第一章　柴油发动机燃油供给系统概述

第一节　柴油发动机概述

柴油发动机在内燃机行业中占有非常重要的地位，它与汽油发动机相比具有经济性好、工作可靠、耐久性好、功率范围广、排气污染小等优点；近年来国内外技术发展很快，新技术不断涌现，并向小型轿车化发展，为了更好地研究和探讨柴油发动机的燃油喷射系统，必须对柴油发动机的发展、完善、最新技术有一个大概的了解。

一、柴油发动机的概况

（一）柴油发动机的问世

柴油发动机是源于德国工程师鲁道夫·狄塞尔（Rudolf Diesel）博士于1893年取得的一项发动机专利，这种发动机是依靠压缩产生的热引燃煤粉燃料的，燃料在压缩行程终了时由压缩空气吹入气缸。

1909年，鲁道夫·狄塞尔博士研制了空气喷射方式的柴油发动机汽车。1年后，英国的一位制造商在装有燃油喷射装置的柴油发动机上做了多次试验，但仍遗留下许多需要解决的问题。

从那时起，由戴姆勒-奔驰（Daimler-Benz）公司和曼（MAN）公司花了大约10年的时间，终于在1924年制造出优良的柴油发动机卡车，它具有与今天的卡车相似的机构。与此同时，由德国工程师罗伯特·博世（Robert Bosch）进行了卓有成效的工作，发展了燃油喷射泵（博世型）取代了压缩空气装置。

然而，发展博世型燃油喷射泵与发展柴油发动机相比，耗费了很多年的时间，这也足以说明燃油喷射泵的发明难度很大。鲁道夫·狄塞尔的理想正是由于博世型燃油喷射泵的完成得以实现。这一事实证明了罗伯特·博世不朽的成就。

这种利用气缸内压缩空气的高温来点燃喷射进去的燃料的发动机被称为压燃式内燃机，这类发动机通常采用柴油为燃料，所以习惯上称“柴油发动机”。

（二）柴油发动机的发展历程

自1893年8月10日，世界第一台柴油发动机诞生后，由于柴油发动机在转矩和油耗方面比汽油发动机具有明显的优势，所以在卡车、大型运输设备及特种车领域，得到了广泛应用，随着车辆的迅速增加和石油资源的减少，由此激发了柴油发动机的进一步开发和应用，世界上多家公司都相继推出了自己的车用柴油发动机。

尽管初期的车用柴油发动机功率输出很差，但人们还是认可它具有高效率和低燃油消耗率。在20世纪50年代末和60年代初，对石油储量下降的担忧又一次掀起了柴油发动机的开发热；70年代的2次“能源危机”导致柴油发动机车辆市场销量激增，同时又一次激发了柴油发动机的研制和开发；70年代末，意大利VM发动机公司推出了涡轮增压柴油发动机。

由于非直喷式柴油发动机噪声小，运行平稳，制造成本低，尽管人们已经认识到直喷式柴油发动机较非直喷式柴油发动机有更高的效率，但由于缺乏合适的喷油系统，加之提升功率输出和烟度排放方面还不尽如人意，因此在当时的车辆中特别是小型乘坐车，大都采用非直喷式柴油发动机。

随着燃油喷射技术的研究和发展，以及相关产品的出现，直喷式柴油发动机逐步进入市场，才真正体现了柴油发动机良好的燃油经济性，但与非直喷式柴油发动机相比，还存在着噪声大，颗粒和NOx排放高的问题。为了解决以上一系列问题，采用了具有高喷射压力的电子控制喷油系统、4气门技术、喷油器垂直中置的燃烧系统、匹配涡轮增压器和中冷器等。直至1997年菲亚特公司推出了共轨式燃油系统的直喷式柴油发动机，昭示了柴油发动机的发展已进入一个崭新的时代。

现代柴油发动机普遍采用了直喷式燃烧室，4气门，高压喷射，涡轮增压以及中冷，电子控制，废气再循环和氧化催化器等先进技术。有的甚至采用了柔性空气控制（可变几何涡轮）和动态调谐EGR，使燃烧更完全，燃油经济性更好，尾气污染更低，在降低噪声、减小振动和提高行驶平顺性（NVH）等方面都得到明显的改善。

电子控制技术始于20世纪80年代初期，随着对柴油车舒适性、燃油消耗及环境保护要求的不断提高，电子控制技术的应用范围进一步扩大。目前50％～80％的喷油系统采用了电子控制技术。

当代柴油发动机电子控制的内容主要有最佳喷油量控制、最佳的喷油正时控制、喷油压力控制、喷油率曲线类型控制、排气再循环控制、增压压力控制、电热塞通电时间控制和自诊断等，其中最重要的是燃油系统的控制，目前最先进的电子控制系统是共轨式燃油系统。

德国大众公司在20世纪90年代初推出的1.9L涡轮增压直喷式柴油发动机和TDL就是现代电子控制柴油发动机的典型代表，其电子控制系统能够实时监测柴油发动机的转速波动并选择性地校正各分泵喷油量，降低转速的波动性，实现平稳和低噪声运转，提高车辆的驾驶舒适性，依据大于25条特性曲线和图表的数字处理，计算出恰当的输出信号，再由激励器将这些信号转换成机械信号，控制排气再循环阀、螺旋式进气压力阀、输油调节器、断油阀以及启动喷油阀，从而实现电子控制系统的正常工作。

现阶段随着排放法规的日趋严格和世界各国对CO2排放的重视，采用直喷式燃烧室也就成了改善柴油发动机的必然途径。柴油发动机所采用的燃烧室形式有涡流室式、预燃室式和直喷式三种，这几种燃烧室各有所长。涡流室式燃烧室和预燃室式燃烧室具有较低的NOx排放及燃烧噪声，直喷式燃烧室则具有较好的燃油经济性，直喷式燃烧室较其他两种形式的燃烧室，油耗率降低15％～20％，CO2排放减少21％。在众多产品中，中间凸起的浅盆式ω形燃烧室最为常见，目前许多厂家在开发新产品时对直喷式燃烧室都进行了进一步优化，推出了颇具特色的燃烧式结构，如马自达公司的FR直喷式柴油发动机采用了“双反向卷流燃烧室（VOD）”。

目前使用机械控制喷油系统即可达到欧洲Ⅰ和Ⅱ标准。欧洲Ⅲ标准：必须使用电子控制喷油系统。欧洲Ⅳ标准：目前的共轨式系统、泵喷嘴系统和VP44系统能够满足这个标准。

（三）燃油喷射系统的最新技术

当前，柴油发动机燃油喷射系统已经完成了从轿车用自然吸气式与非直接喷射相结合的发动机、载货车用直接喷射发动机，到100％直接喷射与电子控制相结合的发动机的转变。喷油器的峰值压力也由当时的50～80MPa增加到现在压力可以达到200MPa的泵喷嘴系统。

1.泵喷嘴系统

在泵喷嘴系统中，电子控制的油泵和泵喷嘴没有用管路连接，而是被做成一体，直接装在气缸盖上，这样不占用更多的空间。每个油泵都像普通的低压泵那样，由顶置凸轮轴来驱动。这样，顶置凸轮轴将同时驱动气门和泵喷嘴。这也意味着顶置凸轮轴必须具有极高的硬度和刚度以承受喷油器产生的高压，同时凸轮轴的驱动系统也需专门设计。因为泵喷嘴系统结构紧凑，喷油嘴孔径非常小，所以燃油喷射压力非常高，目前用于满足欧洲Ⅳ标准的车辆上使用的柴油发动机的峰值压力可达200MPa。

2.共轨式喷油系统

共轨式喷油系统主要由高压供油系统、共轨油道、喷油器（每缸一个）、高压油泵和电子控制单元（ECU）组成。高压油泵安装在发动机的一侧，高压油从油泵进入一个储油管，这个储油管被称为共轨油道。在共轨油道和每个装在气缸盖上的喷油器之间有短油管相连，这种喷油器顶端始终保持着很高的压力。喷油器的开闭由ECU驱动电磁阀进行控制。具有这种始终保持的高压是共轨式系统与泵喷嘴系统的主要区别，它能实现燃烧过程中燃油再喷射，以减少NOx的生成。共轨式喷油系统的峰值压力最高可达160MPa，尽管看起来并不太高，但已经足够了。因为共轨式系统在整个喷油过程中都能保持这个压力，而泵喷嘴系统的峰值压力只能持续几毫秒，这个系统被用于戴姆勒-克莱斯勒公司生产的轿车中。因为它可以降低柴油发动机的噪声，使乘客在车中无法区分是汽油发动机还是柴油发动机。同时其性能比汽油发动机驱动的车辆更加卓越，因为柴油发动机可以在低速时提供较高的转矩输出。

3.柴油发动机喷射技术的发展目标

①精确计算所需的喷油量，以增加功率，减少振动。

②提供较高且适宜的喷油压力，以改进燃烧，降低油耗，减少烟尘和颗粒物的排放。

③灵活而准确地控制喷油时刻，降低HC和COx的排放，提高燃油经济性。

④优化燃油喷射率曲线以降低噪声。

（四）柴油发动机的发展方向

柴油发动机具有较好的经济效益。柴油发动机的初置费用较高，但其燃油经济性比汽油发动机高30％左右，加之柴油价格也比汽油便宜，因此经过一定里程的使用后，柴油发动机总的成本费用将会明显低于汽油发动机。由于柴油发动机没有点火系统和分电器，其故障率大大降低，因此，具有比汽油发动机更高的可靠性。

在排放方面，柴油发动机的CO2排放量比汽油发动机低20％，HC和CO排放量是汽油发动机的10％～17％，只是颗粒和NOx排放量比汽油发动机严重，但通过优化燃烧室形状，采用多气门、涡轮增压和中冷、高压喷射、电子控制、废气再循环和排气后处理等技术，可以明显改善颗粒和NOx的排放。在噪声方面，非直喷式柴油发动机的噪声已降低到同档功率的汽油发动机水平，直喷式柴油发动机通过电子控制喷油正时和废气再循环，采用双弹簧喷油器进行预喷等手段，可大幅度降低噪声，达到汽油发动机的噪声水平。

欧洲最新的柴油发动机与汽油发动机相比已没有多少区别，启动一样快，加速性相同甚至更好，柴油发动机的使用寿命一般是汽油发动机的1.5倍。

2000年，欧洲、北美洲以及日本等开始实施欧Ⅲ标准，并对CO2排放也逐渐加以限制。与欧Ⅱ标准相比，欧Ⅲ标准的要求CO排放减少36％，NOx+HC减少38％左右，PM（颗粒）减少50％，因此，车用柴油发动机未来的开发重点是进一步降低排放，严格限制油耗。

1.继续发展电子控制技术

除对燃油喷射系统的喷油定时、喷射压力和喷油量进行精确控制外，还要对EGR、放气阀或可变截面涡轮增压器等空气控制部件进行柔性控制和精确控制。另外，还需具备动态控制性能，以改进柴油发动机的瞬态排放和响应特性。

2.共轨系统渐成主流

泵喷嘴和共轨式燃油系统的喷油压力会进一步提高，成为满足欧Ⅲ标准的主要手段。泵喷嘴的最高喷射压力将超过220MPa。正在研制中的第二代共轨式燃油系统喷油压力达到了150～160MPa，能降低排放30％～40％，性能提高6％～7％，是最有发展前途的一种燃油系统。

菲亚特公司正在开发的一种新型共轨式燃油系统，在不增加燃油总量的情况下，可在柴油发动机每一工作循环中进行多次喷油，实现柴油在缸内的多阶段分级逐渐燃烧，能更有效地降低燃烧噪声和排放。

3.发展多孔、微孔和可调整化喷油嘴

喷油嘴喷孔数目逐渐由5个增加到6个，孔径也相应减小，基本上达到0.14mm左右，可变喷孔喷油嘴将会得到更多的应用。可变喷孔喷油嘴是根据工况的变化来变换喷油方式的，能充分控制喷雾浓度，在低转速时能喷射较常规喷嘴更少量的燃油。博世公司在2002年推广了这种喷油嘴。AVL公司研制的2.0L4缸增压直喷式柴油发动机就采用了AVL公司部分复荷/全负荷喷油器，能在两种不同的喷孔组合下工作，与常规喷油器相比，该喷油器能明显降低NOx和颗粒排放。

4.排气后处理

①水冷EGR（排气后处理）应用日增。对EGR进行水冷，可使NOx进一步降低20％。未来的轿车柴油发动机在力求大幅度降低COx排放的同时，还要获得COx排放与燃油经济性的最佳均衡，因此，水冷EGR将会得到越来越多的应用。

②4气门、涡轮增压中冷和氧化催化器。满足欧Ⅲ标准的直喷式轿车柴油发动机将全部采用4气门技术；具有动态控制功能的可变截面涡轮增压器将逐渐取代普通的涡轮增压器；氧化催化器成为轿车柴油发动机必备的降低HC、CO和可溶性颗粒排放的有效工具。

③正在开发的NOx-存储式催化器能有效地降低NOx的排放，其转化率可达到35％～65％。如要实际应用NOx-存储式催化器，必须使用几乎不含S的柴油，因为柴油中的S会几乎完全消除NOx的存储能力。

④SCR法（选择性催化还原法）也有望成为降低NOx排放的利器。它是以尿素为还原剂，催化器中的排气温度足够高时，NOx转化率可达到50％～60％。这种方法的缺点是需随车携带大量的液态或固态的尿素。

⑤减少轿车柴油发动机颗粒排放的一个重要措施就是采用颗粒过滤器。采用CRT系统进行颗粒后处理较为有利。CRT系统也需要采用几乎无S的柴油，因为排气中的SO2会阻碍CO2的形成，而且S生成的硫酸盐会阻塞过滤器的表面。

上述几种技术将日趋完善，是今后满足欧Ⅳ和Tie（国际公认标准）以及更严格排放标准的解决方案，代表了柴油发动机技术的发展趋势。

5.提高燃油品质

采用优质燃油可以进一步降低油耗，减少CO2和有害废气的排放。对未来的排放后处理技术来说，必须采用含S体积分数为10×10-6的柴油，只有这样才能确保催化器的持久高效。提高燃油品质的主要途径是改进配方，即改进沸点范围，提高十六烷值CN和CI，降低总芳烃含量，最大限度减少含S量（表1-1）。

6.小排量柴油发动机

目前，欧洲和美国纷纷开始了单缸排量为250～300mL的3缸和4缸直喷式柴油发动机的研究及开发，以满足小型直喷式柴油发动机的需要，实现“3L轿车”的目标，并取得了显著的进展，不断有新的产品问世。

7.二冲程柴油发动机

在提高升功率方面，二冲程柴油发动机具有较大的优势，很有发展潜力。因此在发展小排量、高升功率柴油发动机时，不可忽视二冲程柴油发动机。现在已有许多厂家开始了轿车用二冲程柴油发动机的研究开发。

二、柴油发动机的组成

柴油发动机由曲柄连杆机构、配气机构、燃油供给系统、润滑系统、冷却系统、启动系统等组成，如图1-1所示。

曲柄连杆机构主要包括气缸体、曲轴箱、气缸套、气缸盖、气门室罩、活塞、连杆、曲轴、飞轮和扭转减振器等机件。它是柴油发动机进行能量转换和传递动力的机构，燃油在气缸内燃烧释放出热能推动活塞直线运动，再通过曲柄连杆机构把活塞的直线运动转变为曲轴的旋转运动，对外输出动力。

配气机构主要包括进气门、排气门、气门弹簧、摇臂、推杆、挺杆、凸轮轴和凸轮轴驱动齿轮等机件。它是柴油发动机的换气机构，由它控制气门按时开闭，以保证柴油发动机的气缸及时充入、充足新鲜空气和排出废气。

燃油供给系统主要包括燃油箱、输油泵、燃油滤清器、喷油泵、调速器、喷油器空气滤清器、进气歧管、排气歧管、排气消声器等机件。它可保证向气缸内供入工作所需的清洁空气和燃油，并导出废气。

润滑系统主要包括机油泵、集滤器、机油滤清器、限压阀、润滑油道和机油散热器、油温表、油压表等机件。它可向柴油发动机运动机件的摩擦表面供给润滑油，以减轻它们之间的摩擦阻力，减轻机件的磨损，清洗摩擦表面和冷却摩擦机件。

冷却系统是用来吸收柴油发动机受热零件的多余热量，使其散发到大气中去，以保持柴油发动机的正常工作温度。其组成取决于采用的冷却方式。当采用水冷系统时，主要包括水泵、散热器、风扇、节温器和水道等；当采用风冷系统时，主要包括风扇、气缸套和气缸盖上的散热片、导风罩等。

启动系统用于启动柴油发动机，主要包括起动机及附属装置。为了适应在寒冷地区启动的需要，有的柴油发动机还附加有冷启动装置。

三、柴油发动机的工作原理

（一）柴油发动机的工作循环

发动机活塞在曲轴的带动下，完成一次进气、压缩、做功、排气的过程称为一个工作循环。柴油发动机曲轴旋转两周完成一个工作循环的称为四冲程柴油发动机。曲轴旋转一周完成一个工作循环的称为二冲程柴油发动机。

活塞由上止点向下运动时，外界新鲜空气经进气门吸入气缸。活塞由下止点向上运动时，空气被压缩，同时空气温度、压力都有较大提升。在活塞接近上止点时，柴油经喷油器喷入气缸内与高温、高压空气混合，使柴油自行着火燃烧，放出热量，此时混合气的温度和压力急剧升高，推动活塞由上止点向下运动做功，活塞的往复运动通过曲轴、连杆转化为旋转运动向外输送。活塞到达下止点前气门打开，活塞由下止点向上运动把废气排出。

（二）柴油发动机的基本原理

柴油发动机使用的燃料是柴油，而柴油与汽油相比，黏度大，蒸发性差。一般来说，不可能通过化油器在气缸外部与空气形成均匀的混合气，故采用高压喷射的方法，在压缩行程接近终了时把柴油喷入气缸，直接在气缸内部形成混合气，并借压缩行程末了，缸内空气的高温使其自行燃烧。此特点决定了柴油发动机燃油系统的功用、组成、构造及其工作原理与汽油发动机供给系统有较大的区别。

柴油发动机为了将燃料的化学能转化为热能，再将热能转化为机械能，对外输出动力，必须在其气缸内部完成进气、压缩、做功和排气过程，并且依次不断反复进行循环。每完成一次进气、压缩、做功、排气这一连续过程，称为一个工作循环。

四冲程柴油发动机的工作原理如图1-2所示，它是经过进气、压缩、做功、排气四个行程完成一个工作循环。

1.进气行程

进气行程如图1-2（a）所示。此时进气门开启，排气门关闭，活塞从上止点向下止点移动，活塞上方容积增大，气缸内压力下降，经过滤清后的空气通过进气道吸入气缸。活塞移动到下止点后，进气门关闭，进气行程结束。进气终了时气缸内的气体压力为0.08～0.095MPa，温度为300～340K。

2.压缩行程

压缩行程如图1-2（b）所示。此时进、排气门关闭，曲轴继续旋转，活塞由下止点向上移动，空气被压缩到燃烧室内。活塞到达上止点时，压缩行程结束。压缩行程中，为保证柴油喷入气缸后能迅速与空气形成可燃混合气，并能自行发火燃烧，所以柴油发动机有较高的压缩比，一般为16～22。因此，压缩终了时气缸内的气体压力可达3～5MPa，温度可达750～950K，远远超过柴油的自燃温度（当环境压力为3MPa时，柴油的自燃温度约为473K）。

3.做功行程

做功行程如图1-2（c）所示。当压缩行程接近终了，活塞到达上止点前，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器喷入燃烧室，在高温、高压空气的作用下迅速形成可燃混合气自行燃烧，使气缸内的气体压力和温度骤增，此时最高压力可达6～9MPa，最高温度可达1800～2200K。在高压气体作用下活塞向下运动，并通过连杆使曲轴旋转对外做功输出动力，活塞向下运动，气体的温度和压力也随之下降。活塞行至下止点时做功行程结束。此时燃气压力为0.2～0.4MPa，温度为1000～1200K。

4.排气行程

排气行程如图1-2（d）所示。在做功行程接近终了时，排气门开启，靠燃烧后的废气压力进行自由排气。活塞由下止点向上止点移动，继续将废气强制排到大气中，活塞到达上止点，排气门关闭，排气行程结束。排气行程结束时气体压力为0.105～0.12MPa，温度为700～900K。

综上所述，柴油发动机的特点是进气过程中气缸吸入纯空气，在空气被压缩产生高温、高压的情况下喷入柴油，在气缸内迅速形成可燃混合气自行燃烧，所以又称压燃式内燃机。

汽油发动机由于可燃混合气主要是在气缸外部的化油器中形成的，并用电火花强制点火，所以又称点燃式内燃机。

柴油发动机由于压缩比高，燃烧气体膨胀比较充分，热量利用较好，所以省油，耗油率平均比汽油发动机低30％左右。柴油价格较低，经济性好，使用费用低。柴油发动机工作可靠性和耐久性均较好，此外柴油发动机在结构上采用一定措施后可燃用多种液体燃料（汽油、煤油和其他重油），这对车辆具有一定意义。鉴于柴油发动机具有上述优点，我国目前在6.5t以上载货汽车、越野汽车上广泛采用柴油发动机。柴油发动机存在的主要缺点是转速较低，工作粗暴，噪声大，因重量大，所以制造和修理费用高。但目前这些缺点正在被逐步克服，它的应用范围正在向中、轻型载货汽车扩展，国外已在2.5t以上的载货汽车上普遍采用柴油发动机，有的轿车也采用了柴油发动机，其转速可达3000～5000r/min。

（三）柴油发动机的燃烧过程

柴油发动机与汽油发动机不同，由于活塞运动，进入柴油发动机燃烧室被压缩的仅仅是空气，燃油在压缩行程上止点前约15°到压缩行程上止点后约10°这段时间喷入气缸内，与被压缩而温度升高的空气混合而自燃。因此，要求柴油发动机的压缩比为16～22，压缩空气的温度要达到500℃（932℉）以上。燃烧过程可以分为四个不同的阶段，如图1-3所示。

1.备燃期

备燃期如图1-3中A点到B点，这期间，进入一些燃油，但还未引燃，燃料的小颗粒从压缩空气中吸收热，并在备燃期终了时发生自燃，引燃后是压力迅速上升阶段。

2.速燃期

速燃期如图1-3中B点到C点，压力迅速上升和传导，着火一旦开始并形成火焰，燃烧释放出的热就促进其他燃料颗粒的燃烧。因此全部燃料颗粒在燃烧室内迅速燃烧，燃烧室的压力急速上升。

3.缓燃期

后喷进燃料的直接燃烧期，图1-3中C点到D点。在第三阶段，燃烧室内的温度和压力极高，以至于随后到达的燃料几乎一进来就立刻燃烧。

4.补燃期

在图1-3中的D点，燃油停止喷入，在此刻以前喷入但尚未燃烧的燃料在图中D点到E点期间继续燃烧。