2.7T车用柴油机热力计算及高压共轨供油系统设计1

中南大学学士学位论文 3热计算及热平衡

充量系数（%）0.90.80.70.60.50.40.30.2500100015002000250030003500转速（rpm)

图3-2 柴油机外特性曲线三

3.6 本章小结

本章主要进行了车用柴油机热计算与热平衡。其中包括燃料燃烧后的成分确定以及周围介质参数和剩余气体以及四个冲程过程中各项热力计算结果。

计算出标准工况下燃料总热量为170224J，有效功相当的热量81657J/s，传给冷却介质的热量44517J/s，废弃带走的热量42987J/s，其他热损失为1062J/s，有效功率为81.7kW，有效扭矩236.4N·m平均有效压力1.10MPa，机械损失平均压力0.21MPa，平均指示压力1.31MPa，指示扭矩282.53N·m，燃料有效油耗率176.8g/kW·h)，每小时耗油量14.44kg/h，充量系数为83%。

比较所得数据和按热计算的结果绘制的曲线的基础上，可以得出以下结论： （1）发动机扭矩在转速较低时随着转速的提高而逐渐降低，在转速3300r/min时达到最大值236.4N·m，转速小于3300r/min时一直随着转速的提高而升高；转速大于3300r/min时随着转速的提高而降低，在发动机的整个转速范围内扭矩变化平衡，具有良好的操控性能。

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（2）发动机功率随着转速的提高而逐渐增大，在转速达到3300r/min时达到额定功率。

（3）油耗率的变化规律大致为：随着转速的提高先降低后升高，在2000r/min时达到最小值157.03g/kW·h，高效经济工作区宽，在1500~3300r/min工作区内有较经济的油耗。

每小时耗油量和机械损失压力随着转速的提高而增加，平均有效压力和平均指示压力变化不大，充量系数随着转速的升高而增加。

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中南大学学士学位论文 4 高压共轨供油系统设计

4 高压共轨供油系统设计

现代小型乘用车柴油机对进一步降低燃油耗、减少废气排放和降低噪声的要求越来越高。满足这些条件都需要喷油系统具有很高的喷油压力、非常灵活的控制柔性、极准确的喷油过程和计量极精确的喷油量。因此，那些机械调节式喷油系统或喷油压力较低而控制功能有限的电子控制式分配泵已无法满足这些要求。在这种情况下，电控高压共轨喷油系统就有了“用武之地”。

由于柴油机的负荷和转速调节是在没有进气节流的情况下直接通过改变喷油量来达到的，因此喷油系统必须以35～200MPa之间的压力将燃油喷入柴油机汽缸内，并形成均匀的可燃混合气。其间喷油量的计量必须尽可能精确，对喷油过程中的喷油压力、喷油时刻和喷油次数的控制必须非常灵活，而且必须能够随运转工况而任意变化。因此，继续沿用机械调节式喷油系统或喷油压力较低而控制功能有限的电子控制式分配泵已无法满足这些要求，新型的电控高压共轨喷油系统则是最佳选择。因此近几年来，电控高压共轨喷油系统在车用柴油机上得到了迅速的推广[14]。

4.1 共轨喷油系统

4.1.1 主要特点

电控高压共轨喷油系统与传统的凸轮驱动的机械调节式喷油系统相比，其与柴油机匹配的灵活性要大得多，主要表现在以下几个方面。

⑴宽广的应用领域（用于小型乘用车和轻型载重车，每缸功率可达30kW；用于重型载重车、内燃机车和船舶，每缸功率可达200kW左右）。

⑵喷油压力可达135MPa，甚至更高。 ⑶喷油始点可变。

⑷可实现预喷射、主喷射和后喷射。 ⑸喷油压力可随柴油机运转工况而变化。

4.1.2 功能

在共轨喷油系统中，喷油压力的建立与喷油量互不相关，喷油压力不取决于柴油机的转速和喷油量。在高压燃油存储器(即“共轨”)中，始终充满着高压燃油。而喷油量、喷油正时和喷油压力由电控单元（ECU）根据其中存储的特性曲线（脉谱图）和传感器采集的柴油机运转工况信息算出，然后控制每缸喷油器的高速电磁阀开闭来实现。

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共轨喷油系统的控制部分和传感器部分包括：ECU、曲轴转速传感器、凸轮轴相位传感器、加速踏板传感器、增压压力传感器、空气质量流量计、共轨压力传感器及冷却水温度传感器。

ECU借助于传感器得知驾驶员的要求（加速踏板位置）以及柴油机和车辆的实时工作状态。它处理由传感器产生并经数据导线输入的信号，对柴油机进行控制和调节。曲轴转速传感器测定柴油机的转速，凸轮轴相位传感器确定发火顺序和相位。加速踏板传感器是一种电位计，它通过电压信号告知ECU关于驾驶员对扭矩的要求。空气质量流量计告知ECU柴油机实时的进气空气质量流量，以根据排放法规的要求来匹配相应的基本喷油量。在带有增压压力调节的增压柴油机上，增压压力传感器用以测定增压压力。在低温和柴油机处于冷态时，ECU可根据冷却水温度传感器和进气空气温度传感器的信号值确定合适的喷油始点、预喷射油量和其他参数的额定值。

作为一个实例，图4-1示出了一种四缸柴油机所用电控共轨喷油系统的主要组件。

图4-1 四缸柴油机共轨喷油系统

⑴基本功能

其基本功能是在正确时刻以精确的数量和合适的压力控制燃油的喷射，从而保证柴油机的平稳运行，并获得低燃油消耗、废气排放和运转噪声。

⑵附加功能

附加的控制和调节功能用于减少废气排放和燃油消耗，或提高安全性和舒适

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