第一節(jié) 國Ⅲ柴油機的基本概念

一、柴油機的分類

柴油機在工作時，吸入到氣缸內的空氣，因活塞的運動而受到較高程度的壓縮，壓縮終了時氣缸內達到500～700℃的高溫和3.0～5.0MPa的高壓。然后將燃油以霧狀的形式噴入高溫空氣中，與高溫空氣混合形成可燃混合氣，自動著火燃燒。燃燒中釋放的能量（最大超過13.0MPa爆發(fā)力）作用在活塞頂面上，推動活塞并通過連桿和曲軸轉換為旋轉的機械能。因此，柴油機實際上是一部將燃料的化學能轉換為機械能并對外輸出動力的機器。它以柴油為燃料，所以稱為柴油機（或柴油發(fā)動機）。多缸柴油機的外形如圖1-1所示。

柴油機被廣泛地用于多種設備的驅動動力，如重型車、大型客車、工程機械、農業(yè)機械等，在這些行業(yè)發(fā)揮著重要的作用。柴油機的分類見表1-1。

圖1-1 多缸柴油機的外形

表1-1 柴油機的分類

（續(xù)）

二、國Ⅲ柴油機的概念

國Ⅲ柴油機是指柴油機的廢氣排放指標必須達到國Ⅲ排放標準的柴油機。國Ⅲ排放標準與歐Ⅲ排放標準基本一致。內燃機廢氣排放的歐Ⅲ、歐Ⅳ標準詳見表1-2和表1-3。

表1-2 內燃機廢氣排放的歐Ⅲ標準

表1-3 內燃機廢氣排放的歐Ⅳ標準

目前，能夠達到和滿足國Ⅲ排放標準的柴油機，都是對燃油系統(tǒng)進行了重大改進后的電控柴油機，主要品種如下。

①電控單體泵燃油系統(tǒng)柴油機。

②電控高壓共軌燃油系統(tǒng)柴油機。

③電控分配泵燃油系統(tǒng)柴油機。

④電控泵噴嘴燃油系統(tǒng)柴油機。

⑤電控H泵+EGR柴油機等。

使用最為廣泛的中小功率車用和工程機械用國Ⅲ柴油機是電控單體泵柴油機和電控高壓共軌柴油機（圖1-2）。

三、柴油機的基本構造

柴油機是一種將燃料燃燒產生的熱能轉化為機械能的機器，要完成能量轉換的全部過程，就必須有一套相應的轉換機構和系統(tǒng)。雖然柴油機有多種類型，具體構造也不完全一樣，但無論是單缸船用柴油機還是多缸柴油機，其基本結構都是相同的，如圖1-3所示。

傳統(tǒng)柴油機的基本結構包括曲柄連桿機構、配氣機構、傳動機構、燃油供給系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動系統(tǒng)（俗稱三大機構、四大系統(tǒng)）。這些系統(tǒng)和機構的良好配合，是柴油機能夠產生動力并對外輸出動力的關鍵。

圖1-2 國產某型六缸共軌柴油機

圖1-3 柴油機的基本結構

以上三大機構、四大系統(tǒng)中，曲柄連桿機構、配氣機構和燃油供給系統(tǒng)是柴油機的三個最基本的部分，它們互相配合，完成柴油機的工作循環(huán)，實現(xiàn)能量的轉換。使用過程中，三者的技術狀態(tài)及相互之間的配合對柴油機的性能具有決定性的影響。潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)作為柴油機的輔助系統(tǒng)，是柴油機長期正常工作不可缺少的重要部分。如果潤滑系統(tǒng)或冷卻系統(tǒng)工作不正常，那么柴油機就會發(fā)生故障，也不能正常工作。

由此可見，柴油機在使用過程中，必須對以上各部分予以充分重視，不可忽視任何一部分，否則，柴油機的正常工作將無法保證，甚至會造成柴油機的嚴重損壞。

對于現(xiàn)代柴油機而言，在上述基本結構的基礎上，通過增加增壓系統(tǒng)（提高進氣壓力）而成為增壓柴油機，通過對燃油系統(tǒng)的電控化而成為電控柴油機（包括電控高壓共軌柴油機和電控單體泵柴油機）。

四、機械式單體泵柴油機

單體泵供油系統(tǒng)，顧名思義，它的供油系統(tǒng)的核心部件噴油泵是單體的、單個的（圖1-4）。單體泵供油系統(tǒng)與傳統(tǒng)的機械式噴油泵相比，在結構形式上的主要不同是每個油泵都是獨立的，分別安裝在柴油機氣缸體上，對應每個氣缸，在氣缸體上有安裝單體泵的孔，六缸柴油機就有六個單體泵（四缸柴油機就有四個單體泵），這六個單體泵是由整個柴油機的凸輪軸來驅動的，也就是說單體泵作為一個整體部件安裝在柴油機的氣缸體（或其他位置）上，由配氣凸輪軸上的噴油凸輪驅動。

而傳統(tǒng)的六缸柴油機的機械式噴油泵布置在整機缸體的外側，通過外部托架固定在柴油機缸體上，在噴油泵的泵體內，有一根凸輪軸，專門驅動六套柱塞。

道依茨BFM1013柴油機為（電控）單體泵柴油機的典型機型（圖1-5）。

圖1-4 單體泵外形示意圖

a）電控式單體泵 b）機械式單體泵

圖1-5 道依茨BFM1013柴油機

機械式單體泵噴油系統(tǒng)的特點是，單體泵技術使燃燒更適合工況的需要，因而燃燒更充分，效率更高，降低了排氣污染和燃油消耗率。它還有以下優(yōu)點。

①由凸輪軸通過挺柱（滾輪）驅動，結構緊湊，剛性好。

②噴油壓力可以高達160.0MPa。

③較小的安裝空間。

④高壓油管短且標準化。

⑤調速性能好。

⑥具有自排氣功能。

⑦維修服務相對簡單，換泵容易。

機械式單體泵因其噴油時間及噴油量的控制不夠精確（需要人工調整），排放指標一般只能達到歐Ⅱ標準，已逐步被電控單體泵燃油系統(tǒng)取代。

五、電控單體泵柴油機

電控單體泵燃油噴射系統(tǒng)可以說是柴油機的一次革命，不僅使柴油機性能大幅度提高，而且在設計上也是一次徹底的革新，一個噴油器對應一個高壓油泵，使得噴油系統(tǒng)的零部件相對簡單了許多，便于系列化、標準化生產和使用維修。

與機械式單體泵燃油系統(tǒng)不同的是電控單體泵的上部有電磁閥（圖1-6），電磁閥能夠按照特性圖譜的數據精確地控制噴油正時及噴油時間，以確保柴油機的排氣指標達到和超過國Ⅲ標準。

電控單體泵燃油噴射系統(tǒng)已在國內商用車柴油機上獲得了廣泛的應用，如大柴CA6DE3系列柴油機、玉柴YC6L（6G）系列柴油機、朝柴4102系列柴油機等采用的都是電控單體泵燃油噴射系統(tǒng)。

圖1-6 電控單體泵、ECU及噴油器

電控單體泵柴油機燃油噴射系統(tǒng)主要由控制元件（ECU）、檢測元件（各種傳感器）和執(zhí)行元件三大部分組成，如圖1-7所示，各部分的功用如圖1-8所示。

圖1-7 電控單體泵柴油機燃油噴射系統(tǒng)示意圖

六、PT泵燃油系統(tǒng)柴油機

PT泵燃油噴射系統(tǒng)（圖1-9）的噴油器為主動式噴油，低壓柴油在噴油器中通過搖臂壓動噴油器的柱塞產生高壓，噴油器也是一種柱塞泵，其驅動機構如圖1-10所示。P和T分別指作用于噴油器油杯計量孔的壓力和計量孔的開啟時間。當油門開度增大時，油路中的柴油流量增加，油路中的油壓也隨之增加。在計量孔開啟時間不變的前提下，進入油杯中的柴油增多，使柴油機加速，同時噴油器噴油的頻率增加，計量孔開啟的時間縮短，限制了單次噴油量，其控制精度要高于直列泵系統(tǒng)。

圖1-8 電控單體泵柴油機各部分的功用

圖1-9 PT泵燃油噴油系統(tǒng)示意圖

1—供油泵 2—單向閥 3—噴油器 4—燃油箱 5—油箱開關 6—柴油濾清器

圖1-10 PT噴油器的驅動機構

1—調整螺釘 2—鎖緊螺母 3—搖臂 4—推桿 5—調整墊片 6—凸輪 7—隨動臂 8—噴油器體 9—噴油器柱塞 10—彈簧

PT泵的調速器也是機械離心式的，其結構是柱塞在柱塞套內滑動，控制油路的寬窄，離心力推動柱塞向油路變窄的方向移動，減小壓力和噴油量，限制轉速的增加。彈簧推動柱塞向油路變寬的一側移動，彈簧力與離心力相互制約，保持動態(tài)平衡。

該系統(tǒng)的油門和停機電磁閥在油路中串聯(lián)在調速器之前，所以不會出現(xiàn)“飛車”，其噴油壓力可達70～100MPa。PT泵燃油噴射系統(tǒng)在動力性、經濟性以及環(huán)保方面都優(yōu)于直列泵噴油系統(tǒng)和分配泵噴油系統(tǒng)。PT泵燃油系統(tǒng)是康明斯K系列、N系列等機型專用的燃油噴射系統(tǒng)，已有電控PT泵燃油噴射系統(tǒng)。PT泵燃油系統(tǒng)中，燃油箱的位置高于PT泵和PT噴油器。

七、分配泵燃油系統(tǒng)柴油機

分配泵燃油噴射系統(tǒng)（圖1-11）與直列泵燃油噴射系統(tǒng)的相同之處是采用柱塞式噴油泵和機械離心式調速器，噴油器與噴油泵用油管連接，噴油器為被動式噴油；不同之處是分配泵減少了柱塞泵的數量（只有1個柱塞偶件），通過分配轉子按各缸的工作順序將高壓柴油送至各缸的噴油器，高壓油管在安裝時必須按照分配轉子的旋轉方向和各缸的工作順序連接。

圖1-11 柴油機分配泵燃油噴射系統(tǒng)

分配泵（圖1-12）柱塞數量的減少使噴油泵本身體積減小，結構更加緊湊，降低了成本。驅動轉速的增加使噴油壓力更高。分配泵驅動轉速可以達到曲軸轉速的3倍。在柱塞偶件密封程度不變的前提下，噴油泵驅動轉速越高噴油壓力越高，分配泵噴油壓力可達60～80MPa。高壓噴射有利于柴油更充分地霧化燃燒，降低煙度。

圖1-12 VE分配泵的結構示意圖

康明斯6BT柴油機、依維柯8140柴油機、五十鈴4JB1柴油機等均采用的是分配泵燃油噴射系統(tǒng)，目前已開發(fā)有電控分配泵燃油噴射系統(tǒng)。

八、電控泵噴嘴（UIS）技術

在泵噴嘴系統(tǒng)中，噴油泵和噴油嘴組成一個單元。每缸的缸蓋上都裝有這樣一個單元，它直接通過搖臂或間接地由柴油機的凸輪軸通過推桿來驅動。

國產捷達、寶來等柴油轎車的柴油機采用了泵噴嘴技術。泵噴嘴燃油系統(tǒng)的結構與驅動機構示意圖如圖1-13所示。

圖1-13 泵噴嘴燃油系統(tǒng)的結構與驅動機構示意圖

九、電控H泵+EGR柴油機

這里說的EGR柴油機，是中國重汽在國Ⅱ機械泵的基礎上，利用電磁鐵控制機械泵的齒條和出油閥，制成簡易電控噴油泵外加EGR系統(tǒng)、排放指標能夠滿足國Ⅲ排放標準的柴油機，準確的說法是“直列泵+EGR系統(tǒng)”柴油機。簡要介紹如下。

（1）電控冷卻的EGR系統(tǒng)概述EGR系統(tǒng)就是從柴油機排氣中引回部分廢氣與新鮮空氣共同進入柴油機氣缸內參與燃燒，既降低了氣缸內的燃燒溫度，又能有效地控制高溫富氧條件下NOx的生成，從而大大降低了發(fā)動機廢氣中NOx的含量。中國重汽采用的EGR系統(tǒng)是由發(fā)動機ECU進行控制，ECU通過進氣溫度傳感器、進氣壓力傳感器、冷卻液溫度傳感器、發(fā)動機轉速傳感器、加速踏板位置傳感器以及車輛制動信號來感知發(fā)動機的各種狀態(tài)，從而控制EGR控制閥的開度和廢氣再循環(huán)比率。EGR系統(tǒng)的工作原理如圖1-14所示。

（2）電控供油速率燃油噴射泵 電控供油速率燃油噴射泵（簡稱H泵，如圖1-15所示）的開發(fā)是以預行程可電控調節(jié)為基礎，通過ECU對預行程調節(jié)機構的控制，來實現(xiàn)對噴油量、噴油定時和噴射壓力的精確控制。

圖1-14 EGR系統(tǒng)的工作原理

1—空氣濾清器 2—中冷器 3—進氣歧管 4—EGR冷卻器 5—峰值單向閥 6—EGR控制閥

H泵可以實現(xiàn)泵端高達120MPa、嘴端高達148MPa的高噴射壓力，配以多孔噴油器，完全可以滿足顆粒排放國Ⅲ要求。

H泵擁有預行程電控可調結構，其供油預行程可在一定范圍內由ECU程控調節(jié)，按柴油機不同工況的需要改變預行程。試驗表明，通過ECU對預行程的控制，可以得到精確的噴油定時和噴射壓力，同時配合油門位置傳感器，使噴油量控制更精確，從而保證柴油機可在整個工作范圍內達到最優(yōu)化的經濟性能和排放性能。

圖1-15 H泵的外形結構示意圖

（3）噴油器 采用德爾福（Delphi）公司生產的歐Ⅲ專用8孔低慣量噴油器，具有工作可靠、性能好、適應性廣泛等特點，能有效改善發(fā)動機的燃燒性能。

（4）EGR國Ⅲ柴油機的技術優(yōu)勢

1）柴油機的廢氣排放完全滿足國Ⅲ排放標準。

2）完全擁有核心技術和自主知識產權，有利于提高企業(yè)的核心競爭力。

3）燃油噴射系統(tǒng)和EGR系統(tǒng)均由ECU控制，可靈活控制噴油壓力、噴油量、噴油時間，使發(fā)動機的排放、動力輸出和油耗得到最佳匹配。

4）電控系統(tǒng)具備完善的跛行回家（limp home）功能，可在系統(tǒng)發(fā)生故障時維持運行到服務站進行維修，降低拋錨風險。

5）燃油經濟性突出，節(jié)能效果顯著，運營成本大大降低。

6）油品適應性好，適合國情，降低了維護和修理費用，用戶使用成本降低。

7）故障診斷系統(tǒng)功能完備、操作簡便，可實現(xiàn)電控系統(tǒng)故障的準確判斷，簡化維修過程。

十、電控高壓共軌柴油機

1）電控是指燃油噴射系統(tǒng)由柴油機ECU控制，ECU對每個噴油器的噴油量、噴油時刻進行精確控制，使柴油機的燃油經濟性和動力性達到最佳的平衡。而傳統(tǒng)的柴油機則是由機械控制，控制精度無法得到保障。

2）高壓是指噴油系統(tǒng)噴油壓力比傳統(tǒng)柴油機要高出2倍多，最高能達到200MPa（而傳統(tǒng)柴油機噴油壓力為60～70MPa）。壓力大，霧化好，燃燒充分，從而提高了發(fā)動機動力性，最終達到省油的目的。

3）共軌是指通過公共油管同時供給各個噴油器，噴油量經過ECU的精確計算，同時向各個噴油器提供同樣品質、同樣壓力的燃油，使柴油機運轉更加平順，從而優(yōu)化了柴油機的綜合性能。而傳統(tǒng)柴油機由各缸獨自噴油，噴油量和噴油壓力不一致，運轉不均勻，造成燃燒不平穩(wěn)，噪聲大，油耗高。電控高壓共軌柴油機的結構如圖1-16所示。

圖1-16 電控高壓共軌柴油機的結構

4）電控高壓共軌系統(tǒng)的組成。電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)（圖1-17）是在柴油機氣缸蓋上安裝了一個燃油鋼管，燃油鋼管是一個長管狀密閉容器，各缸噴油器通過高壓油管與此管連接，共同使用這根油管，稱為共軌。

圖1-17 四缸電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)

高壓噴油泵通過單向閥不斷地向共軌內部泵入高壓柴油，共軌類似于制動系統(tǒng)的儲氣罐。壓力傳感器將共軌內的壓力反饋給ECU，并通過控制電磁閥的適當開啟卸油以調節(jié)共軌內的壓力。共軌內的壓力就是噴油器的噴油壓力，可達140～160MPa，甚至更高。油壓的產生方式與柱塞泵式完全不同。

供油正時由噴油器電磁閥控制，噴油量由電磁閥的持續(xù)開啟時間控制，所以該系統(tǒng)既不需要提前器也不需要調速器。所有這些都由ECU自動控制。該系統(tǒng)的正常工作要求其噴油器電磁閥必須能夠準時、快速、可靠地開閉，并且能承受長期高頻率開閉的工況。

因此，電控共軌柴油機的動力性較好、省油，加速時排氣無黑煙，但是電控裝置的成本較高。

5）電控高壓共軌柴油機的特點。柴油機共軌式電控燃油噴射技術是一種全新的技術，集計算機控制技術、現(xiàn)代傳感器檢測技術以及先進的噴油器結構于一身。它不僅能達到較高的噴油壓力、實現(xiàn)噴油壓力和噴油量的控制，而且還能實現(xiàn)預噴射和分段噴射，從而優(yōu)化噴油特性、降低柴油機噪聲和大大減少廢氣有害成分的排放量，主要特點如下。

①寬廣的應用領域。用于小型乘用車和輕型貨車，每缸功率可達30kW；用于重型貨車、內燃機車和船舶，每缸功率可達200kW左右。

②采用先進的電子控制裝置及配有高速電磁開關閥，使得噴油過程的控制十分方便，并且可控參數多，利于柴油機燃燒過程的全程優(yōu)化。

③采用共軌方式供油，噴油系統(tǒng)壓力波動小，各噴油器間相互影響小，噴油壓力控制精度較高，噴油量控制較準確。

④高速電磁開關閥頻率高、控制靈活，使噴油系統(tǒng)的噴油壓力可調范圍大，并且能方便地實現(xiàn)預噴射等功能，為優(yōu)化柴油機噴油規(guī)律、改善其性能和降低廢氣排放提供了有效手段。

⑤系統(tǒng)結構移植方便、適應范圍廣，尤其是與目前的小型、中型及重型柴油機均能很好地匹配，因而市場前景廣闊。

⑥可獨立地柔性控制噴油正時，配合高的噴油壓力（120～200MPa）。目前常用的BOSCH公司的共軌系統(tǒng)軌道壓力為145MPa，可同時將NOx和微粒（PM）控制在較小的數值內，以滿足排放要求。

⑦共軌式電控燃油噴射技術有助于減少柴油機的有害尾氣排放量，并具有降低噪聲、降低燃油消耗、提高動力輸出等方面的綜合性能。高壓共軌電控燃油噴射技術的應用有利于地球環(huán)境保護，加速促進柴油機工業(yè)、汽車工業(yè)，特別是工程機械相關工業(yè)的向前發(fā)展，是柴油機今后重點應用的燃油噴射技術之一。