燃油喷射装置的工作原理与优化方式

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：目前的燃油喷射系统基本上由电控系统构成。图6-19所示为博世直列式燃油喷射泵的剖面图。博世燃油喷射泵的特征是以螺旋槽为燃油喷射量调整装置。当柱塞继续上升到螺旋槽到达溢流孔位置时，柱塞腔内的高压燃油通过溢流孔排出，由此燃油压力急剧下降结束燃油喷射。这是将早期的泵喷嘴进行电控化的系统，燃油喷射量和喷射时间通过内置在喷油器内的电磁阀进行控制。高压燃油进入共轨，并根据运行条件调节燃油压力，精密控制喷射时间。

燃油喷射装置中燃油喷射泵（高压泵）、喷油器、喷射量控制机构和喷射时间调整装置非常重要。

1.燃油喷射泵

燃油喷射系统根据压送燃油的高压柱塞数量和是否配备压缩器分为独立式、分配式和压缩式，独立式还分为直列式喷射泵和喷射泵一体式。目前的燃油喷射系统基本上由电控系统构成。

（1）直列式喷射泵直列式燃油喷射泵是把与气缸数相同数量的柱塞（泵芯）排列为一行安装在泵壳上。图6-19所示为博世直列式燃油喷射泵的剖面图。泵的运转通过柱塞执行，柱塞是通过凸轮轴的旋转在泵筒内部以一定的行程进行上下往复运动。柱塞在柱塞弹簧力的推动下向下紧贴在凸轮上。柱塞的行程虽然一定，但有效行程随在柱塞上部加工的螺旋槽与溢流孔相对位置的变化而改变。博世燃油喷射泵的特征是以螺旋槽为燃油喷射量调整装置。

图6-19 博世直列式燃油喷射泵

燃油喷射量控制方法如图6-20所示。燃油进入口和溢流孔呈对称状态，柱塞位于这些孔下端时，柱塞处于下止点。此时，由供给泵（低压泵）供给的燃油通过进入口进入充满柱塞腔时，通过凸轮的推动柱塞开始向上移动，堵住进入口和溢流孔，并压缩燃油。

当燃油压力达到喷射压力时顶开输出阀，高压燃油通过燃油导管供给到喷油器，并向气缸内进行喷射。当柱塞继续上升到螺旋槽到达溢流孔位置时，柱塞腔内的高压燃油通过溢流孔排出，由此燃油压力急剧下降结束燃油喷射。

燃油量调节装置由控制齿杆、小齿轮、柱塞杆构成。当操作者推拉控制齿杆时，柱塞以顺时针或逆时针方向转动，以改变柱塞向上移动时螺旋槽到达溢流孔的时间，即改变柱塞的有效行程与喷油器之间的作用时间，因而燃油喷射量会发生变化。

图6-20 直列型泵的燃油量控制

（2）泵喷嘴喷射泵与喷油器之间用长高压管连接时，存在高压管内部燃油压缩性导致的燃油输送时间延迟，以及高压管内部压力反射波导致的喷油器自开等问题，尤其是在高转速范围内的高压喷射难以适应。泵喷嘴是喷射泵与喷油器集成在一起并安装在各自气缸上的类型。此类型无高压管，因此虽然可以消除因高压管导致的各种损失，但因通过凸轮轴驱动推杆、摇臂机构进行直接燃油喷射，存在结构复杂、调整和检查困难等缺点。

电控泵喷嘴如图6-21所示。这是将早期的泵喷嘴进行电控化的系统，燃油喷射量和喷射时间通过内置在喷油器内的电磁阀进行控制。此系统由通过摇臂传递动力驱动泵柱塞产生高压的泵元件、根据发动机控制模块（ECM）信号操作电磁阀调节溢流阀开闭时间的执行装置和根据发动机控制模块（ECM）的控制信号把燃油向燃烧室进行喷射的喷油器构成。

电控喷射泵喷射系统的特征如下：

①泵喷嘴因电磁阀与喷油器的喷嘴之间的距离短，不存在静容积，因此可以提高燃油喷射压力。

②从燃油泵到喷油器喷射所需的时间短，因此喷射精密度高，不存在因电压、反射波等压力变化导致的异常喷射。

③因构成为模块，所以在发动机上安装容易，并且维修便利。

④喷射压力可以达到200MPa的超高压，因此燃油雾化良好，燃油与空气的混合良好，能做到完全燃烧，输出功率增加和有害废气的生成量减少。因此，这种类型具有比任何其他喷射方式燃烧效率都高、最高压力大、输出功率增加和有害废气生成量减少等优点。

图6-21 电控泵喷嘴系统

（3）分配式喷射系统柴油机为了高速化和泵的轻量化，与每个气缸各自配备1个泵的方式不同，利用1个柱塞泵压缩燃油并通过共轨把所需燃油量在正确的喷射时间通过高压管输送到各气缸的喷油器进行喷射，这种燃油供给系统称为分配式喷射系统。此类型也开发应用电控分配式喷射系统。图6-22所示为电控分配式燃油泵结构图。

图6-22 电控分配型燃油泵

燃油泵的驱动轴通过驱动带与发动机曲轴连接，当曲轴旋转2周时燃油泵旋转1周，燃油泵（叶片式压力泵）、凸轮盘和柱塞同时旋转。燃油泵压缩燃油到高压并输送到高压室，同时供给正时活塞的控制压力。

凸轮盘的正面（图中左侧）有与气缸数相同数量的凸起，凸轮盘通过驱动轴旋转时，凸起上到转子环上设置的转子上时，把旋转的柱塞向右（图上的方向）推动。柱塞移动之前，泵体上的燃油进口与柱塞的进油槽对正，燃油进入高压室。此时柱塞旋转使进油槽离开，进油口关闭。柱塞继续旋转并向右移动时，高压室的燃油压力上升，同时通过高压输出端口压送到喷油器。

燃油喷射的切断由电控溢流阀执行。电控溢流阀打开通道把高压室与低压室联通在一起时，高压室的燃油压力急降，切断供给到喷油器的燃油。凸起被转子推动开始到溢流孔打开为止的柱塞行程与燃油喷射量相对应。电控溢流阀的电磁阀通电时，引导溢流阀关闭。当电磁阀断电时，引导阀开启，主阀背部的压力下降，主阀开启使高压室的燃油向低压侧流动，因而燃油喷射停止。

（4）共轨喷射系统共轨喷射系统是利用1个与喷射时间无关的高压泵压缩燃油并提前储存在共轨（蓄压器或共同室）中，并把燃油输送到各喷油器进行喷射。共轨式与气缸数、喷射时间无关，仅通过喷油器控制燃油量和喷射时期。此系统虽然是很早以前发掘的类型，但电控系统开始出现后开发为电控喷射系统，并广泛使用。国产柴油机把此类型以CRDi（共轨直接喷射）进行标识。

电控共轨喷射系统是通过燃油泵压缩的高压燃油储存在蓄压器中，并通过发动机控制模块（ECM）控制喷射时间。此类型因燃油高压化与燃油喷射控制相互分离，所以与发动机的转速和负荷无关，通过电控系统就能在正确的时间喷射精密量的燃油。

①共轨式结构。共轨式高压喷射系统如图6-23所示，由燃油箱、燃油泵、滤清器、共轨、共轨压力传感器、压力限制阀、喷油器等构成。高压燃油泵通过凸轮的运转驱动柱塞压缩燃油。高压燃油进入共轨，并根据运行条件调节燃油压力，精密控制喷射时间。

图6-23 共轨式高压喷射系统

②共轨式特征。共轨喷射系统的特征是，高压喷射压力的生成过程和燃油喷射过程互相完全独立。即，燃油压力始终保持在135MPa或160MPa以上压力的高压共轨的使用，以及在一次做功过程分为预喷射和主喷射两次进行喷射为特征。两次以上的多级喷射可以一次喷射少量的燃油，以降低噪声和有害废气的排放量，并能加快催化转化器的暖机时间。共轨系统与传统柴油喷射式的性能比较见表6-4。

表6-4 共轨系统与传统柴油喷射式的性能比较

2.燃油量和喷射时间调整装置

柴油机必须根据运行条件把最佳的燃油量在最佳时间进行喷射。尤其是，为了发动机的顺畅运行和安全，必须控制发动机的最小转速和最大转速。传统柴油机利用调速器和正时调节器调节燃油喷射量和喷射时间。

（1）调速器柴油机的进气量一定，通过增减燃油喷射量控制发动机转速，把此机构称为调速器。调速器是控制柱塞泵内燃油量调节机构控制齿杆的装置。

柴油机每气缸一次燃油喷射量，即使是4气缸2400r/min、75kW左右的发动机也就是几到几十毫升。调速器燃油控制齿杆位置的微小变化也会给输出功率带来很大的变化。尤其在无负荷运行时，燃油量很小，因此对控制齿杆的移动很敏感，会导致发动机稳定运行困难。另外，发动机的旋转速度必须要防止超过最大限制速度。

调速器分为离心式和电控式。在直列式泵上使用的机械式调速器为离心式。离心式是利用连接在喷射泵凸轮轴上的离心飞重的离心力控制燃油控制齿杆移动，以决定最小转速和最大转速时的燃油量，对于中间速度的控制，驾驶人操作加速踏板时通过连杆控制控制齿杆移动，即可控制燃油供给量。

电控系统采用电控式调速器。这种类型在加速踏板上安装有传感器，发动机控制模块（ECM）根据发动机转速，把加速踏板位置信号相应地转换为控制齿杆的行程，以决定燃油喷射量。

（2）正时调节器正时调节器是燃油喷射时间的调整装置。如果喷射时间过早，柴油机会发生爆燃，如果过迟，输出功率会降低。正时调节器采用离心式。这是在发动机转速上升时利用其离心力改变正时齿轮与喷射泵凸轮轴之间的位置关系，以自动提前喷射时间。柴油机喷射时间调整装置的结构和原理与汽油机的点火提前角调整装置相同。

正时调节器燃油输送时间的确定应充分考虑燃油从燃油泵通过高压管以压力波传送到喷油器的所需时间，即正时调节器所调节的燃油输送时间比喷射时间提前传送所需的时间。

燃油喷射装置的工作原理与优化方式

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