柴油机喷射与雾化

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1、I tell you, you will forget;I show you, you will remember;I get you involve, you will understand. 管理级管理级32 燃油的喷射和雾化燃油的喷射和雾化一、燃油喷射系统概述一、燃油喷射系统概述对喷射系统的要求：对喷射系统的要求：（1）供油系统能）供油系统能在规定的起始和终止时间内在规定的起始和终止时间内，向燃烧室喷入向燃烧室喷入一定量一定量的燃油。（的燃油。（timing）（2）供油系统的）供油系统的供油量可以调节供油量可以调节，以满足柴油，以满足柴油机负荷变化的需要。机负荷变化的需要。（3）喷油系统

2、必须使喷入气缸的燃油达到燃烧）喷油系统必须使喷入气缸的燃油达到燃烧所要求的所要求的雾化雾化程度，并保证油束与燃烧室的形程度，并保证油束与燃烧室的形状良好地配合。状良好地配合。（4）喷射过程要符合一定的）喷射过程要符合一定的喷油规律喷油规律，以适应，以适应燃烧过程的需要。燃烧过程的需要。燃油喷射系统的组成燃油喷射系统的组成左图是机械控制蓄压式喷射系统示意图左图是机械控制蓄压式喷射系统示意图 1-滑阀式分配器；滑阀式分配器；2-轴承；轴承；3-中心滑阀；中心滑阀；4-喷嘴；喷嘴；5-套筒；套筒；6-蓄压器；蓄压器；7-操纵杆操纵杆右右图为电子控制蓄压式喷射系统图为电子控制蓄压式喷射系统 1-电磁喷

3、油器；电磁喷油器；2-计算器；计算器；3-传感器；传感器；4-高压油管；高压油管；5-柴油柴油机；机；6-压力调节器；压力调节器；7-蓄压器；蓄压器；8-高压油泵；高压油泵；9-滤清器滤清器 由柱塞式喷油泵、高压油管及喷油器组成的每由柱塞式喷油泵、高压油管及喷油器组成的每缸独立的高压喷射系统缸独立的高压喷射系统 1-回油管；回油管；2-喷油器；喷油器；3-垫圈；垫圈；4-高压油管；高压油管；5-管卡；管卡；6-操纵手轮；操纵手轮；7-拉杆；拉杆；8-喷油泵；喷油泵；9-输油泵；输油泵；10-调速器；调速器；11-低压油管；低压油管；12-燃油滤清器；燃油滤清器；14-手动手动泵油杆；泵油杆；1

4、5-柴油机柴油机1-回油管；回油管；2-喷油器；喷油器；4-高压油管；高压油管； 6-操纵手轮；操纵手轮； 8-喷油泵；喷油泵；10-调速器；调速器；11-低低压油管；压油管；12-燃油滤清器；燃油滤清器；13-喷油泵座；喷油泵座；14-手动泵油杆；手动泵油杆；15-柴油机柴油机泵泵- -喷油器喷射系统喷油器喷射系统 63906390型柴油机的泵型柴油机的泵- -喷油器驱动形式。喷油器驱动形式。 1 - 气 缸 盖 ；气 缸 盖 ； 2 - 泵泵 - 喷 油 器 ；喷 油 器 ； 3 - 套 筒 ；套 筒 ； 4 - 油 泵 齿 条 ；油 泵 齿 条 ；5 - 操 纵 臂 ；操 纵 臂 ； 6

5、 - 顶 头 座 ；顶 头 座 ； 7 - 油 量 操 纵 轴 ；油 量 操 纵 轴 ；8 - 微 量 调 节 螺 钉 ；微 量 调 节 螺 钉 ； 9 - 顶 杆 螺 钉 ；顶 杆 螺 钉 ； 1 0 - 销 紧 螺 帽 ；销 紧 螺 帽 ；11-摇臂轴；摇臂轴；12-摇臂；摇臂；13-滚轮；滚轮；14-凸轮轴凸轮轴二、喷射过程二、喷射过程 燃油的喷射过程是一个复杂的物理过程。燃油的喷射过程是一个复杂的物理过程。 从喷油泵出油阀到喷油器针阀这一高压系统内所进行的从喷油泵出油阀到喷油器针阀这一高压系统内所进行的物理过程，受燃油的可压缩性、高压油管的弹性、系统物理过程，受燃油的可压缩性、高压油管

6、的弹性、系统的节流以及燃油运动的惯性等因素影响。的节流以及燃油运动的惯性等因素影响。 这些影响因素使燃油在喷射过程中产生时间延迟和压力这些影响因素使燃油在喷射过程中产生时间延迟和压力波动，进而影响了燃油的喷射质量。波动，进而影响了燃油的喷射质量。 为了深入研究燃油的喷射过程，在喷油泵的出口端和喷为了深入研究燃油的喷射过程，在喷油泵的出口端和喷油器的入口端分别装油器的入口端分别装上压力传感器上压力传感器。测量喷油泵出口压。测量喷油泵出口压力力pp随曲轴随曲轴的变化规律和喷油器进口压力的变化规律和喷油器进口压力pn随随的变的变化规律。化规律。 在喷油器顶端装在喷油器顶端装针阀升程传感器针阀升程传感

7、器测量针阀升程测量针阀升程h随随的的变化规律，并用示波器记录，得到如图变化规律，并用示波器记录，得到如图34所示的喷射所示的喷射过程曲线。过程曲线。二、喷射过程二、喷射过程1、喷射过程的三个阶段、喷射过程的三个阶段（1）喷射延迟阶段）喷射延迟阶段I从几何供油点从几何供油点O OP P 到喷油始点到喷油始点O OU U燃油可压缩性（压力变化燃油可压缩性（压力变化1MPa，燃油体积变化，燃油体积变化1/18201/1610），高压油管弹性及高压系统的节流等原因。），高压油管弹性及高压系统的节流等原因。供油提前角供油提前角 p p喷油提前角喷油提前角 n n 影响因素：高压油管特性参数、喷油器影响因

8、素：高压油管特性参数、喷油器针阀的启阀针阀的启阀压力压力、柴油机工况、喷油泵出油阀和喷油器针阀的、柴油机工况、喷油泵出油阀和喷油器针阀的结构特点等。结构特点等。 （2）主要喷射阶段）主要喷射阶段II从从O OU U到供油终点到供油终点K KP P 喷油器启阀压力喷油器启阀压力p pn n本阶段的长短主要本阶段的长短主要取决于柴油机的负荷取决于柴油机的负荷。（3）尾喷阶段）尾喷阶段III（自由膨胀阶段，滴漏现象）（自由膨胀阶段，滴漏现象）从从K KP P到喷油终点到喷油终点K KU U 针阀落座压力针阀落座压力p pk k影响因素：与喷射延迟阶段相同。影响因素：与喷射延迟阶段相同。 2、喷射过程

9、的、喷射过程的压力波压力波 在在喷油泵开始供油喷油泵开始供油使出油阀开启的瞬间，高压油管使出油阀开启的瞬间，高压油管中泵端的燃油就受到来自喷油泵燃油的冲击。但由中泵端的燃油就受到来自喷油泵燃油的冲击。但由于于燃油的惯性和可压缩性以及高压油管的弹性燃油的惯性和可压缩性以及高压油管的弹性，喷，喷油泵柱塞所排挤的燃油量与高压油管中流动的燃油油泵柱塞所排挤的燃油量与高压油管中流动的燃油量之间产生不平衡，造成量之间产生不平衡，造成燃油瞬时堆积燃油瞬时堆积，致使压力，致使压力继续升高，并继续升高，并以压力波的形式沿高压油管向喷油器以压力波的形式沿高压油管向喷油器一端传播。一端传播。 危害：危害： 若压力波

10、的峰值超过启阀压力若压力波的峰值超过启阀压力p pn n，将再度开启针阀，将再度开启针阀，造成造成异常喷射异常喷射并引起燃烧恶化。并引起燃烧恶化。 喷射过程中的压力波将喷射过程中的压力波将改变改变喷油泵的喷油泵的供油规律供油规律和喷和喷油器的油器的喷油规律喷油规律，并使二者产生较大的差异。，并使二者产生较大的差异。三、供油规律和喷油规律三、供油规律和喷油规律 1、几何供油规律和喷油规律几何供油规律和喷油规律 几何供油规律几何供油规律：是从几何关系上求出的单：是从几何关系上求出的单位凸轮转角位凸轮转角 （或单位时间）喷油泵供入（或单位时间）喷油泵供入高压油路中的高压油路中的燃油量燃油量随凸轮转角

11、随凸轮转角 （或时（或时间间t）的变化关系。）的变化关系。 几何供油规律完全由几何供油规律完全由柱塞的直径柱塞的直径和和凸轮形凸轮形线的运动规律线的运动规律决定。决定。 喷油规律喷油规律：是指在喷油过程中，：是指在喷油过程中，单位凸轮转单位凸轮转角角 （或单位时间）从喷油器喷入气缸中的燃（或单位时间）从喷油器喷入气缸中的燃油量随凸轮转角（或时间油量随凸轮转角（或时间t）的变化关系。）的变化关系。 如图如图35供油规律与喷油规律比较供油规律与喷油规律比较 借助喷油规律曲线可以分析、判断：借助喷油规律曲线可以分析、判断： （1）喷油始点、终点和喷油持续角是否合适；）喷油始点、终点和喷油持续角是否合

12、适； （2）有无）有无二次喷射、断续喷射二次喷射、断续喷射等不正常喷射等不正常喷射现象；现象； （3）喷油规律是否符合理想的燃烧过程和放）喷油规律是否符合理想的燃烧过程和放热规律的要求。热规律的要求。2、喷油规律的影响因素、喷油规律的影响因素 （1）凸轮形线和有效工作段）凸轮形线和有效工作段 形线越陡，凸轮转过相同角度时柱塞升程越大，喷油形线越陡，凸轮转过相同角度时柱塞升程越大，喷油延迟角和喷油持续角越小。延迟角和喷油持续角越小。 一般把凸轮的有效工作段选在柱塞速度的高速部分，一般把凸轮的有效工作段选在柱塞速度的高速部分，以提高喷油速率减小喷油持续角，提高雾化质量。以提高喷油速率减小喷油持续角

13、，提高雾化质量。 （2）柱塞直径和喷孔直径）柱塞直径和喷孔直径 不改变柱塞行程而增大柱塞直径不改变柱塞行程而增大柱塞直径，供油速率增大，喷，供油速率增大，喷射延迟角和喷油持续角均减小。射延迟角和喷油持续角均减小。 喷孔数目不变，减小喷孔直径（结炭堵塞）喷孔数目不变，减小喷孔直径（结炭堵塞），喷油阻，喷油阻力增加使喷油持续角加大、喷油速率减小；由于高压力增加使喷油持续角加大、喷油速率减小；由于高压油管中压力增加，油管中压力增加，容易引起异常喷射容易引起异常喷射。 （3）高压油管尺寸）高压油管尺寸 油管越长，压缩体积越大，喷射延迟角越大，而喷油油管越长，压缩体积越大，喷射延迟角越大，而喷油持续角不

14、变，即喷油提前角变小。持续角不变，即喷油提前角变小。 油管越细，燃油流动阻力越大，喷延迟角越大。油管越细，燃油流动阻力越大，喷延迟角越大。 所以，多缸柴油机各缸高压油管应遵循等尺寸原则，所以，多缸柴油机各缸高压油管应遵循等尺寸原则，以保证各缸喷油规律的一致性。以保证各缸喷油规律的一致性。 （4）柴油机负荷和转速）柴油机负荷和转速 当转速及喷油定时不变而增加负荷时，其喷油始点基当转速及喷油定时不变而增加负荷时，其喷油始点基本不变，而喷油终点改变，并且增加了后半期的喷油本不变，而喷油终点改变，并且增加了后半期的喷油速率。速率。 当负荷及喷油定时不变而转速改变时，随着转速的增当负荷及喷油定时不变而转

15、速改变时，随着转速的增加对应单位凸轮转角的时间缩短，喷射延迟角和喷油加对应单位凸轮转角的时间缩短，喷射延迟角和喷油持续角均加大，而喷油速率减少。持续角均加大，而喷油速率减少。 对于负荷和转速同时改变的柴油机的工况，其喷油规对于负荷和转速同时改变的柴油机的工况，其喷油规律的改变应做综合分析。律的改变应做综合分析。四、异常喷射及其消除方法四、异常喷射及其消除方法 1、二次喷射二次喷射（重复喷射）（重复喷射） 在喷油泵在喷油泵供油结束供油结束喷油器针阀落座后又第二次开启喷油器针阀落座后又第二次开启形成再次喷射的现象称。形成再次喷射的现象称。 危害：后燃严重，造成燃油消耗、排烟和排温升高，危害：后燃严

16、重，造成燃油消耗、排烟和排温升高，性能恶化，零部件过热，喷孔积炭堵塞。性能恶化，零部件过热，喷孔积炭堵塞。 原因：主要是由于高压系统中的原因：主要是由于高压系统中的燃油压力波燃油压力波引起的；引起的；管理不当管理不当（如（如喷孔部分堵塞喷孔部分堵塞、出油阀减压作用减弱出油阀减压作用减弱、高压油管长度和内径变大或刚性变小、高压油管长度和内径变大或刚性变小、喷油器启阀喷油器启阀压力过低、高转速大负荷工况压力过低、高转速大负荷工况）可能产生二次喷射。）可能产生二次喷射。 多发生在高负荷、高转速工况。多发生在高负荷、高转速工况。 防止二次喷射防止二次喷射设计方面设计方面措施：措施：(论文）论文） （1

17、）选用较小长度和内径的高压油管；）选用较小长度和内径的高压油管； （2）在保证喷雾质量的前提下，适当增大）在保证喷雾质量的前提下，适当增大喷油器喷孔总面积；喷油器喷孔总面积； （3）适当增大出油阀减压卸载能力；）适当增大出油阀减压卸载能力； （4）增大出油阀弹簧刚度；）增大出油阀弹簧刚度； （5）适当提高喷油器启阀压力。）适当提高喷油器启阀压力。 2 2、断续喷射断续喷射（波动喷油）（波动喷油） 在喷油泵供油期间，喷油器针阀断续启在喷油泵供油期间，喷油器针阀断续启闭，而且开启压力不足、喷射无力，这闭，而且开启压力不足、喷射无力，这种现象称为。种现象称为。 危害：针阀和阀座撞击次数增多，磨损危害

18、：针阀和阀座撞击次数增多，磨损增大，降低针阀的使用寿命。增大，降低针阀的使用寿命。 多发生在低负荷、低转速工况。多发生在低负荷、低转速工况。 3、不稳定喷射和隔次喷射不稳定喷射和隔次喷射 喷油泵每循环供油量不均的喷射过程称为喷油泵每循环供油量不均的喷射过程称为不不稳定喷射稳定喷射。其极端情况是。其极端情况是隔次喷射隔次喷射。 危害：柴油机转速不稳定，甚至停车；可危害：柴油机转速不稳定，甚至停车；可能造成燃烧粗暴。能造成燃烧粗暴。 多发生在柴油机低负荷运转时或喷油设备偶多发生在柴油机低负荷运转时或喷油设备偶件件过度磨损过度磨损时。时。 4、滴漏滴漏 此滴漏是此滴漏是在针阀偶件密封正常情况下在针阀

19、偶件密封正常情况下，在喷，在喷油终了后仍有燃油自喷孔流出的现象。油终了后仍有燃油自喷孔流出的现象。 危害：在喷孔处形成结炭，堵塞喷孔。危害：在喷孔处形成结炭，堵塞喷孔。 原因：针阀座下部至喷孔间体积过大，以及原因：针阀座下部至喷孔间体积过大，以及由于出油阀由于出油阀减压卸载能力不强减压卸载能力不强，使高压油管，使高压油管中的油压下降缓慢，造成针阀不能迅速落座。中的油压下降缓慢，造成针阀不能迅速落座。 措施措施：增强出油阀减压卸载能力或提高针阀：增强出油阀减压卸载能力或提高针阀落座速度（如增加弹簧预紧力等）。落座速度（如增加弹簧预紧力等）。五、最低稳定转速五、最低稳定转速 能使船用主柴油机各缸均

20、匀发火的最低转速，能使船用主柴油机各缸均匀发火的最低转速，称为。称为。 GB1833-99规定：最低工作稳定转速指柴油机规定：最低工作稳定转速指柴油机油门在出厂的标定功率位置上带负荷运转所达油门在出厂的标定功率位置上带负荷运转所达到的稳定转速。船用主机则指按推进特性运转到的稳定转速。船用主机则指按推进特性运转时的最低稳定转速。时的最低稳定转速。 按我国有关规定，船用低速主柴油机的最低稳按我国有关规定，船用低速主柴油机的最低稳定转速不高于标定转速定转速不高于标定转速nb的的30，中速柴油机，中速柴油机不高于标定转速不高于标定转速nb的的40，高速机不高于标定，高速机不高于标定转速转速nb的的45

21、。六、燃油雾化（六、燃油雾化（atomization）燃油雾化：在柴油机中，燃油在高压下喷燃油雾化：在柴油机中，燃油在高压下喷入气缸，并分散成入气缸，并分散成细小油滴细小油滴的过程。的过程。目的：大大增加燃油蒸发的表面积，从而目的：大大增加燃油蒸发的表面积，从而加速燃油的吸热和汽化过程，进而加速燃加速燃油的吸热和汽化过程，进而加速燃油与空气的混合。油与空气的混合。1、油束的形成和油束的特性（如图、油束的形成和油束的特性（如图36）描述燃油喷雾质量的三个参数描述燃油喷雾质量的三个参数 （1）油束的射程）油束的射程L 表示油束的贯穿能力。表示油束的贯穿能力。 油束的射程长短应与燃烧室相匹配。油束的

22、射程长短应与燃烧室相匹配。 （2）油束锥角）油束锥角 表示油束的紧密程度。表示油束的紧密程度。 （3）雾化质量）雾化质量 用用油滴平均直径油滴平均直径和和雾化均匀度雾化均匀度表示。表示。2、影响油束特性的因素、影响油束特性的因素 （1）喷油压力）喷油压力 增大喷油压力，雾化细度减小，雾化质量增大喷油压力，雾化细度减小，雾化质量提高，而且油束射程提高，而且油束射程L和锥角和锥角均增大。但均增大。但压力过大，由于压力过大，由于L过大过大、雾化细度过小，、雾化细度过小，反而使燃烧过程反而使燃烧过程粗暴粗暴，冒黑烟和结炭冒黑烟和结炭。 （2）喷孔构造）喷孔构造 喷孔直径和喷孔的长度直径比两个参数。喷孔

23、直径和喷孔的长度直径比两个参数。 喷孔直径减小时，喷孔直径减小时， 增大，雾化细度和增大，雾化细度和L减减小；喷孔长度直径比增大时，小；喷孔长度直径比增大时，L增大。增大。 （3）燃油品质）燃油品质 粘度和密度增加时雾化困难。当采用低质燃粘度和密度增加时雾化困难。当采用低质燃油时，需要相应采取预先加热燃油、提高喷油时，需要相应采取预先加热燃油、提高喷油压力等措施。油压力等措施。 （4）喷射背压）喷射背压 喷射背压增加时，油粒与空气的摩擦力增加，喷射背压增加时，油粒与空气的摩擦力增加，油粒所受空气阻力增加，致使雾化细度减小，油粒所受空气阻力增加，致使雾化细度减小， 增大，增大，L减小。减小。CLASS IS OVER再见！