柴油機(jī)燃料的噴射與燃燒影響因素

1、1/84 第第 3 章章 2/84 柴油機(jī)燃油供給系統(tǒng) 3/84 燃油濾清器燃油濾清器 低壓油管低壓油管 高壓油管高壓油管 噴油泵噴油泵 噴油器噴油器 回油管回油管 燃油箱燃油箱 輸油泵輸油泵 油水分離器油水分離器 調(diào)速器調(diào)速器 限壓閥限壓閥 噴油提前器噴油提前器 4/84 3.1 燃料的噴射與霧化燃料的噴射與霧化 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(guò)程的有效組織有著重 要的作用。 5/

2、84 6/84 柱塞泵的泵油原理柱塞泵的泵油原理 進(jìn)油進(jìn)油 柱塞下行，進(jìn)油孔開柱塞下行，進(jìn)油孔開 壓油壓油 柱塞上行，進(jìn)油孔關(guān)柱塞上行，進(jìn)油孔關(guān) 回油回油 柱塞上行，回油孔開柱塞上行，回油孔開 7/84 8/84 9/84 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 10/84 11/84 理論上，當(dāng)柱塞上端面關(guān)閉進(jìn)油孔時(shí)才開 始?jí)河汀６鴮?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(lái)不及通過(guò)油孔 流出，壓油已經(jīng)開始使出油閥提早開啟。

3、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。 12/84 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(lái)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。 13/84 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。

4、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 14/84 1出油閥校正出油閥校正 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 15/84 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，

5、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。 16/84 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。 17/84 可變減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 18/84 2彈簧校正彈簧校正 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-

6、校正彈簧座;8-校正彈簧。 彈簧校正器工作原理 19/84 3.1.2燃料噴射過(guò)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(guò)程 a)噴油系統(tǒng)結(jié)構(gòu) b)噴油過(guò)程 20/84 1噴油延遲階段噴油延遲階段 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

7、播時(shí)間增加，噴油延遲角亦加大。 21/84 2主噴射階段主噴射階段 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。 22/84 3滴漏階段滴漏階段 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。 23/84 3.1.3供油規(guī)律和噴油規(guī)律 供油規(guī)律是

8、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。 24/84 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 ： 25/84 3.1.4噴油的霧化及油束特性噴油的霧化及油束特性 將燃油分散成細(xì)粒的過(guò)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油束的形成及特性油束的形成及

9、特性 燃料以很高的壓力（1020MPa）和很高的速 度（100300ms）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）。 26/84 油束本身的特征可用噴霧錐角、射程及霧 化質(zhì)量來(lái)說(shuō)明。 油束形狀 27/84 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(lái)標(biāo)志油束 的緊密程度。 大說(shuō)明油束松散， 小說(shuō) 明油束緊密。 2）油束射程 L 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；

10、反之， 如果過(guò)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。 L 28/84 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(shuō)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(lái)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(lái) 表示，直徑差越小則噴霧越均勻。 29/84 2影響油束特性的因素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。 30/84 a)多孔噴油器;b)順型軸針式噴油

11、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(lái)控制噴霧錐角。 31/84 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40.4mm; 2-噴孔直徑20.57mm; 3-噴孔直徑10.57mm; 噴孔直徑對(duì)霧化特性影響 32/84 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

12、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(guò)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。 33/84 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 34/84 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

13、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。 35/84 3.4 影響柴油機(jī)燃燒過(guò)程的因素影響柴油機(jī)燃燒過(guò)程的因素 3.4.1影響燃燒過(guò)程的使用因素 1燃料性質(zhì)的影響燃料性質(zhì)的影響 影響燃燒過(guò)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。 36/84 十六烷值越高，發(fā)火性越好。十六烷值過(guò)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4060范 圍內(nèi)

14、。 2）柴油的蒸發(fā)性 直接影響可燃混合氣形成，對(duì)燃燒過(guò)程也 有一定的影響。 37/84 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(shuō)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。 38/84 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

15、）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(guò)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(guò) 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。 39/84 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(wú)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(guó)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)、

16、35號(hào)和50號(hào)。 40/84 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(guò)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??；蒸發(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。 41/84 2負(fù)荷的影響負(fù)荷的影響 柴油機(jī)是通過(guò)混合氣濃度調(diào)節(jié)來(lái)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(guò)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

17、 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(guò)程延長(zhǎng)，燃燒不完全程度增加，熱效率 下降。負(fù)荷過(guò)大時(shí)，因混合氣過(guò)濃，過(guò)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。 42/84 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。 43/84 3轉(zhuǎn)速的影響轉(zhuǎn)速的影響 轉(zhuǎn)速

18、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(guò)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(guò)高會(huì)導(dǎo) 致熱效率下降，排氣污染加劇。 轉(zhuǎn)速過(guò)低：會(huì)由于空氣渦流減弱，使熱效率降低。 44/84 4噴油提前角的影響噴油提前角的影響 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(guò)的角度稱為 噴油提前角。

19、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(guò)的角度。 45/84 噴油提前角過(guò)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(guò) 多，導(dǎo)致柴油機(jī)功率下降、油耗率增加。 噴油提前角過(guò)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(guò)程中的壓力升 高率和最高壓力降低，熱效率明顯下降。 46/84 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

20、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。 47/84 3.4.2影響燃燒過(guò)程的結(jié)構(gòu)因素 1合理選擇壓縮比合理選擇壓縮比 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(guò)高，會(huì)造成燃燒最高壓力過(guò)大，使 曲柄連桿機(jī)構(gòu)承受過(guò)高的機(jī)械負(fù)荷，影響發(fā) 動(dòng)機(jī)的使用壽命。 48/84 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?

21、有效的燃燒主要是要求燃燒過(guò)程柔和、熱 效率較高。 2保證合適的噴油規(guī)律保證合適的噴油規(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。 49/84 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。 50/84 典型噴油規(guī)律 曲線開始噴油速率較大，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(guò)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。 51/84 典型噴油規(guī)律 曲線開始噴油速率較低，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(guò)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。 52/84 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(guò)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。 53/84 3保證良好的油束特性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 出時(shí)，使柴油分散成由大小不等的微