現(xiàn)代汽車發(fā)動機原理課件：柴油機的霧化與燃燒-

柴油機的霧化與燃燒

4.1燃油霧化與混合氣形成4.1.1燃料霧化及油束特性

柴油機燃燒主要在氣態(tài)下進行，因此液體燃料通過高壓油泵的柱塞運動，將燃料壓縮到一定高的壓力并輸送到噴油嘴，在噴孔前后形成較大的壓力差，經(jīng)噴孔而高速噴射霧化。由于要求必須在很短的時間內(nèi)形成可燃混合氣，所以霧化應具備以下的必要條件：霧化：油滴尺寸越小，可以大大增加燃料的蒸發(fā)表面積，增加燃料與空氣的接觸機會，使氣化和燃燒進行得越快。所以油滴必須粉碎得細小均勻。貫穿力：如油滴靜止不動，就會被燃氣包圍不能與空氣接觸而無法燃燒，所以直到燃燒終了為止，油滴必須具有在空氣中突進的能力，使能達到一定的噴射距離。分布：為了增加平均有效壓力，氣缸內(nèi)的空氣應全部用于燃燒。在燃燒室中，油滴沒有達到的地方空氣就不能全部利用，而油滴密集處又由于空氣不足而出現(xiàn)不完全燃燒。

將燃料分散成細粒的過程稱為燃料的霧化或噴霧，其目的是大大增加燃料蒸發(fā)的表面積，增加燃料與氧接觸的機會，以達到迅速混合的目標。

實際的霧化過程是流動的并且復雜的，所以從理論上要對它進行解析是極其困難的。對于實際的霧化大多數(shù)資料是以實驗研究所得的結(jié)果為依據(jù)的。下面介紹柴油霧化的基本原理。燃料霧化及特性

燃料以很高的壓力（10～20MP）和很高的速度(100～300m/s)從噴油器的噴孔流出，在高速流動時所產(chǎn)生的內(nèi)部擾動及汽缸中空氣阻力的作用下，被粉碎成細小的油粒，表示燃料被噴散霧化。這樣可以大大增加其表面積，加速混合氣形成。

一般霧化質(zhì)量是用噴散細度和噴散均勻度來評價的。噴散細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。油束的形成及特性1）油束的形成

燃料高壓油管以較高的噴射壓力和較快的噴射速度從噴油器的噴孔噴射入燃燒室，形成一個由大小不同的油粒所組成的圓錐體叫做油束，如圖4.3所示。圖4.3油束的形狀2）油束特性

一般油束本身的特性可用噴霧錐角、射程及霧化質(zhì)量來描述。(1)油束射程L

油束射程又稱貫穿距離，亦稱貫穿力。(2)油束錐角β

從噴油器噴孔畫出的一對相切于油束外廓面的切線之間的夾角稱為油束錐角β。(3)霧化質(zhì)量

前面以述，霧化質(zhì)量表示燃油噴散霧化的程度，一般是指油束中油滴的細度和均勻度。油束中油滴越細、越均勻、霧化質(zhì)量越好。4.1.2影響霧化與油束特性的因素

噴霧是由油滴群組成的。理論上講，一個油滴在前進時受到與速度的1.2～2次方成正比的空氣阻力作用。研究表明，對于大、中型柴油機來講，油束射程L、油束錐角β、噴射壓力與介質(zhì)反壓力

以及噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系式：

式中：c——收縮系數(shù)；

wf—噴出速度（m/s）；

t—時間（s）；從上式中可以看出，油束特性主要受以下因素影響：噴油嘴結(jié)構(gòu)

噴油嘴的結(jié)構(gòu)不同，引起油束形成的內(nèi)部擾動也不同，從而就產(chǎn)生不同形式的油束，噴油嘴的主要結(jié)構(gòu)形式，如圖4.4所示。多孔噴油嘴軸針式噴油嘴圖4.4柴油機噴油嘴結(jié)構(gòu)噴油壓力

燃油的噴射壓力越大，則燃油流出的初速度就越大。在噴孔中燃油擾動程度及流出噴孔后所受到的介質(zhì)阻力也越大，從而使霧化的細度和均勻度提高，即霧化質(zhì)量好，如圖4.6所示；噴油壓力增加時，也使油束射程增加，如圖4.7所示，噴油壓力過高，則高壓油管容易漲裂，噴油器容易磨損，對噴油管制造要求也愈高。圖4.6噴油壓力對霧化質(zhì)量的影響圖4.7噴油壓力、介質(zhì)壓力及油束射程隨時間的變化關(guān)系燃燒室壓力

柴油機燃燒室內(nèi)介質(zhì)壓力相對噴油壓力是介質(zhì)反壓力，介質(zhì)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，使油束射程縮短，見圖4.7所示。氣缸溫度

燃料向氣缸內(nèi)噴射時，由于溫度高，油粒在前進中將發(fā)生蒸發(fā)或燃燒，所以與向常溫的壓縮空氣中噴射的情況不同。在高溫空氣中，由于空氣的粘度增加和燃料的表面張力減小，霧化變好，但油粒由于蒸發(fā)而變小，速度很快降低，使貫穿距離小。噴油凸輪外形及轉(zhuǎn)速

當凸輪形狀較陡或凸輪轉(zhuǎn)速較高時，均使噴油泵的柱塞供油速度加快，由于噴油嘴噴孔節(jié)流作用會使油管中的燃油壓力增加，從而使噴油速度增大，油束射程和噴霧錐角均有所增加，因此霧化變好。4.1.3柴油機可燃混合氣的形成方式

柴油機所用的燃料是柴油，由于柴油的粘度較大、不容易揮發(fā)，所以柴油機必須借助噴油設(shè)備(噴油泵和噴油器等)將柴油在接近壓縮行程終了的時刻，通過高壓以細小的油滴形式(油滴直徑在1～50μm之間)噴入氣缸，柴油機是采用缸內(nèi)混合的方式形成可燃混合氣。這些細小油粒在氣缸中與高溫高壓的熱空氣混合，經(jīng)過一系列物理化學準備，然后著火燃燒。

在柴油機研發(fā)和發(fā)展過程中，人們認識到柴油機要獲得燃油與空氣迅速、良好的混合，必須使燃燒室結(jié)構(gòu)、燃油的噴霧、缸內(nèi)空氣的運動三方面良好的匹配。應避免燃油直接進入高溫缺氧區(qū)域而引起裂解。目前，柴油機可燃混合氣的形成方式有兩種分類：①按柴油霧化方式分：空間霧化混合和油膜蒸發(fā)混合；②按霧化時序方式分：燃料預混合和燃燒熱混合。按柴油霧化方式1）空間霧化混合空間霧化混合是在噴油壓力較高的條件下，將燃料噴向燃燒室空間。利用油束與空氣的相對運動及空氣在壓縮過程中產(chǎn)生的熱能，實現(xiàn)破碎霧化、吸熱蒸發(fā)并與空氣混合形成可燃混合氣。一般，采用空間霧化混合形式的直噴式燃燒室，噴油器為噴孔數(shù)較多、孔徑相對來說較細，安裝位置處于燃燒室的中間。2）油膜蒸發(fā)混合

油膜蒸發(fā)混合是將大部分燃油噴涂到燃燒室壁面上，形成一層油膜，油膜受熱蒸發(fā)汽化，在燃燒室中強烈的渦流作用下，燃油蒸氣與空氣形成均勻的可燃混合氣，如圖4.9所示。

車用柴油機中，燃油或多或少地會噴到燃燒室壁上，兩種混合方式兼而有之，只是多少、主次不同，目前多數(shù)車用柴油機仍以空間霧化混合為主，而有些車用球型燃燒室柴油機則以油膜蒸發(fā)混合為主。圖4.8空間霧化混合方式

圖4.9油膜蒸發(fā)混合方式按霧化時序方式分1）熱混合

氣流運動除使油、氣混合均勻外，還可加快火焰?zhèn)鞑?，促使燃燒過程迅速進行。此外，繞氣缸軸線運動還可使混合氣中的油滴、油氣、空氣及燃氣在離心力作用下有所分離。它們的比重是依次遞減的，因而燃氣總是聚向中心而驅(qū)使空氣和油氣在外壁處混合，從而促進了混合氣的形成和燃燒，此現(xiàn)象又稱為熱混合。2）燃燒預混合

一般的噴霧是油滴群同氣化燃料預混合氣的混合體。需要研究的是，在噴射出來的燃料當中，氣體預混合氣以多大的程度來進行燃燒。佐藤等使用空氣霧化式噴射器在細長的燃燒器中造成噴霧燃燒火焰而測得的軸向氣體溫度分布。如果預混合氣化燃料已經(jīng)著火，則一定會迅速燃燒。所以認為在剛剛著火之后的溫度上升，主要是由于預混合氣化燃料的燃燒所造成的。4.2柴油機的燃燒過程

氣缸中的壓力和溫度是反映燃燒進行情況的重要參數(shù)，典型的示功圖如圖4.10所示，曲線ABCDE表示氣缸中進行正常燃燒的壓力曲線，ABF表示氣缸內(nèi)不進行燃燒時壓縮膨脹曲線。所以示功圖真實反映了燃燒過程的進展情況。圖4.10柴油機典型的燃燒過程示功圖4.2.1燃燒過程進行情況1．柴油機缸內(nèi)空氣運動形成

柴油機缸內(nèi)空氣運動對混合氣的形成和燃燒過程有決定性影響，因而也影響著柴油機的動力性、經(jīng)濟性、燃燒噪聲和有害廢氣的排放。組織良好的缸內(nèi)空氣運動對促進燃燒過程中空氣與未燃燃料的混合（熱混合作用），提高燃燒速率，有著重要意義。1）進氣渦流

在進氣過程中形成的繞氣缸軸線有組織的氣流運動，稱為進氣渦流。1）進氣渦流的組織方法①采用帶導氣屏的進氣門

圖4.11所示，進氣門帶導氣屏的進氣道。強制空氣從導氣屏的前面流出，依靠氣缸壁面約束，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流。②切向進氣道

圖4.12所示，為柴油機切向進氣道。其形狀比較平直，在氣門座前強烈收縮，引導氣流以切線方向進入氣缸，從而造成氣門口速度分布的不均勻。③螺旋進氣道

圖4.13所示，為柴油機螺旋進氣道。在氣門座上方的氣門腔內(nèi)做成螺旋形，使氣流在螺旋氣道內(nèi)就形成一定強度的旋轉(zhuǎn)，其氣門口處氣流的情況相當于在均勻速度分布的基礎(chǔ)上，增加一個切向速度圖4.11帶導氣屏進氣門圖4.12切向氣道圖4.13螺旋氣道圖4.14氣道穩(wěn)流實驗臺1-試驗氣道2-模擬氣缸3-葉片風速儀4-計數(shù)器5-壓差計

6-孔板流量計7-穩(wěn)壓箱8-鼓風機9-流量調(diào)節(jié)閥（2）氣道的評定方法

為了增加進氣充量，氣道的流動阻力越小越好。氣道的質(zhì)量指標主要有流動阻力和渦流強度，希望在盡可能小的阻力下有足夠的渦流強度。一般的穩(wěn)流氣道試驗臺如圖4.14所示。

在評價方法上我國普遍采用Ricardo方法，其流量系數(shù)CF定義為流過氣門座的實際空氣流量與理論空氣流量之比，即：其中，dV是氣門座內(nèi)徑；n是進氣門數(shù)目。

理論進氣速度，m/s。式中：Q—試驗測得的實際空氣流量，m3/s；

A—氣門座內(nèi)截面面積，m2；

2）擠流

在壓縮過程后期，活塞表面的某一部分和氣缸蓋彼此靠近時所產(chǎn)生的徑向或橫向氣流運動稱為擠壓流動，又稱擠氣渦流或擠流。擠流強度主要由擠氣面積和擠氣間隙的大小決定。當活塞下行時，燃燒室中的氣體向外流到環(huán)形空間，產(chǎn)生膨脹流動，稱為逆擠流見圖4.15。圖4.15擠氣渦流3）湍流

在氣缸中形成的無規(guī)則的氣流運動稱為湍流，是一種不定常氣流運動。湍流可分為兩大類，即氣流流過固體表面時產(chǎn)生的壁面湍流和同一流體不同流速層之間產(chǎn)生的自由湍流，柴油機中的湍流主要是自由湍流。其形成的方式很多，既可在進氣過程中產(chǎn)生，也可在壓縮過程中利用燃燒室形狀產(chǎn)生，還可因燃燒而產(chǎn)生。2．著火現(xiàn)象

燃料噴入燃燒室后，分散成許多細小油滴。單個油滴的著火情況，如圖4.16所示著火需要具備以下兩個條件：①在形成的可燃混合氣中，燃料蒸氣與空氣的比例要在著火界限內(nèi)。②可燃混合氣必須加熱到某一臨界溫度，低于這一溫度，燃料就不能著火，我們把燃料不用外部點燃而能自己著火的最低溫度稱為著火溫度或自燃溫度。圖4.16單個油滴的著火過程3．燃燒過程的四個階段

柴油機燃燒過程中的燃燒速度(即燃燒放熱速度)極不均勻，呈現(xiàn)出明顯的階段性。正確地認識燃燒進程的全貌是有益的，按照燃燒速度的區(qū)別，柴油機的燃燒過程可劃分為滯燃期1、速燃期2、緩燃期3和后燃期4等四個階段，如圖4.10所示。1）第1階段——滯燃期

滯燃期(也稱著火延遲期，如圖4.10中的A～B段)是從噴油開始(A點)到壓力線與純壓縮線的分離點(B點)止，B點視為燃料開始著火點。2）第2階段——速燃期

速燃期(也稱急燃期，如圖4.10中的B～C段)是從氣缸壓力偏離純壓縮線（B點）開始急劇上升，到最高壓力點（C點）止。

在這一階段中，由于在滯燃期內(nèi)已混合好的可燃混合氣幾乎一起燃燒，而且是在活塞接近上止點、氣缸容積較小的情況下燃燒，因此氣缸中壓力升高特別快。一般用平均壓力升高率

來表示壓力升高的急劇程度。如果壓力升高率太大，則柴油機工作粗暴，運動零件受到很大的沖擊負荷，發(fā)動機壽命就要縮短。3)第3階段——緩燃期

緩燃期(圖4.10中的C～D段)是從壓力急劇升高的終點（C點）到壓力開始下降的D點為止。這一階段的燃燒是在氣缸容積不斷增加的情況下進行的，所以燃燒必須很快才能使氣缸壓力稍有上升或幾乎保持不變。有些發(fā)動機在緩燃期內(nèi)燃料仍在繼續(xù)噴射，如果所噴入的燃料是處在高溫廢氣區(qū)域，則燃料得不到氧氣，燃料容易裂解而形成碳煙；如果燃料噴到有氧氣的地方，則此時由于氣缸中溫度很高，化學反應很快，滯燃期很短，噴入燃料很快著火燃燒，但如果氧氣滲透不充分，過濃的混合氣也容易裂解形成碳煙。4)第4階段——后燃期

緩燃期(圖4.10中的D～E段)是從緩燃期的終點（D點）到燃料基本上燃燒完全時（E點）為止，又稱補燃期。在柴油機中，由于燃燒時間短促，燃料和空氣的混合又不均勻，總有一些燃料不能及時燒完，拖到膨脹線上繼續(xù)燃燒。特別是在高速、高負荷時，由于過量空氣少，后燃現(xiàn)象比較嚴重，有時甚至一直繼續(xù)到排氣過程。在后燃期，因活塞下行，燃料在較低的膨脹比下放熱，放出的熱量不能有效利用，增加了散往冷卻水的熱損失，使柴油機經(jīng)濟性下降。4．燃燒放熱規(guī)律

單位曲軸轉(zhuǎn)角的放熱量(或稱放熱速度)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系稱為放熱規(guī)律，不同類型柴油機其放熱規(guī)律曲線形狀不同。圖4.20所示為一典型直噴式燃燒室柴油機的放熱規(guī)律。

實際柴油機的放熱規(guī)律很復雜。為了便于分析，假定四個簡單放熱規(guī)律進行分析，圖4.21所示。四種放熱規(guī)律都是在上止點開始放熱，而在上止點后40°曲軸轉(zhuǎn)角終止，即燃燒持續(xù)時間為40°曲軸轉(zhuǎn)角。

圖4.20燃燒放熱規(guī)律圖4.21不同放熱規(guī)律對性能的影響4.2.2影響燃燒過程的因素1．燃料性質(zhì)的影響（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，十六烷值愈高，發(fā)火性愈好。（2）柴油的蒸發(fā)性

蒸發(fā)性由燃油的蒸餾試驗確定，需測定的餾程是50％餾出溫度、90％餾出溫度及95％餾出溫度，同一相對蒸發(fā)量的餾出溫度愈低，柴油蒸發(fā)性愈好，愈有利于混合氣的形成和燃燒。（3）柴油的粘度

粘度決定柴油的流動性。柴油的粘度低，流動性好，柴油從噴油器噴出時霧化性好。（4）柴油的凝點

柴油的凝點指柴油冷卻到失去流動性的溫度。2．滯燃期的影響

滯燃期對柴油機燃燒過程影響極大，影響滯燃期的因素很多，在正常運轉(zhuǎn)情況下，壓縮溫度和壓力、噴油提前角、轉(zhuǎn)速等對滯燃期有較大影響。（1）壓縮溫度和壓力（2）噴油提前角（3）轉(zhuǎn)速（4）柴油機增壓3．負荷的影響當負荷增加時，循環(huán)供油量增加，由于轉(zhuǎn)速不變，進入氣缸的空氣量基本不變，這使過量空氣系數(shù)值減小，單位容積內(nèi)混和氣燃燒放出的熱量增加，引起缸內(nèi)溫度上升，縮短滯燃期，使柴油機工作柔和，圖4.28為負荷對滯燃期的影響。圖4.28負荷對滯燃期的影響4．轉(zhuǎn)速的影響

轉(zhuǎn)速增加，使空氣的渦流運動加強，有利于燃油蒸發(fā)、霧化和空氣混合。但轉(zhuǎn)速高，由于充氣效率的下降和循環(huán)供油量增加，導致過量空氣系數(shù)值減小，且燃燒過程所占曲鈾轉(zhuǎn)角可能加大，因之熱效率下降。5．供油提前角的影響

增加供油提前角，及P值上升，柴油機工作粗暴，并且使得怠速不良，也難于啟動。如果供油提前角太小，則柴油不能在上止點附近迅速燃燒，后燃期增加。4.2.3燃燒過程存在的問題1．混合氣形成困難及燃燒不完全：柴油機形成混合氣的時間短促，缸內(nèi)空氣和燃油混合極不均勻，一部分燃油在高溫缺氧條件下不能完全燃燒，致使排氣冒煙，經(jīng)濟性下降。2．燃燒噪聲：燃燒是沖擊性的，使燃燒初期的壓力急劇升高。急劇升高的壓力使燃燒室壁面及活塞曲軸零件產(chǎn)生強烈振動，并通過氣缸壁面?zhèn)髦镣獠?，從而形成燃燒噪聲?．排氣冒煙：如果缸內(nèi)缺氧，則油粒不能燃燒完而隨廢氣排出，形成黑煙。4.3柴油機燃油系統(tǒng)的工作特性4.3.1燃料噴射

柴油機燃油噴射系統(tǒng)是柴油機的重要組成部分，其關(guān)鍵部分是噴油泵、高壓油管和噴油器等組成的燃油噴射系統(tǒng)，見圖4.30所示。圖4.30柴油機燃油噴射系統(tǒng)1—輸油泵；2—高壓油泵；3—噴油泵；4—預熱器；5—二級濾清器；6—一級濾清器；7—沉淀杯；8—油箱

根據(jù)柴油機工作的特點，一般對燃油噴射系統(tǒng)提出下列要求：①噴油時刻：在整個負荷和轉(zhuǎn)速的變化范圍內(nèi)，應具有最佳的供油定時，包括最佳的噴油開始和噴油持續(xù)時間；不同時刻的噴油率(即噴油規(guī)律)應滿足燃燒過程的要求。②噴油質(zhì)量：燃油被噴入氣缸時要具有高的噴射壓力，以保證燃油的霧化質(zhì)量、貫穿距離。同時油束形狀應與燃燒室及其氣體運動相配合，以利于可燃混合氣的形成。

③噴油量：噴油量應與柴油機負荷及轉(zhuǎn)速的變化相適應。負荷一定時，每循環(huán)的噴油量應保持相同，以便柴油機能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。對多缸柴油機，各氣缸的噴油量應保持一致。1．噴油過程

為了解噴油過程，可以對圖4.31所示的噴油器針閥升程、噴油泵瑞壓力和噴油器端壓力曲線進行分析。按照壓力變化的特點，噴油過程大致可分為三個階段：圖4.31柴油機燃油噴射過程第一階段為噴油滯后階段，即圖4.31中I所示的曲軸轉(zhuǎn)角。第二階段為主噴射階段，即圖4.31中Ⅱ所示的曲軸轉(zhuǎn)角。第三階段為自由膨脹階段，即圖4.31中Ⅲ所示的曲軸轉(zhuǎn)角。2．噴油規(guī)律及其測量

單位時間(或轉(zhuǎn)角)的噴油量即噴油速度隨時間(或曲軸轉(zhuǎn)角)而變化的關(guān)系，稱之為噴油規(guī)律。單位為(mm3／s)或(mm3/CAo)。噴油規(guī)律取決于噴油泵、噴油器內(nèi)有關(guān)零部件及高壓油管等整個噴油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和調(diào)整參數(shù)。噴油規(guī)律對柴油機性能有很大影響，為要實現(xiàn)平穩(wěn)、有效的燃燒，比較理想的噴油規(guī)律是“先緩后急”，即在滯燃期內(nèi)噴入氣缸的油量不宜過多，以控制速燃期的最大燃燒壓力和平均最大壓力升高率，保證柴油機能平穩(wěn)運轉(zhuǎn)及較小的燃燒噪聲；而滯燃期后，應以較高的噴油速率將燃油噴入氣缸，停油時應干脆迅速，噴油延續(xù)角不宜過大，中小功率柴油機的噴油延續(xù)角，一般控制在15o～25o曲軸轉(zhuǎn)角的范圍內(nèi)，目的是使燃燒過程盡量在上止點附近進行，以獲得良好的性能。圖4.32給出幾種典型噴油規(guī)律圖。圖4.32a)采用高速凸輪，噴油量大，曲線變化很陡，噴油延續(xù)時間短，柴油機經(jīng)濟性和動力性好；但工作粗暴、噪聲大。圖4.32b)所示噴油規(guī)律，開始呈噴油速率大，曲線上升陡，柴油機工作粗暴；而后曲線下降平緩，后噴速率過小，噴油延續(xù)時間長，使燃燒時間拖長，補燃多，性能不好。圖4.32c)所示噴油規(guī)律，開始噴油速率較低，曲線變化平坦，柴油機工作柔和，接著加大噴油速率使噴油延續(xù)時間不致太長，保證燃燒效率，效果較好，即為上述比較理想的噴油規(guī)律。圖4.32幾種典型噴油規(guī)律典型的噴油規(guī)律測定方法有三種：1）動量法2）壓力—升程法3）長管法圖4.33長管式噴油規(guī)律示意圖1—噴油嘴；2—電阻應變片；3—感應管；4—傳感器體；5—長管；6—節(jié)流孔4.3.2噴油泵速度特性及其校正目前柴油機上廣泛應用柱塞式噴油泵，如圖4.34所示。當噴油泵油量控制機構(gòu)(齒條或拉桿)位置不變時，每循環(huán)供油量隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系稱為噴油泵的速度特性，每循環(huán)供油量隨轉(zhuǎn)速升高而增加，這是由于進、回油孔的節(jié)流作用而引起的。圖4.34柱塞式噴油泵速度特性圖4.35最佳噴油泵速度特性噴油量校正裝置的作用是當發(fā)動機在標定工況下工作時，如果轉(zhuǎn)速因外界阻力矩不斷增加而下降。噴油泵能自動增加循環(huán)供油量，以增大低速時扭矩，提高扭矩儲備系數(shù)。目前，常用的校正方法有兩類：一類是出油閥校正；另一類是在噴油泵或調(diào)速器上裝校正彈簧機構(gòu)。1．出油閥校正出油閥校正目前常用的有三種形式：1）可變減壓容積出油閥校正

在如圖4.36所示中，圖4.36a為沒有校正作用的出油閥，圖4.36b為有校正作用的出油閥結(jié)構(gòu)，這種出油閥尾部開有四條錐形切槽，燃油流通截面向上逐漸減小。1—出油閥座；2—出油閥；3—減壓環(huán)帶；4—切槽圖4.36校正出油閥2）可變減壓作用出油閥

這種出油閥除了增加減壓環(huán)帶凸緣與出油閥座內(nèi)孔的間隙之外，與一般減壓式出油閥相同，間隙在小油泵上為0.025～0.076mm，在大油泵上可達0.18mm。圖4.38可變減壓容積出油閥的供油速度特性1—正常間隙；2—間隙δ=0.025mm；3—間隙=2δ；4—間隙=4δ3)節(jié)流式出油閥

如圖4.36c所示，在出油閥中開節(jié)流小孔。出油閥有中心通孔及橫向小孔，所有進入高壓油管的燃油必須通過橫向小孔。轉(zhuǎn)速升高時，由于橫向小孔節(jié)流作用增強，對燃油進入高壓油管起限制作用，使油泵柱塞上腔內(nèi)燃油壓力升高，這樣不僅減少了供油后期流入高壓油管的燃油量，同時還增加了柱塞偶件的泄漏量。因此，隨轉(zhuǎn)速的增加，噴油量下降。2．彈簧校正

如圖4.39所示，螺釘右端加裝校正彈簧8，在原來固定螺母處，改用一個小的檔頭6。它不妨礙托板3的運動，但能擋住校正彈簧座7左移。

圖4.39彈簧校正器工作原理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—校正彈簧圖4.40彈簧校正器作用┅┅┅裝校正彈簧━━━未校正彈簧

4.3.3不正常噴射

不規(guī)則噴射是指各循環(huán)噴油量不斷變動的現(xiàn)象。若燃油噴射系統(tǒng)的參數(shù)選擇不當時，可能會產(chǎn)生各種不規(guī)則噴射，使柴油機經(jīng)濟性下降，排氣冒煙、油嘴積炭燒損、偶件和油管零件的穴蝕破壞等不正?，F(xiàn)象。常見的不正常噴射，見圖4.41所示。圖4.41各種噴射情況的針閥升程（a）正常噴射；（b）二次噴射；（c）不規(guī)則噴射；（d）斷續(xù)噴射；（e）隔次噴射1．二次噴射所謂二次噴射是指在噴油終了針閥落座后又第二次升起形成再次噴射的現(xiàn)象。二次噴射的發(fā)生是由于在主噴射結(jié)束之后，高壓油管內(nèi)存在燃油的壓力波動，當?shù)竭_噴油器處的壓力波波幅大于針閥開啟壓力時，針閥就再次打開形成二次噴射。二次噴射的出現(xiàn)將使整個噴射延續(xù)期拉長，過后燃燒嚴重，柴油機經(jīng)濟性下降，熱負荷增加，應當要力求消除二次噴射。消除二次噴射，關(guān)鍵在于減小噴油泵停止供油后高壓油路中柴油的壓力波動，常用措施有以下幾點：2．氣泡、穴蝕當油管壓力局部突然降到相應溫度時的飽和蒸氣壓力以下時，會有氣泡產(chǎn)生。在試驗時油管壓力出現(xiàn)為零平臺時，即表明這個區(qū)域內(nèi)有氣泡產(chǎn)生。氣泡產(chǎn)生后，在波動中的壓力作用下，當壓力升高至某一程度，氣泡在高壓作用下會破裂，這時局部油管壓力急劇上升，氣泡連續(xù)的產(chǎn)生和破裂會引起油管壓力在主噴射后的高頻波動，當這些壓力波峰值超過一定數(shù)值時將會造成金屬表面的損壞，即所謂的穴蝕現(xiàn)象。因此說穴蝕是由氣泡的產(chǎn)生和破裂引起的。但氣泡的產(chǎn)生和破裂并不一定引起穴蝕損壞。3．滴油

滴油指的不是因噴油器針閥密封不良造成的滴漏，而是在針閥密封良好的情況下，噴油終了時，由于噴油壓力小，噴油量少，燃油速度較低，燃油以油滴的形式結(jié)集在噴孔處，稱為滴油。這種現(xiàn)象在高壓油管壓力小、噴孔面積大、減壓效果差、針閥關(guān)閉壓力小時容易出現(xiàn)。4．斷續(xù)噴射

斷續(xù)噴射是指在低速、小負荷時，由于供油量較少，高壓油管內(nèi)較低的壓力波及較小的供油率，使得在噴油階段高壓油管內(nèi)的壓力不足以保持抵消噴油嘴的針閥復位彈簧力，針閥時而打開，時而落座。5．不規(guī)則噴射

不規(guī)則噴射指各循環(huán)噴油量不斷變動的現(xiàn)象，這會導致燃燒不穩(wěn)定。6．隔次噴射

隔次噴射是指，當循環(huán)供油量過小，高壓油管中的壓力太低時，有可能在某循環(huán)的整個噴油過程中無法頂開針閥噴油，在下一個循環(huán)中，高壓油管內(nèi)有前一循環(huán)的油量積累，其壓力才有可能使針閥開啟，向缸內(nèi)噴油。4.4柴油機的燃燒室4.4.1分隔式燃燒室分一般性特征是：燃燒室至少分成兩個部分；由各室之間的空氣流動形成可燃混合氣。1．預燃室式燃燒室預燃室式燃燒室構(gòu)造如圖4.43所示：混合氣形成主要依靠燃燒渦流，對燃油系統(tǒng)的要求低，對轉(zhuǎn)速及燃油品質(zhì)不敏感，均用軸針式單孔噴嘴。冷起動困難，基本上已不采用。圖4—43

預燃室式燃燒室1—預燃室；2—通道；3—噴油嘴2．空氣室式燃燒室（Lanova式）

空氣室式燃燒室的噴油嘴安在主室，且正對著副室，燃料噴入主室，油束指向副室口，壓縮終了燃料與空氣一起進入副室，在副室內(nèi)首先著火、燃燒，向混合氣提供噴向主室的能量。這種燃燒室由于強烈的分開式結(jié)構(gòu)，如今很少采用。3．渦流室式燃燒室

渦流室式燃燒室的結(jié)構(gòu)如圖4.44所示，在氣缸蓋與活塞頂之間的空間是主燃燒室，在氣缸蓋中的容積VA稱為渦流室。一般渦流室占整個燃燒室容積50％左右，渦流室與主燃燒室之間有一個或數(shù)個通道相連。通道截面約為活塞面積的0.9％～3.5％，通道方向與活塞頂成一定的角度并與渦流室相切，燃油噴射到渦流室內(nèi)，順空氣渦流方向噴射。圖4—44渦流室燃燒室1—渦流室；2—噴油嘴；3—通道（3）性能特點優(yōu)點:①由于強烈的空氣渦流運動（壓縮渦流與二次渦流）.

混合氣形成質(zhì)量好，能在α較小的情況下完全燃燒。一般α=1.2~1.3②對噴霧質(zhì)量要求不高，燃油系統(tǒng)故障少.③高速性好，性能穩(wěn)定.④進氣道無特殊要求.⑤運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，排氣污染小.缺點：①散熱損失，流動損失大，經(jīng)濟性差。②冷起動性差③缸蓋及缸體結(jié)構(gòu)復雜4.4.2直噴式燃燒室(統(tǒng)一式燃燒空)直噴式燃燒室的一般性特征是：·燃燒室不分開，大都以凹坑形式出現(xiàn)在活塞或缸蓋上；·通過噴射[油束)形成混合氣；·在進氣過程通過切向氣道、螺旋氣道或?qū)馄廉a(chǎn)生的渦流運動促進混合氣形成。直噴式燃燒室混合氣形成的方式分為空間霧化和油膜蒸發(fā)兩種。1．開式燃燒室又稱淺盆形式燃燒室，在大型低速柴油機大都采用開式燃燒室。如圖4.49所示，活塞上方是平坦的、寬開口的燃燒室凹型空間、在燃燒室中心安置有6～8個噴孔的噴孔式噴油嘴。圖4.49開式燃燒室1—燃燒室凹坑；2—多孔噴油嘴；3—油束2．半開式燃燒室半開式燃燒室又稱深坑形式燃燒室。1）ω型燃燒室（圖4.50）

在小型高速直噴式柴油機大都采用這種燃燒室。燃油在空間霧化，油束可減少到3～4個。圖4.50ω型燃燒室油束；2—活塞凹坑；3—噴油嘴2）球形油膜燃燒室這種燃燒室在活塞頂上有一較深的球形或橢球形凹坑，如圖4.53所示。采用雙孔噴嘴(0.3～0.5mm)或單孔噴嘴(孔徑0.5～0.7mm)。

—般均配有螺旋氣道產(chǎn)生強進氣渦流，應用油膜蒸發(fā)方式形成混合氣。圖4.53球形油膜燃燒室1

-噴油嘴；2—活塞球凹坑3）M型燃燒室如圖4.55所示，為M型燃燒室。混合氣形成方式與油膜蒸發(fā)方式相對應。噴油嘴布置在一側(cè)，采用二孔噴油嘴，一孔對著活塞上球形表面；另一孔直接噴入到燃燒室空間，由這部分燃料蒸發(fā)著火，這樣可以加速燃燒，降低油耗，但噪聲也隨之增強。圖4.55M型燃燒室1—油束；2—噴油嘴4）U型燃燒室U型燃燒室又稱復合式燃燒室。這種燃燒室采用中等或強進氣渦流及1～2孔的噴油嘴，將大部分燃油噴在壁面附近形成混合氣層，為空間——油膜混合，圖4.57所示。燃燒室位于活塞頂上正中心，形狀如“U”字形。采用軸針式噴油嘴，噴油方向基本上與空氣渦流運動方向垂直，只有一個很小的角度(7o)的順氣流趨向，配有螺旋進氣道。圖4.57U型燃燒室5）紊流型燃燒室

（1）擠流口式燃燒室燃燒室縮口較小，有強的擠流和逆擠流，大多采用多孔噴油嘴，為空間混合或空間—油膜混合。當推遲噴油時，降低了噪聲和NOx，煙度也有所改善，但燃燒過程也推遲。（2）微渦流式燃燒室

這類燃燒室采用一定強度的進氣渦流和擠流，再配以特殊形狀的燃燒室，如圖4.58圖4.58花辨形燃燒室（3）湍流式燃燒室柴油機燃燒室中的湍流對燃燒有很大的影響。小松柴油機MTCC燃燒室，如圖4.59所示，它是一種湍流燃燒室。凹坑的上部為四角形，下部為圓形，上下部連接處經(jīng)切削加工，過渡圓滑。圖4.59小松MTCC燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖與空氣運動4.5柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)技術(shù)

4.5.1發(fā)展與現(xiàn)狀傳統(tǒng)柴油機的發(fā)展方向是電控柴油機。柴油機的電控噴射系統(tǒng)是在70年代開始開發(fā)展的，現(xiàn)已在國外重型車用柴油機中得以普遍應用。主要原因是為滿足各國日益嚴格的排放法規(guī)，美國國會通過的“大氣污染防治法”，要求將重型載貨汽車柴油機的排放降低90％，美國西南研究所與美、日、歐等12家主要發(fā)動機廠和5家油泵廠正在研制低排放發(fā)動機。在強烈要求降低排放指標的同時，始終存在著降低柴油機油耗的要求，為了滿足這些要求，國外的研究指出了電控柴油機技術(shù)。目前，不但重型汽車柴油機使用柴油機電控技術(shù)，而且轎車用柴油機也使用柴油機電控技術(shù)。當前轎車用柴油機主要用電控高壓噴油技術(shù)。國外在研究電控高壓噴油技術(shù)中有代表性的系統(tǒng)是高壓共軌噴油系統(tǒng)，意大利Fiat集團的Unijet系統(tǒng)、德國RoberBosch公司的CR系統(tǒng)和日本NipponDesno的ECD-U2系統(tǒng)。國內(nèi)對柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)的研究起步較晚，在上世紀90年代才開始有幾家單位研究，在控制理論、系統(tǒng)組成、關(guān)鍵零部件研究等方面取得了一些進展。在共軌燃油系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件研究方面，天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點試驗室首創(chuàng)提出一種用于車用柴油機的新型共軌蓄壓式電控燃油系統(tǒng)PAIRCUI，填補了我國第三代電控燃油噴射系統(tǒng)的空白。目前，國內(nèi)從事共軌燃油噴射系統(tǒng)研究的企業(yè)主要有廣西玉林柴油機廠，他們與上海交通大學開發(fā)GD-1高壓共軌系統(tǒng)，意圖匹配到Y(jié)C6112柴油機上，已經(jīng)取得了階段性的成果。無錫油泵油嘴研究所引進日本HINO公司的J08C柴油機，意圖仿照其上的ECD-U2系統(tǒng)樣品進行開發(fā)，并與無錫柴油機廠一起與國外合作，已經(jīng)在CA6110增壓中冷柴油機上成功進行了共軌式噴射系統(tǒng)的試驗。山東濰坊柴油機廠、上海柴油機廠等都已經(jīng)搭建共軌實驗室，準備開發(fā)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)。從柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)控制方式看，己經(jīng)先后發(fā)展三代：第一代為位置控制式系統(tǒng)，即在不改變傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，用電組件來代替原有的機械控制機制。第二代為時間控制式電控噴油系統(tǒng)，它是在第一代位置控制式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。采用高速電磁閥噴油調(diào)節(jié)原理，柱塞只承擔供油加壓的功能，供油量、供油時刻則由高速電磁閥單獨完成，因此供油加壓與供油調(diào)節(jié)在結(jié)構(gòu)上就相互獨立。第三代為時間-壓力控制式系統(tǒng)，利用高壓共軌或共軌蓄壓或液力增壓的形式獲得高壓，采用時間一壓力方式進行燃油計量控制。即高壓油泵并不直接控制噴油，只是向公共控制油道(共軌)供油以維持所需的共軌壓力，通過調(diào)節(jié)共軌壓力來控制噴射壓力，而電磁閥則控制噴射過程。4.5.2柴油機電控噴油系統(tǒng)的基本組成和工作原理1．位置控制式電控噴油系統(tǒng)位置控制式電控噴油系統(tǒng)是在機械式VE型分配泵的基礎(chǔ)上實施電子控制改造而成的位置控制式電控分配泵。采用旋轉(zhuǎn)電磁鐵來直接控制泵油柱塞上的滑套（溢油環(huán)），電磁鐵控制軸旋轉(zhuǎn)改變了控制軸下端偏心軸的位置，直接控制滑套從而控制噴油量，如圖4.60所示。圖4.60電控VE泵2．時間控制式電控噴油系統(tǒng)日本電裝公司的ECD-V3電控分配泵取消了VE泵上的溢油環(huán)，采用高頻的電磁溢流閥作為執(zhí)行器，其基本組成，如圖4.62所示。其工作原理是電磁溢流閥通電，切斷溢油通路，燃油則由噴油器噴入燃燒室。電磁溢流閥斷電時，溢油閥打開，高壓燃油立即卸壓，停止噴油。噴油始點并不取決于電磁溢流閥關(guān)閉的時刻，而取決于分配泵平面凸輪的行程始點，電磁溢流閥越晚打開，噴油量越多。圖4.62ECD-V3系統(tǒng)1-泵角度傳感器；2-電磁溢流閥；3-燃油始點傳感器；4-正時控制閥；5-電控單元；6-曲軸轉(zhuǎn)速與位置傳感器；7-噴油泵驅(qū)動帶輪

3．壓力控制式電控噴油系統(tǒng)

為了滿足排放法規(guī)的要求，必須改進燃油噴射系統(tǒng)。代表性方案就是采用更高的噴射壓力，并采用預噴射以降低排放和噪聲。電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)就是這樣出現(xiàn)的，與傳統(tǒng)的燃油噴射系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點：①高壓噴射，最高可達200MPa；②噴油壓力獨立于發(fā)動機轉(zhuǎn)速，可以改善低速、低負荷性能；③可以實現(xiàn)預噴射和后噴射，調(diào)節(jié)噴油率形狀，實現(xiàn)理想的噴油規(guī)律；④噴油定時和噴油量可自由控制；⑤具有良好的噴油特性，優(yōu)化燃燒過程，使發(fā)動機油耗、煙度、噪聲和排放等得到明顯改善，利于改進發(fā)動機扭矩特性；⑥結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，適用性強，可在新老發(fā)動機上應用。1)高壓共軌系統(tǒng)的基本組成高壓共軌系統(tǒng)主要由高壓油泵總成、高壓共軌總成、電控噴油器總成、高壓管、控制單元等組成，如圖4.66所示。圖4.66高壓共軌系統(tǒng)組成（1）高壓油泵

高壓泵為雙柱塞泵，如圖4.67。油泵軸上有兩個三作用凸輪。高壓泵具體工作過程如下：①吸油過程，如圖4.67（a）所示，柱塞下行，柱塞工作腔增大，燃油壓力減小，當小于輸油泵輸出的燃油壓力時，進油閥打開，燃油經(jīng)過比例節(jié)流閥進入柱塞腔；②壓油過程如圖4.67（b）隨著油泵凸輪轉(zhuǎn)動（轉(zhuǎn)過基圓），使得柱塞上行，柱塞工作腔變小，燃油被壓縮，壓力升高，進油閥關(guān)閉，低壓回路關(guān)閉，柱塞腔就形成密閉空間，隨著凸輪的轉(zhuǎn)動，柱塞進一步上行，燃油進一步被壓縮增壓，當燃油的壓力超過出油閥彈簧力與背壓之和時，出油閥打開，燃油從柱塞腔進入燃油管道，再進入共軌管。當柱塞升程到達最大值后凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動，柱塞腔變大，燃油壓力下降，出油閥關(guān)閉。圖4.67高壓油泵及工作過程（2）共軌管

共軌管將高壓油泵提供的高壓燃油分配到各噴油器中，起蓄壓器的作用，其實物圖和剖面結(jié)構(gòu)圖如圖4.68所示。共軌管上安裝有壓力傳感器、液流緩沖器和壓力限制器。壓力傳感器監(jiān)測共軌管內(nèi)的燃油壓力并提供給ECU。液流緩沖器和高壓油管相連，可抑制共軌內(nèi)和高壓管路內(nèi)的壓力波動，以穩(wěn)定的壓力將高壓燃油送入噴油器；在噴油器出現(xiàn)燃油漏泄故障時將燃油通路切斷，停止供油，避免損壞發(fā)動機。壓力限制器相連的油管可使燃油流回油箱，在共軌管中出現(xiàn)異常高壓時，壓力限制器開啟，迅速將共軌管中的壓力進行泄放。圖4.68共軌管圖4.69噴油器（3）噴油器根據(jù)ECU傳送的電子控制信號，將共軌內(nèi)的高壓燃油以最佳的噴油定時、噴油量、噴油率和噴霧狀態(tài)噴入發(fā)動機燃燒室中。噴油器的外觀和結(jié)構(gòu)示意如圖4.69所示，其主要零件是噴油嘴、控制噴油率的量孔、油壓活塞和三通電磁閥。（4）傳感器傳感器是用于感知和檢測發(fā)動機及車輛運行狀態(tài)的元件和裝置，電控柴油機系統(tǒng)采用的傳感器主要有發(fā)動機轉(zhuǎn)速（即曲軸飛輪齒盤脈沖）傳感器、氣缸判別（即高壓油泵凸輪軸齒盤脈沖）傳感器、油門踏板傳感器、共軌壓力傳感器、增壓壓力傳感器、進氣壓力傳感器、進氣溫度傳感器、機油壓力傳感器、機油溫度傳感器、燃油溫度傳感器、冷卻水溫傳感器等，以及一些控制開關(guān)。傳感器把柴油機和車輛運行時的各種參數(shù)轉(zhuǎn)換為便于輸送、轉(zhuǎn)換和測量的電信號，傳給電控單元，經(jīng)電控單元信號采集模塊處理后提供給發(fā)動機管理系統(tǒng)，作為發(fā)動機控制的基本依據(jù)。2）工作原理如圖4.66所示，低壓燃油泵將燃油輸入高壓油泵，高壓油泵將低壓燃油加壓成高壓燃油，并將高壓燃油供入共軌之中。燃油壓力是由通過調(diào)節(jié)供入共軌中的燃油量來控制的。油泵內(nèi)設(shè)有壓力控制閥（PCV），它根據(jù)ECU的控制信號，在適當?shù)臅r刻開啟和關(guān)閉來控制供油量，最終控制共軌內(nèi)的壓力。供油泵產(chǎn)生的高壓燃油由共軌分配到各個氣缸的噴油器中。燃油壓力由設(shè)置在共軌內(nèi)的壓力傳感器測出，并由反饋控制系統(tǒng)控制，使根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和發(fā)動機負荷設(shè)定的壓力值和實際壓力值始終一致。共軌內(nèi)的高壓燃油