2.4 发动机燃料供给系

2.4.1 燃料供给系概述

氧气、可燃物、燃烧温度是燃烧三要素。具体对发动机而言，需解决的问题可归纳为：①选用什么物质作为可燃物。不同的可燃物具有不同的物理和化学性质，这决定发动机的不同结构。②现代发动机的活塞走完一个行程所耗时间是以毫秒级计算的，如何在极短的时间内使可燃物与空气混合。③如何控制可燃物与氧气混合体（工质）的数量和比例。这关系到发动机的动力性、经济性和环保性。

第一个问题造成了发动机的多样性。例如，汽油发动机、柴油发动机、天然气发动机等，现有的保有量最大的发动机是汽油和柴油发动机。第二个问题和第三个问题是促使发动机不断地发展的动力。例如，汽油发动机的燃油供给系在此动力推动下，从化油器式到缸外电喷式再到如今的缸内直喷式，都与这两个问题有关。柴油发动机的发展经历也是如此。可以这么说，发动机的每一次变动都与它们有关。

1.燃油供给系的作用和组成

燃油供给系的作用，是向发动机提供空气和燃油，使其混合，并对供给量和浓度进行有效地控制，以满足发动机在各种工况下的需求，最后将燃烧产生的废气经消声后排入大气。

车用发动机燃料供给系由于燃料的不同及科技的发展，发动机的构成截然不同，但按功能划分，可用如图2.56所示框架示意。

功能构成中最大的不同在“工质形成与控制”和“燃油供给”部分，“空气供给”和“废气排除”部分差异不大。

2.工质（可燃混合气）

（1）可燃混合气的浓度。可燃混合气中空气与燃料的比例称为可燃混合气的浓度。它对发动机的动力性与经济性有很大的影响，通常用空燃比和过量空气系数来表示。

①空燃比。可燃混合气中空气质量与燃料质量之比称为空燃比，记做A/F。即、

理论上，1kg汽油完全燃烧需要14.7kg的空气。因此对于汽油机而言，A/F=14.7的可燃混合气可称为理论混合气（标准混合气）。若A/F<14.7，则意味着可燃混合气中汽油含量有余，而空气含量不足，称为浓混合气。反之，A/F>14.7的可燃混合气则称为稀混合气。应当注意的是，14.7仅是汽油的理论空燃比，不同燃料的理论空燃比数值是不同的。

②过量空气系数。燃烧1kg燃料实际供给的空气质量与理论上完全燃烧1kg燃料所需的空气质量之比称为过量空气系数，记做α。即

无论使用何种燃料，α=1的可燃混合气称为理论混合气；α<1的称为浓混合气；α>1的称为稀混合气。

过量空气系数α与空燃比A/F在数值上的对应关系如表2.8所示。

表2.8 α与A/F的数值对应关系

（2）不同浓度的工质对发动机性能的影响。可燃混合气浓度对汽油机性能的影响是通过试验获得的。在汽油机转速一定和节气门全开的条件下，流入进气管的空气量为一定值。此时通过改变汽油供应量来改变混合气浓度，测出相应的发动机功率和耗油率。图中纵坐标为功率Pe和燃油消耗率ge的相对值。在功率坐标上，以功率值中的最大值为100%；而在耗油率坐标上，以耗油率最小值为100%（如图2.57所示）。

①标准混合气（α=1）。在理论上，标准混合气所含空气量正好可以使燃料完全燃烧。但实际上，由于时间和空间条件的限制，汽油不可能与空气绝对均匀地混合，因此可燃混合气中的汽油是不可能绝对完全燃烧的。

②稀混合气（α>1）。为了保证燃料的充分燃烧，需要供给比理论上稍多一些的空气量，使燃料与空气更容易混合，有助于燃料完全燃烧，这种混合气被称为经济混合气。在图2.57中，α=1.11时，耗油率最低，经济性最好。对于不同的汽油机，一般α在1.05～1.15的范围内，可以获得最好的燃油经济性。当混合气过稀时，燃烧速度过低，发动机功率下降，热损失加大，发动机动力性和经济性均有所下降。当混合气稀到α=1.4左右时，燃料分子之间的距离将增大到使混合气的火焰不能传播的程度，导致发动机熄火。此α值被称为过量空气系数的稀着火界限。

③浓混合气（α<1）。当混合气中汽油含量较多时，汽油分子密集，燃烧速度加快，压力大，热损失少，功率有所增加。在图2.57中，α=0.88时，功率最大，动力性最好。对于不同的汽油机，一般α在0.85～0.95的范围内，可以获得最好的动力性，这种混合气被称为功率混合气。但是功率混合气中空气含量不足，必然有一部分汽油不能完全燃烧，导致发动机的经济性较差。当混合气过浓时，由于燃烧很不完全，不仅造成发动机动力性和经济性下降，还会造成燃烧室积炭，排气污染严重。当混合气浓到α=0.4左右时，由于燃烧过程严重缺氧、火焰不能传播，导致发动机熄火。此α值被称为过量空气系数的浓着火界限（如表2.9所示）。

表2.9 过量空气系数与燃烧关系

由以上分析可知，为了保证汽油机稳定可靠地运转，汽油机在稳定工况下所用混合气浓度一般应在0.85～1.15的范围内调节。对于特定的汽油机，究竟应照顾动力性的要求，还是照顾经济性的要求，或者二者适当兼顾，要根据发动机的具体工况进行具体分析。

（3）汽油机各种工况对可燃混合气浓度的要求。发动机工况指发动机的转速和负荷情况。汽车在行驶过程中牵引力及行驶速度经常要发生变化，作为其动力装置的发动机，其运行工况也需随之做频繁的转换。汽油机在不同的运行工况下对混合气的浓度有着不同的要求。

①稳定工况对混合气浓度的要求。发动机的稳定工况是指发动机已经完成预热，转入正常运转，且在一定时间内转速或负荷没有突然变化的工况。按负荷大小可划分为怠速与小负荷、中等负荷、大负荷与全负荷三个范围。

怠速和小负荷工况。怠速是指发动机在对外无功率输出的情况下以最低转速稳定运转。此时可燃混合气燃烧所做的功，只用以克服发动机的内部阻力。怠速工况时，节气门接近关闭，进入汽缸的可燃混合气很少，且其中的汽油雾化蒸发不良，混合气燃烧不完全，排气污染增加。此外，残余废气对新鲜混合气的稀释作用明显，如果新鲜混合气达不到足够的浓度，将导致怠速转速不稳，甚至熄火。因此，当汽油机怠速时，要求供给少而浓的混合气（α=0.6～0.8）。当节气门略开（节气门开度在25%以下）而转入小负荷工况时，新鲜混合气的品质逐渐改善，随着进气量的增加，废气对混合气的稀释作用也逐渐减弱，因而混合气浓度可以减小至α值为0.7～0.9。随着负荷的逐渐增大，混合气逐渐变稀。

中等负荷工况。车用发动机在大部分工作时间内处于中等负荷状态工作，节气门开度一般在25%～85%的范围内。在中等负荷状态下，进入汽缸的混合气增多，残余废气的量相对减少，燃烧条件改善。此时，燃油的经济性要求是首要的，因此，随发动机负荷的增大，混合气的供给应由浓变稀（α值为0.9～1.1）。这样，在兼顾动力性的情况下，保证了发动机具有良好的经济性。

大负荷和全负荷工况。汽油机在大负荷及全负荷工作时，要求发出足够的功率或扭矩以克服外界阻力（车辆重载爬坡、高速行驶等）。此时，节气门开度达到85%以上，要求发动机能发出尽可能大的功率。在达到全负荷之前的大负荷范围内混合气应从以满足经济性要求为主，逐渐转到以满足动力性要求为主（α值为0.85～0.95）。

②过渡工况对混合气浓度的要求。汽车发动机运行过程中还有几种过渡工况，虽然在全部工作时间中所占比例较小，但对混合气浓度有特殊的要求。

冷起动工况：发动机起动时转速只有100～150r/min，特别是在冷启动时，燃油蒸发性差，不能及时随气流进入汽缸内，使汽缸内混合气过稀，以致无法燃烧。为此，要求喷油器供给极浓的混合气（α值为0.2～0.6），以保证进入汽缸内的混合气中有足够的汽油蒸气，使发动机顺利起动。

暖机工况：冷起动后发动机温度逐渐升高，直到接近正常值。在暖机过程中，供给的混合气浓度应随温度的升高而逐渐变稀，直到稳定怠速所要求的数值为止。

加速工况：发动机的加速是指节气门迅速开大，负荷迅速增加的过程。要求汽油机的输出功率加大，满足加速过程动力性的要求。但是，加速时节气门开度突然增大，进气管内气压陡增，而温度却因冷空气的进入而降低，导致进气管内的汽油蒸发困难，从而加剧混合气变稀，因此，在加速过程中，必须额外增加供油量，以满足加速需要。否则不但达不到增加发动机功率的目的，还会导致发动机熄火。

2.4.2 汽油燃油供给系工质供给部分和混合部分

1.汽油供给部分

汽油供给部分主要由汽油箱、电动汽油泵、汽油滤清器、汽油压力调节器、喷油器、冷启动喷油器和输油管道等组成，有的车还装有汽油压力缓冲器。燃油流通路径如图2.58所示。其作用是用汽油泵向喷油器提供足够压力的汽油，喷油器根据来自ECU的控制信号，向进气歧管内进气门上方喷射燃烧所需的汽油。

在发动机运行时，汽油由汽油泵从油箱中泵出，经汽油滤清器滤去杂质和水分，到达安装喷油器的总管，总管中的油压由压力调节器调节，脉动阻尼器消除喷油时所产生的微小脉动，确保喷油量精确，喷油器根据发动机ECU的指令，将适量的燃油喷入各进气歧管或进气总管。

（1）汽油箱。汽油箱用以储存汽油。汽油箱的数目、容量、外形及安装位置因车型而异。乘用车只有一个汽油箱，商用车常有两个汽油箱，以适应使用要求。汽油箱的储备里程一般为400～600km。

汽油箱体一般用薄钢板冲压焊接而成。油箱上部设有加油管，管口装有油箱盖。油箱上表面装有油面指示表的传感器和出油开关，出油开关经输油管与汽油滤清器相通。油箱底部有放油螺塞，用以排除箱内的积水和污物。油箱内装有隔板，以减轻行驶过程中汽油产生的激烈振荡。如图2.59所示为常见商用车汽油箱的结构。

为防止汽油在行驶中溅出或箱内汽油蒸气泄出，油箱盖是密闭的。当发动机工作时，油箱内油面下降，箱内产生一定的真空度，真空度过大时，汽油泵将无法从油箱中吸油，影响发动机的正常工作。因此油箱盖上装有进气阀，当油箱内压力低于一定数值时，进气阀被大气压压开，空气进入油箱，使汽油泵能正常供油。另外，在温度升高的情况下，汽油挥发加快，汽油蒸气过多，将使油箱内压力过高，这可以通过在油箱盖上安装一个排气阀来解决。当油箱内压力超过某一数值时，排气阀被顶开，汽油蒸气排向大气，以保持油箱内的正常压力。图2.60所示为带有复式阀门的油箱盖。

乘用车上的汽油箱壳体采用高密度聚乙烯塑料制造，其优点是抗冲击、耐腐蚀、紧密性好、易成型，并且结构紧凑、重量轻、成本低。

（2）电动汽油泵。电动汽油泵的功用是将汽油从汽油箱中吸出，加压后经喷油器供入发动机汽缸。电动汽油泵按其安装位置可分为外装式电动汽油泵和内装式电动汽油泵两种。外装泵将泵装在油箱之外的输油管路中，内装泵则是将泵安装在燃油箱内。与外装泵相比较，内装泵不易产生气阻和燃油泄漏且噪声小，大多数电控汽油喷射系统采用内装泵。汽油泵类型有多种，如图2.61所示为涡轮式汽油泵。

涡轮式汽油泵的工作原理如下：叶轮由电动机电枢驱动，当电枢转动时，叶轮圆周槽内的燃油随着一起高速旋转，在离心力作用下，进口处产生一定的真空，同时使燃油出口处油压增高压开出油阀，从而使燃油从进油口被吸入并流经电枢、磁铁、壳体，从出油口流出。

内装式电动汽油泵中的油泵和电动机都浸在汽油中，因此在泵油过程中，燃油不断穿过油泵和电动机，油泵本身及电动机中的线圈、炭刷、轴承等部位都靠燃油来润滑和冷却，使用时要绝对禁止在无油的情况下运转电动汽油泵，以免烧坏电动汽油泵。

（3）汽油滤清器

汽油滤清器的作用是滤除汽油中的机械杂质和水分，防止喷油器堵塞和腐蚀。滤清器串联在油管中，在燃油泵的后边和喷油器之间，不同的汽车安装的位置不一，有的安装在汽油箱外面，有的安装在汽油箱内。目前多数发动机上装的都是一次性不可拆洗式的纸质滤芯汽油滤清器，更换周期一般为10000公里（如图2.62所示）。

（4）喷油器

喷油器的功用是按照电控单元（ECU）的指令将一定数量的汽油适时地喷入进气道或进气管内，并与其中的空气混合形成可燃混合气。喷油器有孔式和轴针式两类，结构大同小异（如图2.63所示）。轴针式喷油器的结构如图2.64所示，喷油器体内有一个电磁线圈，喷油器头部的针阀与衔铁结合成一体。当电控单元送来电流信号时，电磁线圈通电，产生电磁力，吸起铁芯与针阀，将燃油通过精确设计的轴针头部环形间隙喷出，在喷油器头部前端将燃油雾化，与空气混合。

（5）汽油压力调节器

汽油压力调节器的作用是控制喷油器的喷油压力为恒定值（一般为255kPa），使发动机在各种负荷和转速下，精确地进行喷油控制。喷油器的喷油量主要取决于两个因素：喷油时间的长短和喷油压力的高低。喷油时间的长短由电子控制单元（ECU）根据发动机所需油量来决定，并释放出相应的时间脉冲加以控制，而喷油压力则要求恒定。由于进气歧管内的真空度是变化的，那么即使喷油信号的持续时间和喷油器本身压力保持不变，当进气管内绝对压力低（真空度高）时，喷油器喷油量便增加，进气管内绝对压力高（真空度低）时，喷油器喷油量便减少。如果不控制燃油压力，即使ECU加给喷油器的喷油脉冲信号时间相同，当燃油压力高时，燃油喷射量仍会增加，当燃油压力低时，燃油喷射量仍会减少。因此，必须保证喷油器的喷射压力（相对压力）是恒定的（如图2.65所示）。

汽油压力调节器一般安装在供油总管上，它由金属壳体构成，其内部由橡胶膜片隔为弹簧室和燃油室两部分，膜片在弹簧的作用下将通往回油管的阀门关闭（如图2.66所示）。发动机工作时，来自输油管路的高压油由入口进入并充满燃油室，推动膜片打开阀门，在设定压力下和弹簧力平衡，部分燃油经回油管流回油箱。油压处于动态平衡。当进气歧管的真空度变化时——假设其变高，由于燃油压力调节器的弹簧室和发动机进气管相通，进气歧管的真空度作用于调压器的膜片弹簧一侧，从而减弱了作用在膜片上的弹簧力，使回油量增加，燃油压力降低，喷油压力减小，但油压和进气歧管真空度的总和保持不变，即喷油器处压差恒定。可见，输油管内压力的大小取决于膜片弹簧的压力、真空吸力和来自油泵的油压三者之和。油泵停止工作时，在弹簧力的作用下阀门关闭。这样，油泵内的单向阀和压力调节器内的阀门使油路中残留压力保持不变。

2.工质的混合、控制部分

在进气总管中的节气门处设置一只（或两只）喷油器，对各缸实行集中喷射，汽油被喷入进气气流中形成可燃混合气，再由进气歧管分配到各个汽缸内。这种形式称为单点电控燃油喷射（SPI）（如图2.67所示）。单点喷射又称节气门喷射或中央燃油喷射，因其易造成各缸混合气分配不均匀和控制精度较低等原因而趋于淘汰。

单点汽油喷射系统是将汽油呈雾化状喷射在节气门处，利用进气管道、发动机体的温度和相对较长的混合时间（从节气门处开始混合至工作缸压缩冲程终了）使汽油汽化，从而形成可燃混合气。这种混合气形成方式的优点主要体现在汽油喷射系统结构上，结构简单、故障率低；缺点是，由于节气门至各缸的距离不一，造成各缸得到混合气的油气比例不均，因而排气中含有较多的未完全燃烧的有害成分HC和CO。

在每缸进气门前分别设置一喷油器，实行各缸分别供油，这种喷射称为多点喷射（MPI）（如图2.68所示）。多点喷射因喷油器尽量靠近进气门、控制精度高、避免了单点电控燃油喷射的缺点等原因而被广泛使用。这种形式的缺点是成本高，维修复杂。

多点汽油喷射系统则解决了进气歧管中混合气分配不均的问题，喷油器位于发动机各缸靠近进气门的位置处（如图2.69所示），每一缸可以得到相等的汽油量，使吸入汽缸内的混合气空燃比一致，因此，发动机可以在精确的混合气空燃比下工作，排气中HC和CO的含量较少且节省汽油。这种方式下的混合气形成过程与单点汽油喷射系统相似。

多点汽油喷射系统的另一种极具发展前景的喷射方式是缸内喷射。缸内喷射方式的典型代表是FSI（Fuel Stratified Injection，燃油分层喷射）技术。这种技术下的混合气形成过程与上述过程大相径庭。FSI发动机利用一个高压泵（喷射压力3～4MPa，进气管喷射采用的压力约为0.3～0.4MPa），使汽油通过一个分流轨道（共轨）到达喷油器，然后通过ECU在恰当的时间控制喷油器将燃料直接注入燃烧室，其控制的精确度接近毫秒。该种喷射的核心点是进气流在特殊的进气道中产生可变涡流，使之进入燃烧室时呈现最佳的涡流形态，并以分层填充的方式使混合气体集中在位于燃烧室中央的火花塞周围，此时，可燃混合气的总体混合比高达25∶1以上。这种高稀薄的可燃混合气在进气涡流的作用和喷油器的特殊喷油角度配合下，在火花塞周围混合比达到12∶1左右，形成易于点火的浓混合气，而外层逐渐稀薄，整个分布呈非均匀状态。浓混合气点燃后燃烧迅速扩散至外层，使燃烧彻底完成。可变涡流的形成，由进气道中的翻板控制（如图2.70所示）。

可燃混合气数量和混合比由微电脑控制。微电脑控制部分主要由传感器、电控单元（ECU）和执行元件（执行器）三大部分组成，作用是根据发动机和汽车不同的运行工况，对喷油量进行调整和修正，检测各传感器的工作，并将工作参数储存和输出。其工作示意图如图2.71所示。

其中，传感器主要有空气计量传感器、进气温度传感器、水温传感器、曲轴位置传感器、节气门位置传感器、发动机转速传感器、氧传感器等，用以监测发动机的实际工况，将发动机各种工况下的性能参数转变为电信号输给电控单元（ECU）；ECU主要由中央处理器（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）、输入和输出接口电路、驱动电路和存储在ROM中的发动机控制程序等组成，它是电子控制部分的核心；执行元件主要有汽油泵、喷油器、怠速控制阀（ISC阀）、EGR阀及自诊断系统、故障备用程序启动和仪表显示等，用以执行发动机ECU输出的各种控制指令。

2.4.3 柴油燃料供给系工质形成和供给方式

柴油燃点比汽油低，但汽油挥发后形成的气体的燃点要比柴油低，而且柴油的挥发性要比汽油差，因此，柴油的性质决定柴油机的燃烧方式为压燃式。

1.柴油机的特点

由于柴油机混合气的形成不同于汽油机，所以它有许多优点：

①压缩比较大，柴油机压缩比ε为15～20，而汽油机ε为6～10。

②热效率较高，柴油机为30%～40%，而汽油机为20%～30%，柴油机能使热力学能更多地转变为机械能。

③柴油机的燃油消耗率比汽油机低，柴油价格也比汽油便宜，因此经济性好。

④柴油机没有点火系，油路系统机件紧密，故障相对减少，工作可靠性高。

⑤由于柴油机是将燃油喷入大量的高温空气中进行燃烧，CO和HC的生成量比汽油机少得多，所以排放物污染小，但易产生碳烟等。

但柴油机也有其缺点，主要是转速低、质量大、噪声大、振动大、制造和维修费用高等。

2.柴油机燃油供给系的功用

柴油机燃油供给系的功用是储存、滤清和输送柴油，并按柴油机各种不同工况的要求，定时、定量、定压，以一定的喷油质量喷入燃烧室，使其与空气迅速而良好地混合和燃烧，最后使废气排入大气。

3.工质形成和控制

柴油燃油供给系的结构形式有多种，这里介绍常见的两种。

（1）传统式柴油燃油供给系。输油泵从燃油箱内将柴油吸出，经油水分离器除去柴油中的水分，再经燃油滤清器滤去较大颗粒的杂质，然后送入直列柱塞式喷油泵。在喷油泵内，柴油经过增压和计量，按发动机做功顺序需要，经高压油管送至做功缸的喷油器，将柴油喷入燃烧室。喷油器须在燃油压力达到指定值时才将喷油孔开启，燃油在高压状态下（一般在10MPa以上）呈雾状喷入燃烧室，与事先进入汽缸的纯空气迅速混合，形成混合气。喷油器内从针阀偶件间隙中泄漏的极少量燃油，经回油管返回燃油箱。喷油泵前端装有喷油提前器，喷油泵后端与调速器组成一体（如图2.72所示）。

传统式燃油供给系的缺点是高压油管比较长，易造成漏油、各缸供油时刻不一致和各缸供油量不均匀。为保证发动机正常工作，各缸高压油管的直径和长度应相等。

（2）微机电控高压共轨式柴油燃油供给系。带有初次滤清器的输油泵将柴油经初次滤清后从柴油箱吸出，柴油经二次滤清后到达喷油泵。喷油泵将柴油增压后送往共轨管内，共轨管下连各喷油器。当控制单元测出某缸需要喷油时，通知执行单元将相应缸的喷油器打开，柴油按要求的形态喷入汽缸。

对于微机电控高压共轨式柴油燃油供给系，压力的恒定是实现电控制的先决条件，当共轨管中的压力过高时，限压阀开启，部分高压油从回油管流回柴油箱。同时，高压共轨管上的油压传感器时刻向电子控制单元传递着信息，便于电子控制单元控制喷油泵的供油量。

电子控制单元还与相关传感器通过接线相接。这些传感器主要有：发动机转速、发动机相位、加速踏板、空气温度、冷却液温度、进气流量和增压状况等。电子控制单元的分析和处理传感器传来的信息后，由电子执行单元使喷油器改变供油量（如图2.73所示）。

微机电控高压共轨式柴油燃油供给部分由于采用高压共轨的方式，从而较好地解决了传统柴油供给系的缺点。另外，在微机的精确控制下，燃油供给系可理想地做到供油响应时间灵敏、各缸供油量精确、各缸供油提前角一致，以及供油压力和供油提前角的可调，较好地将NOx和微粒控制在较小的数值内，满足排放要求。

高压共轨式电控柴油机是将先进的机械与电控技术集成为一体的内燃机，其显著优点如下。

①采用先进的电子控制装置，使喷油过程的控制十分方便，并且可控参数多，利于柴油机燃烧过程的全程优化；电子控制的压电式执行器开关阀频率高，实现了快速断油能力，其控制精度非常高；高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象。因此在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀可得到改善。

②采用高压共轨方式供油，喷油系统压力波动小，各喷油器间相互影响小，压力大小与发动机的转速无关，喷射压力控制精度较高，喷油量控制较准确，共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能。

③电控高压共轨结合优化了柴油机喷油规律（接近理想喷油规律），可柔性控制喷油速率变化，容易实现预喷射和多次喷射，并可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力，可同时控制氮氧化物和微粒在较小的数值内，以满足排放要求，又能保证优良的动力性和经济性。

④高压共轨电控燃油喷射技术的应用有利于地球环境保护，它与目前的小型、中型及重型柴油机均能很好匹配，提高了与柴油机相关的所有工业的发展速度，因而市场前景广阔，利于推广。

4.柴油供给部分

柴油燃油供给部分通常由油箱、输油泵、低压油管、滤清器、喷油泵、喷油器、高压油管及一些附属装置组成，可分为低压与高压两个油路。低压是指从燃油箱到喷油泵入口的这段油路的油压，它由输油泵建立，油压一般为0.15～0.3MPa。高压油路是指从喷油泵到喷油器的这段油路，该油路中的油压是由喷油泵建立的，油压可达10MPa以上。

（1）喷油器。喷油器是柴油机燃油供给系统的重要部件之一，其主要作用是使燃油在一定的压力下，以雾状的形式喷入燃烧室，并合理分布，以便与空气混合形成最有利于燃烧的可燃混合气。根据混合气形成与燃烧的要求，喷油器应具有一定的喷射压力和射程，以及合适的喷雾锥角和雾化质量。此外，喷油器在规定的停止喷油时刻应能迅速切断燃油的供给，不发生燃油滴漏现象，以免恶化燃烧过程。最好的喷油特性是在每一循环的供油过程中，开始喷油少，中期喷油多，后期喷油少，以便工作柔和，改善后期燃烧条件。

喷油器分为开式和闭式两种，开式喷油器的高压油腔通过喷孔直接与燃烧室相通，而闭式则在其之间加装针阀隔断。目前，中、小功率高速柴油机绝大多数采用闭式喷油器。闭式喷油器按其喷油嘴的结构形式，又可分为孔式喷油器和轴针式喷油器两种基本形式。

图2.85所示为孔式喷油器，孔式喷油器主要用于直喷式燃烧室的柴油机内。一般喷油孔的数目为1～8个，喷孔直径为0.2～0.8mm，喷孔数目与方向取决于各种燃烧室对喷雾质量的要求及喷嘴在燃烧室内的布置。

孔式喷油器主要由针阀、针阀体、顶杆、调压弹簧、调压螺钉、喷油器体等零件组成。

喷油器中最重要的组件是喷嘴，喷嘴中最精密的是针阀偶件，它由针阀和针阀体组成，是用优质轴承钢制成的一对不能互换的高精密偶件，配合间隙为0.002～0.004mm。装在喷油器体上部的调压弹簧通过顶杆使针阀紧压在针阀体的密封面上，将喷孔关闭。

喷油泵压缩后的燃油从进油管接头进入，经过缝隙式滤芯及喷油器体内的油道，送入针阀体内的环形油腔。油压作用于针阀的斜面上，当油压超过针阀开启压力（如18.5MPa），即克服调压弹簧的预紧力使针阀升起，燃油即开始从喷油孔喷出。针阀的升程受喷油器体下端的限制，针阀最大的升程一般为0.2～0.4mm。针阀升程的大小，决定了喷油量的多少。

当喷油泵停止供油时，由于油压迅速下降，针阀在调压弹簧作用下及时回位，将喷孔关闭。调压螺钉是用来调整喷油开启压力大小的。喷油器工作中会有少量柴油从针阀体配合表面之间的间隙漏出。这部分柴油对针阀起润滑作用，并沿顶杆周围的空隙上升，通过回油管接头进入回油管，流回柴油滤清器。

轴针式喷油器的结构基本上与孔式喷油器相近，只是喷嘴头部结构不同（如图2.75所示）。

轴针的形状为柱体或锥体，其头部伸出喷孔外，喷孔直径为1～3mm。轴针与针阀体之间形成一个圆环形狭缝，其间隙一般为0.005～0.025mm。喷油时，喷雾形状呈空心锥状，喷雾锥角为4°～6°。由于轴针在孔内上、下移动，有自洁作用，不易积炭、堵塞，提高了工作可靠性。喷孔的加工也容易，但要求轴针与孔的同心度要高，不然会出现偏心的喷雾体。它适合用于对喷雾要求不高的涡流室式燃烧室和预燃室式燃烧室。

图2.76所示为喷油器喷工作时喷射出的雾状油柱。

（2）喷油泵。喷油泵是柴油机燃油供给系的关键零部件，一般和调速器连成一体。它的工作好坏直接影响柴油机的动力性、经济性和排放性能。它的作用是根据柴油机工况的变化，调节燃油量，并提高燃油压力，按规定的时间与规律将燃油供给喷油器。它与喷油器等其他元件共同决定喷射过程。

喷油泵的结构形式很多，车用柴油机喷油泵按其作用原理不同大体可分为三类：柱塞式喷油泵（如图2.77所示）、喷油泵-喷油器（如图2.78所示）和分配式喷油泵（如图2.79所示）。柱塞式喷油泵性能良好、结构简单紧凑、使用可靠，便于维修和供油调节，为目前大多数汽车柴油机所采用。喷油泵-喷油器的特点是将喷油泵与喷油器合成一体，直接安装在缸盖上，以消除高压油管带来的不利影响，但要求在发动机上另加驱动机构。应用于PT燃油供给系统的喷油器即属此类。分配式喷油泵是20世纪50年代后期出现的一种新型喷油泵，它只有一对柱塞副产生高压，依靠转子或柱塞的旋转，实现燃油的增压及分配。多用于小、轻型高速柴油机上。

（3）调速器。在柴油机上装设调速器，是由柱塞式喷油泵的工作特性决定的。喷油泵每个工作循环的供油量除受到驾驶员油门控制之外，还受到发动机转速的影响。即在油门位置不变时，随着发动机曲轴转速增大，喷油泵供油量略有增加；反之，供油量略有减少。这种供油量随转速变化的关系称为喷油泵的速度特性。

喷油泵的速度特性对工况多变的柴油机是非常不利的。当发动机负荷稍有变化时，导致发动机转速变化很大。当负荷减小时，转速升高，转速升高导致柱塞泵循环供油量增加，循环供油量增加又导致转速进一步升高，这样不断地恶性循环，造成发动机转速越来越高，最后超过柴油机设计所允许的最高转速，这种现象称“超速”或“飞车”；反之，当负荷增大时，转速降低，转速降低导致柱塞泵循环供油量减少，循环供油量减少又导致转速进一步降低，这样不断地恶性循环，造成发动机转速越来越低，最后熄火。

要改变这种恶性循环，就要求有一种能根据负荷的变化，自动调节供油量，使发动机在规定的转速范围内稳定运转的自动控制机构。移动供油拉杆，可以改变循环供油量，使发动机的转速基本不变。因此，柴油机要满足使用要求，就必须安装调速器。

①调速器的功用。调速器是一种自动调节装置，它根据柴油机负荷的变化，自动增减喷油泵的供油量，使柴油机能够以稳定的转速运行。

②调速器类型。汽车柴油机调速器按其工作原理的不同，可分为机械式、气动式、液压式、机械气动复合式、机械液压复合式和电子式等多种形式。但目前广泛应用的是机械式调速器，其结构比较简单，工作可靠，性能良好。

按调速器起作用的转速范围不同，又可分为两极式调速器和全程式调速器。中、小型汽车柴油机多数采用两极调速器，以起到防止超速和稳定怠速的作用。在重型汽车上则多采用全程式调速器。这种调速器除具有两极式调速器的功能外，还能对柴油机工作转速范围内的任何转速起调节作用，使柴油机在各种转速下都能稳定运转。

2.4.4 空气供给部分和废气排出部分

（1）空气供给部分

燃油供给系的空气供给部分主要由空气滤清器、空气计量装置、节气门体、进气总管、各缸进气歧管和怠速控制阀（ISC）等组成，空气流通路径如图2.80所示。它的功用是向发动机提供与负荷相适应的清洁的空气，同时测量和控制进入发动机汽缸的空气量，使它们在系统中与喷油器喷出的汽油形成符合要求的可燃混合气。

在发动机运行时，外界新鲜空气经空气滤清器过滤，由空气计量装置计量后，通过节气门体进入进气总管，再分配到各进气歧管，与喷油器喷出的汽油混合后被吸入汽缸内燃烧。在发动机冷却水温度变化时，怠速控制阀通过调整旁通空气通道的开度来调整旁通空气量，继而调整发动机转速，使其维持正常怠速。

①空气滤清器。空气滤清器的作用是清除空气中所含的尘土和砂粒，以减少汽缸、活塞和活塞环的磨损，另外还有消除发动机进气行程中所产生的噪声的作用。常用的空气滤清器有湿式和干式两种。

湿式空气滤清器又称油浴式空气滤清器或综合式空气滤清器。它由外壳、上盖、滤芯、机油盘等组成。外壳和上盖用薄钢板冲压而成。滤芯用金属丝或金属网编绕。油盘内注入黏度较小的润滑油。

当发动机处于运行状态时，吸入的空气经上下壳体之间的圆环状缝隙进入滤清器，空气流立即转向朝下，先与油盘中的油面接触，然后流动方向急剧转变而改向上流。悬浮在空气中的灰尘杂质，较粗的砂粒由于惯性的作用，就落在油盘中，空气上流穿过滤芯，细微尘埃便被粘在滤芯上。黏附在滤芯上的尘土由于受到被气流带起的油粒的冲刷，渐渐流回机油盘中。经过两次过滤，纯净的空气便从中心管进入汽缸（如图2.81所示）。

干式空气滤清器又称纸质空气滤清器，它由滤清器盖及其衬垫、纸质滤芯、底座、支架等组成。滤芯用用树脂处理过的微孔纸制成，呈波折状，以增加过滤面积。滤芯上下两端有密封衬垫，由滤清器盖与外壳压紧，以保证滤芯两端的密封。当发动机运转时，空气由盖与壳体之间的缝隙进入空气滤清器，从滤芯的四周穿过滤纸进入滤芯中央，再进入进气管（如图2.82所示）。

现代汽车发动机普遍采用纸质滤清器，因为它具有结构简单、体积小、质量轻、滤清阻力小、高度低、成本低、维护方便等特点。

②进气管。通常所说的进气管包含进气导流管和进气歧管。进气导流管指从空滤器至节气门处的一根总管，从节气门处到发动机的部分称为进气歧管（如图2.83所示）。进气管的作用是将空气或可燃混合气送到发动机的各个汽缸，并可使可燃混合气和油膜（对汽油机而言）得到进一步的汽化。进气导流管常用复合材料制造，具有一定的柔性，用于连接空气滤清器和发动机，这种设计便于空滤器和发动机的安装；进气歧管常用铸铁或铝合金制造，因为这段安装在发动机上须承受一定的温度，有些发动机的进气歧管上还需安装一些机件。进气管的设计原理是使空气流动阻力尽可能小，保证燃油和空气均匀混合，并尽可能地将混合气均匀分配给各缸。

③可变进气管。有些发动机的进气方式采用可变进气管，这是为了充分利用进气波动效应和尽量缩小发动机在高、低速运转时进气速度的差别，从而达到改善发动机经济性及动力性，特别是改善中、低速和中、小负荷时的经济性和动力性的目的。发动机在高转速、大负荷时气流走粗、短的进气歧管，中、低转速和中、小负荷时走细、长的进气歧管。这种设计的可变进气歧管可使发动机在所有转速下的转矩平均提高5%（如图2.84所示）。

④空气计量装置的作用是检测流经进气管的空气量，并将检测到的空气量数据转换成ECU能够识别的电子数据，以便ECU做出判断指令喷油器喷出合适的燃油，形成最佳的可燃混合气。空气计量装置的测量方法多种多样，如检测空气流的脉动状况、空气流的温度变化、空气流的能量大小、空气流的压力高低等，归纳起来有两类：测量空气流量或进气压力。这些数据的变化可使计量装置中电阻阻值发生改变，然后通过测量电阻两端的电压变化从而判断流入空气量的变化。

（2）废气排出部分

①排气系统指收集并且排放废气的系统，包括排气歧管、排气管、消声器、尾管。废气自汽缸排出后，随即进入排气歧管，经各缸的排气歧管汇集后，通过排气管将废气排出。气体在排气歧管内以脉冲的方式离开引擎，所以各缸的排气歧管长度及弯度也要设计成尽量相同（如图2.85所示），使各缸的排气都能一样的顺畅。排气歧管一般用铸铁，也有用不锈钢板制成的，接合面处装有石棉衬垫，以耐高温，防止漏气。

②排气管的作用是汇集各缸燃烧生成的废气，经排气消声器排出。设计排气管的原理是尽量降低排气背压，排气阻力越小越好。排气歧管示意图如图2.86所示。

③排气消声器的作用就是逐渐衰减排气压力及其脉动来减小排气噪声并消除废气中的火星，使废气安全地排入大气。

当排气门刚打开时，发动机的排气压力为0.3～0.5MPa，温度为500～700℃，具有一定的能量。同时，由于排气的间歇性，在排气管内引起排气压力的脉动。如果将发动机废气直接排放到大气中，废气高速喷出时势必产生强烈的噪声，同时高温气体直接排入大气也会对环境造成危害。因此，在排气管口处安装有排气消声器，其基本原理是消耗废气流的能量，平衡气流的压力波动。具体方法是：多次变动气流方向；使气流重复通过收缩而又扩张的断面；将气流分割为许多小支流，并沿着不平滑的平面流动；将气流冷却。

典型排气消声器的构造如图2.87所示。消声器外壳用薄钢板焊制，为延长寿命多采用渗铝处理。消声器两端各有一入口和出口，中间有隔板，将其分割成几个尺寸不同的消声室，消声空间由带许多小孔的管连接。有的还在消声器内充填耐热的吸声材料。吸声材料多为玻璃纤维或石棉。废气进入多孔管和消声室后，在里面膨胀冷却，受到反射，又多次与消声器内壁碰撞消耗能量，结果压力下降，振动减轻，最后从多孔管排到大气。加装排气消声器，不可避免地会增加排气的阻力，使发动机排气不彻底，废气稀释混合气，使发动机功率有所下降。

④三元催化器是安装在汽车排气系统中的机外净化装置，它可将汽车尾气中的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。三元催化器的工作原理是：当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的净化剂将增强CO、HC和NOx三种气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应，其中CO在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体；HC化合物在高温下氧化成水（H2O）和二氧化碳；NOx还原成氮气和氧气（如图2.88所示)。由于这种催化器可同时将废气中的三种主要有害物质转化为无害物质，故称三元催化器。

（3）涡轮增压器

①增压器的作用。涡轮（Turbo），一般来说，轿车尾部标有Turbo或者T，即表明该车采用的发动机是涡轮增压发动机。在发动机排量不增大的情况下，提高发动机动力性和经济性的最有效的措施就是增加进气量。增压器的作用就是强制性地将新鲜空气压入汽缸，而不是靠发动自然吸入。发动机装上增压器后，其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加30%～100%甚至更高，这就意味着同样一台发动机在经过增压之后能够产生更大的功率，但是耗油量却并不增加多少。另一个方面，提高了燃油经济性和降低了废气排放。

②增压器的类型有机械式、气波式、废气涡轮式和复合增压式，车用发动机广泛采用废气涡轮增压系统，其他几种采用较少。

机械增压系统安装在发动机上并由皮带与发动机曲轴相连接。增压器的转子从曲轴处获得动力将空气增压，然后压入汽缸（如图2.89所示）。这种系统的优点是提速无延迟现象，动力输出非常流畅，低转速也能获得增压，发动机动力性能更出色。缺点是由于依靠发动机驱动，因而受到发动机转速特性的牵制，且消耗了部分动力，另外，机械增压的噪声大于涡轮增压系统。（如图2.90所示）。

气波增压器是使两种气体工质直接接触并通过压力波来传递能量的压力转换器，由空气定子、燃气定子和转子组成。空气定子与内燃机进气管联通，燃气定子与排气管连通。转子由内燃机曲轴通过皮带驱动。转子被皮带按箭头方向带动转动时，转子上由叶片组成的轴向气道与高压燃气入口接通，高压废气急速进入气道遂产生压缩波。压缩波以声速将其能量沿气道传播，并传递给先前充满气道内的空气，使其压力和密度升高形成高压状态并沿压缩波传递方向流动。高压空气出口设在高压燃气入口的斜对面，并顺转动方向向后错开一个角度。当轴向气道与高压空气出口接通时，高压空气的压力大于进气管压力，高压空气进入内燃机进气管供入汽缸。在废气到达气道长度的2/3左右时，轴向气道恰好转过高压燃气入口，废气停止流入轴向气道。当轴向气道与低压燃气出口接通时，废气利用残余膨胀力经排气管排入大气，轴向气道内的压力迅速下降。当轴向气道与低压空气入口接通时，由于废气的流动造成轴向气道内处于负压，新鲜空气自大气被吸入气道。轴向气道转过低压空气入口和低压燃气出口后，轴向气道内遂充满新鲜气体。转子继续转动又开始下一个相同的循环（如图2.91所示）。气波增压器的增压压力与大气压力之比可达2.5∶1，增压压力在整个内燃机转速范围内变化不大，能量转换过程也不受转子惯性的影响，因此气波增压器具有良好的速度和负荷响应特性，比较适合汽车发动机增压的要求。但气波增压器运转噪声大，结构不如涡轮增压器（见废气涡轮增压）紧凑，不太适合安装在体积较小的轿车上，故应用尚少。

废气涡轮增压系统是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的泵轮，泵轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入汽缸（如图2.92和图2.93所示）。这种增压器的优点是利用了发动机的废气动能做动力，消耗发动机的能量较少。不足之处是，当发动机转速较低时，增压器起得作用几乎为零，随着发动机转速增加，废气排出速度增加，涡轮转速也同步增加，压入汽缸的空气也更多。因此，这种增压器的工作时间有一定的滞后性。另外，废气涡轮增压器的工作温度很高，高温带来两方面缺陷：第一，润滑油受到高热而快速氧化。解决措施是选用耐高温、抗氧化好的优质机油和加装机油冷却器。第二，进气流受高温影响使发动机的充气系数下降，解决措施是加装进气冷却器或加大发动机冷却系的冷却效果。另外，增压器在工作时，转子的转速非常高，可达到每分钟数万转，如此高的转速和温度使得常见的机械滚针或滚珠轴承无法为转子工作，因此，涡轮增压器普遍采用全浮动轴承，由润滑油来进行润滑和冷却。

复合增压系统。机械增压有助于发动机低转速时的扭矩输出，但是高转速时作用有限，而废气涡轮增压在发动机高转速时拥有强大的功率输出，低转速时则力不从心。复合增压系统把机械增压和涡轮增压结合在一起，同时解决低速扭矩和高速功率输出的问题（如图2.94所示）。

在复合增压系统的工作过程中，低转速时由机械增压提供大部分的增压压力，中转速时，两个增压器同时提供增压压力，随着转速的提高，涡轮增压器发挥更大的作用，与此同时，机械增压器的增压压力逐渐降低，最后停止工作。机械增压器的工作通过电磁离合器控制，在发动机转速超过设定值时，电磁离合器分离，机械增压器完全停止工作，防止消耗发动机功率，这时的发动机由涡轮增压器提供所有的增压压力。

复合增压系统在大功率柴油机上采用比较多，汽油机上还比较少。采用这一系统，其发动机输出功率大、燃油消耗率低、噪声小，但结构复杂、技术要求高、维修保养不易。