动产生的往复惯 性力增大。 当柱塞下行时，若此惯性力超过柱塞弹簧的压紧力 时，会使挺柱滚轮与凸轮表面之间脱开，产生冲击。 此外，附装在喷油泵上的机械式调速器也有一定的 转速限制。 综合上述方面，就可以确定整个喷油泵总成的最后 工作转速。
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等。
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柴油机电控喷射按控制方式分为两大类：
1)位移控制方式，它的特点是在原机械控制循环喷油量和喷油正 时的基础上，用线位移和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。 2)时间控制方式，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 力的大小和喷油器针阀的开启时间长短来决定。