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柴油發(fā)動機(jī)燃油噴射的結(jié)構(gòu)、分類和要求

 

摘要：燃油噴射系統(tǒng)是柴油機(jī)的重要組成部分之一，是柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)高效、清潔燃燒的核心技術(shù)，在滿足不同階段柴油機(jī)排放法規(guī)中，都是以采用先進(jìn)的燃油噴射系統(tǒng)為前提。燃油噴射系統(tǒng)性能的好壞，直接影響柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等性能指標(biāo)。隨著近年來對柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放要求的不斷提高，電控燃油噴射技術(shù)己經(jīng)成為柴油機(jī)的發(fā)展趨勢。

 

一、結(jié)構(gòu)組成與工作原理

 

      所有燃油噴射系統(tǒng)都包含三個基本組件：它們具有至少一個燃油噴射器（有時(shí)稱為噴射閥），產(chǎn)生足夠噴射壓力的裝置以及計(jì)量正確燃油量的裝置。這三個基本組件可以是單獨(dú)的設(shè)備（一個或多個噴油器、燃油分配器、燃油泵），部分組合的設(shè)備（噴油閥和噴油泵）或完全組合的設(shè)備（單元噴油器）。早期的機(jī)械噴射系統(tǒng)（鼓風(fēng)噴射除外）通常將噴射閥（帶針形噴嘴）與相對復(fù)雜的螺旋控制噴射泵結(jié)合使用，既可計(jì)量燃料，又可產(chǎn)生噴射壓力。它們非常適合間歇性注射多點(diǎn)注射系統(tǒng)以及各種常規(guī)直接注射系統(tǒng)和腔室注射系統(tǒng)。微電子學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步使噴射系統(tǒng)制造商能夠顯著提高燃油計(jì)量裝置的精度。

1、構(gòu)造

（1）噴油器由噴油頭、膨脹閥和噴油嘴等部件組成。

（2）噴油頭可以控制壓力、噴射量、溫度和濕度等參數(shù)，以確保噴油器的性能。

（3）膨脹閥可以使燃油混合物以更容易被噴油頭和噴油嘴放出的方式來膨脹。

（4）噴油嘴利用排氣活塞的作用生成一定壓力，從而將燃油混合物噴射出去。

2、燃油混合物的生成

（1）先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)會根據(jù)點(diǎn)火時(shí)間、冷卻系統(tǒng)溫度和發(fā)動機(jī)負(fù)荷等參數(shù)來調(diào)節(jié)噴油量。

（2）使用可變曲軸裝置，控制火花塞的提前度，來調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的運(yùn)行情況。

（3）通過進(jìn)氣溫度傳感器、大氣壓力傳感器和壓力傳感器來檢測蒸發(fā)器中的溫度、壓力和流量。

（4）燃油經(jīng)過燃燒控制噴油器后，即可形成燃油混合物，并以最佳燃燒效率形式出口。

3、工作原理

（1）當(dāng)噴油器電磁閥未被觸發(fā)時(shí)，小彈簧將樞軸盤下的球閥壓向泄油孔上，泄油孔關(guān)閉，在閥控制腔內(nèi)形成共軌高壓。同樣，在噴嘴腔內(nèi)也形成共軌高壓。共軌高壓對控制柱塞端面的壓力和噴嘴彈簧的合力高與高壓燃油作用在針閥錐面上的開啟力，結(jié)果，針閥被迫進(jìn)入閥座且將高壓通道與燃燒室隔離，密封，針閥保持關(guān)閉狀態(tài)。

（2）當(dāng)電磁閥被觸發(fā)時(shí)，樞軸盤上移，球閥打開，同時(shí)泄油孔被打開，這時(shí)引起控制腔的壓力下降，結(jié)果，活塞上的壓力也隨之下降，一旦活塞上的壓力和噴嘴彈簧的合力降至低于作用于噴油嘴針閥承壓錐面上的壓力，針閥將被打開，燃油經(jīng)噴嘴上的噴孔噴入燃燒室。這種對噴油嘴針閥的不直接控制采用了一套液壓力放大系統(tǒng)，因?yàn)榭焖俅蜷_針閥所需的力不能直接由電磁閥產(chǎn)生，所謂的打開針閥所需的控制作用，是通過電磁閥打開泄油孔使得控制腔壓力降低，從而打開針閥。

（3）電磁閥一旦斷電不被觸發(fā)，小彈簧力會使電磁閥鐵芯下壓，球閥將泄油孔關(guān)閉。泄油孔關(guān)閉后，燃油從進(jìn)油孔進(jìn)入閥控制腔建立起油壓，這個壓力為油軌壓力，這個壓力作用在柱塞端面上產(chǎn)生向下壓力，再加上噴嘴彈簧的合力大于噴嘴腔中高壓燃油作用在針閥錐面上的壓力，使噴嘴針閥關(guān)閉。

（4）此外，因?yàn)槿加蛪毫Ω?，會在針閥和控制柱塞處產(chǎn)生泄漏，這些泄露油會通過回油孔流入噴油器的回油口。

 

 

二、噴油器分類

 

      燃油噴射系統(tǒng)是柴油機(jī)的心臟部件，對柴油機(jī)的性能起著決定性的作用，而噴油器則是供油系統(tǒng)中的重要部件，它處于整個供油系統(tǒng)的終端，它的結(jié)構(gòu)與參數(shù)選擇對于噴油過程、噴霧質(zhì)量、油束與燃燒室的配合，乃至整個混合氣體形成與燃燒有著重要影響。同時(shí)噴油器直截安裝在柴油機(jī)氣缸蓋上，噴油器頭部高溫燃燒氣體直接接觸，工作條件極為苛刻，因此它又是影響柴油機(jī)可靠性的關(guān)鍵部件之一。

1、按類型分類

     噴油器分為開式和閉式兩種開式。

（1）開式：

      結(jié)構(gòu)簡單，但霧化質(zhì)量和噴射性能較差，很少被采用。

（2）閉式∶

      閉式噴油器又稱液壓啟閥式，利用液壓啟閥原理，針閥向內(nèi)開啟，霧化質(zhì)量好，廣泛應(yīng)用在各種柴油機(jī)上。閉式噴油器由本體、精密偶件針閥和針閥體、推桿、彈簧下座、彈簧、彈簧上座、調(diào)壓螺釘、鎖緊螺母以及高壓濾器、進(jìn)油管接頭等部件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2、按噴孔數(shù)目分類

      噴油器分為單孔式和多空式單孔式，外形如圖2所示。

（1）單孔式：

      通常為軸針式，噴孔直徑在0.25～1.25mm。孔徑大，不易堵塞，噴出的油束成空心柱狀或空心錐狀，穿透力強(qiáng)，霧化油粒較大。這種噴油嘴用于采用分隔式燃燒室的小型柴油機(jī)。

（2）多孔式∶

      普通型、長型，4～12個，噴孔直徑 0.15～1mm 。霧化油粒勻細(xì)，分布較均勻，因孔徑較小噴孔容易堵塞，適用于直接噴射式燃燒室。

 

圖1  閉式噴油器結(jié)構(gòu)圖

圖2  孔式噴油器剖面圖

 

3、按調(diào)壓彈簧位置分

（1）彈簧上置式

      普通噴油器因彈簧上置，頂桿長，質(zhì)量大，致使針閥上升和下降時(shí)間較長，所以現(xiàn)代柴油發(fā)電機(jī)一般采用彈簧下置式。

（2）彈簧下置式

      彈簧下置式也稱為低慣量噴油器，外形如圖3所示。這種噴油器調(diào)壓彈簧靠近噴油嘴，挺桿等運(yùn)動件質(zhì)量和慣性小，減輕了針閥對座面的撞擊和挺桿的跳躍，使針閥運(yùn)動對油壓變化反應(yīng)靈敏，尤其是噴射終了時(shí)針閥關(guān)閉性能得到改善。對防止針閥座面穴蝕，避免燃?xì)獾沽髟斐捎妥旖Y(jié)膠，卡死以及由于針閥反應(yīng)不靈可能造成的后期噴射等不良現(xiàn)象都有明顯效果。

      低慣量噴油器中調(diào)壓彈簧的的工作條件和負(fù)荷情況也得到了改善，因?yàn)閺椈煽梢越氩裼椭?，運(yùn)動件質(zhì)量小，針閥運(yùn)動速度和挺桿的超越升程在彈簧中引起的附加應(yīng)力小，但是由于噴油體內(nèi)空間有限，位置又接近熱區(qū)，因而對彈簧的質(zhì)量要求較為嚴(yán)格。

4、按結(jié)構(gòu)形式分類

三、燃油噴射系統(tǒng)的要求

 

       為了使柴油機(jī)能達(dá)到全功率輸出并能有效工作，它的燃油噴射系統(tǒng)必須滿足下列要求：

1、噴油應(yīng)正時(shí)

      當(dāng)柴油機(jī)啟動、全負(fù)荷和高速運(yùn)行時(shí)，燃油噴入汽缸的正時(shí)是非常重要的。因?yàn)椴裼蜋C(jī)啟動時(shí)在上止點(diǎn)或接近上止點(diǎn)噴油時(shí)則最好，此時(shí)燃燒室中的空氣最熱，容易著火燃燒。柴油機(jī)啟動后，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，噴油時(shí)間必須提前以補(bǔ)償噴射滯后、著火滯后以及影響汽缸內(nèi)燃燒的其他因素。因此，現(xiàn)代許多柴油機(jī)的噴油泵內(nèi)均裝有自動噴油提前器、轉(zhuǎn)速提前器、內(nèi)部提前器或其他提前裝置，其目的以適應(yīng)燃油噴射正時(shí)變化時(shí)，產(chǎn)生高功率、高效率。

2、噴油量的計(jì)量（測定)

      燃油噴射系統(tǒng)必須很精確地測定供給柴油機(jī)的燃油量。由于柴油機(jī)從低速到高速時(shí)燃油需要量的變化是很大的，因此，燃油噴射系統(tǒng)應(yīng)滿足不同工況燃油需要量的要求。

3、燃油必須加壓

      柴油機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)必須對燃油進(jìn)行加壓，以便打開噴嘴或泵噴嘴尖頭。燃油加壓壓力，除了打開噴嘴所需的壓力外，還需克服（2452～3138）kPa壓縮壓力把燃油噴入燃燒室。而噴嘴或泵噴嘴尖頭壓力的調(diào)定直接關(guān)系到燃油的霧化程度。當(dāng)燃油以（10297～27459）kPa的高壓泵經(jīng)多孔或軸針周圍才產(chǎn)生霧化。

4、燃油必須霧化

      燃油經(jīng)霧化后噴人燃燒室才能完全燃燒，否則燃油不容易燃燒。隨著現(xiàn)代各種柴油機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)的不同，要求燃油的霧化程度也是不同的。

5、燃油應(yīng)按發(fā)火次序進(jìn)行分配

      燃油的分配與正時(shí)密切相關(guān)，必須準(zhǔn)確并按柴油機(jī)的發(fā)火次序進(jìn)行分配。分配式油泵向油泵的每個出油口送燃油，經(jīng)油管按發(fā)火次序連接到各缸噴油器。

6、起始噴射和終止噴射的迅速控制

      柴油機(jī)燃油噴射必須迅速起始和迅速終止。如果燃油噴射開始滯后就會改變油泵對柴油機(jī)的正時(shí)，造成啟動困難和運(yùn)轉(zhuǎn)不良；若噴射終止滯后就會產(chǎn)生排氣冒煙和不規(guī)則的排氣噪聲等弊端。

 

四、噴油規(guī)律

1、供油規(guī)律和噴油規(guī)律

      噴油泵的單位轉(zhuǎn)角供油量dgp/dφ隨噴油泵凸輪轉(zhuǎn)角φ（或時(shí)間t）的變化規(guī)律稱為供油規(guī)律。單位轉(zhuǎn)角噴入氣缸的噴油量dgn/dφ隨凸輪轉(zhuǎn)角φ（或時(shí)間t）的變化規(guī)律稱為噴油規(guī)律。

      供油規(guī)律和噴油規(guī)律可用曲線表示，噴油開始時(shí)刻比供油開始時(shí)刻滯后約9°凸輪轉(zhuǎn)角，噴油持續(xù)時(shí)間比供油持續(xù)時(shí)間延長約4°凸輪轉(zhuǎn)角，而且曲線形狀有較大的變化。這些差異正是燃油噴射延遲的結(jié)果。

      直接影響燃油燃燒過程的是噴油規(guī)律，而噴油規(guī)律曲線的基本形狀則是由供油規(guī)律確定的。

2、影響噴油規(guī)律的因素

（1）凸輪外形

      在柱塞有效行程和供油始點(diǎn)相同情況下，凸輪外形越陡，油壓上升越快，供油速度越大，噴油延遲角和噴油持續(xù)角越小;若凸輪外形較平坦，則油壓上升較慢，噴油延遲角和噴油持續(xù)角將增大。

      合理的凸輪外形應(yīng)該是:開始供油段柱塞速度較小，以減少初期噴油量;供油的中期和后期，柱塞速度和噴射壓力迅速提高，供油持續(xù)時(shí)間短。這樣可使柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，經(jīng)濟(jì)性高。柴油機(jī)類型不同，所用凸輪的外形不同。凸面凸輪的外形較平，柱塞速度較低，適用于中，低速柴油機(jī);切線凸輪外型較陡，柱塞速度較高，適用于中，高速柴油機(jī);凹面凸輪外形更陡，柱塞速度最高，適用于高速柴油機(jī)，但因加工困難，目前應(yīng)用不多。

      此外，還有兩次噴射的雙凸峰凸輪。兩次噴射使柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，熱效率也較高。

（2）凸輪有效工作段

      有效工作段是指柱塞有效行程所對應(yīng)的凸輪輪廓線。應(yīng)把凸輪的有效工作段選在柱塞運(yùn)動的高速部分以減少噴油持續(xù)角提高霧化質(zhì)量。

（3）柱塞直徑和噴孔直徑

      當(dāng)每循環(huán)供油量和柱塞速度不變時(shí)，柱塞直徑加大，使噴油速度增大，噴油持續(xù)角減小，有利于燃燒過程在上止點(diǎn)后附近結(jié)束，改善了柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，工作粗暴。在增壓柴油機(jī)中，為了增加每循環(huán)的供油量，而噴油持續(xù)時(shí)間不延長，通常加大柱塞直徑。但為防止柴油機(jī)工作粗暴，應(yīng)適當(dāng)減小供油提前角。

      噴油孔的孔數(shù)不變而直徑減小時(shí)，由于節(jié)流作用增強(qiáng)，噴油壓力增加，此時(shí)霧化質(zhì)量較好。但噴油持續(xù)時(shí)間增長，每度凸輪轉(zhuǎn)角的燃油噴射量（噴油速率）減小。由于高壓油管中的壓力增加，容易產(chǎn)生重復(fù)噴射現(xiàn)象。

（4）高壓油管尺寸

      油管越長，噴射延遲階段越長，實(shí)際噴油提前角減小而噴射持續(xù)時(shí)間基本不變。因此，多缸柴油機(jī)各缸高壓油管長度應(yīng)相等。在各缸油管長度不一的柴油機(jī)上，為保證各缸噴油規(guī)律一致，油管較長的氣缸其供油提前角應(yīng)相應(yīng)增大。

      油管內(nèi)徑越小，流阻越大，噴射延遲階段愈長。

（5）柴油機(jī)的負(fù)荷與轉(zhuǎn)速

      當(dāng)柴油機(jī)的負(fù)荷及噴油正時(shí)不變而轉(zhuǎn)速增高時(shí)，噴射延遲階段和噴油持續(xù)角加大，單位凸輪轉(zhuǎn)角的噴油量減少。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和噴油正時(shí)不變而增加負(fù)荷時(shí)，其噴油始點(diǎn)基本不變而終點(diǎn)后延，使噴油持續(xù)角增大。

 

結(jié)構(gòu)：

      燃油正常噴射的特征是在柴油機(jī)每一工作循環(huán)的噴油過程中針閥只啟閉一次，針閥升程曲線基本為一梯形，每一循環(huán)高壓油管中的殘余壓力也基本相同。正常噴射以外的各種噴射型式均屬不正常噴射。因此，現(xiàn)代柴油機(jī)一般采用電子噴射噴油器，對噴油定時(shí)，噴油量和噴射率在內(nèi)的噴油規(guī)律實(shí)行的最優(yōu)控制，來完善柴油機(jī)的燃燒，使柴油機(jī)具有較好的經(jīng)濟(jì)性能和較低的廢氣排放，達(dá)到優(yōu)化運(yùn)行。

 

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