机械燃油喷射系统结构及喷油过程

第二章柴油机机械燃油喷射技术

第一节柴油机机械式燃油喷射系统结构

一、燃油系统组成及功能

1、组成

柴油机燃油系一般由下列部分组成：

喷油器

喷油泵总成：喷油泵、调试器、提前器、输油泵

辅助部分：燃油箱、低压油管、柴油滤清器、高压油管和回油管。

2、燃油系统基本功能

就其本质说，柴油机燃油系统的基本功能可以分成五项：

(1)通过加压机构使燃油变成高压(P)。

(2)调节每次喷油的喷油量(Q)。

(3)调节每次喷油的喷油时间(T)。

(4)将燃油分配到各个气缸中(D)。

(5)将燃油喷人燃烧室，并使燃油雾化(I)。

经过一个世纪的发展，柴油机燃油系统的代表性产品如图2—l所示。

3、燃油系统性能参数

喷油正时

喷油压力

持续时间

喷油速率

二、各组成部分作用

1、喷油器

喷油器的功用：是将燃油雾化并合理分布到燃烧室内，以便和空气混合形成可燃混合气。

喷雾特性

2、喷油泵

对喷油泵的要求

根据柴油机可燃混合气形成的特点和燃烧过程的需要，喷油泵应能满足如下要求：

（一）供油量

喷油泵的供油量应能满足配套柴油机在各种工况下的需要，同时还要求保证对各港的供油均匀。

（二）供油时间

●根据发动机的要求，喷油泵要按准确的按规定的时间（供油提前角）

向气缸供油，且各缸的供油提前角应该一致。（误差不超过0.5度）

●要求供油提前角能随转速的改变而改变。

●为了保证柴油机的工作性能，还要求喷油泵有一定的喷油延续时间。

（三）压力

根据柴油机燃烧室的型式和混合气形成方法的不同，喷油泵必须向喷油器供给相当高压力的燃油，以保证喷雾性能良好。例如：

预燃室式和涡流室式燃烧室发动机：210~350 千克/每平方厘米

直接喷射式燃烧室发动机最高喷射压力可达800 千克/每平方厘米

喷油泵的功用：根据发动机的需要，将一定量的燃油，以足够高的压力，

在准确的时间内供如气缸。

（四）迅速停止供油

3、调速器

功用：

调速器是一种自动调节喷油泵供油量的装置，它能根据柴油机负荷的变化，自动地做相应的调节，使柴油机能以较稳定的转速运转，从而保证柴油机既不会产生超速也不会在怠速时造成熄火。

4、提前器

功用：根据发动机转速，调整供油提前角，从而保证发动机在整个工作转速变化范围内，性能良好。

三、燃油系统基本要求

根据现在的观点，柴油机对燃油系统的基本要求如下：

1．自由控制喷油压力

研究表明：喷油压力是柴油机燃油系统的最重要的参数。特别是在排放法规越来越苛刻的时代要求下，一方面要努力提高喷油压力，另一方面更需要能够自由地控制喷油压力。在凸轮驱动的机械式燃油系统中，喷油压力是由凸轮形状等一系列参数决定的，人们不可能按照自己的愿望改变喷油压力，只有在电子控制的共轨式燃油喷射系统中才能做到自由控制喷油压力。·

当然，在目前的电子控制式燃油系统中，仍然不能做到完全自由地控制喷油压力。只是比以前的机械式燃油系统相对地自由了一些。

2．自由控制喷油时间

在传统的泵—管—嘴系统中，由于采用了一定长度的高压油管，在喷油泵端对燃油加压的压力波传递到喷油嘴端的过程是一个非常复杂的过程，人们是没有办法加以有效控制的。一般都是凭经验，通过参数组合，最后由试验决定喷油时间。

在传统的机械式燃油系统中，一般是采用提前器控制喷油时间，但是，这是相当粗糙的。在第二代和第三代电控燃油系统中，采用高速电磁阀之后，才真正实现了自由控制喷油时间。

3．自由控制喷油率

喷油串形状决定着柴油机的燃烧过程的质量，决定着柴油机的经济性、工作柔和性和排放指标等。在传统的机械式燃油系统中，喷油率图形几乎是无法控制的，在时间控制式电控燃油系统中可以比较方便地控制喷油率。

在共轨系统中，可以方便地实现预喷射、主喷射、多段喷射——包括3段喷射、5段喷射或更加复杂的喷油率模型。

4．精确控制每循环喷油量

根据发动机的实际运行工况和当时的外界环境条件精确控制每循环喷油量在传统的机械式燃油系统中，由机械式调速器控制喷油量；但是，这种系统的控制精度不能满足当代柴油机的要求。柴油机中每循环的喷油量不仅取决于外界负荷、而且与发动机的工作环境以及工作条件有关。例如：环境温度、湿度等。

五、常见的柴油机燃油系统

第二节燃油喷射过程

柴油机燃油喷射过程一般指的是燃油从喷油泵经高压油管到喷嘴，再由喷嘴的喷孔高压喷射的整个历程。燃油喷射过程并不包括燃油在燃烧室的历程，所以又叫燃油喷射的管内过程。本章在内燃机燃油系统构造基础上，研究燃油喷射过程.分析供油系统参数及其对柴油机性能的影响。

一、燃油喷射过程的进展

高速柴油机燃油喷射过程时问很短，只有干分之几秒。仅占曲轴转角15°-35°。在这极短的时间内，高压油管的压力由几个兆帕变化到几十个甚至百余个兆帕.压力变化大.加上燃油的可压缩性、油管的弹性变形、压力波在高压系统的传播以及针阀惯性等，使喷射过程十分复杂。

实验证明，在燃油喷射过程中，从喷油泵到喷油器的压力波是以音速传播的。在燃油中，音速约1200-1400m/S。高压油管内各处压力随时问和位置变化。

当喷油泵柱塞压油，出油阀打开，靠近喷油泵端的高压油管中，压力波开始向喷油器端移动，压力波到达喷油器，如果该压力波超过针阀开启压力.针阀开启喷油;如果该压力波不足以抬起针阀，压力波将全部反射回喷油泵端。在泵端反射压力波与新产生的压力波叠加后.重新向喷油器传播。压力波强，一次开启针阀;压力波弱，需往复传播数次，才能将针阀开启。

用压力传感器与喷针升程传感器测得的闭式喷油器的燃油喷射过程见图9-8。按照压力变化的特点，可将燃油喷射过程大致分为三个阶段：

第一阶段:

从喷油泵柱塞关闭进油孔起，到针阀开启燃油喷入气缸.喷油始点落后于供油始点，这一落后角度称为喷油延迟角。这一阶段的长短主要取决于高压油管中压力波从喷油泵端传到喷油器端所需的时间，也取决于把燃油从剩余压力升高到针阀开启压力所需的时间。缩短高压油管长度;减少出油阀减压作用; 减少高压系统内的燃油容积，提高柱塞供油速度，可缩短喷油延迟时间。

1、喷射迟后过程

●柱塞上升关闭进油孔后，喷油泵套筒内的燃油被压缩。

●在t1秒后，其压力超过高压油管内的剩余压力P0后，出油阀开启，

高压油管内压力开始上升，并以波动形式开始向喷油泵端传播。

●在t2秒后，压力波到达喷油器。

●但此时压力波较弱，往往需要反复两次或多次，才能开启喷油器针阀，

向燃烧室喷油，时间为t3。

2、喷射迟后时间T

T = t1+t2+t3

3、喷射迟后影响因素

t1—是喷油泵套筒内的油，压缩到高压油管内的剩余压力Po所需要的时间。t1与喷油泵套筒的充油程度、柱塞速度和高压油管内的剩余

压力Po有关。

t2—是压力波在高压油管内的传播时间，它与高压油管的长度有关。

t3—是从高压油管内的剩余压力Po升至喷油器开启压力P1所需要的时

间。提高Po和减小喷油器开启压力P1，可缩短t3。

总之，要缩短喷油迟后期，可以减小喷油器开启压力，减小出油阀的减压作用（提高Po），缩短高压油管长度等。

第二阶段:

从喷油开始到喷油泵开始回油,针阀开启以后.由于部分燃油喷入气缸，嘴端压力由于燃油惯性暂时下降.同时，柱塞一直压油。泵端压力继续升高。这一阶段的长短主要决定于柱塞直径、柱塞有效行程、凸轮轮廓以及柴油机的负荷。

主要喷射阶段：从针阀打开到柱塞停供边打开回油孔

●喷油器针阀打开，燃料大量喷入燃烧室。

●由于针阀打开，体积突然增大，喷油器一侧的高压油管压力暂时

下降，但喷油泵端没有变现出来。

●随着柱塞运动速度的增加，喷油压力继续增加，直到柱塞停供边

打开回油孔为止。

这段时间的长短与喷油泵柱塞的有效行程有关。

第三阶段:

从喷油泵端停止供油到喷油器针阀落座。当柱塞斜槽打开回油孔时，最初开度小，因节流作用，泵油室中的压力并不立刻下降，由于柱塞继续运动.压力略有上升。当回油孔打开较大时，泵油室内压力下降，出油阀立即关闭，燃油停止进入高压油管。但由于燃油膨胀和油管收缩，管内压力仍然很高，燃油继续从喷孔喷出。当管内压力降到针阀关闭压力时，针阀关闭，喷油结束。为了提高热效率，避免过后燃烧，应尽可能缩短这一阶段。这一阶段的长短与高压油管的最大压力、高压系统容积、出油阀减压作用有关。

自由膨胀阶段—从柱塞停供边打开回油孔到针阀关闭

1、自由膨胀过程

●当柱塞停供边打开回油孔瞬间，由于打开的很小，喷油泵一侧的

压力还要上升少许；

●当回油孔完全打开后，喷油泵出油阀关闭，喷油泵端压力急剧下

降，随后，喷油器端也开始下降。

●供油停止，但被压缩的燃料在高压油管中膨胀，和高压油管的收

缩，高压油管中的压力仍然很高，还有少量的燃油从喷孔喷出，直

到压力降到针阀的关闭压力，针阀关闭，喷油结束。

2、自由膨胀影响因素

●高压油管内的最高压力

柱塞运动速度增加，高压油管内的最高压力增加；

喷油器喷孔的流通面积减小，也会使高压油管内的最高压力

增加；

这两方面因素，都使自由膨胀阶段延长。

●高压系统的燃料容积

高压系统的燃料容积越小，燃料膨胀的时间越短。因此为了缩短自由膨胀阶段，应尽量减小高压容积。

●出油阀的减压作用

增加出油阀的减压作用，供油结束后，可使高压油管内的压力迅速下降，使自由膨胀阶段缩短。

二、燃料喷射分析

1、理论供油延续角：第一、二阶段是喷油泵柱塞的理论供油行程，

所占的曲轴转角称为理论供油延续角。

2、实际喷油延续角：第二、三阶段是喷油器的实际喷油阶段，所占

的曲轴转角称为实际喷油延续角。

对高速柴油机，如果喷油延续角比理论延续角大的较多，这样会使柴油机在高速工作时，因补燃期增加而使排气冒烟；如果在低速时，喷油延续角过小，会使柴油机工作粗暴。一般实际喷油延续角为理论供油延续角的1.3~1.7倍。