内燃机的燃料供给与调节6-1

1、 内燃机燃料供给与调节系统是内燃机最重要的系统之一，其是为内燃机缸内混合气形成与燃烧提供所需的燃料。由于它对内燃机的燃烧及其主要性能指标具有直接影响，因此人们在强调这个系统的重要性时，有时把它喻为。视燃料种类及其着火原理的不同，压燃式内燃机与点式内燃机燃料供给与调节系统的结构与工作原理也有很多不同。第一节第一节 压燃式内燃机燃料供给压燃式内燃机燃料供给与调节系统概述与调节系统概述系统要求 压燃式内燃机是在气缸内部形成混合气，即在活塞接近上止点时，燃料供给与调节系统将燃料以内喷入气缸，实现燃油与空气的混合和燃烧。因此，对燃料供给与调节系统，无论是在制造与调整精度，还是在与整机的参数匹配方面均有十

2、分严格的要求，为了保证压燃式内燃机在等方面达到优良的性能，对其燃料供给与调节系统提出以下要求： 1)能产生，以保证燃料良好的雾化混合与燃烧，且燃油油束需与内燃机燃烧室和气流运动相匹配，。 2)对每一个内燃机运转工况(一定的转速与负荷组成一个工况)，且喷油量能随工况变化而自动变化。在工况不变时，各循环之间的喷油且应当一致。对多缸内燃机而言，各缸的喷油量应当相等。 3)在内燃机所运转的工况范围内，以保证良好的燃烧并取得优良的综合性能。在压燃式内燃机出现早期，燃油喷射是通过高压空气实现的。1927年，德国博世(Bosch)公司开始专业生产以，这种喷油泵的工作原理至今仍用于多数压燃式内燃机的燃料供给系

3、统中。图61所示为典型的燃料供给与调节系统简图。整个系统由(油箱8、输油泵5、燃料滤清器3及低压油管)、(喷油泵6、高压油管13、喷油器11)和(离心式调速器9、自动供油提前器7)组成；其核心部分是高压油路所组成的喷油系统，人们也把这种传统的燃料供给系统称之为系统。 在这种系统中，喷油泵有两种。 对，每个柱塞元件对应于一个气缸，多缸内燃机所用的柱塞数和气缸数相等且合为一体，构成合成式喷油泵； 对小型单缸和大型多缸内燃机，常采用每个柱塞元件独立组成一个喷油泵，称之为。 是用一个或一对柱塞产生高压油向多缸内燃机的气缸内喷油，这种泵主要用于小缸径高速压燃式内燃机上，其制造成本较低。 在上述泵管嘴燃料

4、供给系统中，的存在，使喷油系统在内燃机上的，加上已积累了长期制造与匹配的理论与经验，因此，目前仍在各种压燃式内燃机上得到广泛应用。，也使这种传统燃料供给系统的应用前景受到一定限制。 为了满足压燃式内燃机不断强化及日益严格的排放与噪声法规的要求目前正在大力发展各种，如采用短油管的单体泵系统、泵喷嘴与PT系统、蓄压式或共轨系统等等。第二节第二节 压燃式内燃机燃料喷射过程压燃式内燃机燃料喷射过程一、喷油过程喷油系统结构喷油过程概念喷油泵柱塞的有效行程he 柱塞封闭进、回油孔开始压油到柱塞斜槽上边缘与回油孔相通开始回油所经历的升程，称之为喷油泵柱塞的有效行程he，它的大小与循环供油量有关决定了喷油器循

5、环喷油量的大小。二、几何供油规律和喷油规律二、几何供油规律和喷油规律概念几何供油规律 ppcPAddVppPAdtdV2Pd4 0)(fddVccb) t (fdtdVb 1、进入高压油路中的燃油在喷射时，燃油压力达数十甚至超过100MPa，而在 一个循环的不喷油阶段，燃油压力小于针阀开启压力p0，； 2、，燃油的可压缩性用燃油的弹性模量E表示：E=Vdpdv，压力变化越大，对应一定的高压油路容积V，容积变化量dv也越大，故E是燃油的个物性常数，在2030MPa压力，E=20002500MPa。也就是说，若高压油路中容积为15002000mm3的喷油系统，在30MPa压力作用下，燃油的压缩量达

6、2030mm3。3、考虑了燃油的可压缩性，压力从泵端传到嘴端需一定的时间，传播的速度为声速。在传播过程中，泵端、嘴端开启或关闭等边界条件不同，将造成压力波的反射。又由于减压作用存在，可能在系统容积内局部产生真空。此时燃油将变为气形成气泡，故压力波传播的速度是变化的，在液态下压力波传播速度（声速）c1400-1600ms，而在高压油路中，由于有时存在蒸气池，故速度将降低。大量试验表明压波传播速度的数值在压波传播速度的数值在7001400ms之间变化之间变化，而燃油在高压油管内的流速仅2040m/s，这样，。上述因素造成喷油规律不可能和供油规律相同，它不仅受喷油泵内机械运动的影响，还受燃料在高压油

7、路中液力作用的制约。可根据喷油泵几何参数计算得出、而由喷油系统的几何参数和燃油在高压作用下的液力特性综合作用所决定；它们之间有一定的内在联系，喷油规律受供油规律的影响，喷油始点迟于供油始点，喷油持续时间大干供油持续时间，喷油速率的峰值小于供油速率的峰值。三、喷油规律的确定三、喷油规律的确定n1 试验测定法试验测定法n2 计算法计算法1.试验测定法n(1)压力升程法n(2)博世长管法3fpcb10p2n6AddV (2)博世长管法n这是在喷油泵试验台上测定喷油规律的常用方法，从喷油系统喷出的燃油进入细长管组成的波许长管仪中，见图6-4。它是用测量细长管内压力随时间的变化来测定喷油规律的。 Fdt

8、dVbfc) t () t (c1FdtdVfb 博世长管仪中，长管长度要足够长，且管截面保持一定，这样喷油的压力波不受管截面突变和细长管端反射波的影响，保证喷油速率测定的精度。为做到这一点细长管的长度L应保证由细长管出口端所产生的反射波反射到喷油嘴端所需的时间大于喷油持续期tz(tz2La)，且保证在下一个循环之前管内的压力波已经完全衰减。大量试验表明，实测的压力波为4个波形时(一个喷油波形和三个反射波形)，测量精度较高。图64中的背压阀可用于模拟气缸压力的大小，而节流阀8用来保证长管中有一定的压力，调整节流阀改变流通截面的大小，可得到所需的实测压力波的个数。2计算法计算法 计算法是对喷油系

9、统建立，用分别建立柱塞腔、出油阀紧帽腔、针阀体的盛油槽及压力室内的燃油；用建立出油阀、针阀的运动方程及高压油管内的一元可压缩不定常流的燃油，根据已知的喷油系统结构参数、喷油泵升程随转角变化的关系，用数值计算的方法编程，在计算机上联立求解。可得出柱塞腔、出油阀紧帽腔、针阀体的盛油槽、压力室和高压油管任意位置的压力变化及出油阀、针阀的达功规律，并得出喷油规律的计算结果，计算精度已能满足工程应用的要求。目前这一方法已是国内外对喷油系统性能预测的基本方法，可利用此方法对燃料供给系统进行结构参数的优化。 第三节第三节 压燃式内燃机喷油泵的压燃式内燃机喷油泵的结构与参数选择结构与参数选择n喷油泵结构参数和

10、调整参数影响喷油过程，从而对内燃机性能有一定影响。其主要参数有(安装在内燃机上为供油提前角 )， ， ，等，现分述如下。fdpd0hn一、供油提前角一、供油提前角fdn二、喷油泵的系列化和工作能力评价指标二、喷油泵的系列化和工作能力评价指标n三、喷油泵参数的选择三、喷油泵参数的选择一、供油提前角fdn柴油机为获得高的热效率要求燃烧在上止点附近完成，喷油需在上止点前某一时刻开始，过早或过迟喷油对燃烧热效率都有影响。n燃油喷入气缸的时刻到活塞上止点所经历的曲轴转角称为：喷油提前角测量需在喷油器内安装针阀升程传感器，配专用电产仪器完成。这种动态测试比较麻烦，故平常柴油机调试及产品说明书标注时都采用.

11、fd 就是喷油泵安装于柴油机上，喷油泵柱塞关闭进、回油孔开始压油到柴油机活塞上止点所经历的曲轴转角。n它可以在停车状态用溢流法检查(以出油阀开启供油代替进、回油孔关闭)，这样用控制供油提前角的方法保证喷油提前角fj,两者之间的差值是喷油延迟角x，三者的关系是fd = fj+ x , x的大小由高压油管长度、柴油机转速等参数决定。油管越长， x值越大；转速越高， x值越大。因此，对多缸机而言，各缸用高压油管长度应该一致。 供油提前角大小对柴油机燃烧过程影响很大，故对某一工况，从燃烧效率即动力性和经济性考虑有一最佳值。若考虑某一排放物(如NOx或PM或HC)或黑烟(烟度R)或压力升高比(dpd)等

12、，又各有不同的最佳值，如图65所示。而对不同工况，供油提前角也不相同。1. 从，负荷增加，喷油量增大，喷油持续期加长，喷油提前角应增大，这样才能保证燃料在上止点附近燃烧及时；转速增大，最佳供油提前角也应增大，这是因为喷油延迟角加大，保证燃烧及时，供油要相应提前一些。，供油提前角变化也不相同，分隔式燃烧室所需的供油提前角较直喷式燃烧室相应要小一些，且对转速、负荷变化敏感性小。3. 对，缸内压缩温度和压力较高，滞燃期短，故供油提前角也应小一些。，若需降低NOx，供油提前角比热效率最高的fd要小一些，即需推迟喷油，但此时为不过分降低热效率,需加大供油速率；，降低dp/d 和pmax也应取较小的供油提

13、前角。供油提前角调节方式n供油提前角可用机械装置来自动改变n如用上实现，供油提前角相应增大，用合适的螺旋角满足柴油机匹配的要求。n随，最佳供油提前角需要相应增大，可用来实现，它是用感应转速的飞块离心力与提前机构上弹簧力相平衡的方法实现提前角的变化。在飞块大小、形状一定的情况下，改变弹簧预紧力的大小可改变提前器起作用转速，改变弹簧刚度可改变不同转速时的相对提前角的大小。二、喷油泵的系列化和工作能力评价指标由于柴油机排量、转速范围变化较大，若为每个机型设计一种喷油泵显然是不经济的。因此，人们对某一功率、转速段柴油机可采用外形尺寸、结构型式、缸心距相同的喷油泵。用缸数增减、置换不同柱塞直径、凸轮型线

14、和升程、出油阀减压容积等少量互换零件和对供油量、转速等调整参数进行调试的方法来满足与不同柴油机的配套，形成一个系列，这就是。我国目前生产和常用的主要系列柱塞式喷油泵见表6-1。因此，在选用喷油泵时，需选择喷油泵种类和主要参数。为此，还需了解评价喷油泵工作能力的若干指标。评价喷油泵工作能力的指标n(1)最大循环供油量n(2)最高平均供油速率n(3)最大许用泵端压力n(4)最高工作转速 (1)最大循环供油量 喷油泵循环供油量的大小与众多参数有关，但主要参数是。对某一种喷油泵，设减压容积为零，取喷油泵的最大柱塞直径，按所用切线凸轮的最大几何速度对应的凸轮升程小0.3mm处为供油终点。取7 (或4)(

15、CaA)供油持续期内的柱塞有效行程计算的循环供油量，定义为，它是喷油泵几何供油量的极限值，没有考虑出油阀减压作用和高压液力特性的影响。(2)最高平均供油速率n平均供油速率是指喷油泵在供油持续期内每度凸轮轴转角的平均供油量，最高平均供油速率是最大循环供油量的条件下，取7 (或4)( CaA)供油持续期作计算依据求得。(3)最大许用泵端压力 喷油泵所能承受的最大峰值泵端压力值，此值准确数值应是柱塞腔的实测压力值。由于测量困难，一般用出油阀紧帽出油口测出的泵端油管峰值压力来替代，该测量值略小于柱塞腔的压力。柴油机采用高供油速率喷射时，需要高的喷油压力，而喷油泵泵端峰值压力决定于凸轮、挺柱体、泵体等零

16、件的受力和强度、刚度，对喷油泵工作可靠性产生影响。图66给出了不同柴油机所需要的喷油压力和几何供油速率。(4)最高工作转速 转速增大，泵端峰值压力增大。柱塞在下行时，往复运动件的惯性力增大，当惯性力超过柱塞弹簧作用力时会使滚轮与凸轮之间出现飞脱，产生冲击，使工作表面损坏。此外，与之匹配的调速器也有一工作极限转速。 根据上述评价指标和所设计柴油机的参数、结构等，可选择与之匹配的喷油泵的种类。三、喷油泵参数的选择三、喷油泵参数的选择1柱塞直径dp和有效供油行程hen由柴油机标定工况点燃油消耗率和功率可计算出柴油机所需的循环供油量(mm3/循环)n式中，Pe为柴油机标定功率(kW)；be为标定功率点

17、燃油消耗率g(kWh)；n为柴油机转速(r/min)；i为柴油机气缸数；f为燃油密度(gcm3)；为柴油机的冲程数。3fteb10in120pbV 根据柴油机标定点循环供油量、气缸直径、燃烧室型式、是否增压等，参考图66，在表6-1中选择喷油泵种类型号，并选定减压容积。此外，减压容积(mm3)可用下式校验EV)pp(V0pj式中， Pp为喷油泵最大泵端压力(MPa)；P0为喷油器针阀开启压力(MPa)；V为高压油路容积(mm3)(对中、小功率柴油机，此值大约在1500一2000 mm3之间)；E为燃油弹性模量，为20002500MPa。 所选喷油泵必须保证的循环供油量VPVb+Vj ，且fep

18、2Phd4V式中， 为喷油泵供油系数， 取值为1.001.25， 的大小要与柱塞进、回油孔处的节流作用有关。节流作用大者，取大值。柱塞直径dp与有效行程he之比为m1，根据已配装的柴油机统计值，m1=4.56.0,故可得出柱塞直径dp为fff3f1ppmV4d (6-10)对计算值圆整，最后确定柱塞直径dp，由式(6-9)计算出有效行程he。 (6-9) (图67)，从而缩短柴油机的燃烧期，改善性能。但加大柱塞直径后，初期喷油量大，柴油机工作粗暴，此外凸轮承受的接触应力也加大。2凸轮最大升程、供油持续期和供油预行程的确定图68是凸轮的升程、速度曲线，速度曲线纵坐标是用速度系数C表示，它是喷油泵

19、转速为1000rmin时的速度值。这样对任一发动机转速均可方便地求得柱塞供油速度。对中、小功率柴油机用喷油泵，一般速度系数最大在3.0m/s以下。根据柱塞直径dp数值，校验所选喷油泵是否合适，确定后，根据燃烧室型式选择一种凸轮线型，由此确定最大升程H。 喷油泵凸轮多采用切线凸轮，升速段为切线段，降速段为小圆弧。一船情况下喷油泵的有效供油行程在升速段，且供油最迟在最大速度点对应升程前0.3mm处结束，以减小凸轮表面与滚轮间的接触应力，接触应力最大允许值为1900MPa。喷油泵凸轮也可采用函数凸轮，一般是指小圆弧段采用余弦函数，这样可使切线段延长，升速段升程可加大10左右，以提高平均供油速率，见图

20、6-9。从图中加速度曲线知：小圆弧段采用函数凸轮的另一优点是减速段的加速度变化(即惯性力)与柱塞弹簧力变化趋向相一致，这对喷油泵的零件设计是有利的。 当循环供油量一定，在凸轮型线及柱塞有效行程确定后，柱塞预行程大小就决定了供油持续期的长短和平均供油速率的大小(图6-8)。预行程h0增大，供油初始速度增大，平均供油速率随之增大，供油持续期缩短，从而可提高喷油压力和喷油速率，强化喷油过程，改善柴油机性能。预行程大小可通过喷油泵挺柱体总成高度的大小予以调整。3出出油油阀阀结结构构和和减减压压容容积积出油阀的功用有两个，其一是通过锥面密封，不供油时隔断柱塞腔和高压油路，保持高压油路中有一定的燃油量；其

21、二是通过密封锥面下圆柱形的环带，形成减压高度为hj的减压带。由于减压带的存在，当柱塞供油结束，出油阀下落；当减压带下边线进入出油阀座孔时，就使高压油路与柱塞腔隔断，以后直到落座，出油阀下落了一距离等于hj。这样，高压油路中的燃油可增大一个容积，即减压容积Vj，从而使高压油路中的压力迅速下降，以压力波传播到喷油器盛油腔，针阀下落，喷油停止。此减压容积保证停油干脆。这种出油阀又被称之为等容式出油阀。 出油阀减压容积的大小对喷油过程影响很大，在高压油路容积一定时，出油阀减压容积Vj越大，高压油膨胀越多，使高压油路中的油压下降越多，不喷油时油管中的残余压力越低。有的喷油系统中残余压力降至零甚至可能出现

22、真空，由于压力传感器不能测量负压（真空度)，故测出的压力值仍为零(图62b)。从真空到高压，从高压到真空的过程中，将发生一系列的气泡产生与溃灭过程，将对高压油路的零件产生穴蚀；若Vj太小，高压油路中残余压力偏高，由于压力的波动，针阀体盛油腔压力超过喷油器开启压力时，针阀再次开启，将产生二次喷射现象，这是正常喷射所不允许的。出油阀减压容积改变后，残余压力发生变化，还会造成喷油延迟角改变。所以，对一定的喷油提前角，减压容积Vj变大时，x增大，供油提前角应适当增大；为保证一定的循环喷油量，当Vj变大后，柱塞有效行程要相应增大，以增大循环供油量。出油阀减压容积大小的选取与高压油路容积、油管压力峰值的大

23、小相关，高压油路容积越大，减压容积也要相应增大；油管压力峰值越大，减压容积也需增大。但是，现代高性能柴油机在高速、全负荷时喷油压力很高，故需较大的减压容积；而在低怠速工况，喷油压力明显减小，减压作用过度将会造成柴油机供油的不稳定。 高压喷射用等容式出油阀不能满足柴油机在各种工况下的工作要求，故出现了阻尼出油阀和等压出油阀(图611)。阻尼出油阀是在等容式出油阀上部安放一阻尼阀，在压油过程中，阻尼阀不起作用，而在回油过程中，阻尼阀落座，使燃油通过中间的阻尼孔dv控制燃油回流。通过选用合适尺寸的阻尼孔直径dv，防止二次喷射的产生，保证高、低速性能的兼顾，阻尼出油阀的效果见图6-12。在等压出油阀结

24、构(图6-11b)中，通过钢球以一定弹簧预紧力封闭节流孔5构成单向阀4。在回油过程中单向阀打开，合适的节流孔尺寸可控制油管内残余压力值的大小，避免或减弱了等容出油阀减压容积大而引起的压力振荡或波动，但其出油阀直径较大。第四节第四节 压燃式内燃机喷油器的压燃式内燃机喷油器的结构与参数选择结构与参数选择 喷油器结构和参数决定着喷雾的质量。喷雾油束与燃烧室的配合，影响了喷油规律和喷油压力的变化。喷油器直接安装在柴油机气缸盖上，喷油嘴头部与高温燃烧室接触、工作条件极为苛刻，因此它是影响柴油机设计指标和使用性能的关键部件之一。一、喷油器的结构型式一、喷油器的结构型式二、喷油器调整参数二、喷油器调整参数开

25、启压力开启压力p0三、喷油器喷孔面积和流通特性三、喷油器喷孔面积和流通特性四、喷雾锥角及其喷油油束在燃烧室的分布四、喷雾锥角及其喷油油束在燃烧室的分布一、喷油器的结构型式二、喷油器调整参数二、喷油器调整参数开启压力开启压力p0由图613知，喷油器针阀由调压弹簧紧压在针阀体密封座面上，压紧力由预紧力和弹簧刚度决定燃油压力作用于针阀在盛油槽内的承压锥面上。当油压达到开启压力p0时，针阀上升而开启。喷油器开启压力p0的计算公式为dn为针阀直径；ds为针阀密封座面直径。)dd(F4ps22n0 当喷油接近结束时，盛油腔内的油压下降，针阀又在弹簧压紧力的作用下下行，针阀落座，停止喷油，此时的油压称之为喷

26、油器的关闭压力psn2sdF4p可见，p0大于ps，关闭压力越接近开启压力，则喷雾质量越好，即减小密封座面直径也可改善雾化质量。 在喷油系统其他参数一定的情况下，喷油器开启压力的大小决定了喷油系统油压的大小，p0越大，则高压油管内的峰值压力pN越高，峰值压力pN一般是p0的24倍：对轴针式喷油器，开启压力p0一般在1215MPa；对中、小功率柴油机用孔式喷油器，p0值为1825MPa；对大功率柴油机用孔式喷油器，p0一般在30MPa以上。三、喷油器喷孔面积和流通特性三、喷油器喷孔面积和流通特性喷油器喷孔面积大小与喷油器针阀开启的升程、喷油器的结构型式有关。孔式喷油器的最大喷孔截面取决于喷孔的数

27、目和喷孔直径，而轴针式喷油器最大喷孔截面取决于最大升程和喷油器头部的形状。我们把喷孔流通截面积与针喷孔流通截面积与针阀升程的关系，称之为喷油器的流通特性阀升程的关系，称之为喷油器的流通特性。图6-14是不同喷油器的流通特性，图中的折线为根据喷油器的几何尺寸计算的几何流通特性(Ah)，而图中的曲线为试验测试给出的流通特性(Ah)，两者的比值是喷油器的流量系数，它与密封锥面结构、喷孔加工质量等有关。一般孔式喷油器的针阀升程在0.2一0.45mm，而轴针式喷油器的为0.41.0mm，在满足喷油器流通截面的前提下，应尽可能减少针阀升程。这是因为针阀升程大，运动件的惯量对针阀体密封座面的冲击力也越大，使

28、喷油器的可靠性、寿命降低。喷孔流通截面的大小取决于供油速率和发动机结构型式。图615给出了直喷柴油机喷孔总面积与几何供油速率的关系。喷孔面积大，喷油压力低，喷油速率降低，喷油持续期快、喷油雾化质量变差；但喷孔面积过小，则喷油压力高易于产生不正常喷射，可用下式校验最大喷孔面积AZ(mm3)的大小zzbznVA3106式中，Vb为循环喷油量(mm3/循环)，由式(67)计算；为喷油器的流量系数，对于一般加工质量的喷油器，=0.60.7；z为喷油持续角。)(CA)，一般直喷柴油机为200250(CA)，涡流室柴油机为250300(CA)；n为柴油机转速(rmin)；Z为喷孔处喷油平均流速(m/s),

29、一般在200300m/s。AZ确定后，对孔式喷油器喷孔直径可以按下式计算3ZziA4d (6-14) 式中，i为喷孔数。 对气缸直径D150mm、有进气涡流的直喷柴油机，喷孔数一般为45个，喷孔直径在0.20.4mm之间；而对较大缸径的柴油机，一般不组织进气涡流，喷孔数612个不等；轴针式喷油器一般喷孔直径为0.81.5mm。四、喷雾锥角及其喷油油束四、喷雾锥角及其喷油油束在燃烧室的分布在燃烧室的分布孔式喷油器有多个油束，它们在燃烧室中的分布对室中空气的利用有一定的影响。对柴油机燃烧室而言，在气缸轴向，燃油在活塞顶上的落点应在同一高度，各油束的轴线形成一个锥体顶锥角，称之为油束的夹角（图616

30、)，此夹角一般在14001600之间，即应做到油束锥体下部包含的燃烧室容积与上部到缸盖底面包含的容积基本相当，以充分利用缸内的空气。此夹角还与喷油器伸出气缸盖的高度有关，喷油器伸出高度一般为24mm。孔式喷油器喷射的各油束在活塞顶平面的投影位置应使油束与燃烧室内空气混合均匀并与空气涡流相适应。燃烧系统结构参数不同，一般应专门设计喷油器头部的参数、安装时需对喷油器周向定位，确保设计的效果得以实现。孔式喷油器单个喷孔的喷雾锥角由喷孔直径、喷孔的壁厚、喷孔的加工质量等决定，其值一般为15 30 。 五、喷油器压力室容积五、喷油器压力室容积喷油器针阀密封座面以下的容积与喷孔容积之和，称之为。喷油结束时

31、，针阀落座关闭，但压力室中存有燃油，且此部分燃油靠高温蒸发在无喷射状态下进入燃烧室内燃烧，燃烧不完全，使经济性、排放指标变坏。目前压力室容积一般都可小到2mm3以下，它主要对HC排放产生影响。图617是一试验结果，针阀采用多锥面头部结构、减小密封座面直径(ds22.5mm),可使压力室容积控制在mm3以下；也可采用无压力室喷油嘴(VCO)结构，使HC排放大大降低。第五节第五节 压燃式内燃机异常喷射现象压燃式内燃机异常喷射现象n由于柴油机在转速和负荷范围都变化的面工况下工作，喷油系统结构参数选择既要考虑在高速、大负荷工况，又要考虑在低怠速工况时都能正常工作，两者对某些结构参数要求是矛盾的。当喷油

32、系统结构参数选择不当时，在某些工况可能会出现不正常的喷射，这些通称为异常喷射现象。n这些现象会造成柴油机性能的恶化，如经济性下降，冒黑烟，排放差或低速不稳定，游车，喷油嘴积碳烧损，喷油系统零件产生穴蚀损坏等等。n对匹配优良的柴油机不应存在这些不正常的喷射现象。n在喷油系统与柴油机主机匹配之前，应在喷油泵试验台上进行先期试验，测试喷油系统的油管峰值压力、针阀升程和喷油规律，消除这些异常喷射；n也可应用计算机进行喷油过程的模拟计算，计算出结构参数对喷油过程的影响，优化匹配方案，消除异常喷射。n一、二次喷射n二、穴蚀n三、不稳定喷射一、二次喷射n二次喷射是指发生在主喷射结束之后，喷射终了针阀落座后又

33、第二次开启向气缸内喷油的现象。 二次喷射使整个喷油持续时间延长，二次喷射的燃油是在较低的压力下喷入气缸的，雾化质量差，燃烧不完全且喷射偏离上止点附近，后期严重，造成燃油消耗、排烟和排温升高性能恶化，零部件过热甚至喷孔积碳堵塞。n二次喷射出现的工况是在柴油机大负荷、高速运转工况。判断柴油机有无二次喷射。最直接可靠的办法是测量针阀升程，见图6-18；也可以通过测取油管嘴端压力来间接判断。但需注意的是嘴端测点至盛油槽有一段油路，由于压力波的传播和反射，在相位、峰值上油管嘴端压力并不等于盛油槽的压力，两者存在着一定差异。 二次喷射产生的原因是燃油在高压作用下的可压缩性和燃油压力波在高压油路的传播与反射

34、。 当喷油系统结构参数匹配不当时，主喷射期柱塞供油结束，出油阀落座，高压油路的燃油回流；这一膨胀压力波传到喷油嘴端，针阀落座，主喷射结束，同时燃油流回出油阀紧帽；因出油阀已落座，压力上升，此压力波再次传到喷油嘴端时，当盛油槽内压力峰值超过喷油器开启压力时，针阀二次开启，向气缸内喷油。消除二次喷射的方法n1)适当增大等容出油阀的减压容积，减小高压油路容积，加缩短高压油管长度、减小内径、减小出油阀紧帽腔容积等等。其目的是在一定油管峰值压力下，出油阀减压容积与高压油路容积有一个合适的比值，限制主喷射后压力波传播和反射的峰值。n 2)在保证喷雾质量的前提下，适当增大喷孔总面积。喷油速度的加快将使油管峰

35、值压力有所下降。n 3)增大出油阀弹簧刚度和开启压力。开启压力增大，使本来由于进油孔的节流可以进入高压油管的附加油量减少，从而每循环供油量减少，油管内最高压力减小；弹簧刚度增大，使出油阀落座速度加快，两者都有助于二次喷射的消除。n4)对油管压力峰值较高的喷油系统(如pN80MPa)，上述措施难以优化柴油机综合性能，可采用前述的等压出油阀或阻尼出油阀等结构。二、穴蚀 上述消除二次喷射的措施往往会促成穴蚀破坏发生。前已述及在高压油路中，当测试的油压为零时，可能会出现零压或真空。当油压突降到其相应温度的饱和蒸气压(13kPa)时，高压油路中会产生油的蒸气泡。在喷油过程的一个循环中，压力是变动的。当油

36、压达到定值时，气泡将破裂，气泡连续产生和破裂的过程，将会造成能量的骤变。若气泡破裂过程的能量达一定数值，对金属表面形成冲击而导致疲劳损坏，称为穴蚀现象。在中、小功率柴油机中，高压油路中的残压常常为零。甚至真空，但不一定产生穴蚀；反过来穴蚀一定是由气泡溃灭过程产生。因此，在采取一些消除二次喷射措施的同时，应合理选择参数防止穴蚀的发生，如出油阀减压速度不能过大等等，这在高压喷射中需特别注意。三、不稳定喷射n在喷油过程中，对一固定的拉杆(或齿杆)位置和喷油泵转速，理论上每循环喷油量应是恒定的。在正常喷油过程中，每循环喷油量也是基本不变的。但是，在某些工况(特别是低怠速工况)，当结构参数匹配不当时，循

37、环供油量不断变动，各循环喷油规律也有差异这种现象称之为不稳定喷射，也称不规则喷射。第六节第六节 压燃式内燃机调速器工作特性压燃式内燃机调速器工作特性及其与主机的匹配及其与主机的匹配 的改变是通过移动齿杆(或拉杆)由调速器来完成的。当负荷突变后，转速变化，由改变齿杆位移，从而改变循环供油量，实现柴油机在一定转速范围内稳定运转。 调速器还有许多附加功能，如对循环喷油量的校正、实现起动加浓、速度特性的油量校正、海拔高度、增压下的油量校正工作以及怠速的稳定运转等。 n一、喷油泵的速度特性及其校正方法一、喷油泵的速度特性及其校正方法n二、机械式调速器工作特性二、机械式调速器工作特性n三、机械式调速器静力

38、计算分析三、机械式调速器静力计算分析一、喷油泵的速度特性及其校正方法一、喷油泵的速度特性及其校正方法定义及特性定义及特性n当喷油泵油量控制机构(齿杆或拉杆)位置定时，喷油系统每循环喷油量随转速的变化特性，称为喷油泵的速度特性。n在一定转速范围内，每循环喷油量随转速增大而增加。在高速段，喷油量增加的数值较少。产生这一现象的原因是柱塞套进、回油孔节流作用和柱塞偶件间的泄漏作用的综合结果。n前段分析（急）：当凸轮轴转动、柱塞上行、理论上柱塞顶平面关闭柱塞套进油孔时，即开始压油；而实际上当柱塞顶平面还未完全关闭进油孔(离关闭进油孔还有一定量的柱塞行程)时，由于节流作用，在柱塞压油腔内的燃油不能迅速通过

39、进油孔开启的截面流出，柱塞腔压力开始升高，导致出油阀提早开启。同样道理，理论上校塞的斜槽(或螺旋槽)边缘与柱塞套间油孔相通则供油停止：实际上斜槽边缘刚打开回油孔，回油孔截面不大时，节流作用较大，柱塞腔油压不可能立即降到出油阀落座压力，从而使出油阀延迟关闭。出油阀的早开和迟关、使实际的柱塞有效供油行程增大，每循环供油量增多，转速高时，节流作用强，使每循环喷油量增大。后段分析（缓）：柱塞与柱塞套间配合间隙很小(一般为1.53m)、但在往复运动中间隙可能偏在一边，柱塞腔与低压油腔的压力差很大，且密封长度短(与有效行程有关)，故必有一定的泄漏量。泄漏量多少与时间有关转速高时每循环经历时间短，泄漏量少，

40、供油量多；反之亦然。但转速很高时，受结构参数的影响，泄漏和节流作用有一定的极限量，故影响不再明显，出现循环喷油量随转速变化不明显的趋向。影响喷油泵速度特性曲线走向的因素n影响喷油泵速度特性曲线走向的因素，主要是出油阀结构，柱塞直径与进、回油孔直径的比值，进、回油孔的个数，喷油嘴结构型式和喷油压力的大小等等。喷油泵的速度特性与所要求的移动式工作机械配套柴油机速度特性定向不一致，在喷油泵速度特性上，低速工况时，由于循环喷油量少，气缸内的空气也得不到充分利用、柴油机转矩值就小；此外，较陡的喷油泵速度特性在低怠速段容易引起怠速工作不稳定。n校正的方法有液力校正和机械校正两种。图62Ic是在减压凸缘侧削

41、去部分，常用削扁量在0.080.25mm，这样在出油阀落座过程中，当出油阀减压凸缘进人出油阀座孔时，出油阀紧帽腔的压力(特别是靠近出油阀座处)由于出油阀迅速下落而降低，一方面喷油嘴端的燃油迅速回流填补，另一方面，柱塞腔内的燃油通过这一很小的燃油通道而进入出油阀紧帽腔。在高速时，由于间隙的节流作用较大，出油阀落座快，燃油流进出油阀紧帽腔的现象不明显，因此基本上完全减压；而低速时，节流作用相对较小，出油阀落座时间相对增长，燃油通过间隙流进出油阀紧帽腔现象较为明显使减压作用削弱，高压油路内残余压力升高，从而使循环喷油量增加。图6-21e所示在出油阀上钻中心孔和径向孔作为燃油流通通道。当其孔径足够大时

42、，两者的作用是相同的。若把径向孔的截面积缩小到一定数值(与喷油嘴的A值有一定数值关系)，我们把这种管状出油阀叫节流型出油阀。节流型出油阀利用节流时在出油阀底部上的动压力随转速的变化关系改变出油阀的升程，对喷油泵的速度特性产生校正作用；转速高时，供油速率增大，则出油阀底部的动压力增大，出油阀升程大，动态减压容积增大；低速时，则这种作用减弱，故使喷油泵速度特性变得平坦。图62lf是旁通管状出油阀，它是利用上述两种校正原理，通过选择不同节流扎和旁通孔的大小来达到校正喷油泵速度特性的目的。大量试验研究表明：用所示结构出油阀校正，一般用在改善高压喷射系统的低怠速性能和对柴油机转速较高(n3000rmin

43、)的全负荷速度特性校正上。二、机械式调速器工作特性 n机械式调速器是中、小功率柴油机中最常用的一种，根据调速器起作用的工作范围不同，有两种。是根据负荷变化，控制齿杆(或拉杆)位移，改变循环喷油量、即随负荷的增减而增减循环喷油量，将转速变化量限制在允许范围之内。凋速器工作时，固定调速手柄位置，喷油泵油量控制机构的位移随转速的变化关系称之为(图6-22)。与柴油机特性相对应，把调速器起作用控制转速稳定的一段曲线称为。图图6-22中的中的CD段即为调速器的调速特性。两极段即为调速器的调速特性。两极式和全程式调速器的工作特性是不同的，这就决式和全程式调速器的工作特性是不同的，这就决定了当负荷和转速改变

44、时，柴油机循环喷油量变定了当负荷和转速改变时，柴油机循环喷油量变化的历程是不同的。化的历程是不同的。图622a、b分别表示了从工况A变化到工况B的情况，两工况间的变化历程表明，全程式调速器首先从A点沿调速特性运行到最大齿杆位移线(柴油机外特性)上，再到目标工况B，是一折线.两极式调运器在此情况下，调速器不起调速作用， A工况到B工况是一直线路径不同，两者所需的时间也不相同。对车用柴油机，用两极式调速器改变工况较为容易，加速时间短。但柴油机冷起动时，调速手柄一定要留于最大油门位置，否则起动齿杆位移小，供油量少，不能使柴油机起动运转。对全程式调速器，不论调速于柄在何位置，都能使柴油机顺利起动。调速

45、器匹配要点见图在图6-23中，第5段5是用调速器机械校正机构实现喷油泵速度特性达到所需的曲线走向。虚线为无校正作用，则齿杆位移是不变的，实线为有校正作用的齿杆位移。第4段是转速控制段，控制最高工作转速并保证在负荷变化时,柴油机在允许的转速范围内稳定运转喷油泵速度特性见图6-24，曲线P为无校正作用的，曲线J为用机械校正后的喷油泵速度特性，A点为校正起作用点，B点为校正结束点，校正的齿杆行程为由喷油泵结构参数可算出校正增由喷油泵结构参数可算出校正增大的柱塞有效行程，校正终点喷大的柱塞有效行程，校正终点喷油量比未校正增加油量比未校正增加VbVb，它由两，它由两部分组成，部分组成，一部分一部分是校正

46、前对应是校正前对应的柴油机标定工况点与校正终点的柴油机标定工况点与校正终点原有的喷油量差值，它取决于原原有的喷油量差值，它取决于原喷油泵结构参数的组合，在喷油喷油泵结构参数的组合，在喷油泵速度特性上泵速度特性上( (图图6-246-24曲线曲线P)P)查得；查得；另一部分另一部分是校正终点所需喷油量是校正终点所需喷油量与标定点喷油量的差值，它取决与标定点喷油量的差值，它取决于由柴油机在校正终点时的转矩、于由柴油机在校正终点时的转矩、转速和燃油消耗率计算得出的循转速和燃油消耗率计算得出的循环喷油量和标定工况计算的循环环喷油量和标定工况计算的循环喷油量的差值，与柴油机所要求喷油量的差值，与柴油机所

47、要求的性能有关。的性能有关。对弹簧式校正机构，A点的位置取决于校正弹簧预紧力；B点位置在和预紧力决定后，取决于校正弹簧的刚度。对凸轮式校正机构，取决于控制齿杆位移的凸轮形状和联接。n1调速率调速率n2. 不灵敏度不灵敏度n3转速波动率转速波动率1调速率调速率 调速器的工作好坏，通常用调速率来评定。调速率可通过柴油机突变负荷试验来测定。试验时，先让柴油机在标定工况下运转，然后突卸全部负荷，测定突变负荷前后的转速即可得。根据测定条件不同，调速率可分稳定调速率和瞬时调速率两种。(1)稳定调速率b132nnn 式中，n1为突卸负荷前柴油机的转速；n3为突卸负荷后柴油机的最高稳定空载转速；nb为柴油机的

48、标定转速。 稳定调速率表明，柴油机实际运转时的转速波动相对于全负荷转速的变化范围、如果稳定调速率太大，不仅对工作机械稳定工作不利，而且对于空转时柴油机零件的磨损也是有害的。n一般规定，农业排灌等固定功力及拖拉机用的柴油机，要求 28；n对于汽车柴油机， 2 10；n对于交流发电机组及联合收割机用柴油机要求高一些，希望 2 5；n工程机械用柴油机， 2 8-12。（2）瞬时调速率n它是评定调速器过渡过程的指标。柴油机在负荷突然变化时，转速经过数次波动后方能在新的转速下稳定工作，这个过程称为过渡过程。图625为突卸负荷时，转速随时间的变化情况，tn为过渡时间。瞬时调速率 是表示过渡过程中转速波动的

49、瞬时增长百分比：b121nnn 式中，n1为突变负荷前柴油机的转速；n2为突变负荷时柴油机的最大(或最小)瞬时转速；nb为柴油机的标定转速。 一般 112，tn=510s。对发电用的柴油机，要求 1510，tn=35s； 测定瞬时调速率最好使用电力测功器进行，当使用水力测功器进行试验时应在柴油机和测功器之间安装离合器，突卸负荷用离合器实现。 过渡过程不好时，转速不能稳定在某一转速下，转速有较大的波动，严重时还会发出转速忽高忽低的响声，这种现象常称“游车”。调速器一旦发生“游车”，工作就会失灵，必须设法消除。2. 不灵敏度不灵敏度调速器工作时，调速系统中有摩擦存在，需要有一定的力来克服摩擦，才能

50、移动调整油量机构。不论柴油机转速增加或减少，调速器部不会立即得到反应以改变循环供油量，因为机构中的摩擦力阻止着调速器滑套的运动。例如，内燃机转速为2000rmin时，调速器可能对转速n1=1990rmin到n22008rmin范围内的变动都不起反应这样两个起作用的极限转速之差对内燃机平均转速之比就称为调速器的不灵敏度，即:nnn12式中，n2为当柴油机负荷减小时，调速器开始起作用时的曲轴转速；n1为当柴油机负荷增大时，调速器开始起作用的的曲轴转速；n为柴油机的平均转速。 不灵敏度过大时，会引起柴油机转速不稳，在极端的情况下甚至会导致调速器失去作用，有使柴油机产生飞车的危险。在低速时调速器的推动

51、力小，喷油泵齿杆(或拉杆)移动时的摩擦力增大，结果调速器不灵敏度显著地增加。一般规定，在标定转速时不超过1.0，最低转速时不超过5.0。3转速波动率转速波动率是内燃机在稳定运转时转速变化的程度，即在负荷不变的运转条件下，在一定时间内测定最大转速nmax(或最小转速，nmin)与该时间内的平均转速nm之差除以平均转速nm，并取绝对值的百分数计算，即%100nn)n(nmmminmax或一般测定标定功率时的转速波动率，其值应1。三、机械式调速器静力计算分析三、机械式调速器静力计算分析 调速器工作特性和调速特性决定了调速器的性能，它们与调速器的结构和设计参数有关，可用静力计算的力法求得。机械式调速器

52、有飞球式和飞锤式两种感应元件。飞球式结构相对简单，本节以飞锤式调速器为例进行调速器的静力计算分析。尽管飞锤形状较为复杂，但都可把它作如下简化：求出飞锤的质心，把飞锤的质量集中在其质心上，用无质量的L形杠杆的一端与其联接并能绕飞锤销转动，L形杠杆的另端与调速套筒接触；飞锤在离心力的作用下，经L形杠杆推动调速套筒轴向移功；调速套筒的另一端有等效的调速弹簧力作用，等效调速弹簧是根据调速器的调速弹簧结构和位置尺寸，把其作用力转化到调速套筒的轴向位置上。计算中，忽略运动件的摩擦力。由于飞锤对称，故飞锤重力对调速套筒的作用相互抵消。因此，经简化后剩下的力只有两个，即飞锤离心FC和等效弹簧的恢复力FE 。柴

53、油机转速一定，可算出FC和FE的数值：在FC和FE的作用下，调速套筒在某一轴向位置，相对应有套筒位移Z，调速套筒由杠杆与喷油泵齿杆（或拉杆)联接，因此也就可计算出齿杆位移S与转速n的关系曲线，即调速器工作特性。1.离心力离心力FCrM001. 0F2c式中，FC为离心力(N)；M为飞锤总质量(kg)；r为飞锤质心旋转半径(mm)；力调速器轴的角速度，由调速器轴转速求得(rad/s)。2. 弹簧恢复力弹簧恢复力FE0EFkzF式中，K为等效的调速弹簧刚度(Nmm)；Z为调速套筒位移(mm)；F0为等效的调速弹簧预紧力(N)。 3飞锤质心径向位移与调速套筒位移的飞锤质心径向位移与调速套筒位移的几何

54、关系几何关系 设计调速器时，L形杠杆臂的夹角一般为90，故，设飞锤处于合拢最内位置（rrmin)时，调速套筒位移Z00。飞锤径向位移r(r-rmin)与相应调速套简位移Z之间的关系，可应用虚位移原理导出。 当转速不变时，对飞锤A存在力矩平衡，有cosbFcosaFEC由于0，可得CEFbaF 按虚功原理，有rFZFcE将式（6-21）代入，即得Zbar （6-22） （6-21） 4静力平衡静力平衡式(6-21)中，FE= FZ是飞锤离心力FC转化到调速器套筒方向的支持力FP。与弹簧恢复力FE相平衡。为了对调速器静力平衡有个明确的形象的概念，可用图6-27来说明ba22CPArMba001. 0FbaF式中，A称为惯性系数，与飞锤质量和飞锤质心的回转半径有关。 对于不同转速，支持力FP与飞锤半径r之间的关系是一组通过坐标原点的直线族。由于结构的限制，r可能变化的范围是rminrmax。 为了把弹簧恢复力FE也画在同一图上，可将原为调速套筒位移Z函数的FE转换成飞锤位移的r函数。将式(6-22)的关系代入式(6-20)得：0FrKabZ （6-24） 式中， 为图6-27中弹簧恢复力FE曲线的斜率。Kba调速手柄位置