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浅谈柴油机电控技术 摘要：介绍了柴油机电子控制技术的发展状况、控制原理和应用特点及高压共轨技术的 工作原理、研究方向、应用前景。 关键词：柴油机，电子控制，高压共轨技术 1 柴油机电子控制技术的发展状况及发展趋势 1.1柴油机电子控制技术的发展状况 柴油机电子控制技术始于20世纪70年代，20世纪80年代 以来，英国卢卡斯公司、德国博世公司、奔驰汽车公司、美国通 用的底特律柴油机公司、康明斯公司、卡特彼勒公司、日本五十 铃汽车公司及小松制作所等都竞相开发新产品并投放市场，以满 足日益严格的排放法规要求。 由于柴油机具备高扭矩、高寿命、低油耗、低排放等特 点，柴油机成为解决汽车及工程机械能源问题最现实和最可靠的手段。因此柴油机的使用 范围越来越广，数量越来越多。同时对柴油机的动力性能、经 济性能、控制废气排放和噪声污染的要求也越来越高。依靠 传统的机械控制喷油系统已无法满足上述要求，也难以实现喷油量、喷油压力和喷射正时完全按最佳工况运转的要求。近 年来，随着计算机技术、传感器技术及信息技术的迅速发展 ，使电子产品的可靠性、成本、体积等各方面都能满足柴油机进 行电子控制的要求，并且电子控制燃油喷射很容易实现。 实际上，柴油机排气中CO和HC比汽油机少得多，NOX排放量与汽油机相近，只是排气微 粒较多，这与柴油机燃烧机理有关。柴油机是一种非均质燃烧， 可燃混合气形成时间很短，而且可燃混合气形成与燃烧过程交错 在一起。通过分析柴油机喷油规律得到：喷入燃料的雾化质量、 汽缸内气体的流动以及燃烧室形状等均直接影响燃烧过程的进展 以及有害排放物的生成。提高喷油压力和柴油雾化效果、使用预 喷射、分段喷射等可以有效的改善排放。 经过多年的研究和新技术应用，柴油机的现状已与以往大不 相同。现代先进的柴油机一般采用电控喷射、高压共轨、涡轮增压中冷等技术，在重量、噪音、烟 度等方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平。随着国际上日 益严格的排放控制标准 (如欧洲Ⅳ、Ⅴ标准)的颁布与实施，无论是汽油机还是柴油机都面临着严 峻的挑战，解决的办法之一是采用电子控制燃油喷射的技术。现在，柴油机电子控制技术在发达国家的应用率已达到60%以上。 1.2何谓电喷柴油机 采用电子控制燃油喷射及排放的柴油机即为电喷柴油机。 电喷柴油喷射系统由传感器、ECU(计算机)和执行机构三部分 组成。其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以 及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、油门踏板位 置、喷油时刻、进气温度、进气压力、燃油温度、冷却水温度等 传感器，将实时检测的参数同时输入计算机(ECU)，与已储存 的设定参数值或参数图谱(MAP图)进行比较，经过处理计算按 照最佳值或计算后的目标值把指令送到执行器。执行器根据 ECU指令控制喷油量(供油齿条位置或电磁阀关闭持续时间)和 喷油正时(正时控制阀开闭或电磁阀关闭始点)，同时对废气再 循环阀、预热塞等执行机构进行控制，使柴油机运行状态达 到最佳。 1.3柴油机电子控制技术的发展趋势 1.3.1高的喷射压力 为满足排放法规的要求，柴油喷射压力从10MPa提高到200MPa。如此高的喷射压力可明显改善柴油和空气的混合质量，缩短着火延迟期，使燃烧更 迅速、更彻底，并且控制燃烧温度，从而降低废气排放。 1.3.2独立的喷射压力控制 传统柴油机的供油系统的喷射压力与柴油机的转速负荷有 关。这种特性对于低转速、部分负荷条件下的燃油经济性和排放 不利。若供油系统具有不依赖转速和负荷的喷射压力控制能力， 就可选择最合适的喷射压力使喷射持续期、着火延迟期最佳，使 柴油 机在各种工况下的废气排放最低而经济性最优。 1.3.3改善柴油机燃油经济性 用户对柴油机的燃油消耗率非常关注。高喷射压力、独立的 喷射压力控制、小喷孔、高平均喷油压力等措施都能降低燃油消 耗率，从而提高了柴油机的燃油使用经济性。 1.3.4独立的燃油喷射正时控制 喷射正时直接影响到柴油机活塞上止点前喷入汽缸的油量， 决定着汽缸的峰值爆发压力和最高温度。高的汽缸压力和温度可 以改善燃油使用经济性，但导致NOX增加。而不依赖于转速和负 荷的喷射正时控制能力，是在燃油消耗率和排放之间实现最佳平 衡的关键措施。 1.3.5可变的预喷射控制能力 预喷射可以降低颗粒排放，又不增加NOX排放，还可改善柴 油机冷启动性能、降低冷态工况下白烟的排放，降低噪声，改 善低速扭矩。但是预喷射量、预喷射与主喷射之间的时间间隔 在不同工况下的要求是不一样的。因此具有可变的预喷射控制能力对柴油机的性能和排放十分有利。 1.3.6最小油量的控制能力 供油系统具有高喷射压力的能力与柴油机怠速所需要的 小油量控制能力发生矛盾。当供油系统具有预喷射能力后将 会使控制小油量的能力进一步降低。由于工程机械用柴油机 的工况很复杂，怠速工况经常出现，而电喷柴油机容易实现最 小油量控制。 1.3.7快速断油能力 喷射结束时必须快速断油，如果不能快速断油，在低压力 下喷射的柴油就会因燃烧不充分而冒黑烟，增加HC排放。电 喷柴油机喷油器上采用的高速电磁开关阀很容易实现快速断 油。 1.3.8降低驱动扭矩冲击载荷 燃油喷射系统在很高的压力下工作，既增加了驱动系统 所需要的平均扭矩，也加大了冲击载荷。燃油喷射系统对驱 动系统平稳加载和卸载的能力，是一种衡量喷射系统的标准。 而电喷柴油机技术中的高压共轨技术则大大降低了驱动扭矩 冲击载荷。 2 柴油机电子控制技术的目的及优点 2.1目的 优化动力性、改善燃油使用经济性、控制排放，使柴油机从 怠速至额定转速范围内均能获得最佳工作状况，防止可能发生的 危险运行状况，延长零件的使用寿命。 2.2优点 2.2.1具有多功能的自动调节性能 工程机械用柴油机的运转工况是多变的，而且对油耗、排放 和可靠性等要求较高。自动控制技术应用于柴油机的调节系统正 好可以实现多功能的自动调节，从而保证柴油机动力性、燃料使 用经济性、可靠性和操作方便性等性能充分发挥。 2.2.2减轻质量、缩小尺寸、提高柴油机的紧凑性 对于现代高速柴油机而言，由于驱动喷油泵的扭矩较大，要 设计一个紧凑和可靠的供油提前自动调节器很复杂，而且在柴油 机总体布置上也比较困难。采用自动控制技术解决供油提前角自 动调节问题，不仅可以容易地解决上述难题，而且提高了柴油机 的紧凑性。 2.2.3部件安装连接方便，提高了维修性 采用自动控制系统，相关部件尺寸减小(特别是燃油供给系 统)，安装部位免受空间位置的约束，连接简便，有利于柴油机 日常维护及修理。 2.2.4扩展了故障诊断、联络等功能 采用自动控制系统，可方便地与微型计算机相连，很容易实 现柴油机性能检测与故障诊断功能，柴油机运行及检测数据的存 储与传递等问题也迎刃而解，便于科学管理和使用。 2.2.5使柴油机的动力输出和负荷得到更精确的匹配 随着工程机械制造技术高速发展，为了提高自行式工程机械 的作业效能，采用了电喷柴油机，电控自动变速器等自动控制装置，使自行式工程机械在作业 时，能随着负荷的变化在一定范围内自动调整动力输出、动力传 递，柴油机的动力输出和负荷得到更精确的匹配，充分发挥工程 机械作业效能。
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我校机电系机械专业的一篇论文： 【论文摘要】 机械传动式轮胎定型硫化机横梁运动形式已知有三种，即升降翻转运动，升降平移运动，直接升降运动。三种运动都是由曲柄滑块机构实现的。由于在前两种运动中横梁必须通过一拐点，因而其滑块变异为导轮，而直接升降运动，既可使用滑块，也可使用导轮。曲柄由减速机经减速齿轮获得转。曲柄的固定支点为机架，运动支点与主连杆下端活销连接，主连杆上端与横梁端轴活销连接。曲柄转动时，经由主连杆推动横梁端轴沿既定的轨迹运动。三种运动形式中，前两种运动的轨迹基本相同，但辅助运动不同，而第三种只是前两种运动的一部分。由此，在硫化机开模到终点时，横梁处于三种不同的状态。因而适用于不同类型的硫化机。 一、升降翻转型运动 据文献介绍，升降翻转运动形式分为：间接导向的升降翻转运动；直接导向的升降翻转运动；单槽杠杆导向的升降翻转运动。其中最常用也最简单的是直接导向的升降翻转运动。单槽杠杆导向的升降翻转运动在大规格B型定型硫化机如1900B，2160B等机型上曾经使用过，但已逐渐被直接导向的升降翻转运动取代。而间接导向的升降翻转运动在国内的定型硫化机上尚未见使用。本文介绍的升降翻转型运动就是直接导向的升降翻转型运动。梁端轴外的主导轮和副连杆上的副导轮，直接讨论横梁端轴的运动。 横梁的运动轨道由一竖直开式主导槽和与其相接且夹角小于90°的开式导轨组成。为保持横梁运动的平稳性并实现横梁的自转，还有一个与开式主导槽平行的闭式副导槽。开模时，横梁端轴在开式主导槽中上升，与横梁固定连接的副连杆 下 端中心轴在闭式副导槽中同步上升，此时横梁做平动。当横梁端轴离开竖直开式主导槽进入开式导轨后，横梁端轴的运动轨迹便不再与闭式副导槽平行。此时，在主连杆和副连杆的共同作用下，横梁端轴在开式主导轨上边移动边自转。在横梁运动极限位置，主连杆两活销中心连线与曲柄支点中心连线重合。实际运动中，一般不会到达极限位置。 Φ=α+β 其中α为副连杆与横梁竖直中心线间的夹角 β=arcSin 上式中，h，l是由横梁本身结构决定的，它们也决定了α的值。由此式可知，横梁的翻转角度首先取决于其自身的结构。在其结构确定之后，与硫化机的开模长度有关。开模到极限时，其翻转角度达到最大值。 直到二十世纪末，几乎所有的B型定型硫化机都使用升降翻转运动。这是由B型硫化机的特点和它的适用范围决定的。首先，B型中心机构在装胎和卸胎时，胶囊都是完全拉直的，这使得上环升得很高。其次，早期使用的硫化机的抓胎爪都是长式的，而且当时的轮胎主要是斜交胎，其生胎高度也较大。为了将生胎顺利地装入下模，中心机构上方必须有足够的空间。使用升降翻转的运动形式，在完全开模的状态下，中心机构上方是完全敞开的，使装胎，卸胎操作十分方便。再次，我们知道，轮胎硫化后，与硫化模型间的粘着力是很大的。其值不仅与轮胎和模型间的接触面积成正比，而且随着接触面积的增大，单位面积的粘着力也随着增大。这就使得大型轮胎如载重轮胎，工程轮胎等的粘着力非常之大，从而极大地增加了脱模的难度，甚至将轮胎拉伤。为了减小粘着力，目前最常用的方法是往模型上喷洒隔离剂（硅油与水的混合液）。而要进行这种操作，只有在上模翻转一定的角度之后才便于进行。 一般地说，规格在1525以上的定型硫化机应该有自动喷洒隔离剂装置。国外企业对此比较重视，国内企业似乎不太在意。 几乎所有的轮胎定型硫化机的调模机构都使用螺纹副结构。在保持良好润滑的条件下，这种结构调整方便、可靠，承载能力也较大。但螺纹副较其它配合的间隙偏大。尤其是调模机构受硫化室高温的影响，其螺纹副的间隙较常温下使用的又偏大。硫化机开模合模时，螺蚊副由竖直状态转入接近水平状态或反过来由近水平状态转入垂直状态时，其间隙的分布是不断变化的。随着硫化机不断地开模、合模，这种间隙分布的变化周而复始地进行。很显然，它不但影响运动的平穩性，也损害了螺纹副的配合精度，进而影响上下模间，上模和中心机构间的同轴度。在使用活络模时，横梁翻转后，活络模操纵缸的活塞杆压向一侧。活塞杆与活络模的上胎侧模连接，又会影响模型的精度和寿命，还会影响活塞杆与缸的配合，甚至引起缸的泄漏。 二、升降平移型运动 采用升降平移运动形式时，横梁端轴的运动轨迹与采用升降翻转运动形式基本相同。根本区别在于，它的副导槽是一个中心线与横梁端轴中心运动轨迹完全相同的封闭式导槽。因而在横梁的整个运动过程中，其端轴中心轨迹与副连杆轴中心的轨迹完全相同。横梁保持平动。图2为其机构运动简图。 不考虑装胎机构固定在横梁前面的结构，与升降翻转型运动一样，完全开模时，中心机构上方也是完全敞开的。由于横梁没有翻转，调模机构的螺纹副始终处于竖直状态。与升降翻转型运动相比，它不但提高了运动的平稳性，而且极大地提高了开合模的重复精度，更容易保证上下模型及其与中心机构间的同轴度，也改善了模型尤其是活络模型及其操纵缸的使用条件。 到二十世纪末，如同所有的机械传动式B型定型硫化机都使用升降翻转运动一样，B型以外的所有机型，如A型、AB型、C型等，则全都采用升降平移运动。这是因为A型、AB型、C型等机型一般都只用于硫化中小型轮胎，通常不需要喷洒隔离剂。尤其对于硫化中小型子午线轮胎，使用升降平移运动在一定程度上能提高轮胎的硫化质量。 根据前面的论述，大型B型硫化机由于需要喷洒隔离剂而采用升降翻转运动是合理的。而所有的B型硫化机包括硫化小胎的1030B型硫化机也使用升降翻转运动则有些让人费解。能让人接受的解释只能是为了設备的标准化、系列化，便于管理。 三、直接升降型运动 直接升降型运动实际上只是升降翻转和升降平移运动的一部分。它借鉴液压传动式轮胎定型硫化机的运动方式，横梁只在中心机构的正上方升降。很显然，直接升降型运动较前两种运动形式更简捷，也更容易实现。同时由于横梁只在一个方向做上下运动，其运动精度也得以大大提高。 在升降翻转和升降平移运动中，曲柄绕固定支点在一定的角度范围内摆动，整个传动装置做正反转运动。而直接升降型运动，曲柄旋转一周，横梁便完成一个升降周期，传动装置无须反转。 采用直接升降型运动，横梁的最大升降高度等于两倍的曲柄长度。由于设备体度的限制，曲柄不可能做的很长，因而开模的高度就非常有限。它不适用于B型硫化机，只能用于A型、AB型、C型等硫化机中硫化乘用子午胎、轿车子午胎。 直接升降的运动形式，使机械传动式轮胎定型硫化机的精度达到一个新的高度。当前，在液压传动式轮胎定型硫化机还不普及的条件下，它可以部分地代替液压硫化机用以硫化高等级小型子午胎。 综上所述，机械传动式轮胎定型硫化机三种运动形式的应用应该这样划分：硫化大型轮胎的B型硫化机（一般为1525B以上规格），使用升降翻转运动；一般的B型硫化机，使用升降平移运动；B型以外的其它类型硫化机，尤其是用于硫化子午线轮胎的，优先采用直接升降运动，不能使用的，用升降平移运动。 随着科学技术的进步，轮胎硫化技术也将不断发展。如果能取消往上模喷洒隔离剂的工序，则可以予言，升降翻转运动将从轮胎定型硫化机的运动中消失。那时，机械传动式轮胎定型硫化机将只有升降平移和直接升降两种运动形式。所有的B型硫化机都使用升降平移运动，其它类型的硫化机则两种运动形式兼而用之。若是这样，则机械传动式轮胎定型硫化机的运动精度将会得到极大的改善
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机械工程论文参考文献
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王福.王颖伟.王慧峰，19991999年全国包装与食品加工技术研讨会
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3 柴油机电控技术的特点 柴油机电控技术与汽油机电控技术有许多相似之处，整个系 统都是由传感器、电控单元和执行器三部分组成。在电控喷射方 面柴油机与汽油机的主要差别是，汽油机的电控喷射系统只是 控制空燃比(汽油与空气的比例)，柴油机的电控喷射系统则 是通过控制喷油时间来调节输出油量的大小，且柴油机喷油控制 是由发动机的转速和加速踏板位置(油门、供油拉杆位置)来决定 的。柴油机电控技术有两个明显的特点：一是柴油喷射电控执行 器复杂，二是柴油电控喷射系统的多样化。 3.1柴油机是一种热效率比较高的动力机械 柴油机燃油喷射具有高压、高频、脉动等特点。其喷射压力 高达200MPa，为汽油机喷射压力的百倍以上。对燃油高压喷射系 统实施喷油量的电子控制，困难大得多。而且柴油喷射对喷射正 时的精度要求很高，相对于柴油机活塞上止点的角度位置远比汽 油机要求准确，这就导致了柴油喷射的电控执行器要复杂得多。 3.2由于柴油机的喷射系统形式多样 传统的柴油机具有直列泵、分配泵、泵喷油器、单缸泵等结构完全不同的系统。实施电控技 术的执行机构比较复杂，形成了柴油喷射系统的多样化；同时柴 油机需要对油量、定时、喷油压力等多参数进行综合控制，其软 件的难度也大于汽油机。 4 电控柴油喷射系统分类 最先出现的是电控喷油泵技术，而后又发展了电控泵喷嘴技 术和高压共轨喷射技术，后两种技术是现在最主要的柴油机电控 喷射技术。其中，电控泵喷嘴技术的喷油压力非常高，可以达到 200MPa，并且泵和喷嘴装在一起，所以只需要很短的高压油引 导部分，泵喷嘴系统也可以实现很小的预喷量，其喷油特性是三 角形的，并采用了分段式预喷射，这是很符合柴油机的要求 (大众公司的TDI发动机就是使用这种技术)。但电控泵喷嘴技 术的喷油压力受柴油机转速影响，使用蓄压系统的高压共轨技 术可以解决这个问题。它的喷油压力低于泵喷嘴系统，能达到 160MPa。有些公司看中了它对任意缸数的发动机喷油压力调节 很宽泛的特点，逐步扩大其使用范围(最早使用高压共轨的轿车 是阿尔法罗密欧156和奔驰C级别车)。 4.1第一代柴油机电控燃油喷射系统也称位置控制系统，它用 电子伺服机构代替机械调速器控制供油滑套位置以实现供油 量的调整。其特点是保留了传统的喷油泵——高压油管—— 喷油器系统，只是对齿条或滑套的运动位置由原来的机械调速器控制改为计算机控制。这类技术已发展到了可以同时控制定时和预喷射的TICS系统。 4.2第二代柴油机电控燃油喷射系统也称时间控制系统，其特点 是供油仍维持传统的脉动式柱塞泵油方式，如博世公司的电控泵 喷嘴系统，但供油量和喷油定时的调节则由电脑控制的强力快速响应电磁阀的开闭时刻所 决定。一般情况下，电磁阀关闭时，执行喷油，电磁阀打开时，喷 油结束；喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量则取决于电磁阀关闭时间的长短。时间控制系 统的控制自由度更大。 4.3第三代也称为直接数控系统，它完全脱开了传统的油泵 分缸燃油供应方式，通过共轨和喷油压力/时间的综合控制， 实现各种复杂的供油回路和特性。 因柴油机的喷射系统形式多样。国外柴油机的电控系统也型 式多样，有直列泵和分配泵的可变预行程TICS系统，有基于时间 控制的泵喷嘴系统，有蓄压共轨系统和高压共轨系统等。各种技 术方案都在原有的基础上发展，但高压共轨系统是总的发展方向。 5 高压共轨电控喷射系统 5.1共轨(Common-rail)式电控燃油喷射技术的原理 在汽车柴油机中，高速运转使柴油喷射过程的时间只有 千分之几秒。实验证明，在喷射过程中高压油管各处的压力是随时间和位置的不同而变化的。由于柴油的可压缩性和高压油 管中柴油的压力波动，使实际的喷油状态与喷油泵所规定的 柱塞供油规律有较大的差异。油管内的压力波动有时还会在 主喷射之后使高压油管内的压力再次上升，达到令喷油器的 针阀开启的压力，将已经关闭的针阀又重新打开，产生二次 喷油现象。由于二次喷油不可能完全燃烧，于是增加了烟度和碳 氢化合物(HC)的排放量，油耗增加。此外，每次喷射循环后高压 油管内的残余压力都会发生变化，随之引起不稳定的喷射，尤 其在低转速区域容易产生上述现象，严重时不仅喷油不均匀，而 且会发生间歇性不喷射现象。为了解决柴油机这个燃油压力变化 的缺陷，现代柴油机采用了一种称为“共轨”的技术。 共轨技术是指由高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环 系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油 方式，由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对公共供 油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转 速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化， 因此也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量， 喷油量大小取决于共轨管(公共供油管)压力和电磁阀开启时间 的长短。 共轨式电控燃油喷射技术，通过共轨直接或间接地形成恒定 的高压燃油分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的 高速电磁开关阀的开启与闭合，定时定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量，从而保证柴 油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化，以及最佳的着火时间、足 够的着火能量和最少的污染排放。 其主要由电控单元、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各 种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将 燃油加压送入高压共油轨，高压共油轨中的压力由电控单元根据 共油轨压力传感器测量的共油轨压力以及需要进行调节，高压共 油轨内的燃油经过高压油管，根据柴油机的运行状态，由电控单 元从预设的MAP图中确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液 控制的电子喷油器将燃油喷入汽缸(见图4)。 5.2共轨式电控燃油喷射技术的特点 柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一种全新的技术，集计算 机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油器结构于一身。 它不仅能达到较高的喷射压力、实现喷射压力和喷油量的控制， 而且还能实现预喷射和分段喷射，从而优化喷油特性、减低柴 油机噪声和大大减少废气有害成分的排放量。其特点为： (1)采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀，使得 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。 (2)采用共轨方式供油，喷油系统压力波动小，各喷油器间相 互影响小，喷射压力控制精度较高，喷油量控制较准确。 (3)高速电磁开关阀频率高，控制灵活，使得喷油系统的喷射压力可调范围大，并且能方便地 实现预喷射等功能，为优化柴油机喷油规律、改善其性能和降低 废气排放提供了有效手段。 (4)系统结构移植方便，适应范围广，尤其是与目前的小型、 中型及重型柴油机均能很好匹配，因而市场前景广阔。 5.3高压共轨电控燃油喷射技术的发展前景 高压共轨系统被认为是20世纪内燃机技术的3大突破之一。目前，有待研究的有： (1)高压共轨系统的恒高压密封问题。 (2)高压共轨系统中共轨压力的微小波动所造成的喷油量 不均匀问题。 (3)高压共轨系统三维控制数据的优化问题。 (4)微结构、高频响应电磁开关阀在制造过程中的关键技术问 题。 综上所述，共轨式电控燃油喷射技术有助于减少柴油机的有 害尾气排放量，并具有降低噪声、降低燃油耗、提高动力输出 等方面的综合性能。高压共轨电控燃油喷射技术的应用有利于地 球环境保护，加速促进柴油机工业、汽车工业，特别是工程机械 相关工业的向前发展。 参考文献 1. 李春明.《汽车发动机燃油喷射技术》主编 北京理工大学出版社 2. 蒋向佩.《汽车柴油机构造与使用》主编 机械工业出版社 3. 朱仙鼎.《特种发动机》主编 机械工业出版社
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