内燃机的燃料供给与调节6-1讲述

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1、第六章 内燃机的燃料供给与调节 内燃机燃料供给与调节系统是内燃机最重要 的系统之一，其主要功能主要功能是为内燃机缸内混合 气形成与燃烧提供所需的燃料。由于它对内燃 机的燃烧及其主要性能指标具有直接影响，因 此人们在强调这个系统的重要性时，有时把它 喻为内燃机的内燃机的“ “心脏心脏” ”。视燃料种类及其着火原 理的不同，压燃式内燃机与点式内燃机燃料供 给与调节系统的结构与工作原理也有很多不同 。 主要内容 n压燃式内燃机燃料供给与调节概述 n压燃式内燃机的燃料喷射过程 n压燃式内燃机喷油泵的结构与参数选择 n压燃式内燃机喷油器的结构与参数选择 n压燃式内燃机异常喷射现象 n压燃式内燃机调速器工

2、作特性及其与主机匹配 n电控高压喷射系统 n点燃式内燃机燃料供给与调节 n化油器 n电控汽油喷射系统 n气体燃料供给系统 第一节 压燃式内燃机燃料供给 与调节系统概述 系统要求 压燃式内燃机是在气缸内部形成混合气，即在活 塞接近上止点时，燃料供给与调节系统将燃料以 高压、在极短的时间内喷入气缸，实现燃油与空 气的混合和燃烧。因此，对燃料供给与调节系统 ，无论是在制造与调整精度，还是在与整机的参 数匹配方面均有十分严格的要求，为了保证压燃 式内燃机在动力性、经济性、排放与噪声等方面 达到优良的性能，对其燃料供给与调节系统提出 以下要求： 1)能产生足够高的喷油压力足够高的喷油压力，以保证燃料良

3、好的雾化混合与燃烧，且燃油油束需与内燃机燃 烧室和气流运动相匹配，保证油气混合均匀保证油气混合均匀。 2)对每一个内燃机运转工况(一定的转速与负 荷组成一个工况)，精确控制每循环喷入气缸的精确控制每循环喷入气缸的 燃油量燃油量，且喷油量能随工况变化而自动变化。在 工况不变时，各循环之间的喷油且应当一致。对 多缸内燃机而言，各缸的喷油量应当相等。 3)在内燃机所运转的工况范围内，尽可能保尽可能保 持最佳的起始喷油时刻、喷油持续时间与喷油规持最佳的起始喷油时刻、喷油持续时间与喷油规 律律，以保证良好的燃烧并取得优良的综合性能。 系统构成 在压燃式内燃机出现早 期，燃油喷射是通过高 压空气实现的。1

4、927 年，德国博世(Bosch) 公司开始专业生产以螺螺 旋槽柱塞旋转方式调整旋槽柱塞旋转方式调整 供油量的机械式喷油泵供油量的机械式喷油泵 ，这种喷油泵的工作原 理至今仍用于多数压燃 式内燃机的燃料供给系 统中。图61所示为 典型的燃料供给与调节 系统简图。 整个系统由低压油路低压油路( 油箱8、输油泵5、燃 料滤清器3及低压油管) 、高压油路高压油路(喷油泵6、 高压油管13、喷油器 11)和调节系统调节系统(离心式 调速器9、自动供油提 前器7)组成；其核心部 分是高压油路所组成的 喷油系统，人们也把这 种传统的燃料供给系统 称之为泵泵- -管管- -嘴嘴系统。 系统分类及应用 在这种

5、系统中，喷油泵有柱塞式喷油泵和转子分配式 喷油泵两种。 对柱塞式喷油泵，每个柱塞元件对应于一个气缸，多 缸内燃机所用的柱塞数和气缸数相等且合为一体，构 成合成式喷油泵； 对小型单缸和大型多缸内燃机，常采用每个柱塞元件 独立组成一个喷油泵，称之为单体喷油泵。 转子分配式喷油泵是用一个或一对柱塞产生高压油向 多缸内燃机的气缸内喷油，这种泵主要用于小缸径高 速压燃式内燃机上，其制造成本较低。 在上述泵管嘴燃料供给系统中，由于有高压由于有高压 油管油管的存在，使喷油系统在内燃机上的布置比较方便布置比较方便 与灵活与灵活，加上已积累了长期制造与匹配的理论与经验 ，因此，目前仍在各种压燃式内燃机上得到广泛

6、应用 。 也正由于高压油管的存在也正由于高压油管的存在，降低了整个燃料供给降低了整个燃料供给 系统高压部分的液力刚性，难于实现高压喷射与理想系统高压部分的液力刚性，难于实现高压喷射与理想 的喷油规律的喷油规律，也使这种传统燃料供给系统的应用前景 受到一定限制。 为了满足压燃式内燃机不断强化及日益严格的排 放与噪声法规的要求目前正在大力发展各种高压、电高压、电 控的燃料喷射系统控的燃料喷射系统，如采用短油管的单体泵系统、泵 喷嘴与PT系统、蓄压式或共轨系统等等。 第二节 压燃式内燃机燃料喷射过程 n一、喷射过程 n二、几何供油规律和喷油规律 n三、喷油规律的确定 一、喷油过程 喷油系统结构 喷油

7、过程 概念喷油泵柱塞的有效行程he 柱塞封闭进、回油孔开始压油到柱塞斜槽上 边缘与回油孔相通开始回油所经历的升程 ，称之为喷油泵柱塞的有效行程he，它的 大小与循环供油量有关决定了喷油器循 环喷油量的大小。 二、几何供油规律和喷油规律 概念几何供油规律 n几何供油规律是指从几何关系上求出的单位凸轮转 角(或单位时间)喷油泵供入高压油路中的燃油量随 凸轮转角(或时间t)的变化关系。它完全由柱塞的 直径和凸轮型线的运动特性决定。 式中，AP为柱塞面积，AP ；dp为拄塞直 径；P为有效行程段的柱塞速度。 喷油规律是指在喷油过程中，单位凸轮转角喷油规律是指在喷油过程中，单位凸轮转角( (或单或单 位

8、时间位时间) )从喷油器喷入气缸的燃油量随凸轮转角从喷油器喷入气缸的燃油量随凸轮转角 ( (或或 时间时间t) t)的变化关系，即的变化关系，即 概念喷油规律 供油规律与喷油规律之不同及分析 1、进入高压油路中的燃油在喷射时，燃油压力达数十甚 至超过100MPa，而在 一个循环的不喷油阶段，燃油压 力小于针阀开启压力p0，在一定的出油阀减压容积作用 下，残压力零，甚至出现真空； 2、喷油过程中喷油峰值压力高且变化大，因此需考虑燃 油的可压缩性，燃油的可压缩性用燃油的弹性模量E表示 ：E=Vdpdv，压力变化越大，对应一定的高压油路容 积V，容积变化量dv也越大，故E是燃油的个物性常数 ，在20

9、30MPa压力，E=20002500MPa。也就是 说，若高压油路中容积为15002000mm3的喷油系统 ，在30MPa压力作用下，燃油的压缩量达2030mm3 。 3、考虑了燃油的可压缩性，燃油在高压系统容内也就产燃油在高压系统容内也就产 生了弹性振动生了弹性振动，压力从泵端传到嘴端需一定的时间，传播 的速度为声速。在传播过程中，泵端、嘴端开启或关闭等 边界条件不同，将造成压力波的反射。又由于减压作用存 在，可能在系统容积内局部产生真空。此时燃油将变为气 形成气泡，故压力波传播的速度是变化的，在液态下压力 波传播速度（声速）c1400-1600ms，而在高压油 路中，由于有时存在蒸气池，故

10、速度将降低。大量试验表 明压波传播速度的数值在7001400ms之间变化， 而燃油在高压油管内的流速仅2040m/s，这样，喷油喷油 器盛油腔内压力波形与出油阀紧幅腔内的压力波形，不论器盛油腔内压力波形与出油阀紧幅腔内的压力波形，不论 是数值大小和时间相位都不相同是数值大小和时间相位都不相同。上述因素造成喷油规律 不可能和供油规律相同，它不仅受喷油泵内机械运动的影 响，还受燃料在高压油路中液力作用的制约。 供油规律供油规律可根据喷油泵几何参数计算得出、而喷油规律喷油规律由 喷油系统的几何参数和燃油在高压作用下的液力特性综合 作用所决定； 它们之间有一定的内在联系，喷油规律受供油规律的影响 ，喷

11、油始点迟于供油始点，喷油持续时间大干供油持续时 间，喷油速率的峰值小于供油速率的峰值。 三、喷油规律的确定 n1 试验测定法 n2 计算法 1.试验测定法 n(1)压力升程法 n(2)博世长管法 （1）压力升程法 n由喷油器的喷孔流量方程知，瞬时喷油速率单位 为mm3/(CaA)与喷孔流通截面、喷孔前后的 压差有关，计算公式为 n式中A为喷油器有效流通截面积(mm2)；nP为 喷油泵的转速(rmin);f为内燃油密度(kg m3)；p=p-pZ为喷孔前油压及气缸内的气体压 力差(Pa)。 n n 因此，测定某一工况的喷因此，测定某一工况的喷 油规律如图油规律如图62a62a那样，那样， 用压力

12、传感器实测喷油器端用压力传感器实测喷油器端 的油管压力的油管压力p p N N ，然后计算出，然后计算出 盛油腔处的压力盛油腔处的压力p(p(或直接测或直接测 出喷油器盛油腔处的压力出喷油器盛油腔处的压力p)p) 和气缸压力和气缸压力p p z z ( (示功图示功图) )，用，用 位移传感器测出针阀升程的位移传感器测出针阀升程的 变化，在专用试验台上实测变化，在专用试验台上实测 不同升程下的油嘴流通截面不同升程下的油嘴流通截面 积积AA由此计算出喷油规律由此计算出喷油规律 。这是在。这是在运转发动机上实测运转发动机上实测 喷油规律的首选方法喷油规律的首选方法。 (2)博世长管法 n这是在喷油

13、泵试验台 上测定喷油规律的常 用方法，从喷油系统 喷出的燃油进入细长 管组成的波许长管仪 中，见图6-4。它是 用测量细长管内压力 随时间的变化来测定 喷油规律的。 工作原理 喷油器喷油进入细长管内，其体积流量的表达式为喷油器喷油进入细长管内，其体积流量的表达式为 (6-4) (6-4) F F为细长管截面积；为细长管截面积；为燃油在细长管中的流速。为燃油在细长管中的流速。 非稳定流中一元压力波非稳定流中一元压力波P(tP(t) )可用下式可用下式(c(c为声速为声速) )表达表达 (6-5) (6-5) 由式由式(64)(64)和式和式(65)(65)化简得喷油速率表达式化简得喷油速率表达式

14、 (6-6) (6-6) 由此在图由此在图6464中用压力传感器中用压力传感器4 4测得长管压力波的变测得长管压力波的变 化，即可求得喷油规律。化，即可求得喷油规律。 测试要求 博世长管仪中，长管长度要足够长，且管截面保 持一定，这样喷油的压力波不受管截面突变和细 长管端反射波的影响，保证喷油速率测定的精度 。为做到这一点细长管的长度L应保证由细长管 出口端所产生的反射波反射到喷油嘴端所需的时 间大于喷油持续期tz(tz2La)，且保证在下一 个循环之前管内的压力波已经完全衰减。大量试 验表明，实测的压力波为4个波形时(一个喷油波 形和三个反射波形)，测量精度较高。图64中的 背压阀可用于模拟

15、气缸压力的大小，而节流阀8用 来保证长管中有一定的压力，调整节流阀改变流 通截面的大小，可得到所需的实测压力波的个数 。 2计算法 计算法是对喷油系统建立物理数学模型，用质量守恒定 律分别建立柱塞腔、出油阀紧帽腔、针阀体的盛油槽及 压力室内的燃油连续性方程；用牛顿定律建立出油阀、 针阀的运动方程及高压油管内的一元可压缩不定常流的 燃油运动方程和连续性方程，根据已知的喷油系统结构 参数、喷油泵升程随转角变化的关系，用数值计算的方 法编程，在计算机上联立求解。可得出柱塞腔、出油阀 紧帽腔、针阀体的盛油槽、压力室和高压油管任意位置 的压力变化及出油阀、针阀的达功规律，并得出喷油规 律的计算结果，计算

16、精度已能满足工程应用的要求。目 前这一方法已是国内外对喷油系统性能预测的基本方法 ，可利用此方法对燃料供给系统进行结构参数的优化。 第三节 压燃式内燃机喷油泵的 结构与参数选择 n喷油泵结构参数和调整参数影响喷油 过程，从而对内燃机性能有一定影响 。其主要参数有供油始点(安装在内燃 机上为供油提前角 )，柱塞直径 ， 凸轮型线和最大升程H，供油预行程 ，出油阀减压容积等，现分述如下。 主要内容 n一、供油提前角fd n二、喷油泵的系列化和工作能力评价指标 n三、喷油泵参数的选择 一、供油提前角fd n柴油机为获得高的热效率要求燃烧在上 止点附近完成，喷油需在上止点前某一时 刻开始，过早或过迟喷油对燃烧热效率都 有影响。 n燃油喷入气缸的时刻到活塞上止点所经历 的曲轴转角称为喷油提前角：喷油提前角 测量需在喷油器内安装针阀升程传感器， 配专用电产仪器完成。这种动态测试比较 麻烦，故平常柴油机调试及产品说明书标