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柴油发动机燃油喷射的结构、分类和要求 |
摘要：燃油喷射系统是柴油机的重要组成部分之一，是柴油机实现高效、清洁燃烧的核心技术，在满足不同阶段柴油机排放法规中，都是以采用先进的燃油喷射系统为前提。燃油喷射系统性能的好坏，直接影响柴油机的动力性、经济性和可靠性等性能指标。随着近年来对柴油机燃油经济性和排放要求的不断提高，电控燃油喷射技术己经成为柴油机的发展趋势。
一、结构组成与工作原理
所有燃油喷射系统都包含三个基本组件：它们具有至少一个燃油喷射器（有时称为喷射阀），产生足够喷射压力的装置以及计量正确燃油量的装置。这三个基本组件可以是单独的设备（一个或多个喷油器、燃油分配器、燃油泵），部分组合的设备（喷油阀和喷油泵）或完全组合的设备（单元喷油器）。早期的机械喷射系统（鼓风喷射除外）通常将喷射阀（带针形喷嘴）与相对复杂的螺旋控制喷射泵结合使用，既可计量燃料，又可产生喷射压力。它们非常适合间歇性注射多点注射系统以及各种常规直接注射系统和腔室注射系统。微电子学领域的进步使喷射系统制造商能够显着提高燃油计量装置的精度。
1、构造
（1）喷油器由喷油头、膨胀阀和喷油嘴等部件组成。
（2）喷油头可以控制压力、喷射量、温度和湿度等参数，以确保喷油器的性能。
（3）膨胀阀可以使燃油混合物以更容易被喷油头和喷油嘴放出的方式来膨胀。
（4）喷油嘴利用排气活塞的作用生成一定压力，从而将燃油混合物喷射出去。
2、燃油混合物的生成
（1）先进的计算机控制系统会根据点火时间、冷却系统温度和发动机负荷等参数来调节喷油量。
（2）使用可变曲轴装置，控制火花塞的提前度，来调节发动机的运行情况。
（3）通过进气温度传感器、大气压力传感器和压力传感器来检测蒸发器中的温度、压力和流量。
（4）燃油经过燃烧控制喷油器后，即可形成燃油混合物，并以最佳燃烧效率形式出口。
3、工作原理
（1）当喷油器电磁阀未被触发时，小弹簧将枢轴盘下的球阀压向泄油孔上，泄油孔关闭，在阀控制腔内形成共轨高压。同样，在喷嘴腔内也形成共轨高压。共轨高压对控制柱塞端面的压力和喷嘴弹簧的合力高与高压燃油作用在针阀锥面上的开启力，结果，针阀被迫进入阀座且将高压通道与燃烧室隔离，密封，针阀保持关闭状态。
（2）当电磁阀被触发时，枢轴盘上移，球阀打开，同时泄油孔被打开，这时引起控制腔的压力下降，结果，活塞上的压力也随之下降，一旦活塞上的压力和喷嘴弹簧的合力降至低于作用于喷油嘴针阀承压锥面上的压力，针阀将被打开，燃油经喷嘴上的喷孔喷入燃烧室。这种对喷油嘴针阀的不直接控制采用了一套液压力放大系统，因为快速打开针阀所需的力不能直接由电磁阀产生，所谓的打开针阀所需的控制作用，是通过电磁阀打开泄油孔使得控制腔压力降低，从而打开针阀。
（3）电磁阀一旦断电不被触发，小弹簧力会使电磁阀铁芯下压，球阀将泄油孔关闭。泄油孔关闭后，燃油从进油孔进入阀控制腔建立起油压，这个压力为油轨压力，这个压力作用在柱塞端面上产生向下压力，再加上喷嘴弹簧的合力大于喷嘴腔中高压燃油作用在针阀锥面上的压力，使喷嘴针阀关闭。
（4）此外，因为燃油压力高，会在针阀和控制柱塞处产生泄漏，这些泄露油会通过回油孔流入喷油器的回油口。
二、喷油器分类
燃油喷射系统是柴油机的心脏部件，对柴油机的性能起着决定性的作用，而喷油器则是供油系统中的重要部件，它处于整个供油系统的终端，它的结构与参数选择对于喷油过程、喷雾质量、油束与燃烧室的配合，乃至整个混合气体形成与燃烧有着重要影响。同时喷油器直截安装在柴油机气缸盖上，喷油器头部高温燃烧气体直接接触，工作条件极为苛刻，因此它又是影响柴油机可靠性的关键部件之一。
1、按类型分类
喷油器分为开式和闭式两种开式。
（1）开式：
结构简单，但雾化质量和喷射性能较差，很少被采用。
（2）闭式∶
闭式喷油器又称液压启阀式，利用液压启阀原理，针阀向内开启，雾化质量好，广泛应用在各种柴油机上。闭式喷油器由本体、精密偶件针阀和针阀体、推杆、弹簧下座、弹簧、弹簧上座、调压螺钉、锁紧螺母以及高压滤器、进油管接头等部件组成，结构如图1所示。
2、按喷孔数目分类
喷油器分为单孔式和多空式单孔式，外形如图2所示。
（1）单孔式：
通常为轴针式，喷孔直径在0.25～1.25mm。孔径大，不易堵塞，喷出的油束成空心柱状或空心锥状，穿透力强，雾化油粒较大。这种喷油嘴用于采用分隔式燃烧室的小型柴油机。
（2）多孔式∶
普通型、长型，4～12个，喷孔直径 0.15～1mm 。雾化油粒匀细，分布较均匀，因孔径较小喷孔容易堵塞，适用于直接喷射式燃烧室。
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图1 闭式喷油器结构图 |
图2 孔式喷油器剖面图 |
3、按调压弹簧位置分
（1）弹簧上置式
普通喷油器因弹簧上置，顶杆长，质量大，致使针阀上升和下降时间较长，所以现代柴油发电机一般采用弹簧下置式。
（2）弹簧下置式
弹簧下置式也称为低惯量喷油器，外形如图3所示。这种喷油器调压弹簧靠近喷油嘴，挺杆等运动件质量和惯性小，减轻了针阀对座面的撞击和挺杆的跳跃，使针阀运动对油压变化反应灵敏，尤其是喷射终了时针阀关闭性能得到改善。对防止针阀座面穴蚀，避免燃气倒流造成油嘴结胶，卡死以及由于针阀反应不灵可能造成的后期喷射等不良现象都有明显效果。
低惯量喷油器中调压弹簧的的工作条件和负荷情况也得到了改善，因为弹簧可以浸入柴油中，运动件质量小，针阀运动速度和挺杆的超越升程在弹簧中引起的附加应力小，但是由于喷油体内空间有限，位置又接近热区，因而对弹簧的质量要求较为严格。
4、按结构形式分类
（1）冷却式喷油嘴
对于强化程度较高的中、低速柴油机，大都采用冷却式喷油嘴，外形如图4所示。这种喷油嘴在针阀体内部布置有冷却液流道用以冷却，也称为内部冷却。冷却液通常采用淡水或柴油。淡水导热系数大，冷却效果好。使用淡水冷却的喷油器冷却系统，是一个单独设立的冷却系统，称为喷油器冷却系统。
（2）非冷却式喷油嘴
燃油在喷油器内循环冷却；启阀压力不可调节；备用时可预热喷油器；兼有驱气作用。
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图3 弹簧下置式喷油器结构图 |
图4 冷却式喷油嘴示意图 |
三、燃油喷射系统的要求
为了使柴油机能达到全功率输出并能有效工作，它的燃油喷射系统必须满足下列要求：
1、喷油应正时
当柴油机启动、全负荷和高速运行时，燃油喷入汽缸的正时是非常重要的。因为柴油机启动时在上止点或接近上止点喷油时则最好，此时燃烧室中的空气最热，容易着火燃烧。柴油机启动后，高速运转时，喷油时间必须提前以补偿喷射滞后、着火滞后以及影响汽缸内燃烧的其他因素。因此，现代许多柴油机的喷油泵内均装有自动喷油提前器、转速提前器、内部提前器或其他提前装置，其目的以适应燃油喷射正时变化时，产生高功率、高效率。
2、喷油量的计量（测定)
燃油喷射系统必须很精确地测定供给柴油机的燃油量。由于柴油机从低速到高速时燃油需要量的变化是很大的，因此，燃油喷射系统应满足不同工况燃油需要量的要求。
3、燃油必须加压
柴油机的燃油喷射系统必须对燃油进行加压，以便打开喷嘴或泵喷嘴尖头。燃油加压压力，除了打开喷嘴所需的压力外，还需克服（2452～3138）kPa压缩压力把燃油喷入燃烧室。而喷嘴或泵喷嘴尖头压力的调定直接关系到燃油的雾化程度。当燃油以（10297～27459）kPa的高压泵经多孔或轴针周围才产生雾化。
4、燃油必须雾化
燃油经雾化后喷人燃烧室才能完全燃烧，否则燃油不容易燃烧。随着现代各种柴油机燃烧室设计的不同，要求燃油的雾化程度也是不同的。
5、燃油应按发火次序进行分配
燃油的分配与正时密切相关，必须准确并按柴油机的发火次序进行分配。分配式油泵向油泵的每个出油口送燃油，经油管按发火次序连接到各缸喷油器。
6、起始喷射和终止喷射的迅速控制
柴油机燃油喷射必须迅速起始和迅速终止。如果燃油喷射开始滞后就会改变油泵对柴油机的正时，造成启动困难和运转不良；若喷射终止滞后就会产生排气冒烟和不规则的排气噪声等弊端。
四、喷油规律
1、供油规律和喷油规律
喷油泵的单位转角供油量dgp/dφ随喷油泵凸轮转角φ（或时间t）的变化规律称为供油规律。单位转角喷入气缸的喷油量dgn/dφ随凸轮转角φ（或时间t）的变化规律称为喷油规律。
供油规律和喷油规律可用曲线表示，喷油开始时刻比供油开始时刻滞后约9°凸轮转角，喷油持续时间比供油持续时间延长约4°凸轮转角，而且曲线形状有较大的变化。这些差异正是燃油喷射延迟的结果。
直接影响燃油燃烧过程的是喷油规律，而喷油规律曲线的基本形状则是由供油规律确定的。
2、影响喷油规律的因素
（1）凸轮外形
在柱塞有效行程和供油始点相同情况下，凸轮外形越陡，油压上升越快，供油速度越大，喷油延迟角和喷油持续角越小;若凸轮外形较平坦，则油压上升较慢，喷油延迟角和喷油持续角将增大。
合理的凸轮外形应该是:开始供油段柱塞速度较小，以减少初期喷油量;供油的中期和后期，柱塞速度和喷射压力迅速提高，供油持续时间短。这样可使柴油机运转平稳，经济性高。柴油机类型不同，所用凸轮的外形不同。凸面凸轮的外形较平，柱塞速度较低，适用于中，低速柴油机;切线凸轮外型较陡，柱塞速度较高，适用于中，高速柴油机;凹面凸轮外形更陡，柱塞速度最高，适用于高速柴油机，但因加工困难，目前应用不多。
此外，还有两次喷射的双凸峰凸轮。两次喷射使柴油机运转平稳，热效率也较高。
（2）凸轮有效工作段
有效工作段是指柱塞有效行程所对应的凸轮轮廓线。应把凸轮的有效工作段选在柱塞运动的高速部分以减少喷油持续角提高雾化质量。
（3）柱塞直径和喷孔直径
当每循环供油量和柱塞速度不变时，柱塞直径加大，使喷油速度增大，喷油持续角减小，有利于燃烧过程在上止点后附近结束，改善了柴油机的经济性，工作粗暴。在增压柴油机中，为了增加每循环的供油量，而喷油持续时间不延长，通常加大柱塞直径。但为防止柴油机工作粗暴，应适当减小供油提前角。
喷油孔的孔数不变而直径减小时，由于节流作用增强，喷油压力增加，此时雾化质量较好。但喷油持续时间增长，每度凸轮转角的燃油喷射量（喷油速率）减小。由于高压油管中的压力增加，容易产生重复喷射现象。
（4）高压油管尺寸
油管越长，喷射延迟阶段越长，实际喷油提前角减小而喷射持续时间基本不变。因此，多缸柴油机各缸高压油管长度应相等。在各缸油管长度不一的柴油机上，为保证各缸喷油规律一致，油管较长的气缸其供油提前角应相应增大。
油管内径越小，流阻越大，喷射延迟阶段愈长。
（5）柴油机的负荷与转速
当柴油机的负荷及喷油正时不变而转速增高时，喷射延迟阶段和喷油持续角加大，单位凸轮转角的喷油量减少。当柴油机转速和喷油正时不变而增加负荷时，其喷油始点基本不变而终点后延，使喷油持续角增大。
结构：
燃油正常喷射的特征是在柴油机每一工作循环的喷油过程中针阀只启闭一次，针阀升程曲线基本为一梯形，每一循环高压油管中的残余压力也基本相同。正常喷射以外的各种喷射型式均属不正常喷射。因此，现代柴油机一般采用电子喷射喷油器，对喷油定时，喷油量和喷射率在内的喷油规律实行的最优控制，来完善柴油机的燃烧，使柴油机具有较好的经济性能和较低的废气排放，达到优化运行。
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