1、第六章 内燃机的燃料供给与调节内燃机燃料供给与调节系统主要功能是为内燃机缸内混合气形成与燃烧提供实际需要的燃料，通常称它为内燃机“心脏”。因为它对内燃机燃烧和主要性能有直接影响。在内燃机各系统中，燃料供给与调节系统是最重要的系统之一。根据燃料种类和着火原理，燃料供给与调节系统结构与工作原理也不同。所以，本章将介绍如下两方面内容： 压燃式内燃机燃料供给与调节系统（一至七节）； 点燃式内燃机燃料供给与调节系统（八至十一节）。,第一节 压燃式内燃机燃料供给与调节系统概述 压燃式内燃机最显著的特点：缸内形成非均质混合气、压缩着火。为此，在活塞接近上止点时，燃料供给与调节系统将燃料以高压、瞬时喷入气缸，
2、实现燃油与空气混合和燃烧。 根据压燃式内燃机的工作特点，为了保证内燃机动力性、经济性、排放、噪声等方面的优良性能，对燃料供给与调节系统在制造、精度、调整精度、与整机参数匹配等诸方面均有十分严格的要求。 主要有以下要求： 1）产生足够高喷油压力（燃料良好雾化、混合与燃烧的需要）；油束与燃烧室和气流运动匹配（油气混合均匀的需要）。 2）精确控制循环喷油量（随工况自动变化）-包括循环之间喷油量一致性好（工况不变时）和各缸喷油量相等（多缸机 ）。 3）提供最佳的起始喷油时刻、喷油持续时间与喷油规律（在所运转的工况范围内），以保证良好的燃烧过程，取得优良的综合性能。 4）能保证柴油机安全、可靠地工作（如
3、防止超速、能调速等）。,早期压燃式内燃机的燃油喷射是通过高压空气实现的。 自从1927年，德国博世（Bosch）公司开始专业生产以机械式喷油泵（以螺旋槽柱塞旋转方式调整供油量）以来，这种喷油泵的工作原理至今仍在广泛使用。 下图为一个典型的压燃式内燃机燃料供给与调节系统的简图。,系统由三部分组成：低压油路（油箱8、输油泵5、燃料滤清器3、低压油管）；高压油路（喷油泵6、高压油管13、喷油器11）；调节系统（离心式调速器9、自动供油提前器7）。其中，核心部分是高压油路所组成的喷油系统，这种传统的燃料供给系统通常称为泵-管-嘴系统。,在传统的燃料供给系统中，喷油泵有柱塞式喷油泵和转子分配式喷油泵两种
4、。 对于柱塞式喷油泵：每一个柱塞对应于一个气缸，多缸内燃机所用的柱塞数和气缸数相等、并合为一体，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，称之为单体喷油泵。 对于转子分配式喷油泵：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。,泵-管-嘴燃料供给系统的优缺点： 高压油管的存在，使喷油系统在内燃机上的布置比较方便与灵活，目前已积累了长期制造与匹配的理论与经验。因此，仍在各种压燃式内燃机上得到广泛应用。 高压油管的存在，降低了整个燃料供给系统高压部分的液力刚性，难于实现高压喷射与理想的喷油规
5、律，使这种传统燃料供给系统的应用前景受到一定限制。 压燃式内燃机燃料喷射系统的发展： 各种高压、电控的燃料喷射系统-如采用短油管单体泵、泵喷嘴、PT泵、蓄压式、共轨式系统等等，以满足压燃式内燃机不断强化、日益严格的排放与噪声法规的要求。 本章主要介绍目前发展最为成熟与应用较大的传统泵-管-嘴燃料供给与调节系统（第二节至第六节）。在第七节，简要介绍有关各类高压、电控喷油系统。,第二节 压燃式内燃机燃料喷射过程 1、喷油过程 喷油系统结构组成： 压燃式内燃机工作时，发动机曲轴通过定时齿轮驱动喷油泵运转； 燃油从油箱经滤清器、输油泵加压（约0.10.15MPa）供到喷油泵的低压油腔。 下图 a 给出
6、了喷油系统结构组成。,其中： 1-凸轮；2-挺柱体；3-柱塞；4-进、回油孔；5-柱塞腔；6-出油阀；7-出油阀紧帽腔；8-出油阀弹簧；9-压力传感器；10-高压油管；11-压力传感器；12-针阀弹簧；13-喷油器总成；14-针阀；15-盛油槽；16-喷孔。,喷油系统工作过程： 1、柱塞腔进油 挺柱体总成的滚轮在凸轮基圆时，柱塞腔通过进、回油孔和低压油腔相通。此时，低压油路向柱塞腔供油。 凸轮轴继续运转，滚轮离开凸轮基圆后，凸轮推动挺柱体总成克服柱塞弹簧力向上运动。 当柱塞顶面上升到与进、回油孔上边缘平齐时，进、回油孔关闭，柱塞腔与低压油腔隔离。 2、柱塞压油 柱塞再向上运动时，柱塞腔内燃油被
7、压缩，压力升高。 当压力上升到大于出油阀开启压力与高压油管内的残余压力p r之和时，出油阀开启。燃油流入出油阀紧帽，进入高压油管和喷油器内油路和针阀体盛油槽内。,3、喷油器喷油 柱塞继续上升，油压升高。 当针阀体盛油槽内油压达到并超过针阀开启压力p0 时，针阀打开，向气缸内喷油。 因柱塞顶面积大，喷油器喷孔面积小，故喷射过程中压力继续升高。 4、柱塞腔卸压 柱塞继续上升，当柱塞斜槽上边缘与回油孔下边缘相联通时，如果柱塞再上升，则柱塞腔与低压油腔相通，燃油经回油孔开启截面流入低压油腔，柱塞腔压力下降。 5、出油阀落座 在弹簧力和出油阀两端油压综合作用下，出油阀开始下行。 当减压凸缘进入出油阀座孔
8、后，出油阀紧帽腔与柱塞腔隔离，使紧帽腔到喷油器所组成的高压油路内保持一定量燃油，出油阀仍继续下行到落座。,6、喷油器停止喷油 出油阀在落座过程中，由于减压容积作用，使高压油路（出油阀紧帽腔、高压油管、喷油器体内油道、盛油槽容积的总和）中燃油压力迅速下降。 当盛油槽内的燃油压力小于针阀关闭压力时，针阀落座，喷油停止。 7、喷油泵回油 出油阀落座后，柱塞在凸轮驱动下继续上行，由于柱塞腔与低压油腔相通，此时，柱塞不压油，柱塞顶部的燃油通过柱塞斜槽，回到低压油腔。 柱塞到最大行程后，在柱塞弹簧力的作用下，沿凸轮下降段下行。在下行过程中，喷油泵也不产生泵油作用，直到凸轮基圆为止。 至此，完成了一个泵油循
9、环。,两个重要参数： 1、喷油泵柱塞预行程h0 定义为： 柱塞从下止点开始，上升到进、回油孔关闭时所经过的距离。 它的大小决定了柱塞在压油过程中初速度的大小，将影响喷油速率； 2、喷油泵柱塞的有效行程he 定义为：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。 它的大小与喷油泵循环供油量有关，从而决定了喷油器循环喷油量大小。,喷射过程的压力波动： 因燃油具有可压缩性与惯性， 所以，在喷油系统中，存在压力传播与反射（即高压油管内产生一定压力波动）。 压力波动在出油阀紧帽腔到针阀体盛油槽内不断衰减，趋于一压力定值（残余压力pr ）。 压力波动可用压力传感器及位移传感
10、器和相应仪器测出。 考虑到测量的方便性和可行性，通常喷油过程试验仅测出泵端压力prp、喷嘴端压力pN、针阀升程h和喷油速率dVb/d c随凸轮轴转角 c变化关系，如左图 b所示。其中，从柱塞供油开始到喷油器针阀升起这一段时间，称为喷油延迟期。,由于喷油系统中的压力波动，使喷油器喷油滞后于喷油泵柱塞供油。喷油延迟期由三部分组成：出油阀升起滞后；喷油器油压滞后；针阀升起滞后。,二、几何供油规律和喷油规律 几何供油规律： 指从几何关系式上求出的单位凸轮转角（或单位时间）喷油泵供入高压油路中的燃油量随凸轮转角 c（或时间t）的变化关系。 它完全由柱塞的直径和凸轮型线的运动特性决定（6-1）（6-1a）
11、式中，Ap 为柱塞面积， ；dp 为柱塞直径；p为有效行程段的柱塞速度。,喷油规律： 指在喷油过程中，单位凸轮转角（或单位时间）从喷油器喷入气缸的燃油量随凸轮转角 c（或时间t）的变化关系，即（6-2）（6-2a） 在喷油器喷油时，高压油路中的燃油压力高达数十甚至超过100 Mpa。 在喷油器不喷油阶段，高压油路中的燃油压力又小于针阀开启压力p0。在一定出油阀减压容积作用下，残压为零，甚至出现真空。 所以，喷油过程中，喷油峰值压力高且变化大，需考虑燃油的可压缩性。,燃油的可压缩性： 可用燃油的弹性模量E表示，即E= - V dp / dV。 在高压油路容积V一定条件下，因压力变化越大，容积变化
12、量dV也越大，故E是燃油的一个物性常数。 通常在2030MPa压力下，E=20002500MPa。 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2030mm3。 由于燃油的可压缩性，燃油在高压系统容积内产生弹性振动，使压力从泵端传到嘴端需一定的时间，其传播的速度为声速。 在传播过程中，泵端、嘴端开启或关闭等边界条件不同，将造成压力波反射；由于存在减压作用，在系统容积内的局部地区，可能产生真空（见前面图b的压力波图上压力为零的区段），使燃油变为蒸气形成气泡。 液态下压力波传播速度（声速）c=14001600m/s；但在高压油路中，如果存在蒸气泡，压力
13、波传播速度将降低，使喷油滞后期增加，不利于缸内燃烧。故喷油系统中压力波传播速度是变化的。,大量试验表明： 压力波传播速度的数值在7001400m/s之间变化，而燃油在高压油管内流速仅为2040m/s，即，燃油流速赶不上压力波速度。 所以，喷油器盛油腔内压力波形与喷油泵出油阀紧帽腔内压力波形，不论是数值大小和时间相位上都不可能相同。 因此，喷油规律不可能和供油规律相同，这种差别不仅受喷油泵内部机械运动影响，还受高压油路中的液力作用。 图6-3是一实例。供油规律可计算出；喷油规律由几何参数和燃油在高压下液力特性的综合作用所决定。两者有一定内在联系：喷油规律受供油规律的影响，喷油始点迟于供油始点，喷
14、油持续时间大于供油持续时间，喷油速率的峰值小于供油速率的峰值。,三、喷油规律的确定 有试验测定法和计算分析法两大类，现分述如下。 1、试验测定法 试验测定喷油规律的方法有多种，最常用的是压力升程法和波许长管法。 （1）压力升程法 由喷油器的喷孔流量方程知，瞬时喷油速率mm3/CA与喷孔流通截面、喷孔前后压差有关，计算公式为（6-3）式中，A为喷油器有效流通截面积（mm3)；np为喷油泵的转速（r/min）；t为燃油密度（kg/m3）；p =p - pz 为喷孔前油压与气缸内气体压力差（Pa）。,测定发动机某一工况喷油规律的步骤： 1、在发动机上，用压力传感器实测喷油器端油管压力pN，然后计算出
15、盛油腔处压力p（或直接测出喷油器盛油腔处的压力p）；气缸内压力pZ；用位移传感器测出针阀升程h（随转角或时间）变化； 喷油泵凸轮转速 np 。 2、在专用试验台上，实测不同升程下的油嘴有效流通截面积A； 3、根据针阀升程h（转角或时间）和A（h），求出油嘴有效流通截面积A随时间的变化曲线A（t）； 4、按6-3式，计算出喷油规律。 这是在运转发动机上实测喷油规律的首选方法。,（2）博世长管法 这是在喷油泵试验台上测定喷油规律的常用方法。下图是测量装置的示意图。 从喷油器喷出来的燃油进入细长管组成的波许长管仪中。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。 工作原理如下：喷油器喷油进入细
16、长管内，其体积流量的表达式为 （6-4）式中，F为细长管截面积； 为燃油在细长管中流速。,根据流体力学理论，在非稳定流动中，一元压力波p(t)可用下式表达（6-5）其中，c为声速 将式（6-5）代入式（6-4）后，化简可得喷油速率表达式（6-6）可见，用压力传感器 4 实测长管压力波的变化（如上图），即可求得喷油规律。,使用博世长管仪注意事项：长度足够长，管截面恒定。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。消除反射波影响。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端所需的时间大于喷油持续期tZ（tZ2L/a），且保证在下一个循环之前，管内压
17、力波已经完全衰减。波形个数。试验表明，实测压力波波形个数为4个波形时（一个喷油波形和三个反射波形），测量精度较高。合适的背压。图6-4中背压阀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。,另外，介绍一种直接测量喷油规律的方法-蜂孔转盘法 下图是这一方法测量的示意图。 集油转盘上有一圈蜂孔（每个蜂孔占一度凸轮转角）； 蜂孔下有集油杯（有机玻璃、带刻度线）； 工作时喷油器正对着蜂孔喷射； 喷油泵和蜂孔转盘由电机带动运转（按一定传动比）。 特点： 因单次喷油量很小，需要喷射1000次以上；只能测平均喷油规律；高速测量时，因
18、油雾冲击损失大，误差较大。,2、计算法 计算法是建立在波动理论（一元可压缩不定常流）基础上，对喷油系统建立物理数学模型，利用计算机模拟求解的方法。 主要求解定律-方程有： 质量守恒定律-分别对柱塞腔、出油阀紧帽腔、高压油管、针阀体盛油槽、针阀压力室建立燃油连续性方程； 牛顿定律-分别对出油阀、高压油管内的燃油、喷油器针阀建立运动方程。 利用上述建立的封闭方程组，根据已知喷油系统结构参数、喷油泵升程随转角的变化关系，通过数值计算方法编程，在计算机上联立求解，就可以得出柱塞腔、出油阀紧帽腔、针阀体盛油槽、压力室和高压油管的任意位置上压力变化，以及出油阀、针阀运动规律，并得出喷油规律。 计算结果可以
19、揭示喷油系统中压力波动的现象。计算精度能够满足工程应用的要求。 目前这一方法已成为国内外对喷油系统性能预测的基本方法，可对燃料供给系统进行结构参数优化。具体方法参考文献2。,第三节 压燃式内燃机喷油泵的结构与参数选择 喷油泵结构参数和调整参数影响喷油过程，对内燃机性能有重要影响。 主要参数有：供油始点（供油提前角fd）；柱塞直径dp；凸轮型线；凸轮最大升程H；供油预行程h0；出油阀减压容积等。分述如下： 一、供油提前角fd-调整参数 前面章节已经讨论过，柴油机为获得高的热效率，要求燃烧在上止点附近完成。 为此，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。 喷油提前角定义：
20、燃油喷入气缸的时刻到活塞上止点所经历的曲轴转角称之。 喷油提前角测量需在喷油器内安装针阀升程传感器，配专用电子仪器完成。这种动态测试比较麻烦，故平常柴油机调试、产品说明书标注时都采用供油提前角。,供油提前角fd定义：（喷油泵安装在柴油机上） 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，称之。 可以在停车状态用溢流法检查（用出油阀开启供油代替进、回油孔关闭）。 喷油延迟角x： 供油提前角fd与喷油提前角fj 之间的差值称之。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（角度值）越大。 因此，对多缸机
21、而言，各缸高压油管长度应当一致，以获得各缸均匀的喷油量。,供油提前角对柴油机性能的影响： 供油提前角对柴油机燃烧过程影响很大，对每某一工况，从燃烧效率（动力性和经济性）考虑，都有一个最佳值。 下图给出了喷油始点的影响。 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（dp /d ）等，又各有不同的最佳值。 对不同工况，不同的机型，供油提前角也不相同。,因此，为了保证柴油机各种工况都有一最佳的供油提前角（某一项性能最优、兼顾其他性能），将是一个复杂的立体曲面，必须用电子控制才能实现，机械控制很难做到。 一般从动力性和经济性考虑： 负荷增加，喷油量增大，喷油持续期加长，
22、喷油提前角应该增大，才能保证燃料在上止点附近及时燃烧； 转速增大，最佳供油提前角也应增大-因为喷油延迟角加大，为保证燃烧及时，供油要相应提前一些。 此外，分隔式与直喷式柴油机燃烧方式不同，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。 对增压柴油机，缸内压缩温度和压力较高，着火滞燃期短，故供油提前有也应小一些。 从减少有害排放考虑：若需降低NOX，供油提前角比热效率最高的fd要小一些（即推迟喷油），但为了不过分降低热效率，需加大供油速率。 从燃烧噪声考虑：降低dp/d 和pmax，应取较小供油提前角。,供油提前角的自动调节： 车用柴
23、油机工况是变化的，为了使供油提前角能够随着发动机的转速变化，可用机械装置来自动改变。 当采用上螺旋柱塞实现负荷增大，随转速增加，最佳供油提前角相应增大，可用合适的螺旋角可以满足柴油机的匹配要求（即供油角度自动提前） 。 下图是一个飞块离心式供油角度自动提前器的结构图。 其原理是： 感应转速的飞块离心力与提前机构上弹簧力相平衡方法实现提前角的变化。,在飞块大小、形状一定情况下：改变弹簧预紧力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相对提前量大小。,结构： 整个提前器密封在壳体e中； 提前器底盘与喷油泵轴相连，在底盘上通过支承销A装有飞铁，支承销A受提前器弹簧作用； 在驱动法兰 c 外
24、侧，有两个连接爪B（其内侧有两个凸出的驱动销），驱动销上有两个孔穴，作为提前器弹簧座； 提前器通过连接爪与发动机喷油泵传动轴相连； 传动动力经过连接爪、飞铁、弹簧等传到油泵凸轮轴上。,工作： 当转速提高时，飞铁在离心力作用下外移，飞铁型面沿驱动销（B内）绕支承销A中心滑动； 此时，弹簧力始终保持驱动销与飞铁型面接触，使得支承销A带动底盘在旋转方向转动，使凸轮提前一个角度。即相对于驱动法兰角度位置，凸轮的位置随转速而变化。-最大可达10度凸轮转角。,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是不经济的（大型机除外）。 系列化： 人们对某一功
25、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，这就是柱塞式喷油泵的系列化。,下表是我国目前生产和常用的主要系列柱塞式喷油泵，已经满足小中型柴油机的需要。 因此，在选用喷油泵时，主要是选择喷油泵种类和主要参数。,为此，要了解喷油泵工作能力的若干评价指标： （1）最大循环供油量 喷油泵循环油量与许多参数有关，其中主要参数是柱塞直径和一定凸轮轴转角内柱塞有效行程。 最大循环供油量定义： 对某一种喷油泵，设减压容积为零；取喷油泵最大柱
26、塞直径；选用切线凸轮；设比最大几何速度对应凸轮升程小0.3mm处为供油终点；取7（或4CA）供油持续期内。 此时，对应柱塞有效行程计算的循环供油量，称为喷油泵最大循环供 油量。 它是喷油泵几何供油量的极限值（不考虑出油阀减压作用和高压液力特性影响）。 （2）最高平均供油速率 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条件下，取7（或4CA）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，此数值应是柱塞腔的实测压力值。 但由于测量困难，一般用出油阀紧帽出油口处测出的泵端油管峰值压力替代。该测量值略小于
27、柱塞腔压力。柴油机采用高供油速率喷射时，需要高的喷油压力。 喷油泵泵端峰值压力决定了凸轮、挺柱体、泵体等零件的受力和强度、刚度，对喷油泵工作可靠性产生影响。 右图是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。 根据喷油泵的上述评价指标，按照所设计的柴油机结构、参数、性能指标，可以进行喷油泵种类和参数的选择。,三、喷油泵参数的选择 1、柱塞直径dp和有效供油行程he 首先，计算出柴油机所
28、需的循环喷油量Vb（mm3/循环）-根据柴油机标定工况点的燃油消耗率、功率，如下：（6-7）式中， be 为标定功率点燃油消耗率 g/(kWh) ； Pe为柴油机标定功率（kW)； 为柴油机的冲程数； n 为柴油机转速（r/min）；f为燃油密度（g/cm3)； i 为柴油机气缸数。,然后，选择喷油泵种类型号和减压容积（系列化）-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6-6，在表6-1中选择。 减压容积（mm3）可用下式校验（6-8）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
29、，此值大约在15002000mm3）； E 为燃油弹性模量，为20002500MPa。 选择后，喷油泵循环供油量必须满足：循环供油量Vp = Vb + Vj，,并且（6-9）式中， dp 为柱塞直径；he为柱塞有效行程；f为喷油泵供油系数（充满系数），f 取值为1.001.25。 f 的大小主要与柱塞进、回油孔处的节流作用有关。节流作用大者，取大值。 令柱塞直径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（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为,不同柱塞直径的影响：（在相同供油量） 图6-7给出
30、了不同柱塞直径对喷油规律的影响。可见， 柱塞直径增大，有效行程减小，供油速率增大，供油和喷油持续期缩短。从而可以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、凸轮最大升程和供油预行程的确定 凸轮最大升程Hmax 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型线（国产系列泵都采用切线凸轮），由此确定Hmax。(令m2=Hmax/he，一般m2=4.0-7.0非增压、3.0-5.0增压，增压度高取较小值) 图6-8是切线凸轮的升程、速度随转角变化曲线。其中速度系数C表示，它是喷油泵转速为100
31、0r/min时的速度值。 这样对任一发动机转速可方便地求得柱塞供油速度。 对于中、小功率柴油机，一般速度系数最大值在3.0 r / s以下。增加凸轮最大升程，可以增加最大速度系数。,预行程h0确定： 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h0大小就决定了供油持续期的长短和平均供油速率的大小，如下图（图6-8）。由图可知： 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。从而可以提高喷油压力和喷油速率，强化喷油过程，改善柴油机性能。 实用中，预行程大小可通过喷油泵挺柱体总成高度的大小来以调整。,喷油泵凸轮型线比较：-供油持续期 喷油泵凸轮型线决定了柱
32、塞运动规律，进而决定了油泵的供油规律，最后影响喷油规律。下图是凸轮外型对喷油规律的影响，可见，在相同条件下（有效行程、供油始点），外型越陡，供油速度越大，喷油延迟期越短；相反外型越平，喷油延迟期和喷油持续期越长。,但在高速柴油机中，由于燃油系统的压力波动现象，使得很难利用供油规律来控制喷油规律。所以，油泵凸轮型线一般不是根据理想的供油规律设计，而是从加工容易角度出发，选用切线凸轮或圆弧凸轮为多。如下图所示，可见：在基圆、升程、滚轮相同条件下，切线凸轮的速度增加更快。 对于一定供油量，柱塞速度提高，供油持续期可以缩短。但过高的供油速度，在着火延迟期内喷入气缸的燃油较多。可能会引起燃烧粗暴。 喷油
33、泵大多采用切线凸轮-升程段为切线段，降速段为小圆弧。,凸轮工作段选择： 一般喷油泵有效供油行程选选在升速段； 供油最迟点选在最大速度点对应升程的前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。 喷油泵的其它凸轮型线： 如函数凸轮（一般指小圆弧段采用余弦函数），其特点是： 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6-9。从加速曲线（j）知，小圆弧段采用函数凸轮的另一优点是减速段加速度变化（即惯性力）与柱塞弹簧力变化趋向相一致，这对喷油泵零件设计有利。,3、出油阀结构和减压容积 常用的出油阀偶件结构见图6-10。 出油阀的主要功
34、用： 一是维持高压油路中有一定的燃油量-通过出油阀头部锥面密封，在不供油时隔断柱塞腔和高压油路； 二是形成减压高度为hj的减压带-通过密封锥面下面的圆柱形环带。 减压带工作原理： 当柱塞供油结束出油阀下部压力小于出油阀上部压力时，出油阀开始下落； 当减压带下边缘进入出油阀座孔时候，高压油路与柱塞腔隔断；出油阀落座时，出油阀下落了一距离等于hj ； 这样在高压油路中，燃油增大一个容积（即减压容积Vj ）。,减压容积的作用：可以保证停油干脆-使高压油路压力迅速下降，并以压力波形式传播到喷油器盛油腔，使针阀下落，喷油停止。 这种出油阀又被称之为等容式出油阀。 减压容积对喷油过程影响：（高压油路容积一
35、定时）-很大 1、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。 在有些喷油系统中，残余压力可以降至零、甚至出现真空，但压力传感器不能测量负压（真空度），故测出值为零。 在从真空到高压、从高压到真空的过程中，燃油会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； 2、若Vj太小，高压油路中残余压力偏高。由于压力的波动，当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（第五节中详述介绍）。 3、出油阀减压容积改变后，残余压力发生变化，会造成喷油延迟角和循环喷油量改变。所以，对于一定的喷
36、油提前角和循环喷油量：减压容积Vj变大时，x增大（因残余压力低），供油提前角应适当增大；而柱塞有效行程要相应增大，以增大循环供油量。,减压容积大小的选取：-与高压油路容积和油管压力峰值有关 总体上，高压油路容积越大或油管压力峰值越大，减压容积要相应增大。 但是，油管压力峰值与柴油机工况有关，如： 柴油机在高速、全负荷时喷油压力很高（一般40MPa以上），需要较大的减压容积； 在低怠速工况，喷油压力明显减小（一般25MPa以下），需要较小的减压容积； 但等容式减压阀的减压容积是不变的，减压作用不是过小（照顾怠速时）-高速容易二次喷射，就是过度（照顾高速全负荷）-怠速柴油机供油不稳定、穴蚀。 因此
37、，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，故出现了一些新型的出油阀。下面介绍阻尼出油阀和等压出油阀。,阻尼出油阀如图a所示，其特点： 在等容式出油阀上部，布置一阻尼阀，该阀中间有直径为dv的小孔（阻尼孔）； 在压油过程中，阻尼阀不起作用； 在回油过程中，阻尼阀落座（向下），使燃油通过阻尼孔控制燃油回流。 选用合适阻尼孔直径dv ，可以防止二次喷射的产生，兼顾高、低速性能。,不同阻尼孔直径对喷油器针阀的影响，如图6-12所示。 可见，过大或过小的阻尼孔均会造成针阀升程的二次升起，只有合适的阻尼孔可以保证正常针阀开启。,等压出油阀结构如图6-11b所示，其特点： 在出油阀内，布
38、置一弹簧、钢球和节流 孔； 以一定弹簧预紧力封闭节流孔5 ，构成 单向阀4。 在压油过程中，单向阀关闭，节流孔不 起作用； 在回油过程中单向阀打开，当出油阀3 落座后，燃油通过节流孔，可以控制燃油回 流量。 选择合适的节流孔尺寸，可以控制油管 内残余压力值大小，从而避免或减弱等容出 油阀减压容积较大而引起的压力振荡或波动。其缺点是：出油阀直径较大。,第四节 压燃式内燃机喷油器的结构与参数选择 喷油器是柴油机的一个关键部件，它直接影响到柴油机的设计指标和使用性能。 喷油器结构和参数影响到： 喷雾油束的质量；-雾化 喷雾油束与燃烧室的配合；-混合 喷油规律和喷油压力的变化。-柴油机性能 喷油器工作
39、条件： 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。 喷油器工作可靠性： 实际使用过程中，喷油器故障率高，使发动机性能下降，甚至不能运转。 喷油器对柴油机性能影响的因素很多，包括结构上、制造质量上、使用维护上等，这里着重结构方面介绍。,一、喷油器的结构型式 柴油机的喷油过程：利用喷油器中往复运动的针阀，开启和关闭高压燃油的流通截面，使燃油向气缸内喷射。 因此，喷油器运动件质量对喷油过程有较大的影响。通常喷油器运动件包括弹簧、顶杆、针阀。 右图是喷油器的结构图，其中： 图6-13a为传统结构，其特点是：上置弹簧、顶杆长、质量大，运动件质量较大，针阀上升和下降时间
40、相对较长；,图6-13b为下置弹簧的低惯量喷油器，其特点是： 弹簧下置、顶杆短、质量大大减小，运动件质量较小，针阀上升和下降速度快，有利于喷油过程的改善。 一般对于n3000 r /min的柴油机，建议采用低惯量喷油器。 但低惯量喷油器弹簧外径小，机械应力和热应力大，故对弹簧质量要求相对提高。,减小针阀运动惯量的其它方法： 1、减少针阀直径 为了进一步减小运动惯量，可以采用减小针阀直径来进一步减小喷油器运动惯量。如， P系统喷油器-针阀直径为4mm，比常用S系列喷油器（针阀直径6mm）运动件质量减少了一半以上。 2、减小喷油器外径 可以减小相应的针阀直径。也有利于增大气门直径和气缸盖鼻梁区的结
41、构设计。,二、喷油器调整参数开启压力p0 下图是一个喷油器针阀偶件结构图。 针阀由调压弹簧紧压在针阀体密封座面上，压紧力 F 由预紧力和弹簧刚度来决定，燃油压力作用在针阀的（在盛油槽内）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 （6-11）式中，dn为针阀直径；ds为针阀密封座面直径。 盛油槽,压紧力F,dn,ds,当喷油接近结束时，盛油腔内的油压下降。针阀在弹簧压紧力的作用下下行，针阀向下落座，喷油停止。 此时油压称之为喷油器的关闭压力 ps，其计算式为（6-12） 可见：当压紧力 F 不变时，喷油器开启压力p0要大于喷油器关闭压力ps 。 因关闭压力越接近开启压力，喷雾质量越好。所以，减小密封座面直径 ds 可以改善雾化质量。 喷油器开启压力调整范围： 在喷油系统参数一定时，喷油器开启压力决定了喷油系统的油压。p0越大，高压油管内峰值压力pN越高，一般pN是p0的24倍。 对轴针式喷油器，开启压力p0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。,
