汽车发动机原理课件：柴油的喷射及雾化

一、供油系统和喷射过程１.柴油机供油系统典型的柴油机供油系统如图5-4所示，由燃油箱、输油泵、柴油滤清器、喷油泵、高压油管、喷油器等组成，还包括调速器和供油提前角调节装置等，其中的喷油泵、喷油器和连接其间的高压油管组成了高压油路，又称为泵—管—嘴喷射系统，是整个柴油机供油系统的核心部分。喷油泵的主要作用是定时、定量地经高压油管向各缸的喷油器周期性地供给高压燃油，常见的有柱塞直列泵(图5-5)和转子分配泵(图5-6)两种类型，直列式喷油泵一般以柱塞行程、泵缸中心距和结构特征为基础成为系列，每个系列可以改变柱塞直径和缸数，以适应不同柴油机的需要，包括直列多缸泵、单体泵和泵喷嘴系统，多用于大、中型车用柴油机上。分配式喷油泵有端面凸轮驱动的VE泵系统(图5-6)和内凸轮驱动的径向对置柱塞系统，广泛应用轿车和轻型车用柴油机中，与直列式喷油泵相比，分配式喷油泵具有结构紧凑、体积小、质量轻、能在较高转速下工作的优点，但达到较高的供油压力较困难，在使用中对燃油的质量要求较高。喷油器的主要作用是将喷油泵供给的高压燃油喷入柴油机燃烧室内，使燃油雾化成微细的油粒，并按一定的要求适当地分布在燃烧室内，喷油器有孔式喷油器和轴针式喷油器两类，如图5-7所示。孔式喷油器一般用于直喷式燃烧室中，喷孔的数目、直径及喷射角度要根据具体的燃烧室形状和空气运动而定，同一喷油器各喷孔的直径及角度也不一定相同，一般针阀升程为0.2~0.45mm，在满足流通面积的前提下，应尽可能减小针阀升程，对缸径D≤150mm，又具有较强进气涡流的直喷式燃烧室，喷孔数为4

~5个，孔径为0.2~0.4mm。而对较大缸径且不组织进气涡流的直喷式燃烧室，喷孔数为6~12个。轴针式喷油器一般用于分隔式燃烧室中，针阀喷孔头部的轴针有圆锥体和圆柱体等不同的形状，轴针在喷孔内上下运动(其间的环状间隙为0.05~0.25mm)，可起到自洁作用，轴针式喷油器的孔径一般0.8~1.5mm，针阀升程为0.4~1.0mm。喷孔有效流通截面积与针阀升程的关系称为喷油器的流通特性，图5-8是不同喷油器的流通特性。由图可见，孔式喷油器的有效流通截面积随针阀的上升增长得较快，标准轴针式较慢。节流轴针式由于针阀头部圆锥部分的节流作用，在开启初期有效流通截面积最小，这意味着在喷射初期特别是着火延迟期中喷油量会较小，从而对柴油机工作的平稳性有利，是比较理想的。２.喷油泵速度特性及其校正喷油泵油量控制机构(齿条或拉杆)位置固定，循环供油量随喷油泵转速变化的关系称为喷油泵速度特性，对于直列式喷油泵，当喷油泵柱塞向上运动中柱塞上端面还未完全关闭油孔时，由于流通截面很小而时间极短，被柱塞挤压的燃油来不及通过油孔流出，泵油就已经开始，结果使出油阀相对提早开启。同样，在油孔刚刚开启时，柱塞上部的燃油不能立即通过油孔流出，使出油阀相对滞后关闭，这就是油孔处的节流作用，转速越高，油孔处节流作用的影响也越大，因此，一般随着转速的上升，循环供油量呈略有增大的趋势(图5-9中的AB和CD段)。喷油泵所固有的速度特性通常并不理想，特别是对于车用柴油机，因此需要对其进行必要的校正，在较高的转速范围内，一般柴油机的充气效率随转速上升而下降，而循环供油量随转速上升而增大，使空气量与供油量不相匹配，若在低速n1下固定供油量，则会造成高速供油量过多(图5-9中的AB段)，使柴油机燃烧不完全而冒黑烟。若在高速n2下固定供油量，则会造成低速供油量不足(图5-9中的CD段)，使柴油机的潜力得不到充分发挥,通过校正可以得到较理想的喷油泵速度特性(图5-9中的AD段),这样也将有利于提高车用柴油机适应阻力变化的能力，得到较理想的转矩特性。３.喷射过程喷射过程是指从喷油泵开始供油直至喷油器停止喷油的过程，整个喷射过程在全负荷工况下约占15°~40°曲轴转角，图5-10表示了在喷射过程中喷油泵端压力PH、喷油器端压力Pn以及针阀升程h的变化情况。整个喷射过程一般分为三个阶段，即喷射延迟阶段、主喷射阶段和喷射结束阶段。(１)喷射延迟阶段，该阶段从喷油泵的柱塞顶封闭进回油孔的理论供油始点起到喷油器的针阀开始升起(喷油始点)为止，出油阀升起后，受压缩的燃油进入高压油管，使喷油泵端的压力上升，产生压力波并以声速(1200

~1400m/s)沿高压油管向喷油器端传播。供油始点和喷油始点常用供油提前角和喷油提前角来表示，两者差值就是喷油延迟角，也就是喷射延迟阶段所对应的曲轴转角，发动机转速升高、高压油管越长，喷油延迟角越大。(２)主喷射阶段，该阶段从喷油始点到喷油器端的压力开始急剧下降为止，在针阀升起过程中，由于针阀上升让出容积以及一部分燃油喷入燃烧室内，喷油器端的压力有一短暂下降。这阶段中由于喷油泵柱塞持续供油，喷油泵端压力和喷油器端压力都保持在高的水平而不下降，绝大部分燃油以高的喷射压力和良好的雾化质量喷入燃烧室内，其持续时间主要随喷油泵柱塞的有效行程，即柴油机负荷的变化而变化。(３)喷射结束阶段，该阶段从喷油器端的压力开始急剧下降到喷油器的针阀完全落座停止喷油为止，由于喷油泵的回油孔打开和出油阀减压容积的卸载作用，泵端压力带动喷油器端压力急剧下降，当喷油器端压力低于针阀开启压力时，针阀开始下降。这一阶段内还有少量燃油从喷孔喷出，由于喷油压力下降，燃油雾化变差，故应尽可能地缩短这一阶段，即喷射过程的结束应干脆迅速。非喷射过程中喷射系统内的平均压力称为残余压力P0，残余压力的大小也会影响喷射过程的进行，可通过出油阀等控制其大小。４.几何供油规律柱塞理论上供入高压油管的燃油量(以每秒或每度喷油泵凸轮轴转角所供燃油量表示)随时间或喷油泵凸轮轴转角之间的变化关系称为几何供油规律。通过实际测量或按凸轮型线与滚轮尺寸计算，可以做出柱塞升程曲线、速度曲线和供油曲线，如图5-11所示。图中的横坐标上分别标出理论供油始点θ1和终点θ2，对应的柱塞升程为h1、h2，速度为dh1/dθ、dh2/dθ，供油率为(dqp/dθ)1、(dqp/dθ)2，图示的剖面线面积为几何供油律图形，其面积代表的数值是每一循环喷油泵的供油量。θ1到θ2是凸轮的工作段，它决定了柱塞相对于套筒的轴向位销，因此决定了柱塞供油始点与终点，也决定了喷油提前角与喷油延迟角。与θ1、θ2对应的柱塞行程h1、h2为有效行程。一般喷油系统的有效行程选择在速度曲线的高速区段的升速段，保证高的供油速率。５.喷油规律喷油规律是指喷油过程中从喷油器喷入汽缸的燃料量(以每秒或每度喷油泵凸轮轴转角所供燃油量表示)随时间或喷油泵凸轮轴转角的变化关系。喷油规律表示了燃油喷射期间的燃油分配比例，决定了燃烧放热的速率，对工作过程有重要的影响，尤其是空间雾化混合的开式燃烧室，喷油规律决定了压力升高率。一般认为，从减轻燃烧粗暴性考虑，在着火延迟期，喷油速率应该小些，在噪声与燃烧室温度允许条件下，采用较小的喷油提前角，较高的喷油速率为好，但燃烧过程受缸内气流、混合气形成与燃烧室结构影响.因而各种具体的柴油机都按各自不同的特点要求不同的喷油规律。６.喷油规律与几何供油规律的比较喷油规律虽然由几何供油规律决定，有着密切关系，但两者却存在着明显的差异，图5-12所示是同一喷油系喷油规律与几何供油规律的对比曲线。比较两者，存在着以下差别:(１)喷油规律始点落后于几何供油规律的供油始点，落后角度为喷油延迟角。(２)喷油持续时间比供油持续时间大，在标定工况下为1.3~1.7倍。这是因为喷油泵回油孔节流及高压油管减压时燃料膨胀与油管收缩造成的。(３)喷油规律外形与供油规律变化规律明显不同。(４)最大喷油速率较最大供油速率低。(５)每一循环喷油总量比同一循环理论供油量小。两者的差别主要是因为以下原因造成的:(１)燃油的可压缩性，燃油在低压时可视为不可压缩流体，但高压(30

~200MPa)时必须考虑其可压缩性。(２)高压系统容积的变化，指高压油管的弹性变形以及出油阀和针阀两个弹性系统的影响。(３)压力波传播滞后，尽管压力波在柴油机中的传播速度高达1200~1400m/s，但仍会造成明显的相位差。(４)压力波动，高压系统中压力波的往复反射和叠加会造成喷油规律与供油规律在形状上的显著差异。(５)燃油受到节流作用，由于喷油规律对燃烧放热规律有直接的影响，因而喷油规律一直是柴油机燃烧和性能优化中的重要内容。７.异常喷射现象喷射系统内的压力高变化快，喷油峰值压力往往高达数十兆帕甚至100MPa以上，现代柴油机高压喷射系统甚至达200MPa，而谷值压力由于出油阀减压容积的作用往往接近于零甚至出现真空。由此容易出现一些异常喷射现象，可用测量针阀升程的方法来判定有无异常喷射现象存在，各种喷射情况下的针阀升程情况如图5-13所示。(１)二次喷射。指喷射终了喷油器针阀落座以后，在压力波动的影响下再次升起产生喷油的现象。由于二次喷射是在燃油压力较低的情况下喷射的，导致这部分燃油严重雾化不良，燃烧恶化，炭烟增多，并易引起喷孔积炭堵塞。(２)滴油现象。在喷油器针阀密封正常的情况下，喷射终了时，由于系统内的压力下降过慢使针阀不能迅速落座。仍有燃油缓慢流出的现象。(３)断续喷射。主要发生在低速低负荷工况，由于在某一瞬间喷油泵的供油量小于从喷油器喷出的油量和填充针阀上升空出空间的油量之和，造成针阀在喷射过程中周期性跳动的现象。这时喷油泵端压力及针阀的运动方向不断变化，易导致针阀偶件的过度磨损。(４)不规则喷射和隔次喷射。在低速低负荷条件下，由于压力波传播导致的一种丧失喷油静力稳定性的现象。(５)气穴与穴蚀。当高压油路中的压力接近于零压时，会产生油和空气的气泡，称为气穴。气泡在随后的高压下爆裂而产生冲击波，对金属表面形成冲击，这种现象多次出现会导致疲劳破坏，称为穴蚀。穴蚀破坏会影响到喷射系统的工作可靠性和使用寿命。为避免出现异常喷射现象，应尽可能地缩短高压油管长度，减小高压容积，以降低压力波动。二、燃油的雾化和油束特性１.燃油的雾化燃油的雾化是指燃油喷入燃烧室内后被粉碎分散为细小液滴的过程。燃油的雾化可以大大增加其与周围空气接触的蒸发表面积，加速从空气中的吸热过程和液滴的汽化过程，对混合气的形成起到了重要的作用。例如，假设1ml的燃油为一球体，则其表面积约为483.6mm3，若雾化为直径40μm的均匀球状油滴，可产生油滴约3×107

个，其总的表面积约为1.5×105mm2，约增加为原来的310倍。２.油束特性燃油在喷油泵中被压缩后，经高压油管在极高压力(20~160MPa)的作用下以极大的速度(100

~400m/s)及在高度紊流状态下从喷油器的喷孔喷射入燃烧室内。燃油在高速流动中，在与燃烧室内高压空气的相对运动中及紊流的作用下，被逐步粉碎分散为直径约为2

~50μm的液滴，由大小不同的液滴组成了油束。图5-14为在静止的高压空气中喷射过程某一时刻的油束结构示意图。油束核心部分液滴非常密集且液滴直径较大，液滴运动速度较高，空气极少。油束外围部分则与之相反，液滴稀少且液滴直径较小，液滴运动速度也较低。可以从几何形状和雾化质量两个方面来描述油束特性。(１)几何形状。主要包括油束射程(又称贯穿距离)Ｌ和喷雾锥角β或油束的最大宽度Ｂ(图5-14)。此外，贯穿率是常用的参数之一。贯穿率为相对值，是指油束的贯穿距离与喷孔口沿喷孔轴线到燃烧室壁距离的比值。贯穿率若大于１，则意味着有一部分燃油喷射到了燃烧室的壁面上。影响油束几何形状的主要因素有:喷射压力、喷油器喷孔的长度直径比和空气与燃油密度比等。(２)雾化质量。一般是指油束中液滴的细度和均匀度，细度可以用液滴平均直径来表示。液滴平均直径越小，意味着油束雾化得越细。液滴平均直径的大小受到多种因素的影响，减小喷油器喷孔直径，增大燃油喷入时的流速，空气密度的增大以及燃油黏度和表面张力的减小，都会使平均油液直径减小。均匀度是指油束中液滴大小相同的程度以及液滴在油束内分布的均匀程度。图5-15表示了不同喷射压力时油束的雾化质量。由图可见，喷射压力