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性能特点和作用说明 |
孔式、轴针、电磁和压电式喷油器工作原理图解 |
摘要：喷油器是柴油机燃油供给系中实现燃油喷射的重要部件，其功用是根据柴油机混合气形成的特点，将燃油雾化成细微的油滴，并将其喷射到燃烧室特定的部位。按照喷油器线圈电阻大小，喷油器可分为低阻抗喷油器和高阻抗喷油器两种。低阻抗喷油器线圈电阻一般为2-3欧姆，高阻抗喷油器线圈电阻一般为13-16欧姆。低阻抗喷油器可采用电流驱动和电压驱动方式，高阻抗喷油器仅采用电压驱动，三种驱动方式，低阻抗喷油器电流驱动响应性好，低阻抗喷油器电压驱动响应性次之，高阻抗喷油器电压驱动响应性再次之。
一、孔式喷油器的结构和工作原理
1、适用
孔式喷油器适用于统一式燃烧室。
2、特点
① 喷孔的位置和方向与燃烧室形状相适应，以保证油雾直接喷射在球形燃烧室壁上。
② 喷射压力较高。
③ 喷油头细长，喷孔小，加工精度高。
3、结构
如图1所示，喷油器由针阀和针阀体构成。喷油器有长型和短型两种结构形式。前者将喷油器加长，针阀的导向部分远离燃烧室，以减少针阀受热及变形，从而避免针阀卡死在针阀体内。另外，由于细长杆有很好的弹性，在微小变形的情况下仍能保证针阀的密封性，所以长型喷油器多用于热负荷较高的柴油发电机上。
① 承压锥面：
承受高压油腔中油压的作用，使针阀产生向上的轴向推力，克服调压弹簧的预紧力及针阀与针阀体间的摩擦力，使喷油器实现喷油。
② 密封锥面：
与针阀体内的密封锥面配合，以实现喷油器内腔的密封。
③ 喷孔：
喷油器有一个或多个喷孔。有一个喷孔的称为单孔喷油器，有两个喷孔的称为双孔喷油器，有三个以上喷孔的称为多孔喷油器。一般喷孔数目为1～8个，喷孔直径为0.2～0.5mm。喷孔数和喷孔角度依据燃烧室形状、大小及空气涡流情况而定。喷孔直径不宜过小，否则既不易加工，又在使用中容易被积炭堵塞。
④ 调压装置：
调压弹簧的预紧力通过顶杆作用在针阀上，将针阀压紧在针阀体内的密封锥面上，使喷油器关闭。调压弹簧的预紧力由调压螺钉调节。
4、工作原理
来自喷油泵的高压柴油通过高压油管送到喷油器，经进油管接头、喷油器滤芯以及喷油器体和针阀体内的油道进入喷油器内的压力室。油压作用在针阀的承压锥面上，产生向上的推力。当此推力超过调压弹簧的预紧力时，针阀升起并将喷孔打开，高压柴油经喷孔喷入燃烧室。当喷油泵停止供油时，喷油器压力室内的油压迅速下降，针阀在调压弹簧的作用下迅速落座，将喷孔关闭，终止喷油。孔式喷油器的工作原理如图2所示。
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图1 孔式喷油器的结构图 |
图2 孔式喷油器工作原理 |
二、轴针式喷油器的结构和工作原理
1、适用
轴针式喷油器适用于对喷雾要求不高的涡流室式燃烧室和预燃室式燃烧室-分隔式燃烧室。
2、特点
常有一个喷孔，直径较大，轴针上下运动，喷孔不易积炭，且能自除积炭。
3、轴针式喷油器的结构类型
① 普通型：
如图3左图所示，轴针较短，即节流升程较小，当轴针上升到其下端面完全离开针阀体上喷孔时，喷孔截面迅速增大，喷油速率迅速增大。由于喷油速率突然增大，易使柴油发电机工作粗暴。
② 节流型：
如图3右图所示，与普通型相比，节流型喷油器的轴针较长（形状不是圆柱体，可为阶梯状或倒锥体），节流升程较大，在喷油过程中轴针始终不会离开针阀体的喷孔，喷油初期的喷油速率较小，从而可以减缓燃烧过程初期气缸压力的增长，有利于降低柴油发电机最大爆发压力和压力升高率，从而使柴油发电机工作比较柔和，对降低柴油发电机燃烧噪声有利。
③ 分流型：
分流型喷油器除主喷孔外，还在针阀体的密封锥面上加工有分流孔，孔径一般为0.2mm，孔中心线与针阀体轴线成30°。当柴油发电机起动时，由于转速很低，喷油泵供油压力较小，因此喷油器的针阀升程较小，这时大部分柴油经分流孔逆气流方向喷到涡流室中心。因为逆气流喷射，燃油雾化好，加上涡流室中心的温度比较高，所以柴油容易着火燃烧，使柴油发电机在低温下顺利起动。当柴油发电机起动后，在正常转速下工作时，针阀升程较大，大部分柴油从主喷孔顺气流方向喷入涡流室。
4、工作原理
轴针式喷油器的工作原理与孔式喷油器相同，如图4所示。轴针式喷油器的喷孔直径一般为1～3mm，喷油压力较低，一般为12～14MPa。特点是：
① 不喷油时针阀关闭喷孔，使高压油腔与燃烧室隔开，燃烧气体不致冲入油腔内引起积炭堵塞。
② 喷孔直径较大，便于加工且不易堵塞。
③ 针阀在油压达到一定压力时开启，供油停止时，在弹簧作用下立即关闭，因此，喷油开始和停止都干脆利落，没有滴油现象。
④ 不能满足对喷油质量有特殊要求的燃烧室的需要。
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图3 轴针式喷油器的结构图 |
图4 节流型轴针式喷油器原理图 |
三、电控电磁阀式喷油器的结构和工作原理
1、适用
电磁阀式喷油器适用于电控高压共轨柴油发电机。
2、特点
① 对喷油定时的控制精度高（高于0.50CA），反应速度快。
② 对喷油量的控制精确、灵活、快速，喷油量可随意调节，可实现预喷射和后喷射，改变喷油规律。
③ 喷油压力高（电控高压共轨喷油系统高达160MPa），不受发动机转速影响，优化了燃烧过程。
④ 可靠性好，适用性强，可以在新老发动机上应用。
3、作用
电控电磁阀式喷油器是共轨柴油喷射系统的核心部件，其作用是根据ECU发出的控制信号，通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率（喷油规律）喷入燃烧室。
4、结构
电控电磁阀式喷油器的结构如图5所示。主要由燃油滤网、线束插座、电磁线圈、针阀阀体、阀座、复位弹簧、O形密封圈等组成。O形密封圈起到密封作用，密封圈防止燃油泄漏，密封圈防止漏气。滤网用于过滤油中的杂质，轴针与针阀阀体制成整体结构。阀体上端安装有一根螺旋弹簧，当喷油器停止工作时，弹簧弹力使阀体复位，针阀关闭，轴针压靠在阀座上起到密封作用，防止燃油泄漏。在燃油分配管上，设有喷油器专用的支座，支座为橡胶成形件，起到隔热作用，防止喷油器中的燃油产生气泡，有助于提高发动机的高温起动性能。
5、工作原理
① 初始状态：
当喷油器电磁阀未被触发时，小弹簧将电驱的球阀压向释放控制孔上，在控制腔内形成共轨高压；同样，喷油器腔内也形成共轨高压，共轨压力对控制柱塞端面的压力和喷油器弹簧的压力与高压燃油作用在针阀锥面上的开启力相平衡，使针阀保持关闭状态。
② 喷油开始状态：
当电磁阀被触发时，电驱将泄油口打开，燃油从阀控制室中流到上方的空腔中（从空腔通过回油管道返回油箱），使控制室压力降低；控制室压力降低，减少了作用在控制柱塞上的力，这时喷油器针阀被打开，喷油器开始喷油，如图6左图所示。
③ 喷油结束状态：
电磁阀一旦断电不被触发，小弹簧力会使电磁阀电驱下压，球阀将泄油孔关闭；泄油孔关闭后，燃油从进油孔进入控制室建立起油压（这个压力为油轨压力），这个高压作用在控制柱塞端面上，油轨压力加上弹簧力大于针阀锥面上的压力，使喷油器针阀关闭，如图6右图所示。
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图5 电控电磁阀喷油器结构图 |
图6 电控电磁阀喷油器状态图 |
四、电控压电式喷油器的结构和工作原理
1、适用
电控压电式喷油器适用于电控高压共轨柴油发电机系统。
2、结构特点
电控压电式喷油器的结构如图7所示。
① 压电执行器实际上无滞后时间。
② 开、关非常迅速而且精确。
③ 可重复性非常好。
④ 结构设计造成诸如间隙之类的误差。
⑤ 在使用寿命期内性能稳定。
3、作用
根据ECU发出的控制信号，通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率（喷油规律）喷入气缸燃烧。
4、工作原理
喷油器针阀由一个伺服阀控制，喷油量则由其控制持续期决定。以图8所示说明其工作原理。实现压电式喷油器功能的主要组件是压电执行器、液压接杆、伺服阀和喷油器。压电执行器在非工作状态时处于原始位置，伺服阀关闭。高压范围和低压范围相互隔断。此时，液压接杆补偿可能存在（例如由干热膨胀所引起的）间隙，喷油器借助紧接着控制室的共轨压力保持关闭状态。压电执行器起作用时将伺服阀打开，从而使控制室中的压力降低，喷油器开启。若伺服阀关闭，控制室中的压力随之增大，喷油器针阀也随之关闭。
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图7 电控压力式喷油器结构图 |
图8 电控压力式喷油器原理图 |
这种压电喷油器被设计成没有机械力通过推杆作用在喷油器针阀上，因此运动质量和摩擦大大降低，并且喷油器的稳定性和喷油误差比通常的电磁阀控制喷油系统明显改善。伺服阀与喷油器针阀的紧密连接使得针阀对压电执行器的动作能直接做出迅速的反应，控制始点与喷油始点之间的延迟时间总共约150μs，这样就能获得高的针阀速度和重复性较好的最小喷油量。
同时，这种压电喷油系统还能实现很短的喷射间隔，其工作过程如图9所示。其中，图10示范性地示出了每循环5次喷射的实例，其喷射次数和时刻能与发动机工况相匹配。
从功能和可靠性观点出发，压电共轨喷油系统对高压零件清洁度的要求比通常行程控制的喷油系统更高。
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图9 电控压力式喷油器工作过程 |
图10 喷油器柔性控制实例每循环5次喷射示意图 |
总结：
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，其工作条件十分苛刻，因此它是影响柴油机设计指标和使用性能的关键部件。喷油器应满足不同类型的燃烧室对雾化特性的要求。一般说来，喷注应有一定的贯穿距离和喷雾锥角，以及良好的雾化质量，而且在喷油结束时不发生滴漏现象。
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