（一）内燃机常识

1.泵车动力装置

泵车动力装置常见的有三种，即汽油发动机、柴油发动机和直流电动机，而柴油机用得最多。虽然动力装置的构造和安装位置各异，但对泵车其他装置的构造影响不大。泵车五十铃发动机如图2-13所示。

2.发动机类型

泵车上使用的内燃机，大多数是往复活塞式内燃机，即燃料燃烧产生的爆发压力通过活塞的往复运动转变为驱动车辆的机械动力。

发动机由于燃料和点火方式的不同，可分为汽油发动机（简称汽油机）和柴油发动机（简称柴油机）两大类型。汽油机一般是先使汽油和空气在化油器内混合成可燃混合气，再输入发动机气缸并加以压缩，然后用电火花点火使之燃烧发热而做功。所以这种汽油机称为化油器式汽油机。有的汽油机是将汽油直接喷入气缸或进气管内，同空气混合成可燃混合气，再用电火花点燃，这种发动机称为汽油喷射式汽油机。柴油机所使用的燃料是轻柴油，一般是通过喷油泵和喷油器将柴油直接喷入发动机气缸，与在气缸内经过压缩后的空气均匀混合，使之在高温下自燃，这种发动机称为压燃式发动机。

图2-13 泵车五十铃发动机

内燃机有如下分类：

按照燃料分：汽油机、柴油机、煤气机、天然气机等。

按照着火方式分：点燃式内燃机、压燃式内燃机。

按照工作循环的行程数分：四冲程内燃机、二冲程内燃机。

按照气缸排列方式分：直列式内燃机、V型内燃机、对置式内燃机、横置式内燃机。

按照冷却方式分：水冷式内燃机、风冷式内燃机。

按照活塞运动方式分：往复活塞式内燃机、旋转活塞式内燃机。

按照进气方式分：自然吸气式内燃机、增压式内燃机。

按照气缸数分：单缸内燃机、多缸内燃机。

按照转速分：高速内燃机、中速内燃机、低速内燃机。

按照用途分：工程机械用、汽车用、拖拉机用、船用、发电机用等。

3.发动机的不同结构形式

发动机的不同结构形式如图2-14所示。

图2-14 不同结构形式的发动机

（二）发动机的构造与工作原理

1.发动机的构造

泵车发动机的基本原理相似，其基本构造大同小异。汽油机通常由两大机构和五大系统组成，即曲柄连杆机构、配气机构、供给系统、润滑系统、冷却系统、点火系统和起动系统等。柴油发动机的结构大体上与汽油机相同，但由于使用的燃料不同，混合气形成和点燃方式不同，因此柴油机由两大机构、四大系统组成，没有化油器、分电器、火花塞，而另设喷油泵和喷油器等，如图2-15所示。有的柴油机还增设废气涡轮增压器等。

2.发动机常用术语

发动机一般有如下常用术语：

（1）上止点活塞顶离曲轴中心最远处位置。

（2）下止点活塞顶离曲轴中心最近位置。

（3）活塞行程（S）上、下止点间的距离，如图2-16所示。

图2-15 柴油发动机结构示意图

图2-16 上、下止点

（4）曲柄半径曲轴与连杆下端的连接中心至曲轴中心的距离R，称为曲柄半径，如图2-17所示。

（5）气缸工作容积活塞从上止点到下止点所扫过的容积，称为气缸工作容积或气缸排量。气缸工作容积等于气缸总容积减燃烧室容积。

（6）气缸总容积V活塞在下止点时，其顶部以上的容积，称为气缸总容积。气缸总容积等于气缸工作容积加燃烧室容积。

（7）燃烧室容积v活塞在上止点时，其顶部以上的容积，称为燃烧室容积。燃烧室容积等于气缸总容积减气缸工作容积。

（8）压缩比压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比，称为压缩比（图2-18）。换言之，压缩比等于气缸总容积与燃烧室容积之比。

（9）功率功与完成这些功所用时间的比值称为功率，如图2-19所示。

（10）转矩垂直方向上的力乘以与旋转中心的距离力矩，发动机所输出力矩称为转矩，如图2-20所示。

图2-17 发动机示意

图2-18 压缩比

图2-19 功率

图2-20 转矩

（11）发动机的性能曲线发动机外特性曲线是在发动机最好的工作状态下能使发动机发出最大功率的情况下测出来的发动机速度特性曲线，如图2-21所示。

当柴油机的油门固定在标定位置或者汽油机的节气门全开时，发动机的性能指标，如功率、燃油消耗率等性能指标随速度变化的情况为发动机的外特性曲线。

图2-21 发动机的性能曲线

3.发动机的工作原理

发动机的功能是将燃料在气缸内燃烧产生的热能转换为机械能，对外输出动力。能量转换过程是通过不断地依次反复进行“进气—压缩—做功—排气”四个连续过程来实现的，发动机气缸内进行的每一次将热能转换为机械能的过程叫一个工作循环。

在一个工作循环内，曲轴旋转两周，活塞往复四个行程，称为四冲程发动机。

（1）四冲程汽油机的工作原理汽油机是利用汽油蒸发性较好的特性，使汽油在气缸外部通过化油器与空气混合形成可燃混合气后吸入气缸，经压缩后再用电火花点燃以获得热能。

1）进气行程。活塞由上止点向下止点移动，进气门开启，排气门关闭，活塞上方容积逐渐增大，形成一定真空度，可燃混合气通过进气门被吸入气缸。活塞到达下止点时，曲轴转过半周，进气门关闭，进气行程结束，如图2-22a所示。

图2-22 四冲程汽油机工作循环示意图

2）压缩行程。活塞在曲轴的带动下，由下止点向上止点运动，进、排气门均关闭，曲轴旋转第二个半周，气缸内的可燃混合气被压缩至燃烧室内，使其温度和压力均升高。当活塞到达上止点时，压缩行程结束。此时，可燃混合气的压力为800～1400kPa，温度为350～450℃，如图2-22b所示。

3）做功行程。压缩行程末，火花塞产生电火花点燃混合气并迅速燃烧，使气体温度、压力急剧升高而膨胀，推动活塞由上止点向下止点运动，并经连杆带动曲轴旋转做功。活塞到达下止点，做功行程结束。做功行程初期，气体最高压力达2940～3920kPa，瞬时温度达1800～2000℃，如图2-22c所示。

4）排气行程。进气门仍关闭，排气门开启，曲轴通过连杆推动活塞从下止点向上止点运动。废气在自身压力和活塞的挤压下被排出气缸。活塞到达上止点，排气行程结束。此时，气体压力为105～125kPa，温度为600～900℃，如图2-22d所示。

（2）四冲程柴油机工作原理柴油机是在吸入气缸内的空气被压缩产生高温、高压的情况下，将柴油直接喷入气缸，与经压缩后的高温、高压空气混合自燃产生热能。

四冲程柴油机的工作循环和汽油机一样，也由进气、压缩、做功和排气四个行程组成。由于燃料性质不同，可燃混合气的形成、着火方式等与汽油机有较大区别，如图2-23所示。

1）进气行程。与汽油机相比，进入柴油机气缸的是纯空气。

2）压缩行程。压缩的是纯空气。由于柴油机压缩比大（一般为15～22），因此压缩终了气体的温度和压力比汽油机高，温度可达500～700℃，压力达4415kPa。

3）做功行程。压缩行程末，高压柴油经喷油器呈雾状喷入气缸，迅速汽化并与空气形成混合气。由于压缩终了气缸内温度远高于柴油的自燃温度（500℃左右），柴油立即自行着火燃烧。柴油发动机没有点火系统。

图2-23 单缸四冲程柴油机工作循环示意图

1—曲轴 2—连杆 3—活塞 4—气缸 5—进气道 6—进气门 7—喷油器 8—排气门 9—排气道

（3）多缸发动机的工作顺序

1）四冲程四缸发动机的做功顺序：1-2-4-3或1-3-4-2，如图2-24所示。

2）四冲程六缸发动机的做功顺序：1-5-3-6-2-4，如图2-25所示。

图2-24 四冲程四缸发动机做功顺序

图2-25 四冲程六缸发动机做功顺序

　　（4）发动机的编号对内燃机产品的名称、型号及编制规则进行了规范。该标准的主要内容如下：

1）内燃机产品的名称均按所采用的燃料类型命名，例如柴油机、汽油机、石油天然气发动机等。

2）内燃机型号由汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。

3）内燃机型号由四部分组成，其排列顺序及符号意义如图2-26所示。

例如：

165F——单缸、四冲程、缸径65mm、风冷、通用型；

R175A——单缸、四冲程、缸径75mm、水冷、通用型（R为175产品换代符号、A为系列产品改进的区分符号）；

R175ND——单缸、四冲程、缸径75mm、凝气冷却、发电机组用（R含义同上）；

495T——四缸、直列、四冲程、缸径102mm、水冷、拖拉机用；

YZ6102Q——六缸、直列、四冲程、缸径102mm、水冷、车用、产地为扬州柴油机厂；

12V135ZG——十二缸、V形排列、四冲程、缸径135mm、水冷、增压、工程机械用；

1E65F——单缸、二冲程、缸径65mm、风冷、通用型发动机；

4100Q-4——四缸、直列、四冲程、缸径100mm、汽车用第四种变型发动机。

图2-26 内燃机编号规则

（三）曲柄连杆机构

曲柄连杆机构是产生输出动力的机构，主要由缸体曲轴箱组、活塞连杆组和曲轴飞轮组三部分组成。

1.缸体曲轴箱组

缸体曲轴箱组主要有气缸体、气缸盖与燃烧室、气缸衬垫、曲轴箱等。

（1）气缸体水冷发动机的气缸体通常与上曲轴箱铸成一体，是发动机的主体骨架，如图2-27所示。气缸体中的圆筒称为气缸。为了提高气缸的耐磨性，延长发动机的使用寿命，在气缸内常镶有气缸套。气缸套有干式缸套和湿式缸套两种，如图2-28所示。

①气缸体的结构形式。主要有一般式、龙门式和隧道式三种，如图2-29所示。曲轴轴线与上曲轴箱下表面在同一平面的称为一般式气缸体；上曲轴箱下表面在曲轴轴线以下的称为龙门式气缸体；气缸体可以安装滚柱轴承支承曲轴的称为隧道式气缸体。

②气缸的排列形式。多缸发动机主要有单列式（直列式）、双列式（V型）和对置式（平卧式）三种，如图2-30所示。

图2-27 气缸体和上曲轴箱

1—气缸套 2—气缸体 3—盘根 4—后主轴承盖 5—油封条 6—螺栓 7—油堵 8—中间轴承盖 9—主轴承盖 10—水套孔

图2-28 气缸套

图2-29 气缸体的结构形式

1—气缸体 2—水套 3—湿式缸套 4—凸轮轴承座 5—加强肋 6—主轴承座 7—主轴承座孔 8—安装油底壳平面 9—安装主轴承盖平面

（2）气缸盖

①气缸盖的功用。密闭气缸上部，并与活塞顶部和气缸壁一起构成燃烧室，如图2-31所示。

②缸盖的结构。有水套（水冷）或散热片（风冷）、燃烧室及进排气通道、火花塞座孔（汽油机）或喷油器座孔（柴油机设有与缸体密封的平面），以及安装气阀装置和其他零部件的定位面及润滑油道等。

图2-30 气缸的排列形式

③缸盖的安装。应按由中央向四周的顺序紧固螺栓，按规定力矩分2～3次紧固。对于铸铁缸盖，在冷车紧固好后热车时再检查紧固一次，而铝合金缸盖在冷车紧固一次即可。

（3）燃烧室燃烧室由活塞顶部及缸盖上相应的凹部空间组成。

（4）气缸衬垫用以保证接合面的密封，防止漏气、漏水与窜油，安装在气缸盖与气缸体之间。目前应用较多的是金属—石棉气缸盖衬垫。

2.活塞连杆组

活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销和连杆组成，如图2-32所示。

（1）活塞活塞的功用是承受气缸内的气体压力，并通过活塞销和连杆传给曲轴。

活塞直接承受高温、高压气体的作用，并进行不等速的高速往复运动。活塞顶部与缸盖及缸壁共同组成燃烧室。活塞由顶部、头部、裙部三部分组成。

图2-31 发动机缸盖

1—曲轴箱通风空气滤清器 2—盖形螺母 3—密封垫 4—螺柱 5—前缸盖罩 6—密封条 7—缸盖 8—塞片 9—定位销 10—气缸垫 11—节温器罩 12—衬垫 13—节温器 14—缸盖出水管

（2）活塞环活塞环分为气环和油环。一般发动机每个活塞上装有2～3道气环，1～2道油环。

①气环的作用：保证活塞与缸壁间的密封，防止气缸中的高温、高压燃气大量漏入曲轴箱，同时使活塞顶部的大部分热量传给缸壁，由冷却液带走。常见的有矩形环、扭曲环、锥面环、梯形环和桶面环。

②油环的作用：用来刮除缸壁上多余的润滑油，并在缸壁上涂覆一层均匀的润滑油膜，这样既可以防止润滑油窜入气缸燃烧，又可以减小活塞、活塞环与缸壁的摩擦阻力。此外，油环还有辅助密封作用。油环有普通油环和组合油环两种。

（3）活塞销

1）活塞销的作用。连接活塞与连杆小头，将活塞承受的气体作用力传给连杆。

2）活塞销的连接方式分“全浮式”连接和“半浮式”连接两种，如图2-33所示。

①全浮式连接是指在发动机运转过程中，活塞销不仅可以在连杆小端衬套孔内转动，还可以在销座孔内缓慢地转动，以使活塞销各部分的磨损均匀。泵车多采用全浮式连接方式。

②半浮式连接是指活塞销固定在连杆小端孔内，只可以在销座孔内缓慢地转动，与连杆小头没有相对运动。此种连接的连杆小端孔内无衬套。

（4）连杆

1）功用。将活塞承受的力传给曲轴，并使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。

图2-32 活塞连杆组

1—活塞 2—活塞环 3—活塞销 4—连杆 5—连杆螺栓 6—连杆盖 7—连杆瓦

图2-33 活塞销的连接方式

2）组成。包括小端、杆身、大端三部分。

①小端与活塞销相连，工作时与销之间有相对转动，因此小端孔中一般压入减摩的青铜衬套。为了润滑，在小端和衬套上钻出集油孔或铣出集油槽，用来收集发动机运转时被曲轴激溅上来的机油。有的发动机连杆采用小端压力润滑，在杆身内钻有纵向的压力油通道。

②连杆杆身通常做成“工”字形断面，以求在强度和刚度足够的前提下减小质量。

③连杆大端与曲轴的曲柄销相连，一般做成剖分式的，被分开的部分称为连杆盖，由特制的连杆螺栓紧固在连杆大端上，连杆盖与连杆大端采用组合镗孔，为了防止装配时配对错误，在同一侧刻有配对记号。安装在连杆大端孔中的连杆轴瓦是剖分成两半的滑动轴承。轴瓦在厚1～3mm薄钢背的内圆面上浇铸有0.3～0.7mm厚的减摩合金层。减摩合金具有保持油膜、减少磨损和加速磨合的作用。

3.曲轴飞轮组

曲轴飞轮组主要由曲轴、飞轮和附件组成，如图2-34所示。

图2-34 曲轴飞轮组

1—减振器螺栓 2—曲轴垫块 3—扭转减振器 4—曲轴前油封 5—定位销 6—上主轴承 7—推力轴承 8—曲轴正时齿轮 9—曲轴 10一曲轴后油封 11—飞轮总成 12—飞轮螺栓垫圈 13—飞轮螺栓 14—下主轴承

（1）曲轴

1）功用。把活塞连杆组传来的气体作用力转变为力矩，用来驱动配气机构及其他各种辅助装置。

2）组成。主要有曲轴的前端、若干个曲拐和曲轴的后端（功率输出端）三部分。曲轴一般采用优质中碳钢或中碳合金钢锻制，轴颈表面经淬火或渗氮处理。

①曲轴前端装有驱动凸轮轴的正时齿轮、驱动风扇、水泵的传动带轮及起动爪等。

②曲轴轴颈是曲轴的支承点和旋转轴线。曲轴臂起着连接主轴颈和连杆轴颈的作用。曲轴的平衡重用来平衡由旋转形成的惯性力。

③曲轴后端有安装飞轮用的凸缘。

④轴向限位和油封。为了限制曲轴的轴向移动，防止曲轴因受到离合器施加于飞轮的轴向力及其他力的作用而产生轴向窜动，破坏曲轴连杆机构各零件的相对位置，用止推片加以限制，即轴向定位装置。为了防止机油沿曲轴轴颈外漏，在曲轴前端、后端装有挡油盘、油封及回油螺纹等封油装置。

（2）飞轮

①作用。将在做功行程中输入曲轴的一部分动能储存起来，用以在其他行程中克服阻力，带动曲柄连杆机构经过上、下止点，保证曲轴的旋转角速度和输出转矩尽可能均匀，并使发动机有可能克服短时间的超载。此外，在结构上飞轮往往是传动系统中摩擦离合器的驱动件。

②构造。飞轮是由铸铁制成的圆盘，外缘上压有齿环，可与起动机的驱动齿轮啮合，供起动发动机用，安装在曲轴后端。飞轮上通常刻有点火正时记号，以便检验和调整点火时间及气门间隙。多缸发动机的飞轮与曲轴一起进行动平衡校验，拆装时为保证它们的平衡状态不受破坏，飞轮与曲轴之间有定位销或不对称螺栓定位。

（四）配气机构

1.概述

（1）配气机构的功用配气机构是进气和排气的控制机构。它是按照发动机各缸的做功次序和每一缸工作循环的要求，定时地开启和关闭各气缸的进、排气门，使可燃混合气（汽油机）或空气（柴油机）及时进入气缸，并将废气及时排出气缸。

（2）配气机构的组成配气机构由气门组和气门传动组组成，如图2-35所示。

图2-35 配气机构的组成

（3）配气机构的分类

①按气门的安装位置，可分为顶置气门式和侧置气门式两种，目前泵车发动机均采用顶置气门式配气机构。

②按凸轮轴布置位置，可分为凸轮轴下置式、凸轮轴中置式、凸轮轴上置式。

③按凸轮轴传动方式，可分为齿轮传动式、链传动式、齿形带传动式。

④按气门驱动形式，可分为摇臂驱动式、摆臂驱动式、直接驱动式。

⑤按每缸气门数，可分为两气门式、多气门式。

（4）配气机构的工作原理曲轴通过正时齿轮驱动凸轮轴转动。四冲程发动机每完成一个工作循环，曲轴旋转两周，各缸的进、排气门各开启一次，此时凸轮轴只旋转一周。因此，曲轴与凸轮轴的传动比为2∶1。凸轮轴在转动过程中，凸轮基圆部分与挺柱接触时，挺柱不升高。当凸轮的凸起部分与挺柱接触时，将挺柱顶起，通过推杆和调整螺钉使摇臂绕轴摆动，压缩气门弹簧，使气门离座，气门开启。当凸轮的凸起最高点与挺柱接触时，气门开启最大，转过该点后，气门在气门弹簧作用下开始关闭，当凸轮凸起部分离开挺柱时，气门完全关闭。

2.气门组

（1）组成气门组主要包括气门、气门导管、气门座及气门弹簧等零件，如图2-36所示。

1）气门。气门由头部和杆部组成。

①气门头部工作温度很高（进气门可达570～670℃，排气门可达1050～1200℃），还要承受气体压力以及气门弹簧张力和运动惯性力，同时冷却和润滑条件差，因此，气门的结构和性能要求很高。进气门常采用合金钢（铬钢或镍铬钢等）制造，排气门则采用耐热合金钢（硅铬钢等）制造。

②气门密封锥面的锥角，称为气门锥角。进气门锥角一般为30°，排气门锥角一般为45°。多数发动机进气门的头部直径做得比排气门大。为保证气门头与气门座良好密合，装配前应将两者的密封锥面互相研磨，研磨好的气门不能互换。

2）气门导管。保证气门做往复运动时，气门与气门座能正确密合。气门杆与导管之间一般留有0.05～0.12mm的间隙。

3）气门弹簧。多为圆柱形螺旋弹簧，材料为高碳钢等冷拔钢丝。为了防止弹簧发生共振，可采用变螺距的圆柱弹簧或双弹簧。

（2）功用保证实现气缸的密封。要求气门头与气门座贴合严密，气门导管有良好的导向性，气门弹簧上、下端面与气门杆中心线垂直，气门弹簧有适当的弹力。

图2-36 气门组

3.气门传动组

（1）组成气门传动组主要包括凸轮轴、正时齿轮、挺柱及其导管，气门顶置式配气机构中有的还有推杆、摇臂、摇臂轴等，如图2-37a所示。

（2）功用使进、排气门能按配气相位规定的时刻开闭，并保证有足够的开度。凸轮轴上主要配置有各缸进、排气凸轮，用以使气门按一定的工作次序和配气相位顺序开闭，并保证气门有足够的升程，如图2-37b所示。

在装配曲轴和凸轮轴时，必须将正时记号对准，以保证正确的配气相位和点火时刻。

4.气门间隙

（1）定义气门间隙是指气门处于完全关闭状态时，气门杆尾端与摇臂（或挺柱、凸轮）之间的间隙。

（2）功用气门间隙是给配气机构零件受热膨胀时留出的余地，保证气门密封。

（3）分类气门间隙分热态间隙与冷态间隙两种。前者是发动机达到正常工作温度后停车检查调整的数据；后者是发动机在常温条件下检查调整的数据。一般调整螺钉在冷态时，进气门间隙为0.25～0.30mm，排气门间隙为0.30～0.35mm。采用液力挺柱的配气机构，由于液力挺柱的长度能自动调整，随时补偿气门的热膨胀量，故不需留有气门间隙。

（4）调整正常的气门间隙会因配气机构机件磨损而发生变化，气门间隙过大或过小都会影响发动机的正常工作。为了能对气门间隙进行调整，在摇臂上装有调整螺钉及锁紧螺母，如图2-38所示。

图2-37 气门传动组

1—凸轮轴轴颈 2、4—凸轮 3—偏心轮 5—齿轮

图2-38 气门间隙

（五）柴油机燃料供给系统

柴油机燃料供给系统是柴油发动机的重要组成部分，也是其区别于汽油发动机的基本内容，它对整机的动力性、经济性、可靠性和耐久性都有较大影响。由于柴油价格低廉、产生的污染轻，目前泵车广泛采用柴油发动机。

1.柴油机燃料供给系统的功用

燃料供给系统完成柴油的储存、滤清和输送工作，并按照柴油机各种不同工况的要求，定时、定量、定压地将柴油喷入燃烧室，使其与空气迅速而良好地混合后燃烧，并在燃烧后将废气排入大气。

2.柴油机燃料供给系统的组成

燃料供给系统由燃料供给装置、空气供给装置、混合气形成装置和废气排出装置四部分组成，如图2-39所示。

（1）燃料供给装置它主要有柴油箱、输油泵、柴油滤清器、低压油管、喷油泵、高压油管、喷油器和回油管等。

（2）空气供给装置它主要有空气滤清器、进气管及进气道等。

图2-39 柴油机燃料供给系统组成

（3）混合气形成装置混合气形成装置即为燃烧室。

（4）废气排出装置它主要有排气道、排气管及排气消声器等。

3.油路

（1）低压油路从柴油箱到喷油泵入口这段油路为低压油路，其油压是由输油泵建立的，一般为150～300kPa。

（2）高压油路从喷油泵到喷油器这段油路为高压油路，其油压是由喷油泵建立的，一般在1000kPa以上。

（3）回油路由于输油泵的供油量比喷油泵的出油量大3～4倍，大量多余的柴油经回油管流回输油泵的进口或直接流回柴油箱。

发动机工作时，输油泵将燃油从油箱中吸出，经粗滤器滤去微小杂质，而后流入喷油泵。喷油泵将部分燃油增至高压，经高压油管和喷油器喷入燃烧室，多余的燃油从喷油泵或燃油滤清器上的限压阀经回油管流回油箱。

4.混合气的形成与燃烧室

（1）柴油机混合气形成特点

①柴油与空气是分别进入气缸的，因而混合气是在燃烧室内形成的。

②柴油机开始喷油后经过0.001～0.003s便开始燃烧，随后一边喷油，一边混合，一边燃烧，混合气形成的时间非常短促。

③混合气形成时间短，喷油又有一定的延续时间，因此混合气浓度在燃烧室内各处是不均的，且采用较多的过量空气。

（2）柴油机混合气形成方法

①空间混合。利用高压喷射使柴油成雾化颗粒均匀分布在燃烧室空间，并与压缩的空气混合形成可燃混合气。

②表面蒸发混合。用喷油器喷注与旋转的空气涡流运动配合，将燃油以油膜状态分布在燃烧室壁上，通过控制壁面最佳温度，借助空气涡流运动，使油膜迅速蒸发与空气混合形成可燃混合气。

③空间、表面混合使用。将一部分燃料喷入燃烧室空间形成混合气，另一部分燃料喷在燃烧室壁上形成油膜，以表面蒸发的形式形成可燃混合气。

（3）燃烧室当活塞到达上止点时，气缸盖和活塞顶组成的密闭空间称为燃烧室。柴油机的燃烧室结构比较复杂，按结构形式可分为两大类：

①统一式燃烧室。这是由凹形的活塞顶面及气缸壁直接与气缸盖底面包围形成单一内腔的一种燃烧室。采用这种燃烧室时，柴油直接喷射到燃烧室中，故又称直接喷射式燃烧室，主要形式有ω形、球形和U形等。目前国内最新生产的泵车发动机大多采用这种形式，如国产新昌490BPG型、495BPG型、LD495G型柴油发动机等，如图2-40所示。

图2-40 统一式燃烧室

②分开式燃烧室。这种燃烧室由活塞顶和缸盖底之间的主燃烧室与设在气缸盖的副燃烧室两部分组成。主副燃烧室之间用一个或几个通道相连，常见的有涡流室式燃烧室和预燃室式燃烧室两种，如图2-41所示。

5.柴油机燃料供给系统主要部件

（1）喷油器喷油器的功用是将燃油雾化成细微颗粒，并根据燃烧室的形状，把燃油合理地分布到燃烧室内，以便和空气混合成可燃混合气。喷油器可分为开式和闭式两种类型，目前柴油机多采用闭式喷油器。闭式喷油器又分为孔式和轴针式两类，孔式喷油器多用于统一式燃烧室，轴针式喷油器多用在分开式燃烧室。

1）孔式喷油器。它由喷嘴、喷油器体和调压装置三部分组成。喷孔的数目一般为1～8个，喷孔直径为0.2～0.8mm，如图2-42所示。

图2-41 分开式燃烧室

①构造。喷嘴由针阀和针阀体组成。针阀下端有一圆锥面与阀体下端的环形锥面共同起密封作用，用于切断或打开高压油腔和燃烧室的通路。调压装置由调压弹簧、垫圈、调压螺钉、锁紧螺母和推杆等组成。为使多缸柴油机各缸喷油器工作一致，应采用长度相同的高压油管。

②工作过程

a.喷油：当喷油泵开始供油时，高压柴油从进油口进入喷油器体内，沿油道进入喷油器阀体环形槽内，再经斜油道选入针阀体下面的高压油腔内。高压柴油作用在针阀锥面上，并产生向上抬起针阀的作用力。当此力克服了调压弹簧的预紧力后，针阀就向上升起，打开喷油孔，柴油经喷油孔喷入燃烧室。

b.停油：当喷油泵停止供油时（由于减压环带的减压作用，出油阀在弹簧作用下落座），高压油腔内油压骤然下降，作用在喷油器针阀的锥形承压面上的推力迅速下降，在弹簧力的作用下，针阀迅速关闭喷孔，停止喷油。

2）轴针式喷油器。轴针式喷油器与孔式喷油器相比，只是针阀偶件不同。针阀形状可以是侧锥形或圆柱形，轴针伸出喷孔外，从而形成一个圆环状的喷孔，直径为1～3mm。轴针和孔壁的径向间隙为0.02～0.06mm，喷注的形状将是空心的柱状或呈扩散的锥形，以配合燃烧室的形状，如图2-43所示。

图2-42 孔式喷油器

1—回油管螺栓 2—回油管衬垫 3—调压螺钉锁紧螺母 4—调压螺钉垫圈 5—调压螺钉 6—调压弹簧垫圈 7—高压弹簧 8—推杆 9—壳体 10—喷嘴偶件紧固螺套 11—针阀 12—针阀体 13—密封铜锥体 14—定位销 15—护盖 16—进油管接头

图2-43 轴针式喷油器

1—调压弹簧 2—喷油器体 3—针阀体 4—针阀 5—紧固螺母 6—顶杆 7—进油管接头 8—滤芯 9—调压螺钉 10—垫圈 11—锁紧螺母 12—回油管接头

（2）喷油泵

1）喷油泵（又称高压油泵）的作用将输油泵提供的柴油升高到一定压力，并按照柴油机的各种工况要求，定时、定量地将高压燃油送至喷油器。

2）分类。按其结构形式不同分为柱塞式喷油泵、喷油器喷油泵、转子分配式喷油泵三类。国产系列柱塞泵主要有A、B、P、z和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号等系列。目前，国产泵车柴油机大多采用柱塞式喷油泵。进口发动机的泵车多使用转子分配式喷油泵。国产中、小吨位泵车采用的多是Ⅰ号喷油泵，如图2-44所示。(www.daowen.com)

3）柱塞式喷油泵的组成。柱塞式喷油泵由泵体、泵油机构、油量控制机构、传动机构四大部分组成。它是利用柱塞在柱塞套筒内往复运动完成吸油和压油的，每副柱塞和柱塞套筒只向一个气缸供油。多缸发动机的每组泵油机构称为喷油泵的分泵，每组分泵分别向各自对应的气缸供油，如图2-45所示。

①泵油机构主要由柱塞偶件（柱塞和柱塞套筒）、出油阀偶件（出油阀和阀座）、柱塞弹簧、出油阀弹簧等组成。柱塞下端固定有调节臂，用以调节柱塞与柱塞套筒相对角的位置。

图2-44 国产Ⅰ号喷油泵结构图

　　a.柱塞弹簧上端支承在泵体上，下端通过弹簧座将柱塞推向下方，使柱塞下端压紧在滚轮体中的垫块上，从而使滚轮2保持与驱动凸轮相接触。柱塞偶件上部安装出油阀偶件，出油阀弹簧由压紧座压紧，使出油阀压在阀座上。

b.柱塞套筒由定位销钉固定，防止周向转动。柱塞调节臂安装在调节叉中，操纵供油拉杆可使柱塞在一定角度内绕本身轴线转动。

c.出油阀偶件由出油阀体11和出油阀座10组成，出油阀体头部有密封锥面，尾部铣出四个三角形槽，中间有一环形减压带。出油阀体被弹簧压紧在阀座上，两者经高精度研磨配合，不能互换。出油阀座中还装有一个减容器，作用是减少高压油腔的容积，同时限制出油阀的最大升程。

②油量调节机构的作用是在柱塞往复运动的同时使柱塞转动，以改变柱塞的有效行程，进而改变供油量，并使各缸供油量一致。

③传动机构是由凸轮轴和滚轮体总成组成。凸轮轴是由柴油机的曲轴通过正时齿轮驱动，带有衬套的滚轮可以在滚轮销上转动，滚轮销装在滚轮架的座孔中。曲轴转两圈，各缸喷油一次，凸轮轴只需转一圈就喷油一次，二者速比为2∶1。滚轮架外形是一圆柱体，能在泵体的圆孔中进行相应的往复运动，其上部装有调整垫块，以支承喷油泵柱塞。

喷油泵供油的时刻决定喷油器喷油的时刻，喷油提前角的调整是通过对喷油泵的供油提前角的调整而实现的。

4）柱塞式喷油泵的泵油原理。工作时，在喷油泵凸轮轴上的凸轮与柱塞弹簧的作用下，迫使柱塞上下往复运动，从而完成泵油任务，泵油过程可分为以下三个阶段：

①进油过程。当凸轮的凸起部分转过去后，在弹簧力的作用下，柱塞向下运动，柱塞上部空间（称为泵油室）产生真空度；当柱塞上端面把柱塞套上的进油孔打开后，充满在油泵上体油道内的柴油经油孔进入泵油室，柱塞运动到下止点，进油结束。

图2-45 柱塞式喷油泵分泵结构示意图

1—凸轮 2—滚轮 3—滚轮体 4—滚轮体垫块 5—柱塞弹簧座 6—柱塞弹簧 7—柱塞 8—柱塞套筒 9—垫片 10—出油阀座 11—出油阀体 12—出油阀弹簧 13—出油阀压紧座 14—定位销钉 15—调节叉 16—夹紧螺钉 17—供油拉杆 18—调节臂

②供油过程。当凸轮轴转到凸轮的凸起部分顶起滚轮体时，柱塞弹簧被压缩，柱塞向上运动，燃油受压，一部分燃油经油孔流回喷油泵上体油腔。当柱塞顶面遮住套筒上进油孔的上缘时，由于柱塞和套筒的配合间隙很小（0.0015～0.0025mm），使柱塞顶部的泵油室成为一个密封油腔，柱塞继续上升，泵油室内的油压迅速升高；当泵油压力大于出油阀弹簧力与高压油管剩余压力之和时，推开出油阀，高压柴油经出油阀进入高压油管，通过喷油器喷入燃烧室。

③回油过程。柱塞向上供油，当上行到柱塞上的斜槽（停供边）与套筒上的回油孔相通时，泵油室低压油路便与柱塞头部的中孔和径向孔及斜槽沟通，油压骤然下降，出油阀在弹簧力的作用下迅速关闭，停止供油。此后柱塞还要上行，当凸轮的凸起部分转过去后，在弹簧的作用下，柱塞又下行。此时便开始了下一个循环。

（3）调速器

1）功用。调速器使柴油机能随外界负荷（阻力）的变化自动调节供油量，从而保持怠速稳定和限制发动机最高转速，防止转速连续升高“飞车”或转速连续下降熄火。

2）分类。有两极式调速器和全程调速器两种。

①两极式调速器

a.作用：限制发动机最高转速和最低稳定转速，在最高转速和最低转速之间调速器不起作用，此时柴油机工作转速由驾驶员直接操纵供油拉杆来调节。

b.特点：有两根长度和刚度均不相同的弹簧，安装时都有一定的预紧力。低速弹簧长而软，高速弹簧短而硬。

c.工作原理：两极式调速器如图2-46所示。

图2-46 两极式调速器

1—支承盘 2—滑动盘 3—飞球 4—调速杠杆 5—拉杆 6—操纵杆 7—低速弹簧 8—高速弹簧 9—弹簧滑套 10—球面顶块 11—调节齿杆

怠速时，驾驶员将操纵杆置于怠速位置，发动机将以规定的怠速转速运转。这时，飞球的离心力不足以将低速弹簧压缩到相应的程度。飞球将因离心力而向外略张，推动滑动盘2右移而将球面顶块10向右推到一定位置，使飞球的离心力与低速弹簧的弹力处于平衡。如由于某种原因使发动机转速降低，则飞球离心力相应减小，低速弹簧伸张与飞球的离心力达到一个新的平衡位置。于是推动滑移盘左移而使调速杠杆4的上端带动调节齿杆向增加供油量的方向移动，适当增多供油量，限制了转速的降低。反之，如发动机转速升高，调速器的作用使供油量相应减小，限制了转速的升高。这样，调速器就保证了怠速转速的相对稳定。

如发动机转速升高到超出怠速范围（由于驾驶员移动操纵杆），则低速弹簧将被压缩，球面顶块10与弹簧滑套9相靠。高速时，因高速弹簧的预紧力阻碍着球面顶块的进一步右移，所以在相当大的转速范围内，飞球、滑动盘、调速杠杆、球面顶块等的位置将保持不动。只有当转速升高到发动机标定转速时，飞球的离心力才能增大到足以克服两根弹簧弹力的程度，这时调速器的作用防止了柴油机的超速。

②全程调速器。全程调速器不仅控制发动机最高转速和最低稳定转速，而且能自动控制从怠速到最高转速全部转速工作范围内的供油量，保持发动机在任何给定转速下稳定地运转。全程调速器的特点：调速弹簧的预紧力，可以在一定范围内通过改变调节叉位置而任意调节，从而在允许的转速范围内都可起调速作用。国产Ⅰ号喷油泵调速器如图2-47所示。泵车多采用全程调速器。

（4）输油泵

1）输油泵的作用。它将燃油从油箱中吸出，使燃油产生一定的压力，用以克服燃油滤清器及管路的阻力，保证连续不断地向喷油泵输送足够的燃油。

2）输油泵的分类。输油泵主要有活塞式、膜片式、齿轮式和叶片式等。柴油机泵车通常采用活塞式输油泵，如图2-48所示。

3）活塞式输油泵的组成。活塞式输油泵主要由泵体、活塞、推杆、进油阀及手油泵等机件组成。

图2-47 国产I号喷油泵调速器

1—拉杆传动板 2—调速限位块 3—高速限位螺钉 4—怠速限位螺钉 5—油量限位螺钉 6—滑套

图2-48 活塞式输油泵结构示意图

1—油管接头 2—保护套 3—出油管接头座 4—出油阀 5—壳体 6—下出油道 7—进油道 8—保护套 9—油管接头 10—进油阀 11—活塞 12—液压缸 13—活塞杆 14—液压缸盖

　　4）活塞式输油泵的工作原理。当发动机工作时，偏心轮转至如图2-49a所示位置的过程中，弹簧使活塞由上端移到下端，活塞下边油腔容积减小，油压增高关闭出油阀，燃油自出油口压至喷油泵。与此同时，活塞上方容积增大，油压降低，油箱的燃油从进油口流入，压开进油阀充满活塞上方油腔。当偏心轮顶动推杆，使活塞压缩弹簧向上移动时，活塞上方容积缩小，油压增高，关闭进油阀，压开出油阀，此时活塞下方油腔容积增大，压力降低，燃油经出油阀、平衡油道流入活塞下方油腔，为下次向喷油泵供油做好准备，如图2-49b所示。

图2-49 活塞式输油泵工作原理

1—偏心轮 2—滚轮 3—顶杆 4—通道 5—出油口 6、8—单向阀 7—活塞弹簧 9—进油口 10—活塞 11—弹簧

当输油泵的供油量大于喷油泵的需要量或燃油滤清器阻力过大时，出油口和活塞下腔油压升高，若此油压与弹簧力平衡，则活塞停在某一位置，即回不到最下端。因此活塞的有效行程减小，供油量也相应减少，并限制油压的进一步提高（供油压力不大于300～400kPa），这样就实现了输油量和供油压力的自动调节，如图2-49c所示。

（六）发动机润滑系统

润滑的实质是在两个相对运动机件之间送进润滑油形成油膜，用液体间的摩擦代替固体间的摩擦，从而减少机件的运动阻力和磨损。

1.润滑系统的作用

发动机润滑系统就是为了保证发动机的正常工作，将两接触面隔开，提高发动机的功率，延长其使用寿命。

（1）润滑作用在运动机件的表面之间形成润滑油膜，减少磨损和功率损失。

（2）清洗作用通过润滑油的循环流动，冲洗零件表面并带走磨损剥落下来的金属微粒。

（3）冷却作用循环流动的润滑油流经零件表面，带走零件摩擦所产生的部分热量。

（4）密封作用润滑油填满气缸壁与活塞、活塞环与环槽之间的间隙，可减少气体的泄漏。

（5）防锈作用在零件表面形成油膜，起保护作用，防止腐蚀生锈。

2.润滑方式

（1）压力润滑利用机油泵使机油产生一定压力，连续地输送到负荷大、相对运动速度高的摩擦表面，如曲轴主轴承、连杆轴承、凸轮轴承及摇臂轴等均采用压力润滑。

（2）飞溅润滑利用运动零件激溅或喷溅起来的油滴和油雾，润滑外露表面和负荷较小的摩擦面。气缸壁、活塞销以及配气机构的凸轮、挺柱等均采用飞溅润滑。

（3）润滑脂润滑对一些分散的、负荷较小的摩擦表面，可定时加注润滑脂，如水泵、发电机轴承等。

3.润滑系统的组成

润滑系统由机油泵、机油散热器、限压阀、机油滤清器、油管及油道、机油压力传感器、机油压力表和量油尺等机件组成，如图2-50所示。

（1）机油泵

1）机油泵的作用。将一定压力和一定数量的润滑油压送到润滑件表面。

2）机油泵的种类。发动机上常用的有外啮合齿轮式机油泵和内啮合转子式机油泵两种。

①齿轮式机油泵。从动轴压装在泵体上，从动齿轮套装在从动轴上。从动齿轮与主动轴过盈配合，主动轴与壳孔间隙配合；主动轴轴端开孔的颈部与联轴器用铆钉连接，如图2-51所示。

机油泵的进油口通过进油管与集滤器相通。出油口的出油道有两个：一个在壳体上与曲轴箱的主油道相通，这是主要的一路；另一个在泵盖上用油管与细滤器相通。

②转子式机油泵。由壳体、内转子、外转子和泵盖等组成，如图2-52所示。

图2-50 润滑系统的组成示意图

1—进油腔 2—出油腔 3—卸压槽 4—机油散热器 5—正时齿轮 6—气门摇臂 7—机油压力表 8—凸轮轴 9—活塞 10—曲轴 11—油温表

图2-51 齿轮式机油泵工作原理

1—进油腔 2—出油腔 3—卸压槽

转子式机油泵结构紧凑，外形尺寸小，重量轻，吸油真空度大，泵油量大，供油均匀性好，成本低，在中小型发动机上应用广泛。

（2）机油滤清器

1）作用。滤除机油中的金属磨屑及胶质等杂质，保持润滑油的清洁，延长润滑油的使用寿命，保证发动机正常工作。

图2-52 转子式机油泵组成

2）分类。按滤清方式不同，可分为过滤式和离心式两种。过滤式滤清器按滤芯结构的不同又分为金属网式、片状缝隙式、带状缝隙式、纸质滤芯式和复合式等。目前，新生产的泵车多采用一次性旋装式机油滤清器，规定行驶8000～10000km或工作200～250h必须更换。

①机油集滤器。用来滤去润滑油中较大的杂质，防止其进入机油泵内堵塞油道，一般是金属网式的，装在机油泵进油口之前。

②机油粗滤器。用以滤去机油中粒度较大（直径为0.05～0.1mm）的杂质，它对机油流动的阻力较小，一般串联于机油泵与主油道之间，属于全流式滤清器，如图2-53所示。

图2-53 全流式机油粗滤器结构示意图

1—拉杆 2—滤芯 3—压紧弹簧 4—旁通阀弹簧 5—旁通阀 6—刮片固定杆 7—滤清片 8—垫片 9—刮片 10—放油螺塞 11—固定螺栓 12—独芯轴 13—上盖 14—手柄

③机油细滤器。用于消除微小的杂质（直径小于0.05mm的胶质和水分）。它的流动阻力较大，因此与主油道并联，只有10%左右的润滑油通过，属于分流式滤器。机油细滤器有过滤式和离心式两种类型，由于过滤式细滤器存在滤清能力和通过能力的矛盾，故目前应用渐少。离心式细滤器靠转子旋转产生的惯性力将润滑油中的杂质分离出去，具有结构简单、使用可靠、寿命长、维护方便等优点，被广泛应用，如图2-54所示。

（3）限压阀当机油压力超过规定压力时，限压阀被打开，多余润滑油经限压阀流回机油泵的进油口或流回油底壳。

（4）旁通阀旁通阀并联在机油粗滤器的进、出油口之间。当粗滤器堵塞时，机油推开旁通阀，不经过滤芯，而直接从进油口到出油口至润滑系统。

4.润滑油路

一般发动机采用压力润滑和飞溅润滑的综合润滑方式，各种发动机润滑系统油路大体相似。发动机工作时，润滑油在机油泵作用下，经集滤器被吸入机油泵，并被压出。多数润滑油经粗滤器至主油道，经缸体上的横隔油道分别润滑曲轴主轴承、连杆轴承（经连杆大头喷孔喷出的油润滑凸轮、缸壁、活塞销）、凸轮轴颈、正时齿轮、空气压缩机、摇臂、推杆、气门等。少量润滑油经细滤器滤清后，回到油底壳，如图2-55所示。

（七）冷却系统

发动机工作温度过高或过低，不仅会使其动力性和经济性变坏，而且会加速机件的磨损或损坏。发机工作时，由于燃料的燃烧以及运动零件间的摩擦产生大量的热量，使零件受热而温度升高，特别是直接与高温气体接触的零件（如气缸体、气缸盖、活塞、气门等），因受热温度很高，若不及时冷却则会造成机件卡死和烧损，使发动机不能正常工作。因此必须对高温条件下工作的机件加以冷却。

1.冷却系统的功用

冷却系统能保证运转中的发动机在最适宜的温度（80～90℃）范围内连续工作。

2.冷却方式

根据发动机所用的冷却介质不同，冷却方式有风冷式和水冷式两大基本形式，如图2-56所示。

图2-54 离心式机油细滤器结构示意图

1—转子盖 2—挡板 3—转子体 4—喷嘴 5—推力轴承 6—转子轴 7—旁通阀 8—转子体端套 9—调整螺钉

图2-55 485Q型柴油机润滑油路

图2-56 发动机冷却方式

（1）风冷式冷却介质是空气，即利用风扇在缸体和缸盖周围的散热片中形成气流，将发动机的高温机件热量通过散热片直接散发到大气中而得以冷却。

（2）水冷式冷却介质是水，即将发动机高温机件的热量先传导给冷却液（即冷却水），通过冷却液的不断循环，使热量散发到大气中。

3.水冷却的种类

根据冷却液循环方式的不同，水冷却又可分为蒸发式、自然循环式、强制循环式三种。泵车主要采用强制循环式冷却方式，少数泵车采用蒸发式水冷却，如鲁工牌CPD（C）20型泵车采用的就是蒸发式水冷却。

4.水冷却系统的组成

水冷却系统一般由水泵、水套、散热器、百叶窗、风扇、分水管、节温器、冷却液温度表等组成，如图2-57所示。现代发动机上应用最普遍的是强制循环式水冷却系统（图2-58）。为使发动机在寒冷环境下温度能迅速达到最佳工作温度并防止冷却过度，一般发动机都有冷却强度调节装置，包括节温器、百叶窗和风扇离合器等。

（1）水泵水泵的主要作用是对冷却液加压，使冷却液循环流动。目前汽车发动机绝大多数使用的是机械离心式水泵，它由泵壳、叶轮、泵轴、轴承等组成，如图2-59所示。

图2-57 水冷却系统构成图

图2-58 水冷却循环图

1—散热器盖 2—散热器 3—百叶窗 4—水泵 5—风扇 6—放水开关 7—分水管 8—冷却液温度传感器 9—冷却液温度表

（2）风扇风扇的作用是促进散热器的通风，提高散热器的热交换能力。风扇通常安装在散热器后面，一般与水泵同轴，用螺钉固装在水泵轴前端传动带轮的凸缘上。当风扇旋转时，对空气产生吸力，使之沿轴向流动，气流由前向后通过散热器，使流经散热器的冷却液加速冷却，从而起到对发动机的冷却作用。

（3）散热器

①作用。将冷却液携带的热量散入大气，以保证发动机的正常工作温度。

②构造。它主要由上储水箱、下储水箱和散热片等组成。结构形式有管片式和管带式。目前，一些新生产的泵车大多采用特制管片式加大水箱，水箱散热面积以及水箱容量是同类产品的1.25倍，保证泵车在使用中不会产生过热现象。图2-60所示为现代CPC30型、CPCD35型系列泵车散热器。

图2-59 离心式水泵结构原理示意图

1—泵壳 2—叶轮 3—泵轴 4—进水口 5—出水口

图2-60 现代CPC30型、CPCD35型系列泵车散热器

③原理。来自水套的冷却液经进水管进入上储水箱，再经扁形水管到下储水箱。由于散热片增加了散热面积以及风扇的作用，使冷却液中的热量散入大气。

（4）节温器

①作用。用来改变冷却液的循环路线及流量，自动调节冷却强度，使冷却液温度经常保持在80～90℃。它安装在气缸盖出水管或水泵进水管内。

②类型。节温器可分为蜡式和折叠式两种形式，如图2-61所示。根据其阀门的数量又可分为单阀式和双阀式两种。节温器实物如图2-62所示。

图2-61 节温器

③工作原理。当冷却液温度低于节温器的开启温度76℃时，节温器的出液阀门关闭，气缸盖的出液全部经节温器旁路进入水泵进液口，而不通过散热器散热，此时的冷却液循环为小循环，如图2-63a所示。当出水温度达到节温器的开启温度76℃时，节温器内易挥发物质（如乙醚）蒸发，打开节温器出水阀门，冷却液经节温器的出水阀门进入散热器进行散热。当冷却液温度继续升高达到86℃时，节温器阀门完全打开，从气缸盖处出来的冷却液完全进入散热器，此时的冷却液循环为大循环，如图2-63b所示。

图2-62 节温器实物图

图2-63 节温器工作原理

（八）起动系统

电动机起动是以蓄电池为能源，由电动机把电能转换为机械能，通过齿轮使发动机曲轴旋转，实现发动机起动，此法为大多数机动车采用。起动电路及组成如图2-64所示。该系统详细内容见后面的泵车电气设备一节的介绍。

（九）柴油机电控喷油系统概述

现代社会，人们越来越关注汽车尾气对环境的污染，机械控制式柴油机已经不能满足要求，也就迫使柴油发动机生产制造商采用发动机电子控制技术。到目前为止，已经研究并生产出许多功能各异的柴油机电子控制技术，大部分已经产品化并投放市场。

柴油发动机电控燃油喷射系统是在机械控制喷油系统的基础上发展而来，相比之下具有很多优点；

①改善了发动机燃油经济性。

②改善了发动机冷起动性能。

③改进了发动机调速控制能力。

④减少了发动机尾气污染物。

⑤降低了发动机的排气烟度。

⑥具有发动机自保护功能。

⑦具有发动机自动诊断功能。

⑧减少发动机的维护工作量。

⑨可通过程序对发动机功率进行重新设定。

图2-64 起动电路及组成

1.电控柴油发动机发展回顾

柴油电控喷射系统可分为位置控制和时间控制两大类，是从位置控制型逐渐发展到时间控制型。

1）位置控制。位置控制是在机械控制喷油正时与喷油量的基础上，应用执行器（电磁液压式或电磁式）控制油量调节和喷油提前器，实现喷油正时和喷油量的电子控制；也可用改变柱塞预行程的方法，实现可变供油速率的电子控制，以满足高压喷射中高速、大负荷和低怠速喷油过程的综合优化控制要求。

2）时间控制。时间控制是在高压油路中利用一个或两个高速电磁阀的开闭来控制喷油泵和喷油器的喷油过程。喷油量取决于喷油器开闭时间的长短和喷油压力的大小，喷油正时则取决于控制电磁阀的开闭时刻，从而实现喷油正时、喷油量和喷油速率的柔性一体控制。　　到目前为止，柴油电控喷射系统的发展经历了三代。

1）位置控制系统。第一代柴油机电控燃油喷射系统是位置控制系统。这种系统的主要特点是保留了大部分传统的燃油系统部件，如喷油泵、高压油管、喷油器，喷油泵中齿条、齿圈、滑套等零件以及柱塞上的螺旋槽，只是用电子伺服机构代替机械式调速器来控制供油滑套或燃油齿条的位置，使得供油量的调整更为灵敏和精确。

第一代柴油机电控燃油系统控制内容有油环的位置控制和喷油时间的控制。根据ECU的指令由发动机驱动轴和凸轮轴的相位差进行控制。ECU根据各种传感器检测出的发动机状态及环境条件等，计算出适合于发动机状态的最佳控制量，并向执行机构发出相应的指令。

2）时间控制系统。第二代柴油机电控燃油喷射系统是时间控制系统。这种系统是在第一代位置控制式的基础上发展起来的，可以保留原来的喷油泵、高压油管、喷油器系统，也可以采用新型高压燃油系统。其喷油量和喷油正时是由电脑控制的强力高速电磁阀的开闭时刻所决定的。电磁阀关闭，喷油开始；电磁阀打开，喷油结束，即喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量取决于电磁阀关闭时间的长短，因此可以同时控制喷油量和喷油正时。传统喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的螺旋槽等全部取消，对喷油正时和喷油量控制的自由度更大。

燃油升压是通过喷油泵或发动机的凸轮来实现的。升压开始的时刻（与喷油时间对应）以及升压终了时刻（从升压开始到升压终了的时间与喷油量相当）是由电磁阀的接通/断开控制的，也就是说，喷油量和喷油时间是由电磁阀直接控制的。

3）时间-压力控制系统（电控高压共轨系统）。第三代柴油机电控燃油喷射系统是时间-压力控制系统，也称电控高压共轨系统。这种系统包括了高压共轨系统和中压共轨系统。这是20世纪90年代国外最新推出的新型柴油机电控喷油技术。该系统摈弃了传统的泵—管—喷嘴的脉动供油方式，取而代之的是一个高压油泵，在柴油机的驱动下，连续将高压燃油输送到共轨管内，高压燃油再由共轨送入各缸喷油器，通过控制喷油器上的电磁阀实现喷射的开始和终止。

2.柴油发动机电控系统的组成和控制原理

（1）柴油发动机电控系统的组成电控柴油机喷射系统主要由传感器、开关、ECU（计算机）和执行器等部分组成，如图2-65所示。其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量和喷油正时随运行工况的实时控制。电控系统采用转速、温度、压力等传感器，将实时检测的参数同步输入ECU，并与ECU已储存的参数值进行比较，经过处理计算，按照最佳值对喷油泵、废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，驱动喷油系统，使柴油机运行状态达到最佳。

图2-65 柴油发动机电控系统的组成和原理

（2）柴油发动机电控系统的控制原理

①喷油量控制。柴油机在运行时的喷油量是根据两个基本信号来确定的，它们分别是加速踏板位置和柴油机转速。喷油泵调节齿杆位置则是由喷油量整定值、柴油机转速和具有三维坐标模型的预先存储在控制器内的喷油泵速度特性所确定的。在运行中，系统校验和校正调节齿杆的实际位置和设定值之间的差异，以获得正确的喷油量，提高发动机的功率。

②喷油正时控制。喷油正时是根据柴油机的负荷和转速两个信号确定，并根据冷却液的温度进行校正。

控制器把喷油正时的设定值与实际值加以比较，然后输出控制信号使正时控制阀动作，以确定通至正时器的油量；油压的变化又使正时器的活塞移动，喷油正时就被调整到设定值。当发生故障时，正时器使喷油正时处在最滞后的位置。

③怠速控制。怠速有两种控制方式，分别是手动控制和自动控制。借助于选择开关可选定怠速控制方式。

选定手动控制时，转速由怠速控制旋钮来调整。选择自动控制时，随着冷却液温度逐渐升高，转速从暖车前的800r/min降至暖车后的400r/min。这种方法可缩短车辆在冬季的暖车时间。

④巡航控制。车辆的巡航控制是由车速、柴油机转速、加速踏板位置、巡航开关传感器和电子调速器控制器来实现的。一个快速、精密的电子调速器执行器。根据控制器的指令自动进行巡航控制，使发动机始终处于最佳工作状态。在原有的电子调速器基础上，只需增加几个开关和软件就可实现这项功能。

⑤柴油消耗量指示器。指示器接收柴油机转速信号和喷油泵调节齿杆位置信号。在工作过程中，柴油消耗状态由安装在仪表板上的绿、黄、红三色发光二极管显示出来，以作为经济行驶的指示。负荷信号由调节齿杆位置信号提供，而不是由加速踏板位置信号提供，所以，即使在巡航控制状态下行驶时，该指示器也能精确地指示油耗量。

3.电控共轨燃油喷射系统

为了满足未来更为严格的排放法规，进一步改善发动机的燃油经济性，各个柴油发动机制造商都加大了对柴油发动机控制技术的开发和改进。1995年末，日本电装公司将ECD-U2型电控高压燃油共轨成功地应用于柴油机上，并开始批量生产，从此开始了柴油电控共轨燃油喷射系统的新时代。

电控共轨燃油喷射系统是高压柴油喷射系统的一种，它是第三代柴油发动机电控喷射技术，摒弃了直列泵系统，取而代之的是一个供油泵建立一定油压后将柴油送至各缸共用的高压油管（即共轨）内，再由共轨把柴油送入各缸的喷油器。

电控共轨燃油喷射系统喷油压力与喷油量无关，也不受发动机转速和负荷的影响，能根据要求任意改变压力水平，可大大降低NO_x和颗粒物的排放。

与传统喷射系统相比，电控共轨燃油喷射系统的主要特点如下：

①自由调节喷油压力（共轨压力）。利用共轨压力传感器测量共轨内的燃油压力，从而调整喷油泵的供油量，控制共轨压力。共轨压力就是喷油压力。此外，还可以根据发动机转速、喷油量的大小与设定的最佳值（指令值）始终一致地进行反馈控制。

②自由调节喷油量。以发动机的转速及油门开度信息等为基础，由计算机计算出最佳喷油量，通过控制喷油器电磁阀的通电、断电时刻直接控制喷油参数。

③自由调节喷油特性。根据发动机用途的需要，设置并控制喷油特性：预喷射、后喷射、多段喷射等。

④自由调节喷油时间。根据发动机的转速和负荷等参数计算出最佳喷油时间，并控制电控喷油器在适当的时刻开启，在适当的时刻关闭等，从而准确控制喷油时间。

为了方便，这里以博世公司的CRFS系统为例来介绍电控共轨燃油喷射系统的结构与工作原理。博世CRFS系统主要由燃油箱、滤清器、低压输油泵、高压油泵、溢流阀、压力传感器、高压蓄能器（燃油轨）、喷油器、ECU等组成，如图2-66所示。

图2-66 电控共轨燃油喷射系统

电控共轨系统是通过各种传感器和开关检测出发动机的实际运行状态，再通过计算机计算和处理后，对喷油量、喷油时间、喷油压力和喷油率等进行最佳控制。

电控共轨燃油喷射系统中的主要部件有发动机ECU、预热控制单元（GCU）、高压油泵、高压蓄能器（燃油轨）、压力控制阀、燃油轨压力传感器和喷油器。

（1）发动机ECU各种传感器和开关检测出发动机的实际运行状态，通过发动机ECU计算和处理后，对喷油量、喷油时间、喷油压力和喷油率等进行最佳控制。

发动机ECU（如图2-67所示）按照预先设计的程序计算各种传感器送来的信息。经过处理以后，把各个参数限制在允许的电压电平上，再发送给各相关的执行机构，执行各种预定的控制功能。

微处理器根据输入数据和存储在RAM中的数据，计算喷油时间、喷油量、喷油率和喷油正时等，并将这些参数转换为与发动机运行匹配的随时间变化的电量。由于发动机工作是高速变化的，而且要求计算精度高，处理速度快，因此ECU的性能应当随发动机技术的发展而发展，微处理器的内存越来越大，信息处理能力越来越强。

发动机ECU的主要功能如下：

①喷油方式控制：多次喷射（现用的为主喷射和预喷射两次）。

②喷油量控制：预喷射量自学习控制、减速断油控制。

图2-67 博世公司发动机ECU

③喷油正时控制：主喷正时、预喷正时、正时补偿。

④轨压控制：正常和快速轨压控制、轨压建立、喷油器泄压控制、轨压Limp home控制。

⑤转矩控制：瞬态转矩、加速转矩、低速转矩补偿、最大转矩控制、瞬态冒烟控制、增压器保护控制。

⑥其他控制：过热保护、各缸平衡控制、EGR控制、VGT控制、辅助起动控制（电动机和预热塞）、系统状态管理、电源管理、故障诊断。

（2）预热控制单元（GCU）预热控制单元（GCU）用于确保有效的冷起动并缩短暖机时间，这一点与废气排放有着十分密切的关系。预热时间是发动机冷却液温度的一个函数。在发动机起动或实际运转时电热塞的通电时间由其他一系列的参数（如喷油量和发动机的转速等）确定。

新的电热塞因能快速达到点火所需的温度（4s内达850℃）以及较低的恒定温度而性能超群。电热塞的温度限定在一个临界值之内。因此，在发动机起动后电热塞仍能保持继续通电3min，这种后燃性改善了起动和暖机阶段的噪声和废气排放。

成功起动之后的加热可确保暖机过程的稳定，减少排烟，减少冷起动运行时的燃烧噪声。如果起动未成功，则电热塞的保护线路断开，防止蓄电池过度放电。

（3）高压油泵高压油泵的主要作用是将低压燃油加压成高压燃油，并储存在共轨内，等待ECU的指令。供油压力可以通过压力限制器进行设定。所以，在共轨系统中可以自由地控制喷油压力。

博世公司电控共轨系统中采用的供油泵。供油泵在低压油路和高压油路之间，它的作用是在车辆所有工作范围和整个使用寿命期间准备足够的、已被压缩了的燃油。除了供给高压燃油之外，它的作用还在于保证在快速起动过程，使共轨中压力迅速上升到所需要的燃油储备，持续产生高压燃油存储器（共轨）所需的系统压力。

工作原理：高压油泵产生的高压燃油被直接送到燃油蓄能器或油轨中，高压油泵由发动机通过联轴器、齿轮、链条、齿形带中的一种驱动且以发动机转速的一半转动，如图2-68所示。高压油泵工作原理如图2-69所示，在高压油泵总成中有三个泵油柱塞，泵油柱塞由驱动轴上的凸轮驱动进行往复运动，每个泵油柱塞都有弹簧对其施加作用力，以免泵油柱塞发生冲击振动，并使泵油柱塞始终与驱动轴上的凸轮接触。当泵油柱塞向下运动时，即通常所称的吸油行程，进油单向阀将会开启，允许低压燃油进入泵油腔，在泵油柱塞到达下止点时，进油阀将会关闭，泵油腔内的燃油在向上运动的泵油柱塞作用下被加压后泵送到蓄能油轨中，高压燃油被存储在蓄能油轨中等待喷射。

图2-68 高压油泵结构图

图2-69 高压油泵工作原理

（4）高压蓄能器（燃油轨）。燃油轨是将供油泵提供的高压燃油经稳压、滤波后，分配到各喷油器中，起蓄能器的作用。它的容积应能削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡，使高压油轨中的压力波动控制在5MPa之下。但其容积又不能太大，以保证燃油轨有足够的压力响应速度，可以快速跟踪柴油机工况的变化。

在燃油轨上还装配有燃油压力传感器、泄压阀、限压阀等，如图2-70所示。

①燃油压力传感器燃油压力传感器以足够的精度，在较短的时间内，测定共轨中的实时压力，并向ECU提供电信号。燃油压力传感器如图2-71所示。

燃油经一个小孔流向共轨压力传感器，传感器的膜片将孔的末端封住。高压燃油经压力室的小孔流向膜片。膜片上装有半导体型敏感元件，可将压力转换为电信号。通过连接导线将产生的电信号传送到一个向ECU提供测量信号的求值电路。

工作原理：当膜片形状改变时，膜片上涂层的电阻值会发生变化。这样，由系统压力引起膜片形状变化（150MPa时变化量约为1mm），促使电阻值改变，并在用5V供电的电阻电桥中产生电压变化。电压在0～70mV之间变化（具体数值由压力而定），经求值电路放大到0.5～4.5V。精确测量共轨中的压力是电控共轨系统正常工作的必要条件。为此，压力传感器在测量压力时允许偏差很小。在主要工作范围内，测量精度约为最大值的2%。共轨压力传感器失效时，具有应急行驶功能的调压阀以固定的预定值进行控制。

图2-70 燃油轨

②燃油轨调压阀。调压阀的作用是根据发动机的负荷状况调整和保持共轨中的压力。当共轨压力过高时，调压阀打开，一部分燃油经集油管流回油箱；当共轨压力过低时，调压阀关闭，高压端对低压端密封。

博世公司电控共轨系统中的调压阀（图2-72）有一个固定凸缘，通过该凸缘将其固定在供油泵或者共轨上。电枢将一钢球压入密封座，使高压端对低压端密封。因此，一方面弹簧将电枢往下压，另一方面电磁铁对电枢作用一个力。为进行润滑和散热，整个电枢周围有燃油流过。

图2-71 共轨压力传感器

图2-72 燃油轨调压阀结构

　　调压阀有两个调节回路：一个是低速电子调节回路，用于调整共轨中可变化的平均压力值；另一个是高速机械液压式调节回路，用以补偿高频压力波动。

工作原理：

a.调压阀不工作时：共轨或供油泵出口处的压力高于调压阀进口处的压力。由于无电流的电磁铁不产生作用力，当燃油压力大于弹簧力时，调压阀打开，根据输油量的不同，保持打开程度大一些或小一些，弹簧的设计负荷约为10MPa。

b.调压阀工作时：如果要提升高压回路中的压力，除了弹簧力之外，还需要再建立一个磁力。控制调压阀，直至磁力和弹簧力与高压压力之间达到平衡时才关闭。然后调压阀停留在某个开启位置，保持压力不变。当供油泵改变，燃油经喷油器从高压部分流出时，通过不同的开度予以补偿。电磁铁的作用力与控制电流成正比。控制电流的变化通过脉宽调制来实现。调制频率为1kHz时，可以避免电枢的干扰运动和共轨中的压力波动。

③限压阀。限压阀用来控制燃油轨中的压力，防止燃油压力过大，相当于安全阀，当共轨中燃油压力过高时，打开放油孔卸压。

丰田公司电控共轨系统中的限压阀主要由球阀、阀座、压力弹簧及回油孔等组成，如图2-73所示。

当燃油轨油道内的油压大于压力弹簧的压力时，燃油推开球阀，柴油通过泄压孔和回油油路流回燃油箱中。当燃油轨油道内的油压不超过压力弹簧，球阀始终关闭泄压孔。以保持油道内油压的稳定。

图2-73 限压阀结构

（5）电控喷油器。电控喷油器是共轨系统中最关键和最复杂的部件，也是设计、工艺难度最大的部件。ECU通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油正时、喷油量和喷油率喷入燃烧室。

为了实现有效的喷油始点和精确的喷油量，共轨系统采用了带有液压伺服系统和电子控制元件（电磁阀）的专用喷油器。博世电控喷油器的代表性结构如图2-74a所示。

图2-74 Bosch共轨式喷油器

喷油器可分为几个功能组件：孔式喷油器、液压伺服系统和电磁阀等。

工作原理：燃油从高压接头经进油通道送往喷油器，经进油节流孔送入控制室。控制室通过由电磁阀打开的回油节流孔与回油孔连接。回油节流孔在关闭状态时，作用在控制活塞上的液压力大于作用在喷油器针阀承压面上的力，针阀被压在座面上，没有燃油进入燃烧室。电磁阀动作时，打开回油节流孔，控制室内的压力下降，当作用在控制活塞上的液压力低于作用在针阀承压面上的作用力时，针阀立即开启，燃油通过喷油孔喷入燃烧室。由于电磁阀不能直接产生迅速关闭针阀所需的力，经过一个液力放大系统实现针阀的这种间接控制。在这个过程中，除喷入燃烧室的燃油量之外，还有附加的所谓控制油量经控制室的节流孔进入回油通道。

在发动机和供油泵工作时，喷油器可分为喷油器关闭（以存有的高压）、喷油器打开（喷油开始）、喷油器关闭（喷油结束）三个工作状态。

①喷油器关闭（以存有的高压）。电磁阀在静止状态不受控制，因此是关闭的，如图2-74b所示。

回油节流孔关闭时，电枢的钢球受到阀弹簧弹力压在回油节流孔的座面上。控制室内建立共轨的高压，同样的压力也存在于喷油嘴的内腔容积中。共轨压力在控制柱塞端面上施加的力及喷油器调压弹簧的力大于作用在针阀承压面上的液压力，针阀处于关闭状态。

②喷油器打开（喷油开始）。喷油器一般处于关闭状态。当电磁阀通电后，在吸动电流的作用下迅速开启，如图2-74c所示。当电磁铁的作用力大于弹簧的作用力时，回油节流孔开启，在极短时间内，升高的吸动电流成为较小的电磁阀保持电流。随着回油节流孔的打开，燃油从控制室流入上面的空腔，并经回油通道回流到油箱。控制室内的压力下降，于是控制室内的压力小于喷嘴内腔容积中的压力。控制室中减小了的作用力引起作用在控制柱塞上的作用力减小，从而针阀开启，开始喷油。

针阀开启速度决定于进、回油节流孔之间的流量差。控制柱塞达到上限位置，并定位在进、回油节流孔之间。此时，喷嘴完全打开，燃油以近于共轨压力喷入燃烧室。

③喷油器关闭（喷油结束）。如果不控制电磁阀，则电枢在弹簧力的作用下向下压，钢球关闭回油节流孔。

电枢设计成两部分组合式，电枢板经一拔杆向下引动，但它可用复位弹簧向下回弹，从而没有向下的力作用在电枢和钢球上。

回油节流孔关闭，进油节流孔的进油使控制室中建立起与共轨中相同的压力。这种升高了的压力使作用在控制柱塞上端的压力增加。这个来自控制室的作用力和弹簧力超过了针阀下方的液压力，于是针阀关闭。

针阀关闭速度决定于进油节流孔的流量。