任务一 柴油机排放异常分析
教学目标
知识目标
1.区别掌握柴油机混合气形成过程。
2.熟知柴油的性能指标和合理选用要求。
3.掌握柴油发动机排放净化装置的结构原理。
4.认知柴油机供给系统的主要组成、分类、结构原理。
能力目标
1.能利用工具完成高压泵拆装作业。
2.能利用仪器检测分析柴油机排气污染。
3.能检查喷油嘴性能并按技术要求完成更换。
知识链接
一、柴油机混合气的形成
1.柴油的性能
石油在炼制过程中，其温度在200～350℃时的蒸馏馏分为柴油，根据所含重馏分的多少可分为轻柴油和重柴油。车用柴油机均为高速柴油机，使用轻柴油。
车用轻柴油的性质主要包括发火性、蒸发性、凝点和低温流动性、黏度等。
发火性。发火性是指燃油的自燃能力，用十六烷值表示。十六烷值愈高，发火性愈好，自燃温度越低。柴油被喷入燃烧室后，并非立即着火，需要经过一段时间进行燃烧前的物理和化学准备，这个准备时间称为着火延迟期或备燃期。备燃期过长，燃烧开始前燃烧室内的柴油就多，燃烧开始后气缸内压力升髙过快，曲柄连杆机构承受很大的冲击，加速磨损且气缸内发出很大的敲击声，发动机工作粗暴。发火性好的柴油备燃期短，工作柔和，在较低的温度下发火，利于启动。车用轻柴油的十六烷值一般在45～55。十六烷值高的柴油其凝点也高，但蒸发性差。
蒸发性。蒸发性指柴油的蒸发能力，蒸发温度愈低，蒸发性愈好，愈有利于可燃混合气的形成和燃烧。为了控制柴油的蒸发性不致过强，还规定了闪点的最低数值。闪点即在一定试验条件下，柴油蒸气与周围空气形成的混合气接近火焰时，开始出现闪火的温度。
凝点。凝点即柴油失去流动性开始凝固的温度，柴油的低温流动性一般用凝点和冷滤点来评定。冷滤点是指在特定的试验条件下，在1 min内柴油不能流过过滤器20 mL时的最高温度。一般柴油的冷滤点比凝点高4～6℃，柴油的凝点应比最低工作温度低3～5℃。柴油的牌号即为柴油的凝点，如10号柴油的凝点为10℃，-10号柴油的凝点为-10℃。在不同地区和不同季节，应根据当地环境温度选用合适牌号的柴油。
黏度。黏度是评定柴油稀稠度的指标，决定柴油的流动性。黏度小表示柴油的流动性好。黏度过大的柴油由于流动阻力过大，难以滤清和沉淀，影响柴油雾化。黏度过小又将增加喷油泵的柱塞副之间以及喷油器的针阀与针阀体之间的柴油漏失量，加剧这些精密偶件表面的磨损。黏度随温度而变化，温度升高，黏度减小，流动性增强。
2.柴油机混合气形成的特点和要求
如图7-1-1所示，柴油的黏度大、蒸发性和流动性差，不可能在气缸外部与空气形成均匀的混合气，故采用高压喷射的方法，在压缩行程接近终了时以油束的形式把柴油喷入燃烧室，并雾化成小油滴。柴油油滴经受热、蒸发、扩散并与空气直接在燃烧室内部形成可燃混合气，达到自燃温度后自行着火燃烧。
图7-1-1 柴油机的喷油运动
1.火花塞；2.进气道；3.喷油器；4.燃烧室
在进气行程中，进入气缸的是纯空气。压缩行程结束前，将柴油喷入燃烧室，经备燃期后自行着火燃烧。混合气形成时间极短，难以在燃烧前彻底雾化、蒸发并同空气均匀混合。
为使喷入燃烧室的柴油能够燃烧得比较完全，柴油机一般采用较大的过量空气系数。但由于燃烧室内各处混合气的浓度不均匀，且随时间变化，有的部位混合气仍然过浓、燃烧不完全，有的部位混合气过稀、空气得不到充分利用。
为改善混合气形成条件，不致出现太长的备燃期，保证柴油机工作柔和，选用十六烷值较高的柴油，采用较高的压缩比，以提高燃烧室内空气温度，促进柴油蒸发，并采用较大过量空气系数。此外，对柴油机的燃油供给和燃烧系统提出如下要求：①喷油压力必须足够高，以利于柴油雾化。②在一个工作循环内，各缸喷油次序与发动机发火次序相符，能随发动机负荷的不同而改变供油量，且各缸的供油量一致。③喷油时刻要准确，各缸有相同的喷油提前角（喷油时曲轴距活塞到达上止点的转角），并且可以根据发动机工况进行统一调节。④在燃烧室内组织强烈的空气运动，促进柴油与空气的均匀混合。⑤喷油特性应与气流运动和燃烧室形状相适应。
二、柴油机燃油供给系统
1.柴油机燃料供给系统的组成
如图7-1-2所示，柴油机燃料供给系统由燃油供给装置、空气供给装置、混合气形成装置、废气排出装置组成。
图7-1-2 柴油机燃料供给系统示意图
1.空气滤清器；2.进气管；3.柴油箱；4.溢流阀；5.滤清器；6.低压油管；7.手动输油泵；8.输油泵；9.喷油泵；10.回油管；11.高压油管；12.燃烧室；13.喷油器；14.排气管；15.排气门；16.排油管
（1）燃油供给装置由柴油箱、输油泵、柴油滤清器、喷油泵、喷油器等组成。
（2）空气供给装置由空气滤清器、进气管道等组成。增压发动机还装有增压器，增压比超过1.8的柴油机还装有中冷器。
（3）混合气形成装置由一定形状的燃烧室构成。
（4）废气排出装置由气缸盖内的排气歧管、排气管、消音器等组成。
2.柴油机燃料供给系统的工作过程
如图7-1-3所示，柴油机运转时，柴油箱中的柴油被输油泵泵出，经柴油滤清器滤去杂质后，进入喷油泵总成，此时输油泵的输油压力为150～300 kPa，油路为低压油路。
图7-1-3 柴油机燃料供给系统的工作原理图
1.燃油滤清器；2.低压油管；3.喷油泵；4.喷油提前器；5.输油泵；6.油水分离器；7.燃油箱；8.调速器；9.限压阀；10.喷油器；11.回油管；12.高压油管
喷油泵工作时，将柴油压力提高到10～30 MPa（VE泵达50 MPa），并定时定量地将高压柴油经高压油管压送到喷油器，此油路为高压油路。
由于输油泵供油量是喷油泵出油量的3～4倍，所以，滤清器和喷油泵上都装有溢流阀使多余燃油经溢流阀和回油管流回输油泵进口或直接流回油箱，此油路为回油油路。
3.喷油器的构造与原理
（1）喷油器的作用
图7-1-4 喷油器
如图7-1-4所示，喷油器是一种加工精度非常高的精密器件，要求其动态流量范围大，抗堵塞和抗污染能力强以及雾化性能好。喷油器接受ECU送来的喷油脉冲信号，精确地控制燃油喷射量。喷油器的喷雾特性包括雾化粒度、油雾分布、油束方向、射程和扩散锥角等。以使混合气形成和燃烧完善，并获得较高的功率和热效率。
（2）喷油器的分类
喷油器在缸盖上的安装位置与角度取决于燃烧室的设计。目前绝大多数发动机都是采用闭式喷油器。按其结构形式分可分为孔式喷油器和轴针式喷油器两种。
（3）孔式喷油器
孔式喷油器主要用于直接喷射燃烧室，孔数有1～8个，孔径为0.2～0.8 mm，喷孔数与喷孔角度的选择视燃烧室的形状大小及空气涡流情况而定。
① 孔式喷油器的组成
孔式喷油器的结构如图7-1-5所示，主要由喷油器体、调压装置（如调压螺钉、调压弹簧、回油管螺栓、进油管接头、滤芯、顶杆）、喷油嘴（如针阀、针阀体）等组成。喷油嘴主要由针阀和针阀体构成，有长型和短型两种结构。针阀上部圆柱面与针阀体相应的内圆柱面为高精度的内隙配合，配合间隙为0.001～0.025 mm。若间隙过大，则会泄漏较多的柴油而使油压下降，喷油滞后，影响喷油质量，减少供油量；若间隙过小，则针阀不能自由滑动，甚至会卡死。
图7-1-5 孔式喷油器结构
1.回油管螺栓；2.衬垫；3.调压螺钉护帽；4.垫圈；5.调压螺钉；6.调压弹簧垫圈；7.调压弹簧；8.挺杆；9.喷油器体；10.紧固螺套；11.针阀；12.针阀体；13.钢锥体；14-定位销；15.塑料护盖；16.进油管接头；17.滤芯；18.衬垫；19.胶木护套；20.针阀承压锥面；21.针阀密封锥面；22.针阀体油孔
② 孔式喷油器的工作原理
当喷油泵开始供油时，高压柴油从进油口进入喷油器体内，沿油道进入喷油嘴阀体环形槽内，再经高压油道进入针阀体下面的高压油腔内，高压柴油作用在承压和密封锥面上，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。
在喷油器工作过程中，会有少量柴油从针阀与针阀体的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，通过回油管螺栓上的孔进入回油管，流回柴油滤清器。
（4）轴针式喷油器
轴针式喷油器的孔径大，喷油压力低，一般为10～13 MPa，适用于对喷雾要求不高的涡流式燃烧室和预热式燃烧室。
① 轴针式喷油器的结构与原理
轴针式喷油器的结构如图7-1-6所示，其工作原理与孔式喷油器基本相同，只是喷油嘴头部的结构不同。轴针式喷油器针阀下端的密封锥面以下还延伸出一个轴针。轴针伸出喷孔外，使喷孔成为圆环状的夹缝（轴针与孔的径向间隙为0.05 mm）。这样，喷油时喷柱将呈空心的锥状或柱状。喷油量的多少取决于轴针的升程和形状。轴针式喷油器轴针的形状主要有圆柱形和截锥形两种。圆柱形轴针喷注的喷雾锥角较小，截锥形针阀轴针喷注的喷雾锥角较大。
图7-1-6 轴针式喷油器结构
1.罩帽；2.调压螺钉；3.锁紧螺母；4.弹簧罩；5.调压弹簧；6.喷油器体；7.挺杆；8.喷油器螺母；9.针阀；10.针阀体；11.进油口；12.回油管接头
② 轴针式喷油器的特点
喷孔孔径大，一般为1～3 mm，易于加工。工作时，轴针在喷孔内往复运动，清除积碳，喷孔不易堵塞，工作可靠。针阀在油压达到一定压力时开启，供油停止时，又在弹簧作用下立即关闭，因此，喷油开始和停止都干脆利落，没有满油现象。不能满足对喷油质量有特殊要求的燃烧室的需要。
三、柴油机电控高压共轨喷射系统
1.柴油机电控高压共轨喷射系统的主要特点
与其他喷油系统相比，共轨系统把产生压力的过程与燃油喷射过程相分离。“轨”被当作高压蓄压器，其内部始终保持最佳燃油压力以适应发动机的具体工况要求。它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：
（1）应用领域较广泛（用于小型乘用车和轻型载重车时每缸功率可达30 kW；用于重型载重车、内燃机车和船舶时每缸功率可达200 kW）。
（2）喷油压力可达135 MPa，甚至更高。
（3）喷油始点可变。
（4）可实现预喷射、主喷射和后喷射。
（5）喷油压力可随柴油机运转工况而变化。
2.柴油机电控高压共轨喷射系统的组成
玉柴YC6L-30高压共轨系统由高压油泵、共轨腔、高压油管、喷油器、电子控制单元、各类传感器和执行器（如调压阀、限压阀、流量限制器）等组成。
3.柴油机电控高压共轨喷射系统的工作原理
如图7-1-7所示，低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压后送入高压油轨，高压油轨中的压力由电子控制单元根据高压油轨压力传感器测量的油轨压力及需要进行调节。高压油轨内的燃油经过高压油管，再根据机器的运行状态，由电子控制单元确定合适的喷油定时、喷油持续期并借助集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定时、定量地控制电子喷油器将燃油喷入汽缸，从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化，以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放。
4.高压油泵
高压油泵位于低压油路和高压油路之间，高压油泵被人们称之为柴油机的“心脏”是柴油机燃料供给系统中最重要的部件，它的基本作用是定时、定量、持续地为喷油器提供高压柴油。如图7-1-8所示，高压油泵由进油阀、柱塞、高压出油阀、推杆、齿轮泵、泵体、偏心轴、溢流阀等组成。
图7-1-7 电控高压共轨喷射系统的工作原理
1.精滤器；2.柴油预滤；3.油箱；4.高压泵+齿轮泵；5.轨；6. ECU；7.喷油器
图7-1-8 高压油泵结构图
1.油泵柱塞；2.压力控制阀；3.节流阀；4.燃油供给通道；5.电磁阀；6.偏心凸轮
其工作原理：燃油通过低压燃油泵加压，经过油水分离器的滤清器送往安全阀，通过安全阀上的节流孔将燃油压到高压泵的润滑和冷却回路中。带偏心凸轮的驱动轴根据凸轮形状相位的变化而将柱塞推上或压下。若供油压力超过了高压油泵进油阀的开启压力（0.05～0.15 MPa），则输油泵可通过髙压油泵的进油阀将燃油压入柱塞腔（吸油行程）。当柱塞达到下止点后而上行时，则进油阀被关闭，柱塞腔内的燃油被压缩，只要达到共轨压力就立即打开出油阀，将压缩的燃油压入高压油管。到上止点前，柱塞一直泵送燃油（供油行程）。达到上止点后，压力下降，出油阀关闭。柱塞向下运动时，剩下的燃油压力降压，直到柱塞腔中的压力低于输油泵的供油压力时，进油阀再次被打开，重复进入下一工作循环。
四、柴油机排放净化装置
1.柴油机SCR尾气后处理系统
柴油机SCR尾气后处理，是针对在废气中的一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）及颗粒（PM）等排放物得到有效控制并达到法规的要求，最后对发动机排出尾气中含量较高的氮氧化物（NO x）再利用专门的车载后处理系统进行处理的一种尾气处理策略。
2.基本组成
如图7-1-9所示，SCR尾气后处理系统主要由催化器、尿素箱、尿素供给单元、尿素喷嘴、氮氧化物传感器、排气温度传感器、环境温度传感器、压差传感器、喷射线管路、压缩空气罐、空气滤清等组成。
图7-1-9 SCR尾气后处理系统组成图
1.尿素溶液箱；2.温度传感器；3.尿素溶液供给模块；4.空气滤清；5.空气进入；6.无污染气体排放；7.排放传感器；8.废气温度传感器；9.计量模块喷雾器；10.电控单元；11.尿素液面传感器；12. SCR催化转化器；13.氯化催化转化器
3.工作原理
如图7-1-10所示，其基本工作原理就是通过优化柴油发动机缸内燃烧过程，使燃烧废气中的一氧化碳、碳氢化合物及颗粒等排放物得到有效控制并达到法规的要求，最后对发动机排出尾气中含量较高的氮氧化物再利用专门的车载后处理系统进行处理，以满足法规要求。在后处理过程中，定量给料单元会根据发动机电控单元给出的指令，精确地将与发动机运行工况相匹配的尿素量喷入排气管，尿素分解出的氨与氮氧化物在催化器中经过催化还原反应最后生成无害的氮气和水。据测定，SCR尾气后处理系统对氮氧化物的转化率通常能达到60%以上。
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图7-1-10 SCR尾气后处理系统工作原理图
技能实训一 柴油机排放污染检测
（1）如图7-1-11所示，摆放好柴油机排放污染检测所需设备，准备好柴油机（柴油车），做好实验前的准备工作。
图7-1-11 柴油机排放污染检测设备
（2）先使用滤纸式烟度计，取样探头逆气方向固定于排气管内，并使其中心线与排气管轴线平行。
（3）由怠速工况将油门急速踩到底，约4 s后松开，如此重复三次，开启测量循环开关与踏板急踩动作同时进行，严格同步，急踩油门踏板到底，至4 s后即松开油门踏板，由表头读数。下一次踩油门间距15 s，如此重复三次，取三次读数算术平均值为所测烟度。
（4）再使用不透光烟度计，重复以上2、3过程。
（5）记录实验数据，并分析实验结果。
技术提示
1.取样探头不应受到排气动压的影响。
2.应该保证取样、滤纸走位、读数及压编空气清洁试管在15 s内完成。
技能实训二 高压油泵拆装
高压油泵在共轨系统中的作用是为系统提供高压燃油。下面以BOSCH生产的CP3.3高压油泵进行拆解为例来说明。
step 1 高压油泵的拆解
（1）拿出高压油泵，准备拆装工具，将高压油泵固定在专用拆装台上。
（2）如图7-1-12所示，拧松计量单元三颗固定螺丝，取下计量单元。
（3）如图7-1-13所示，拧松齿轮泵四颗固定螺丝，取下齿轮泵。
图7-1-12 拧松计量单元固定螺丝
图7-1-13 拧松齿轮泵固定螺丝
（4）如图7-1-14所示，使用扭力扳手取下溢流阀。
（5）拧松卡具手柄，翻转高压油泵。
（6）如图7-1-15所示，取下法兰六颗固定螺丝，左手向下按压，右手使用起子向上翘，至法兰松动，取下法兰、密封圈和偏心轴。
图7-1-14 取下溢流阀
图7-1-15 取下法兰固定螺丝
（7）如图7-1-16所示，使用油泵分解工具卡住挺柱体，取下三角环、油泵分解工具。
（8）如图7-1-17所示，取下挺柱体以及三个缸的柱塞和弹簧。（三个缸的操作方法相同）
（9）取下胶圈。
图7-1-16 卡住挺柱体
图7-1-17 取下挺柱体以及柱塞和弹簧
（10）如图7-1-18所示，使用扭力扳手取下三个缸的出油阀堵头、出油阀。
（11）翻转泵体，使用扭力扳手取下单向阀、阀球。
（12）使用扭力扳手取下高压出油口接头、阀球。
图7-1-18 取下出油阀堵头、出油阀
（13）如图7-1-19所示，取下泵体，高压油泵分解完毕。
图7-1-19 高压油泵分解零件图
step 2 高压油泵的清洁与安装
（1）如图7-1-20所示，拿出泵体，使用高压气泵对所有油孔进行清洁。
（2）如图7-1-21所示，清洁法兰油孔。
（3）按照拆卸的反向顺序安装高压油泵。
图7-1-20 清洁泵体油孔
图7-1-21 清洁法兰油孔
技能实训三 柴油机喷嘴的检查与更换
step 1 喷油器的拆解
（1）如图7-1-22、7-1-23所示，准备拆装工具、喷油器试验台。
（2）关闭油箱供油阀，松开喷油器回油管紧固螺钉。
图7-1-22 喷油器拆装工具
图7-1-23 喷油器试验台
（3）如图7-1-24所示，松开喷油器与高压油管接头。
（4）如图7-1-25所示，使用套筒拆下喷油器紧固螺丝，取出喷油器。
图7-1-24 松开喷油器与高压油管接头
图7-1-25 取出喷油器
step 2 喷油器的检查
（1）对喷油器进行清洗并吹干。
（2）检查喷油器外表清洁，无损伤、裂纹，密封面平整，进油口接头紧固。
（3）如图7-1-26所示，检查喷油器试验台，把喷油器连接在试验台的高压油管上。
图7-1-26 把喷油器连接在试验台
（4）按动试验台手柄，使喷油器内的油压低于额定启阀压力1.5～2.0 MPa，喷口不得渗漏。
（5）按动试验台手柄，使喷油器以每分钟60～70次喷油，油雾应细小均匀，不得有油滴或油流，并伴有清脆声响。每次喷射后燃油切断应迅速及时，喷射压力在17.5～18 MPa范围。如喷油器雾化不良，应更换新的偶件。
（6）如图7-1-27所示，把喷油器固定在拆装台上，松开喷油器护帽及调压螺钉、锁紧螺母。
图7-1-27 拆解喷油器
（7）翻转喷油器，拆下压紧喷油器偶件的螺套，并取出喷油器偶件。
（8）松开调节螺钉，取出弹簧座、弹簧、挺杆等。
（9）清洗喷油器零件并用压缩空气吹干。
（10）偶件的检查：偶件表面无积碳、油道和喷孔畅通，表面无裂纹。
step 3 喷油器的安装
（1）把喷油器安装喷油嘴口径的一端朝上，并安装在拆装台上。将喷嘴、偶件安装在喷油器体上，装上固定喷嘴偶件的螺套，用59～78 N·m的扭矩拧紧。
（2）如图7-1-28所示，把喷油器翻转后安装在拆装台上，依次装入顶杆、调压弹簧、调压螺钉，拧上调压螺钉紧固螺帽。
图7-1-28 安装喷油器
（3）安装进油管接头。喷油器调试完毕后，安装护帽。
（4）清理喷油器安装座孔，装入铜垫。
（5）将喷油器插入座孔，拧紧紧固螺母。
（6）拧紧喷油器与高压油管的连接螺母。
（7）如图7-1-29所示，安装回油管螺钉并紧固。
图7-1-29 安装回油管螺钉
学后测试
1.说出柴油机性能与混合气形成特点。
2.比较汽油机与柴油机混合气形成的异同。
3.说出柴油机燃料供给系统组成与工作原理。
4.独立完成柴油机排放污染检测。
5.独立完成高压油泵的拆装。
6.独立完成柴油机喷油嘴的检查与更换。