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1、精品资料4-2第二节 燃油的喷射.第二节 燃油的喷射 燃油的喷射过程是柴油机燃烧过程中极为重要的一个组成部分。喷射过程组织的好坏将直接影响油束与空气在燃烧室中的配合，进而影响燃烧过程的组织，最终决定柴油机的整机性能。燃烧过程中燃油的雾化、加热、蒸发、扩散、与空气的混合，可燃混合气的着火、燃烧、放热、碳烟和废气有害成分的形成，燃烧激振波和燃烧噪声的强度及整机技术经济性能等，都与喷射过程有着不可分割的联系。喷射过程、燃烧过程和柴油机性能三者之间依次存在因果关系。 燃油是在柴油机压缩过程的末期，通过喷油设备喷入缸内的压缩空气中。为保证喷入的燃油在极短的时间内能与空气混合而形成可燃混合气，并保证柴油机
2、运转的可靠性和经济性，对喷油设备有以下一些要求： （1）供油系统能在规定的起始和终止时间内，向燃烧室内喷入一定量的燃油。 （2）供油系统的供油量可以调节，以满足柴油机负荷变化之需要。 （3）喷射系统必须使喷入气缸的燃油达到燃烧所要求的雾化程度，并保证油束与燃烧室的形状能良好地配合。 （4）喷射过程要符合一定的喷油规律，以适应燃烧过程的需要。 一、燃油喷射系统的组成 燃油喷射系统的作用，是在一定的时刻以很高压力将一定数量的燃油迅速地喷入气缸，使之雾化。图4-2-1 燃油喷射系统1-凸轮；2-滚轮；3-柱塞；4- 排油阀；5-弹簧；6-高压油管；7-喷油器弹簧；8-喷油器；9-针阀；10-喷油孔图
3、表 1 组成喷射系统的最主要设备是喷油泵、喷油器和连接它们的高压油管。为喷射系统简图。喷油泵为高压柱塞泵，它可使燃油产生60150MPa的高压。柱塞3由供油凸轮1及滚轮2顶动，复位则靠喷油泵弹簧（图中未画出）。柱塞下行时为吸油行程，燃油依靠压头及柱塞下行的抽吸作用经油孔A进入泵腔。柱塞上行时为泵油行程，当柱塞的上边缘封闭油孔A时，柱塞上面的空间成为一个封闭空间，使泵腔中的燃油受到压缩而压力上升。当油压升高到一定程度时，克服弹簧5的弹力和高压油管中的残余压力而打开排油阀4，燃油从柱塞上部经排油阀、高压油管6进入喷油器8。喷油器利用燃油高压作用在针阀9的锥面上，产生向上抬升力，克服喷油器弹簧7的预
4、紧力而将针阀抬起，打开喷孔10。燃油经喷孔以高速喷入燃烧室，形成油雾。当凸轮顺时针转过一定角度时，柱塞上行，柱塞上的斜槽将回油孔打开而开始回油。喷油泵供油结束，高压油管中的压力迅速下降，当燃油压力低于针阀落座压力时，针阀在喷油器弹簧的作用下自行关闭，喷油结束。而后，柱塞下行，开始吸油动作。 二、喷射过程 所示为喷射过程的示波图。图中a）为喷油泵出口压力曲线；b）为喷油器进口压力曲线；而c）则为喷油器针阀升程曲线；横坐标均为曲柄转角。按喷射过程的特征可将其分为喷射延迟、主要喷射及滴漏三个阶段。 1喷射延迟阶段 从喷油泵供油始点（OH）到喷油始点（Ou）为止的第阶段为喷射延迟阶段。 由于燃油的可压
5、缩性（压力变化1MPa，燃油容积变化1/18201/1610）、高压油管的弹性以及高压系统的节流等原因使得喷油器的喷油始点Ou滞后于喷油泵的供油始点。由此，存在着供油提前角（相对于喷油泵供油始点的几何提前角在压缩行程中喷油泵开始供油的瞬时到活塞上止点的曲轴转角CA）（OA）H和喷油提前角（相对于喷油器喷油始点的实际提前角在压缩行程喷油器开始喷油瞬时到活塞上止点的曲轴转角CA）（OA） 两个提前角。从使用上能够进行检查和调整的是供油提前角，但对柴油机燃烧过程有直接影响的是喷油提前角。船员往往把两者统称喷油提前角。影响喷射延迟阶段长短的主要因素是：高压油管特性参数、喷油器针阀的启阀压力、柴油机的工
6、况以及喷油泵出油阀和喷油器针阀的结构特点等。 2主要喷射阶段图4-2-2 喷射过程示波图 从喷油始点（Ou）到供油终点（KH）的第阶段为主要喷射阶段。本阶段内由于瞬时供油量大于喷油量。喷油器中的压力较高，大部分燃油在此阶段喷入气缸，而且是在不断增高的压力下喷入的，其雾化效果较理想。通常称针阀开启时的燃油压力p为喷油器的启阀压力。显然，本阶段的长短主要取决于柴油机负荷，负荷愈大，本阶段愈长。 3滴漏阶段 从供油终点（KH）到喷油终点（Ku）的第阶段为滴漏阶段。当喷油泵回油孔刚打开时，由于回油孔的节流作用以及燃油、高压油管波的传递，使得喷油器中的压力下降较为迟缓，针阀仍保持开启。燃油是在不断下降的
7、压力作用下喷入气缸，使燃油雾化不良，甚至产生滴漏现象。当燃油压力降低到压力pK时针阀落座，喷油结束，此压力称针阀落座压力。针阀落座压力低于启阀压力是因为：针阀受到摩擦力、惯性力的作用；针阀开启前高压燃油作用面小于开启后的作用面。 在这阶段中，喷油器中的压力从最高喷油压力pmax一直下降到针阀落座压力pK。因此应力求使针阀断油迅速，将此阶段缩短到最小限度。 三、喷油规律及其要求 燃油的喷射质量通常可从燃油的雾化质量及喷油规律两个方面来评价，而喷油规律主要由供油规律来控制。 1喷油规律 所谓喷油规律是一个循环的喷油量在整个喷射延续时间内的分配情况，即每度曲柄转角喷油量的分配曲线。从喷油规律曲线可以
8、分析喷油的始点、终点和喷油持续角度是否适合，判断燃油喷射规律是否符合理想的燃烧过程和放热规律的要求。图4-2-3 喷油规律 中虚线曲线即为喷油规律曲线，其纵坐标为单位凸轮转角喷油器喷入气缸的喷油量dgn/d。目前的柴油机的喷油规律普遍是开始喷油时瞬时喷油率较高。在着火前大量燃油已喷入气缸。这样在着火前已形成了大量的预混合好的可燃混合气，这是造成柴油机压力升高率dp/d高和燃烧噪音大的原因。 2供油规律 供油规律为在供油过程中，每度曲轴转角喷油泵的供油量dgP/d随曲柄转角的变化曲线，如中实线曲线所示。 供油规律主要由油泵凸轮的型线决定，并影响了喷油器的喷油规律。 3喷油延迟 喷油延迟主要是由于
9、燃油的可压缩性、高压油管的弹性以及高压油管中的波动现象造成的。 1）燃油的可压缩性 燃油在压力变化不大时，它的体积变化微小，可以认为是不可压缩的。但是在喷油持续期内，高压油管内的燃油压力由几MPa变化到几十MPa，甚至上百个MPa，由压缩引起的燃油容积变化很大。而且压力变化愈大，初容积愈大，则燃油容积的变化愈大。 2）高压油管容积的弹性膨胀 高压油管一般用厚壁无缝钢管制成。由于钢是弹性物质，在燃油最大喷射压力作用下，高压油管的容积会增大。且压力变化愈大，管内直径愈大，管子愈长，则高压油管受燃油压力作用后膨胀的容积愈大。 3）高压油管中的压力波动 由于压力波在高压油管中来回传播，使高压油管中的压
10、力随时间和地点的不同而变化，这也造成了喷油延迟的产生。关于高压油管中的压力波动，将在后面详细讨论。 4理想喷油规律 对于直喷式柴油机而言，理想的喷油规律应该是“先缓后急”（如中点划曲线所示），即当喷油开始时喷油率要小，且着火后喷油率要很快上升，接着很快结束。这种理想的喷油规律有下列优点： （1）理想喷油规律的着火前喷油量大大少于常见规律的着火前喷油量。这将使其压力升高率dp/d大大减小，柴油机的工作比较柔和。 （2）理想喷油规律的滞燃量将比常见规律少，这是因为理想规律在开始阶段喷射的油量少，从而减少了滞燃期参加预混合的油量（滞燃量）。 （3）由于开始喷油量少，喷油压力低，燃油喷射不远，着火将在
11、燃烧室中心附近开始。着火后，由于喷油率很快上升而油又喷至外围，从而使火焰向空气较多的燃烧室外围传播，因此较易得到完全燃烧。 但是为了在着火以后，将燃油穿过火焰喷至外围，要求有很高的喷射压力，这是一般喷油设备所不能胜任的。所以，目前还不可能实现这种理想的喷油规律，这种理想规律只能用来指导实际喷油规律的组织。 四、影响喷油规律的因素 喷油规律与燃油喷射系统的构造及柴油机的运转工况等很多因素有关，其中主要影响因素有： 1凸轮型线和有效工作段 油泵凸轮型线决定了柱塞运动规律，而柱塞的速度变化规律决定油泵的供油规律，从而影响喷油规律。 在柱塞有效行程和供油始点相同的情况下，凸轮外形越陡，油压上升越快，供
12、油速度越大，喷油延迟角和喷油持续角就越小。 当凸轮外形确定后，就要选择凸轮有效工作段的位置。为了获得较短的喷油时间和必需的喷油压力，一般将凸轮的有效工作段选在柱塞运动的高速部分，以减小喷油持续角，提高雾化质量。 2柱塞直径和喷孔直径 在不改变供油量而增大柱塞直径时，供油速度增大，喷油延迟角和持续角均减小，有利于燃烧在上止点附近结束，柴油机经济性变好。但初期的喷油速率提高，会使燃烧开始时参加燃烧的油量增多、运转粗暴。 当喷油器的喷孔数不变而喷孔直径减小时，由于喷油阻力的增加使喷油持续角增大，而每度凸轮转角的喷油量减小。此时，由于高压油管中的压力增高，弹性变形及波动增大，容易产生重复喷射。 3高压
13、油管尺寸 高压油管愈长，喷油延迟角大而喷油持续角基本不变。也就是随着高压油管长度的增加，其实际喷油提前角却变小了。如果各缸高压油管长度不相等，则将使各缸喷油规律有所差别，这也是影响多缸柴油机工作不均匀的原因之一。为了使各缸喷油规律一致，应尽可能使各缸的高压油管长度相同。 油管内径愈小，燃油流动阻力愈大，喷油延迟角也愈大。 4柴油机转速 当柴油机负荷及喷油定时不变而改变转速时，随着转速的增加，相应每度凸轮转角的时间缩短，故喷油延迟角和喷油持续角均加大，而每度凸轮转角的喷油量减少。 五、喷油过程的压力波动 如前所述，由于燃油的可压缩性、高压油管的弹性及压力急剧变化，在喷射过程中，高压系统中会发生压
14、力波动现象。压力波动的存在，不但使喷油器的喷油状况和喷油泵的供油状况产生差异，而且还会引起一系列的不正常喷射，以及可能使燃油喷射系统的某些零件发生破坏。 由于燃油的压缩性和高压油管的弹性，使燃油喷射系统成为一个弹性系统。在喷油泵开始供油使出油阀打开的一瞬间，高压油管中在泵端的燃油就受到来自喷油泵燃油的冲击。但由于燃油的惯性和可压缩性，喷油泵柱塞所排挤的燃油量与高压油管中流动的燃油量之间的不平衡，造成燃油瞬时堆积，致使压力继续上升。这种局部压力的瞬时升高，以压力波的形式沿高压油管向喷油器一端传播，如所示。传播速度为当地音速，其值约为14001600m/s。图4-2-4 压力传播示意图假设高压油管
15、的长度为L（m）、燃油中的音速为a（m/s）当排油阀开启时，高压油管中靠近喷油泵一端的燃油产生的压力波，经过L/a秒后到达喷油器端。如果此压力波不足以抬起针阀，则压力波全部被反射，反向喷油泵端传播。反射波经过L/a秒后到达喷油泵端后与该处新产生的压力波叠加后，又向喷油器端传播。压力波如此多次反射直至喷油器针阀开启，故高压系统中的压力随着时间和地点而变化。造成喷射延迟。在针阀关闭后，油管中的压力仍会往复波动,如果压力波的峰值大，就可能使针阀再度开启，造成重复喷射。如果峰值不大，由于燃油与管壁之间的摩擦以及管壁的弹性作用，压力波动越来越弱，最后稳定在剩余压力p0附近。 六、异常喷射 造成喷射器异常喷射的根本原因是高压系统中的压力波动现象。异常喷射主要有重复喷射（二次喷射）、断续喷射、不稳定喷射及隔次喷射等。异常喷射将使喷
