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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主要功能是为内燃机缸内混合气形成与燃烧提供实际需要的燃料，通常称它为内燃机“心脏”。因为它对内燃机燃烧和主要性能有直接影响。在内燃机各系统中，燃料供给与调节系统是最重要的系统之一。 根据燃料种类和着火原理，燃料供给与调节系统结构与工作原理也不同。所以，本章将介绍如下两方面内容：压燃式内燃机燃料供给与调节系统（一至七节）；点燃式内燃机燃料供给与调节系统（八至十一节）。,第一节 压燃式内燃机燃料供给与调节系统概述压燃式内燃机最显著的特点：缸内形成非均质混合气、压缩着火。为此，在活塞接近上止点时，燃料供给与调节系统将燃料以高压、瞬时喷入气缸，实现
2、燃油与空气混合和燃烧。根据压燃式内燃机的工作特点，为了保证内燃机动力性、经济性、排放、噪声等方面的优良性能，对燃料供给与调节系统在制造、精度、调整精度、与整机参数匹配等诸方面均有十分严格的要求。主要有以下要求：1）产生足够高喷油压力（燃料良好雾化、混合与燃烧的需要）；油束与燃烧室和气流运动匹配（油气混合均匀的需要）。2）精确控制循环喷油量（随工况自动变化）-包括循环之间喷油量一致性好（工况不变时）和各缸喷油量相等（多缸机 ）。3）提供最佳的起始喷油时刻、喷油持续时间与喷油规律（在所运转的工况范围内），以保证良好的燃烧过程，取得优良的综合性能。4）能保证柴油机安全、可靠地工作（如防止超速、能调速
3、等）。,早期压燃式内燃机的燃油喷射是通过高压空气实现的。自从1927年，德国博世（Bosch）公司开始专业生产以机械式喷油泵（以螺旋槽柱塞旋转方式调整供油量）以来，这种喷油泵的工作原理至今仍在广泛使用。下图为一个典型的压燃式内燃机燃料供给与调节系统的简图。,系统由三部分组成： 低压油路（油箱8、输 油泵5、燃料滤清器3、 低压油管）； 高压油路（喷油泵6、 高压油管13、喷油器 11）； 调节系统（离心式调 速器9、自动供油提前 器7）。 其中，核心部分是高 压油路所组成的喷油 系统，这种传统的燃 料供给系统通常称为 泵-管-嘴系统。,在传统的燃料供给系统中，喷油泵有柱塞式喷油泵和转子分配式喷
4、油泵两种。对于柱塞式喷油泵：每一个柱塞对应于一个气缸，多缸内燃机所用的柱塞数和气缸数相等、并合为一体，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。对于转子分配式喷油泵：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。,泵-管-嘴燃料供给系统的优缺点：高压油管的存在，使喷油系统在内燃机上的布置比较方便与灵活，目前已积累了长期制造与匹配的理论与经验。因此，仍在各种压燃式内燃机上得到广泛应用。高压油管的存在，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的喷油规律
5、，使这种传统燃料供给系统的应用前景受到一定限制。压燃式内燃机燃料喷射系统的发展：各种高压、电控的燃料喷射系统-如采用短油管单体泵、泵喷嘴、PT泵、蓄压式、共轨式系统等等，以满足压燃式内燃机不断强化、日益严格的排放与噪声法规的要求。本章主要介绍目前发展最为成熟与应用较大的传统泵-管-嘴燃料供给与调节系统（第二节至第六节）。在第七节，简要介绍有关各类高压、电控喷油系统。,第二节 压燃式内燃机燃料喷射过程1、喷油过程喷油系统结构组成：压燃式内燃机工作时，发动机 曲轴通过定时齿轮驱动喷油泵运转；燃油从油箱经滤清器、输油泵 加压（约0.10.15MPa）供到喷油 泵的低压油腔。下图 a 给出了喷油系统结
6、构 组成。,其中： 1-凸轮； 2-挺柱体；3-柱塞； 4-进、回油孔； 5-柱塞腔； 6-出油阀； 7-出油阀紧帽腔； 8-出油阀弹簧； 9-压力传感器； 10-高压油管； 11-压力传感器； 12-针阀弹簧； 13-喷油器总成； 14-针阀； 15-盛油槽； 16-喷孔。,喷油系统工作过程：1、柱塞腔进油挺柱体总成的滚轮在凸轮基圆时，柱塞腔通过进、 回油孔和低压油腔相通。此时，低压油路向柱塞腔供油。凸轮轴继续运转，滚轮离开凸轮基圆后，凸轮推动挺柱体总成克服柱塞弹簧力向上运动。当柱塞顶面上升到与进、回油孔上边缘平齐时，进、回油孔关闭，柱塞腔与低压油腔隔离。2、柱塞压油柱塞再向上运动时，柱塞腔
7、内燃油被压缩，压力升高。当压力上升到大于出油阀开启压力与高压油管内的残余压力p r之和时，出油阀开启。燃油流入出油阀紧帽，进入高压油管和喷油器内油路和针阀体盛油槽内。,3、喷油器喷油柱塞继续上升，油压升高。当针阀体盛油槽内油压达到并超过 针阀开启压力p0 时，针阀打开，向气缸 内喷油。因柱塞顶面积大，喷油器喷孔面积 小，故喷射过程中压力继续升高。4、柱塞腔卸压柱塞继续上升，当柱塞斜槽上边缘与回油孔下边缘相联通时，如果柱塞再上升，则柱塞腔与低压油腔相通，燃油经回油孔开启截面流入低压油腔，柱塞腔压力下降。 5、出油阀落座在弹簧力和出油阀两端油压综合作用下，出油阀开始下行。当减压凸缘进入出油阀座孔后
8、，出油阀紧帽腔与柱塞腔隔离，使紧帽腔到喷油器所组成的高压油路内保持一定量燃油，出油阀仍继续下行到落座。,6、喷油器停止喷油出油阀在落座过程中，由于减压容积作用，使高压油路（出油阀紧帽腔、高压油管、喷油器体内油道、盛油槽容积的总和）中燃油压力迅速下降。当盛油槽内的燃油压力小于针阀关闭压力时，针阀落座，喷油停止。7、喷油泵回油出油阀落座后，柱塞在凸轮驱动下继续上行，由于柱塞腔与低压油腔相通，此时，柱塞不压油，柱塞顶部的燃油通过柱塞斜槽，回到低压油腔。柱塞到最大行程后，在柱塞 弹簧力的作用下，沿凸轮下降段 下行。在下行过程中，喷油泵也 不产生泵油作用，直到凸轮基圆 为止。至此，完成了一个泵油循环。,
9、两个重要参数：1、喷油泵柱塞预行程h0定义为： 柱塞从下止点开始，上升到 进、回油孔关闭时所经过的距离。它的大小决定了柱塞在压油过程中初 速度的大小，将影响喷油速率；2、喷油泵柱塞的有效行程he定义为：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。它的大小与喷油泵循环供油量有关， 从而决定了喷油器循环喷油量大小。,喷射过程的压力波动：因燃油具有可压缩性与惯性， 所以，在喷油系统中，存在压力 传播与反射（即高压油管内产生 一定压力波动）。压力波动在出油阀紧帽腔到 针阀体盛油槽内不断衰减，趋 于一压力定值（残余压力pr ）。 压力波动可用压力传感器及 位移传感器
10、和相应仪器测出。考虑到测量的方便性和可行 性，通常喷油过程试验仅测出泵 端压力prp、喷嘴端压力pN、针阀 升程h和喷油速率dVb/d c随凸轮 轴转角 c变化关系，如左图 b所 示。其中，从柱塞供油开始到喷 油器针阀升起这一段时间，称为 喷油延迟期。,由于喷油系统中的 压力波动，使喷油 器喷油滞后于喷油 泵柱塞供油。喷油延迟期由三部 分组成： 出油阀升起滞后； 喷油器油压滞后； 针阀升起滞后。,二、几何供油规律和喷油规律几何供油规律：指从几何关系式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 c（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（6
11、-1）（6-1a）式中，Ap 为柱塞面积， ；dp 为柱塞直径；p为有效行程段的柱塞速度。,喷油规律：指在喷油过程中，单位凸轮转角（或单位时间）从喷油器喷入气缸的燃油量随凸轮转角 c（或时间t）的变化关系，即（6-2）（6-2a）在喷油器喷油时，高压油路中的燃油压力高达数十甚至超过100 Mpa。在喷油器不喷油阶段，高压油路中的燃油压力又小于针阀开启压力p0。在一定出油阀减压容积作用下，残压为零，甚至出现真空。所以，喷油过程中，喷油峰值压力高且变化大，需考虑燃油的可压缩性。,燃油的可压缩性：可用燃油的弹性模量E表示，即E= - V dp / dV。在高压油路容积V一定条件下，因压力变化越大，容
12、积变化量dV也越大，故E是燃油的一个物性常数。通常在2030MPa压力下，E=20002500MPa。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。由于燃油的可压缩性，燃油在高压系统容积内产生弹性振动，使压力从泵端传到嘴端需一定的时间，其传播的速度为声速。在传播过程中，泵端、嘴端开启或关闭等边界条件不同，将造成压力波反射；由于存在减压作用，在系统容积内的局部地区，可能产生真空（见前面图b的压力波图上压力为零的区段），使燃油变为蒸气形成气泡。液态下压力波传播速度（声速）c=14001600m/s；但在高压油路中，如果存在蒸气泡，压力波传
13、播速度将降低，使喷油滞后期增加，不利于缸内燃烧。故喷油系统中压力波传播速度是变化的。,大量试验表明：压力波传播速度的数值在7001400m/s之间变化，而燃油在高压油管内流速仅为2040m/s，即，燃油流速赶不上压力波速度。所以，喷油器盛油腔内压力波形与喷油泵出油阀紧帽腔内压力波形，不论是数值大小和时间相位上都不可能相同。因此，喷油规律不可能和供油规律相同，这种差别不仅受喷油泵内部机械运动影响，还受高压油路中的液力作用。 图6-3是一实例。供油规律 可计算出；喷油规律由几何参 数和燃油在高压下液力特性的 综合作用所决定。两者有一定 内在联系：喷油规律受供油规 律的影响，喷油始点迟于供油 始点，
14、喷油持续时间大于供油 持续时间，喷油速率的峰值小 于供油速率的峰值。,三、喷油规律的确定有试验测定法和计算分析法两大类，现分述如下。1、试验测定法试验测定喷油规律的方法有多种，最常用的是压力升程法和波许长管法。（1）压力升程法 由喷油器的喷孔流量方程知，瞬时喷油速率mm3/CA与喷孔流通截面、喷孔前后压差有关，计算公式为（6-3）式中，A为喷油器有效流通截面积（mm3)；np为喷油泵的转速（r/min）；t为燃油密度（kg/m3）；p =p - pz 为喷孔前油压与气缸内气体压力差（Pa）。,测定发动机某一工况喷油规律的步骤：1、在发动机上，用压力传感器实测喷油器端油管压力pN，然后计算出盛油
15、腔处压力p（或直接测出喷油器盛油腔处的压力p）；气缸内压力pZ；用位移传感器测出针阀升程h（随转角或时间）变化；喷油泵凸轮转速 np 。2、在专用试验台上，实测不同升程下的油嘴有效流通截面积A；3、根据针阀升程h（转角或时间）和A（h），求出油嘴有效流通截面积A随时间的变化曲线A（t）；4、按6-3式，计算出喷油规律。这是在运转发动机上实测喷油规律的首选方法。,（2）博世长管法 这是在喷油泵试验台上测定喷油规律的常用方法。下图是测量装置的示意图。从喷油器喷出来的燃油进入细长管组成的波许长管仪中。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。工作原理如下： 喷油器喷油进入细长管内，其体 积
16、流量的表达式为（6-4）式中，F为细长管截面积；为燃油在细长管中流速。,根据流体力学理论，在非稳定流动中，一元压力波p(t)可用下式表达 （6-5） 其中，c为声速将式（6-5）代入式（6-4）后，化简可得喷油速率表达式（6-6）可见，用压力传感器 4 实测长管压力波的变化（如上图），即可求得喷油规律。,使用博世长管仪注意事项： 长度足够长，管截面恒定。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。 消除反射波影响。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端所需的时间大于喷油持续期tZ（tZ2L/a），且保证在下一个循环之前，管内压力波已经完全衰减。 波形个数。试验表明，实测压力波波形个数为4个波形时（一个喷油波形和三个反射波形），测量精度较高。 合适的背压。图6-4中背压阀用于模拟气缸压力的大小，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。,
