探究柴油機(jī)的噴射延遲期及其影響因素

1、 課程：柴油機(jī)噴射技術(shù)與排放控制題目：柴油機(jī)的噴射延遲期定義及其影響因素 學(xué)院：交通運(yùn)輸工程學(xué)院 專業(yè)：車輛工程（學(xué)碩） 探究柴油機(jī)的噴射延遲期及其影響因素柴油機(jī)由于其獨(dú)特的優(yōu)越性能：熱效率高、燃料消耗率低、低速大扭矩和使用壽命長(zhǎng)，所以應(yīng)用范圍較廣泛。但柴油機(jī)亦有噪聲高、污染大等缺點(diǎn)，因此，隨著環(huán)境污染的嚴(yán)重，世界各國(guó)都對(duì)柴油機(jī)的發(fā)展提出了更高的要求。在很大程度上，柴油機(jī)的燃燒過(guò)程在決定了柴油機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，因此對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程的合理組織是改善柴油機(jī)綜合性能的根本途徑。而柴油機(jī)的燃燒過(guò)程與柴油機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)與噴油系統(tǒng)密切相關(guān)，在進(jìn)氣系統(tǒng)方面，到現(xiàn)在為止人們已經(jīng)采用進(jìn)氣增壓、增壓中冷、可變幾何渦

2、輪增壓器、組織進(jìn)氣渦流、可變幾何進(jìn)氣道、廢氣再循環(huán)（EGR）等技術(shù)。故目前對(duì)柴油機(jī)的研究主要集中在噴油系統(tǒng)方面。當(dāng)前噴油系統(tǒng)的研究有兩個(gè)方面： 1、加強(qiáng)對(duì)噴油系統(tǒng)參數(shù)調(diào)控的靈活性，特別是噴油量控制、噴油始點(diǎn)提前、噴油率形成及噴油壓力調(diào)節(jié)等方面，以形成理想的噴射規(guī)律如預(yù)噴射、三角形噴射等。2、進(jìn)一步提高噴油壓力，改善混合氣的質(zhì)量。研究表明，高壓噴射是改進(jìn)柴油機(jī)效率、排放和經(jīng)濟(jì)性的合理途徑。提高噴射壓力使燃油從噴嘴出口速度增加，從而得到較高的燃油和空氣之間的相對(duì)速度，從而有利于燃油射流中微粒平均直徑減小，于是蒸發(fā)速度加快；提高壓力后，噴射動(dòng)量增加，這就加速了燃油霧注在燃燒室內(nèi)空氣中擴(kuò)散，通過(guò)空氣與

3、燃油更迅速的混合，混合氣更充分的均勻化，從而改進(jìn)了燃燒過(guò)程，有利于提高熱效率和減少碳煙排放。燃油噴射系統(tǒng)是柴油機(jī)的核心部件,由于燃油系統(tǒng)存在不可忽略的延遲因素，如高壓油管的液力延遲、噴油器開啟壓力等因素，因此燃油噴射過(guò)程存在一定的時(shí)間延遲。經(jīng)典的燃油噴射系統(tǒng)由噴油泵和噴油器組成，它們之間用高壓油管相連（圖1）。 圖1 噴射系統(tǒng)示意圖一、噴射延遲的定義噴射延遲是指對(duì)空氣流量相關(guān)傳感器開始采樣到最終形成混合氣的時(shí)間。 通過(guò)在噴油泵和噴油器安裝的傳感器，進(jìn)行壓力和針閥升程的記錄，結(jié)合噴射過(guò)程示波圖（圖2）,將噴射過(guò)程分為3個(gè)階段: 圖2 噴射過(guò)程示波圖1、噴射延遲期 ：即從柱塞將進(jìn)油孔關(guān)閉，到針閥開

4、啟（圖3）。 式中： -從柱塞壓油開始到出油閥離開閥 座的時(shí)間； -壓力波從油泵到油嘴，在高壓油管中以聲速傳播時(shí)間；-從壓力波到達(dá)油嘴，至針閥開始上升所需要的時(shí)間； 圖3 噴射延遲期示意圖2、主噴射期：從針閥開啟到柱塞回油孔打開。3、自由噴射期：從柱塞回油孔打開到針閥落座。其中對(duì)噴射延遲期定性分析的具體算法：（1）-從柱塞壓油開始到出油閥離開閥座的時(shí)間： （s） 式中： 壓油時(shí)柱塞腔初始容積（）； 柱塞腔初始?jí)毫Γ∕Pa）； 高壓油管內(nèi)殘余壓力（MPa）； 出油閥彈簧安裝壓力（MPa）； 柱塞面積（）； 燃油彈性模數(shù)（MPa）； 柱塞平均速度（m/s）；泵腔容積愈大，管內(nèi)殘余壓力愈大，柱塞速度

5、愈小，則愈長(zhǎng)。一般所占時(shí)間很短，只有在低速時(shí)，由于滲漏量增加才可重視。（2） -壓力波從油泵到油嘴，在高壓油管中以聲速傳播時(shí)間: （s） 式中： L高壓油管長(zhǎng)度（cm）； N正整數(shù)，當(dāng)一次壓力波到達(dá)油嘴即開始噴油時(shí)，N=0； a壓力波在燃油中傳播速度 ；（3） -從壓力波到達(dá)油嘴，至針閥開始上升所需要的時(shí)間: （s） 式中： 噴油器內(nèi)高壓容積（）； 針閥彈簧預(yù)壓壓力（MPa）； 針閥平均單位面積摩擦壓力（MPa）； 噴油器油路內(nèi)殘余壓力（MPa）； 噴油器油路內(nèi)孔截面積（）； 燃油彈性模數(shù)（MPa）； 噴油器油路內(nèi)燃油平均速度（m/s）；一般為的1/2，很小。如果高壓油管內(nèi)的燃油中存在微量的氣

6、泡，而且燃?xì)饣馗Z到噴油嘴內(nèi)腔時(shí)，則音速將顯著降低，此時(shí)就相當(dāng)長(zhǎng)。噴油延遲時(shí)間一般以柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角表示： （）由此可見(jiàn)噴油延遲角與轉(zhuǎn)速成正比。噴油延遲時(shí)間用計(jì)算方法準(zhǔn)確地確定比較困難，容易產(chǎn)生偏差，由于存在動(dòng)力學(xué)的原因，實(shí)際延遲時(shí)間較靜力分析值小，故一般采用實(shí)驗(yàn)確定時(shí)間。二、影響噴油延遲的因素 柴油機(jī)的噴射延遲特性一方面取決于燃油噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，另一方面也取決于不同的運(yùn)行工況。主要有以下幾個(gè)方面：1、柱塞直徑和噴孔直徑增大柱塞直徑時(shí)，供油速率增大，噴射延遲角和噴油持續(xù)角減小，噴射延遲變小。增壓機(jī)通常加大柱塞直徑以縮短噴油持續(xù)期，同時(shí)減小噴油提前角。設(shè)采用電控標(biāo)準(zhǔn)單體泵，柱塞直徑為 D1，噴油

7、器噴孔直徑為 D2，在其它結(jié)構(gòu)參數(shù)（計(jì)算條件不變）一致的情況下，改變柱塞/噴孔直徑比，對(duì)不同柱塞/噴孔直徑比下的噴油壓力和噴油速率進(jìn)行仿真對(duì)比。 從仿真結(jié)果（圖4）可知： 噴射壓力與柱塞/噴孔直徑比成正比；噴油速率與柱塞/噴孔直徑比成反比；柱塞的直徑與噴孔的直徑比決定了燃油噴射系統(tǒng)可能達(dá)到的最大噴油壓力和最大噴油速率。 圖4 不同柱塞/噴孔直徑比下的最大噴射壓力與噴油速率2、柱塞速度及轉(zhuǎn)速柱塞速度越大，噴射延遲角和噴油持續(xù)角越小，噴射延遲變小，所以一般選柱塞速度的高速部分為有效工作段，以提高噴油速率，減小噴油持續(xù)角，提高霧化質(zhì)量。采用電控標(biāo)準(zhǔn)單體泵，在相同的脈寬時(shí)間和供油量下，提高轉(zhuǎn)速使柱塞的

8、運(yùn)動(dòng)速度加快，噴射延遲時(shí)間變短（圖5）。 圖5 不同轉(zhuǎn)速下噴射延遲期特性3、高壓油管長(zhǎng)度 高壓油管要有足夠的燃油流量減小燃油流量的壓降，使得管路中的壓力波動(dòng)小，可以承受高壓燃油的沖擊作用。當(dāng)油管越長(zhǎng)，管徑越大，啟噴壓力越高，噴射延遲期越長(zhǎng)。4、出油閥彈簧的剛度 出油閥彈簧要求易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，使得減壓輸出壓力穩(wěn)定，控制壓力調(diào)節(jié)靈活，控制精度高，當(dāng)增大彈簧剛度時(shí)，噴射延遲增大。5、高壓系統(tǒng)容積和減壓容積 燃油系統(tǒng)通過(guò)氣動(dòng)開關(guān)閥和減壓容器調(diào)節(jié)高壓氣動(dòng)系統(tǒng)的輸出壓力。按照要求對(duì)容積沖放氣進(jìn)行控制，減小能量轉(zhuǎn)換損失，提高有用能的使用效率。當(dāng)增大高壓系統(tǒng)容積時(shí)，噴油延遲也隨之變大。當(dāng)系統(tǒng)減壓容積增大時(shí)，噴油延遲也變大。6、 針閥開啟壓力和殘余壓力 作為開關(guān)管道的精準(zhǔn)閥門，針閥耐受很大壓力。面對(duì)高壓力的燃油系統(tǒng)，針閥開啟壓力增大時(shí)，噴油延遲也隨之增大。在工作階段，管道的殘余壓力增大時(shí)，有助于減小噴射延遲。7、噴油量噴射壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升時(shí)，凸輪轉(zhuǎn)速亦上升，加快了泵柱塞的供油速度，因此也加速了噴油壓力的建立速度，致使噴油壓力隨轉(zhuǎn)速上升而上升。隨著噴油量的增加，泵端和嘴端的噴射壓力都相應(yīng)增加。采用電控標(biāo)準(zhǔn)單體泵，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油量對(duì)噴射延遲的影響進(jìn)行了仿真（圖6）： 圖6 不同循環(huán)供油量下的噴射延遲期特性從仿真結(jié)果可知：噴油量對(duì)噴射延遲