柴油機(jī)燃料的噴射與燃燒影響因素

第3章

柴油機(jī)燃料的噴射與燃燒影響因素柴油機(jī)燃油供給系統(tǒng)燃油濾清器低壓油管高壓油管噴油泵噴油器回油管燃油箱輸油泵油水分離器調(diào)速器限壓閥噴油提前器3.1燃料的噴射與霧化

柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)包括噴油泵、噴油器和高壓油管，其作用是按柴油機(jī)各種工況的需要，將定量燃料在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻，以合理的空間形態(tài)噴入燃燒室，即對(duì)燃油的數(shù)量或噴油的持續(xù)時(shí)間、噴油時(shí)刻和油束的空間形態(tài)三方面實(shí)行有效的控制，這對(duì)混合氣形成以及燃燒過程的有效組織有著重要的作用。柱塞泵的泵油原理進(jìn)油柱塞下行，進(jìn)油孔開壓油柱塞上行，進(jìn)油孔關(guān)回油柱塞上行，回油孔開3.1.1噴油泵速度特性及其校正當(dāng)噴油泵油量控制機(jī)構(gòu)（拉桿）位置固定時(shí)，每循環(huán)的供油量隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系稱為噴油泵的速度特性。柱塞式噴油泵速度特性

理論上，當(dāng)柱塞上端面關(guān)閉進(jìn)油孔時(shí)才開始?jí)河?。而?shí)際上當(dāng)柱塞上端面還未完全關(guān)閉進(jìn)油孔時(shí)，由于流通截面很小而時(shí)間極短，被柱塞擠壓的燃油來不及通過油孔流出，壓油已經(jīng)開始使出油閥提早開啟。供油終了時(shí)，在回油孔開啟若干開度內(nèi)，由于這種節(jié)流作用，泵油室中燃油不能立即流出，仍維持較高壓力，油泵繼續(xù)供油，出油口自發(fā)延遲關(guān)閉。轉(zhuǎn)速增高，供油速度加大，使供油開始得更早而結(jié)束得更遲。因此，供油時(shí)間隨轉(zhuǎn)速上升而增加，供油量亦隨轉(zhuǎn)速上升而增加。這種油泵特性并不符合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線的要求。柴油機(jī)的負(fù)荷變化是靠改變供油量來實(shí)現(xiàn)的，要求油泵速度特性滿足：對(duì)一定轉(zhuǎn)速范圍（一般由標(biāo)定功率時(shí)轉(zhuǎn)速起，圖中BA段），供油量應(yīng)隨轉(zhuǎn)速的降低而較快增加，以提高柴油機(jī)適應(yīng)阻力變化的能力。為使現(xiàn)用柱塞式噴油泵的速度特性符合上述要求，必須將其做適當(dāng)改進(jìn)，加裝校正裝置。其作用是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)定工況下工作時(shí)，如果轉(zhuǎn)速因外界阻力矩不斷增加而下降，噴油泵能自動(dòng)增加循環(huán)供油量，以增大低速時(shí)轉(zhuǎn)矩，提高轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備系數(shù)。最佳噴油泵速度特性

1．出油閥校正

1）可變減壓容積柱塞式噴油泵，其供油量的多少大體上是與柱塞有效排量和減壓容積之差成正比例的，如果減壓容積能隨轉(zhuǎn)速的提高而增加，則供油速度特性將變得平坦。右圖中，在出油閥的尾部上開四條錐形槽，油槽尺寸向閥頂逐漸減小。校正出油閥

2）可變的減壓作用利用出油閥減壓帶凸緣與出油閥座內(nèi)孔的不同間隙可以得到各種不同的減壓作用。根據(jù)不同噴油泵的試驗(yàn)得出噴油特性，在結(jié)構(gòu)上改變間隙大小，這種減壓方法在所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)出油閥的升程是一樣的。在高速時(shí)，由于間隙的節(jié)流作用較大（亦即流體的動(dòng)力阻力大，出油閥的上、下壓差大），出油閥落座迅速，燃油回流高壓油管的現(xiàn)象不明顯，因此基本上完全減壓。在低速時(shí)，正好相反，由于節(jié)流作用相對(duì)較小，出油閥落座時(shí)間相對(duì)增長(zhǎng)，燃油回流高壓油管的現(xiàn)象比較明顯，減壓效果削弱，殘余壓力升高，因此使每循環(huán)的供油量增加?？勺儨p壓作用在不同間隙時(shí)的供油速度特性隨序號(hào)加大間隙逐漸變大

2．彈簧校正

1-油量調(diào)節(jié)拉桿;2-推力盤;3-托板;4-油量調(diào)整螺釘;5-固定螺母;6-擋頭;7-校正彈簧座;8-校正彈簧。彈簧校正器工作原理

3.1.2燃料噴射過程1-噴油泵柱塞2-進(jìn)回油孔3-出油閥4-出油閥彈簧5-壓力傳感器6-高壓油管7-壓力傳感器8-針閥彈簧9-噴油器針閥噴油過程

a)噴油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)b)噴油過程1．噴油延遲階段

從噴油泵壓出燃油（供油始點(diǎn)）到噴油器針閥開始抬起（噴油始點(diǎn)）為止，這一階段稱為噴油延遲階段。從供油始點(diǎn)到噴油始點(diǎn)的時(shí)間間隔稱為噴油延遲時(shí)間，其相應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角稱噴油延遲角，即噴油延遲角等于供油提前角減去噴油提前角。一般轉(zhuǎn)速升高，噴油延遲角加大；高壓油管加長(zhǎng)，壓力波由泵端到噴油器端的傳播時(shí)間增加，噴油延遲角亦加大。2．主噴射階段

從噴油始點(diǎn)到噴油器端壓力開始急劇下降時(shí)為止，這一階段稱為主噴射階段。絕大部分燃油是在這一階段噴入氣缸的，其時(shí)間長(zhǎng)短主要與柱塞有效行程（即柴油機(jī)負(fù)荷）有關(guān)，其次，也受高壓系統(tǒng)容積、出油閥減壓作用等因素的影響。3．滴漏階段

從噴油器端壓力開始急劇下降到針閥完全落座（噴油終點(diǎn)）為止，這一階段稱為滴漏階段。這期間還有少量燃油從噴孔噴出，由于噴油壓力降低，燃油霧化不良，這一階段噴射的燃油容易導(dǎo)致燃燒不完全，易生成積炭并堵塞噴孔，甚至排氣冒煙。3.1.3供油規(guī)律和噴油規(guī)律供油規(guī)律是單位時(shí)間內(nèi)（或1°噴油泵凸輪軸轉(zhuǎn)角內(nèi)）噴油泵的供油量隨時(shí)間（或噴油泵凸輪轉(zhuǎn)角）的變化關(guān)系。噴油規(guī)律是單位時(shí)間內(nèi)（或1°噴油泵凸輪軸轉(zhuǎn)角內(nèi)）噴油器噴入燃燒室內(nèi)的燃油量隨時(shí)間（或噴油泵凸輪轉(zhuǎn)角）的變化關(guān)系。1.供油始點(diǎn)與噴油始點(diǎn)不同；2.噴油持續(xù)時(shí)間較供油持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；3.最大噴油速率較最大供油速率低；4.曲線形狀有一定的變化。供油規(guī)律與噴油規(guī)律的區(qū)別：3.1.4噴油的霧化及油束特性

將燃油分散成細(xì)粒的過程為燃油的噴霧或霧化，可以大大增加燃料蒸發(fā)的表面積，增加燃料與氧接觸的機(jī)會(huì)，以達(dá)到迅速混合的目的。

1．油束的形成及特性

燃料以很高的壓力（10~20MPa）和很高的速度（100~300m／s）從噴油器的噴孔噴出，在高速流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)部擾動(dòng)及氣缸中空氣阻力的作用下，被粉碎成細(xì)小的油粒，這種大小不同的油粒所組成的圓錐體叫做油束（或稱為噴注）。油束本身的特征可用噴霧錐角、射程及霧化質(zhì)量來說明。油束形狀1）噴霧錐角噴霧錐角與噴油器結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。對(duì)相同的噴油器結(jié)構(gòu)，一般用來標(biāo)志油束的緊密程度。大說明油束松散，小說明油束緊密。2）油束射程即油束的貫穿距離，大小對(duì)燃料在燃燒室中的分布有很大影響。如果燃燒室尺寸小而射程大，就有較多的燃油噴到燃燒室壁上；反之，如果過小，則燃料不能很好地分布到燃燒室空間，燃燒室中的空氣得不到充分利用。3）霧化質(zhì)量一般是指噴散的細(xì)度和噴散的均勻度。燃料噴散得越細(xì)，越均勻，說明霧化質(zhì)量越好。噴散細(xì)度可以用油束中油粒的平均直徑來表示，平均直徑越小，則噴霧越細(xì)。噴散的均勻度可用油粒的最大直徑與平均直徑之差來表示，直徑差越小則噴霧越均勻。2．影響油束特性的因素

1）噴油器結(jié)構(gòu)噴油器的結(jié)構(gòu)不同，就產(chǎn)生不同形式的油束。油束要與燃燒系統(tǒng)密切配合，不同的燃燒方式要求不同形式的油束，因而就需要不同結(jié)構(gòu)的噴油器。a)多孔噴油器;b)順型軸針式噴油器;c)倒錐型的軸針式噴油器;d)圓柱型的軸針式噴油器多孔噴油器，用于對(duì)霧化質(zhì)量要求較高的直接噴射式柴油機(jī)。軸針式噴油器，其針閥頭部升入噴孔中，而且針閥頭部截面是變化的，可以由針閥頭部的錐角大小來控制噴霧錐角。在噴油壓力和介質(zhì)反壓力不變及噴孔總截面積不變的條件下，增加噴孔數(shù)目，則每個(gè)噴孔的直徑減小，燃料流出噴孔時(shí)將受到更大的節(jié)流，在噴孔內(nèi)擾動(dòng)也就增加，因此霧化質(zhì)量提高。1-噴孔直徑4×0.4mm;2-噴孔直徑2×0.57mm;3-噴孔直徑1×0.57mm;噴孔直徑對(duì)霧化特性影響

2）噴油壓力燃油的噴射壓力越大，則燃油噴出的初速度就越大，在噴孔中燃油擾動(dòng)程度及噴出噴孔后所受到的介質(zhì)阻力也越大，從而使霧化的細(xì)度和均勻度提高，即霧化質(zhì)量好。噴油壓力增加時(shí)，也使射程增加，噴油壓力過高，則高壓油管容易漲裂，噴油器容易磨損，對(duì)噴油管制造要求也越高。3）介質(zhì)反壓力反壓力增加，使介質(zhì)密度增大，引起作用在油束上的空氣阻力增加，因此燃料霧化有所改善，噴霧錐角增加，并使射程減小。不同噴油壓力和反壓力油束射程隨時(shí)間的變化

4）噴油泵凸輪外形及轉(zhuǎn)速當(dāng)凸輪形狀較陡或凸輪轉(zhuǎn)速較高時(shí)，均使噴油泵的柱塞供油速度加快。由于噴油器噴孔的節(jié)流，燃油不能迅速流出，結(jié)果使油管中燃油壓力增加，燃油從噴孔流出的速度也隨之增大，因此霧化變好，油束射程和噴霧錐角均有所增加。注意：上述試驗(yàn)結(jié)果是在冷空氣中進(jìn)行噴射實(shí)驗(yàn)得到的。3.4影響柴油機(jī)燃燒過程的因素

3.4.1影響燃燒過程的使用因素1．燃料性質(zhì)的影響影響燃燒過程的主要指標(biāo)是柴油的發(fā)火性、蒸發(fā)性、粘度和凝點(diǎn)等指標(biāo)，它們主要取決于柴油的組成成分。1）柴油的發(fā)火性發(fā)火性是指柴油的自燃能力，用十六烷值表示。十六烷值越高，發(fā)火性越好。十六烷值過高的柴油中，含不易蒸發(fā)的重質(zhì)餾分多，蒸發(fā)性較差，容易高溫裂解，會(huì)導(dǎo)致排氣冒黑煙，經(jīng)濟(jì)性下降。車用柴油機(jī)十六烷值一般在40~60范圍內(nèi)。2）柴油的蒸發(fā)性直接影響可燃混合氣形成，對(duì)燃燒過程也有一定的影響。柴油的蒸發(fā)性通常也用餾程表示，主要以50％餾出溫度、90％餾出溫度和95％餾出溫度作為評(píng)價(jià)柴油蒸發(fā)性的指標(biāo)。同一相對(duì)蒸發(fā)量的餾出溫度越低，表明柴油蒸發(fā)性越好，越有利于可燃混合氣的形成和燃燒。50％餾出溫度低的柴油蒸發(fā)性好，有利于混合氣的形成和燃燒的進(jìn)行，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)也有利，但柴油中蒸發(fā)性好的組成成分其發(fā)火性差。90％餾出溫度和95％餾出溫度越高，說明柴油中不易蒸發(fā)的成分越多，燃燒后容易導(dǎo)致排氣冒煙和產(chǎn)生積炭。要求：柴油的50％餾出溫度應(yīng)適宜，90％餾出溫度和95％餾出溫度應(yīng)比較低。3）柴油的粘度柴油的粘度決定其流動(dòng)性。粘度越低，其流動(dòng)性越好，柴油從噴油器噴出時(shí)就容易霧化。但粘度過低會(huì)失去必要的潤(rùn)滑能力，會(huì)加劇噴油泵和噴油器中精密偶件的磨損，增大精密運(yùn)動(dòng)副的漏油量，噴油壓力降低。粘度過大，流動(dòng)阻力大，濾清困難，加劇噴油泵和噴油器的磨損，噴霧不良。4）柴油的凝點(diǎn)柴油的凝點(diǎn)是指其失去流動(dòng)性的溫度。柴油在接近凝點(diǎn)時(shí)，由于柴油中的石蠟結(jié)晶顆粒數(shù)量增加，流動(dòng)性嚴(yán)重下降，會(huì)導(dǎo)致供油困難甚至供油中斷，柴油機(jī)無法正常工作。為保證柴油機(jī)在較低的溫度下能正常工作，要求柴油應(yīng)有較低的凝點(diǎn)。國產(chǎn)輕柴油按凝點(diǎn)編號(hào)，一般有10號(hào)、5號(hào)、0號(hào)、–10號(hào)、–20號(hào)、–35號(hào)和–50號(hào)。柴油的使用性能主要取決于其組成，碳原子數(shù)較多、分子量較大的烴類，十六烷值較高，但蒸發(fā)性較差；碳原子數(shù)較少、分子量較小的烴類，蒸發(fā)性較好，但十六烷值較低。在燃燒過程中，發(fā)火性好但蒸發(fā)性差的柴油，容易在高溫、高壓下裂解形成炭煙，導(dǎo)致熱效率下降，排放污染加?。徽舭l(fā)性好但十六烷值低的柴油，會(huì)在著火延遲期內(nèi)形成更多的混合氣，使柴油機(jī)工作粗暴，燃燒噪聲增大。2．負(fù)荷的影響柴油機(jī)是通過混合氣濃度調(diào)節(jié)來適應(yīng)負(fù)荷的變化。隨負(fù)荷增加，每循環(huán)供油量增加，但空氣量基本不變，過量空氣系數(shù)減小，單位容積內(nèi)混合氣燃燒放熱量增加，使缸內(nèi)溫度上升，縮短著火延遲期，使柴油機(jī)工作柔和。但隨負(fù)荷增加，每循環(huán)供油量增加，使噴油持續(xù)角增加，燃燒過程延長(zhǎng)，燃燒不完全程度增加，熱效率下降。負(fù)荷過大時(shí)，因混合氣過濃，過量空氣系數(shù)太小，使燃燒急劇惡化，不完全燃燒顯著增加，將導(dǎo)致柴油排氣冒黑煙，經(jīng)濟(jì)性急劇下降。負(fù)荷對(duì)著火延遲期的影響

柴油機(jī)在低速、小負(fù)荷工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于缸內(nèi)溫度和壓力低，使著火延遲期延長(zhǎng)，盡管噴油量不多，也會(huì)使壓力升高率較大，并產(chǎn)生較強(qiáng)的燃燒噪聲。尤其在柴油機(jī)冷起動(dòng)時(shí)，由于噴油量大，這種噪聲更明顯。隨著柴油機(jī)負(fù)荷增大，熱狀態(tài)轉(zhuǎn)入正常后，噪聲會(huì)自行消失。3．轉(zhuǎn)速的影響轉(zhuǎn)速提高：（1）氣缸內(nèi)的空氣渦流增強(qiáng)，有利于燃料的蒸發(fā)、霧化及與空氣混合；（2）散熱損失和活塞環(huán)的漏氣損失減小，使壓縮終點(diǎn)的溫度、壓力增高；（3）使噴油壓力提高，從而改善燃油的霧化；這對(duì)縮短著火延遲期和保證燃燒完全都有利，因此在使用中，應(yīng)盡量使柴油機(jī)維持較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)速過高：在負(fù)荷一定時(shí)，隨轉(zhuǎn)速提高，充氣效率會(huì)下降，而噴油泵的循環(huán)供油量會(huì)增加，因此轉(zhuǎn)速過高會(huì)導(dǎo)致熱效率下降，排氣污染加劇。轉(zhuǎn)速過低：會(huì)由于空氣渦流減弱，使熱效率降低。4．噴油提前角的影響

噴油器開始向氣缸內(nèi)噴油，到活塞運(yùn)行至壓縮行程上止點(diǎn)，這期間曲軸轉(zhuǎn)過的角度稱為噴油提前角。供油提前角比噴油提前角略大，是指噴油泵向噴油器供油開始，到活塞運(yùn)行至壓縮行程上止點(diǎn)為止，這期間曲軸轉(zhuǎn)過的角度。噴油提前角過大，燃油噴入氣缸時(shí)，缸內(nèi)空氣的壓力和溫度較低，著火延遲期長(zhǎng)，燃燒時(shí)的壓力升高率和最高壓力升高，使柴油機(jī)工作粗暴，機(jī)械負(fù)荷增加；此外，還會(huì)因壓縮耗功過多，導(dǎo)致柴油機(jī)功率下降、油耗率增加。噴油提前角過小，則燃油不能在上止點(diǎn)附近燃燒完畢，使補(bǔ)燃期延長(zhǎng)，廢氣帶走的熱量增加，排氣溫度升高，燃燒過程中的壓力升高率和最高壓力降低，熱效率明顯下降。柴油機(jī)的工況不同，要求的噴油提前角不同。對(duì)應(yīng)每一種工況，都有一個(gè)最佳噴油提前角，此時(shí)柴油機(jī)的功率最高，燃油消耗率最低，但往往排氣污染和噪聲比較嚴(yán)重。故選擇柴油機(jī)供油提前角須根據(jù)機(jī)型、轉(zhuǎn)速、油耗、排污以及噪聲等確定。3.4.2影響燃燒過程的結(jié)構(gòu)因素1．合理選擇壓縮比

柴油機(jī)采用壓燃式著火方式。壓縮比較大的柴油機(jī)，壓縮終了時(shí)的溫度和壓力比較高，著火延遲期較短，工作比較柔和。同時(shí)，還能提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作的熱效率，并能改善起動(dòng)性能。壓縮比過高，會(huì)造成燃燒最高壓力過大，使曲柄連桿機(jī)構(gòu)承受過高的機(jī)械負(fù)荷，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。壓縮比的一般選取原則：以保證冷起動(dòng)容易和在各種工況下獲得可靠而有效的燃燒為前提，盡量選用較高的壓縮比?？煽慷行У娜紵饕且笕紵^程柔和、熱效率較高。2．保證合適的噴油規(guī)律單位時(shí)間（或曲軸轉(zhuǎn)角）內(nèi)的噴油量隨時(shí)間（或曲軸轉(zhuǎn)角）的變化關(guān)系，稱為噴油規(guī)律。典型噴油規(guī)律

曲線I噴油延續(xù)時(shí)間短，噴油速率大，曲線變化陡，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性好，但工作粗暴、噪聲大。典型噴油規(guī)律

曲線Ⅱ開始噴油速率較大，曲線上升陡，柴油機(jī)工作粗暴；后期曲線下降平緩，噴油速率過小，使噴油延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，補(bǔ)燃多，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性下降。典型噴油規(guī)律

曲線Ⅲ開始噴油速率較低，曲線變化平緩，柴油機(jī)工作柔和；后期噴油速率加大，保證燃燒過程在上止點(diǎn)附近進(jìn)行，以獲得良好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性。從減輕柴油機(jī)燃燒粗暴性和保證較高燃燒效率考慮，比較理想的噴油規(guī)律是“先緩后急并盡量縮短噴油時(shí)間”，保證合適的噴油規(guī)律，對(duì)改善柴油機(jī)的燃燒過程、提高柴油機(jī)的性能非常重要。因此必須合理設(shè)計(jì)供油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、合理選擇其參數(shù)，并在使用中正確調(diào)整。3．保證良好的油束特性

柴油以很高的壓力從噴油器細(xì)小的噴孔中噴出