第七章 内燃机的燃料供给与调节

1第七章内燃机的燃料供给与调节第一节概述功能：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。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，常常把它比喻成内燃机的“心脏”。重要性：2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。压燃式内燃机的供给方式：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。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。3点燃式内燃机大多使用汽油。点燃式内燃机的供给方式：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。4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。备注：化油器燃料供给系统曾经广泛应用于汽油机中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。5气体燃料有天然气、液化石油气、生物制气与各种煤气等，由于它们在常温常压下以气体状态存在，依靠气体分子的扩散作用可以很好地与空气混合。气体燃料的供给方式：其燃料供给系统大多是以混合器外部混合气形成方式来工作的，如目前应用较广的压缩天然气与液化石油气方案均是如此。混合气的着火可以采用类似汽油机的电火花点火方案，也可以采用类似柴油机的柴油引燃方案。6第二节柴油机燃料供给与调节系统的结构、分类与发展对柴油机燃料供给与调节系统的要求：1）能产生足够的喷射压力，以保证燃料良好的雾化、混合气形成与燃烧。2）对应于柴油机每一工况能精确、及时地控制每循环喷入气缸的燃料量。3）在柴油机运转的整个工况范围内，尽可能保持最佳喷油时刻、喷油持续期与理想的喷油规律。4）能保证柴油机安全、可靠地工作。总结：要求柴油机燃料供给与调节系统能在品质、数量、时间和可靠性方面均能满足与整机匹配的要求，以保证柴油机在达到动力性能指标并保证可靠性的前提下，满足对其在节能与环保指标方面日益严格的要求。7柴油机典型燃料供给与调节系统(p147)：油箱输油泵供油提前器喷油泵燃油滤清器高压油管喷油器喷油泵溢流管喷油器回油管离心式调速器8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。9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；10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。11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；12共轨式系统（commonrailsystem）的特点：原理：油箱虑清器输油泵高压油泵电控器（ECU）压力传感器蓄压管道（共轨）限压阀喷嘴各种传感器13共轨式系统的特点：4）在柴油机上布置比较容易。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；14第三节柴油机的燃料喷射过程泵－管－嘴系统的喷油过程：重新弄一张照片放在这15几何供油规律和喷油规律：供油规律含意：指从几何关系上求出的单位凸轮转角（或单位时间）内喷油泵供入高压油路中的燃油量即供油率dVp/dΦc（dVp/dt）随凸轮转角（或单位时间）的变化关系(P154)。()PcpPcdVfAd或()PpPdVftAdt柱塞直径柱塞速度16柱塞升程及供油率曲线：pepspPpcqAd平均几何供油率p155：pepsPpmpcpAQdpepspHps几何供油的始点Hpe几何供油的终点阴影部分乘以柱塞的面积就是每循环供应量qpHe柱塞的有效行程每循环几何供油量与平均几何供油量既是设计喷油泵的主要依据，也是评价喷油泵工作能力的重要指标。Hp喷油泵凸轮升程ωp柱塞的速度17喷油规律含意：指喷油过程中，单位凸轮转角（或单位时间）内喷入气缸内的燃油量，即喷油率dVb/dΦc（dVb/dt）随凸轮转角Φc（或单位时间t）的变化关系。()bccdVfd()bdVftdt或18喷油规律曲线：平均喷油规律：()jejsbPccdVqAddjejsj()jejsbPmcjjcdVAqQdd供油规律曲线喷油规律曲线Фjs喷油始点Фje喷油终点19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。20（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。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。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。21（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。22（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。23二，柴油机燃料供给与调节系统的电子控制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，比之原来的机械或机、液控制更易实现性能改善并对相互矛盾的要求进行合理的折中，这样就能使燃油消耗率和有害物的排放量大幅度下降。2）由于机械或机－液控制在结构、工艺上的复杂性和局限性，很多被证明是有效的改善性能的措施，如预喷射或多次喷射、喷油率与喷油压力的精确消耗率和有害物的排放量大幅度下降。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。24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。25电控方案的组成：传感器；电控器ECU）；执行器。26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。27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。ECU软件的核心内容是柴油机的各种性能调节曲线、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。28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。29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。30三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。31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；32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度的改善。33四电控汽油喷射系统34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。35在所以传感器中：发动机转速和空气流量是两个基本的输入量；发动机转速和表示发动机负荷的空气流量——决定点火提前角和喷油脉宽；冷却液温度、进气温度等——都用来对点火提前角和喷油脉宽进行修正的条件参数；节气门开度——对怠速工况判断、过渡工况喷油量补偿等都是必须的。氧传感器信号——反映空燃比，为部分负荷及热怠速工况的空燃比闭环控制输入信号。爆燃传感器信号——测出爆燃强度和频度，作为电控器决定推迟点火以避免爆燃的依据。还配有其他传感器：增压压力、机油压力、汽车车速和蓄电池电压等。36在所有执行器中，点火线圈连同火花塞；