章 燃油雾化与油束特性

燃油雾化研究的复杂性
1. 动态过程(任一瞬间并不平衡) 2. 影响因素多。喷嘴结构、喷射压力、缸内压力、温度、气
流……，各自的雾化机理不完全相同，雾化理论也不成熟。
例如：较低压力的孔式喷嘴实心圆锥油柱的破裂；超高压喷油喷孔内 就雾化 ；涡旋式阀座喷嘴空心圆锥燃油薄膜的破裂。
3.气缸内油束生成、变化过程复杂。包括：油束雾化、油滴破 裂、油滴碰撞和聚合、油束碰壁、燃油多种成分蒸发，等
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1. 单体泵
目的：提高泵体刚度
1）泵体刚度大 2）高压油管短单体 泵泵压100MPa以上（最 大可达160~180MPa） 3）总体积大，但分开 布置对发动机总体积影 响不显著
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电控单体泵
缸体
高压室 进油孔
高压接头
电磁铁
电磁阀顶针
电磁阀弹簧
滚柱
挺柱弹簧 滚柱挺杆
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4.目前无法进行准确数值计算。上述过程发生的时间和空间标 尺常常小于目前计算机容量所能允许的网格尺寸（统计法）。
5.准确测量观测难。密集的油滴使激光技术的应用很困难，描 述油滴破裂、聚合等动态过程的实验数据很少。许多理论 建立在假设的基础上。
二、油束特性参数研究
1. 油束射程（对缸内气流弱的内燃机尤为重要）

t3=f（油管长度L，喷油P，高压系统容积，出油阀减压作用等）
供油延续角：6np(t1+t2)；喷油延续角：θf=6np(t2+t3)
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2.实际喷油规律与几何供油规律
（1）喷油延迟角；
（2）喷油延续角 =1.3~1.7 供 油 延 续 角；
（3）规律曲线不同；
（8）开启压力
……
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泵凸轮
柱塞堵住 进出油孔
泵室油压 逐渐上升
>出油阀 开启压力
阀开产生正 压力波△p 下
一
高压系统内 ∑△p>针阀开 启压，针阀将
泄漏、膨胀 油可压缩
脉 管内△p 冲 音速传播
二次开启
膨
管膨胀 胀
针阀 出油 落座 阀落
座
△p衰减 终 衰 减
喷油器 止 余△p>针
⑴对大缸径静止空气燃烧室，Dent（登特）公式为：
L

3.07
p
g
1/
4
t

d
0
1/
2

294 Tg
1/
4
计算用时间为t，单位为s；喷孔直径为d0，单位为m；喷孔内 外压降为Δp，单位为Pa；空气温度为Tg，单位为K；空气密 度为ρg，单位为kg/m3。
常见 高压供油系统，大 低压供油系统（轴针 高压供油系统， 低压供油系统，
工况 负荷，高n
式）
小负荷，低n 低速、低负荷
影响
1. C烟增
2.油耗率be增 3.后燃，排温Tr增 4.热负荷、可靠性
5.积C、堵塞喷油 器孔。
1.影响快开快闭
2.噪音
3.高压系统可靠性 （穴蚀、堵塞）
1.供油、燃烧、 雾化
解决：采用限流器，当持续喷油量大于每循环最大喷 油量的3倍时，切断供油。
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限流器结构及原理
1 = 共管 2 = 自高压泵来的供油 3 = 共管压力传感器 4 = 限压阀 5 = 回油 6 = 流量限制器 7 = 到喷油器的高压管
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预喷与多级喷射
除普通可预喷的高压共轨式燃油供给系统外，现正在研究多级喷射的高 压共轨系统。
（4）供油系数 ηt=0.6~0.9= 实 际 喷 油量/理论供油量
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4. 异常喷射
(一)二次喷射 (二)空泡与穴蚀 (三)不规则喷射 (四)断续喷射 (五)隔次喷射 (六)后喷滴油
种类
(一)二次喷射 (二)空泡与穴蚀 (三)不稳定喷射 (四)后喷滴油
不规则喷射、断续喷 射、隔次喷射统称 “不稳定喷射”，严 重程度依次增加
第四章 燃油雾化与油束特性
高等内燃机学
北京理工大学
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介绍内容
一、供喷油系统及喷油过程 二、油束特性参数研究 三、油束分裂与雾化模型
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一、供喷油系 统及喷油过程
一）燃油喷雾
二）供喷油过程 三）供喷油系统发展
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一）燃油喷雾
1、性能优越的基础：油气室匹配合理 2、不是雾化越好对燃烧越有利（工作粗暴）
后喷滴油
1. 残p大； 2.残Δp大
原 因
1.流动气泡：节流、 突变；高压、爆裂 →冲击波、流动穴 蚀
2. 波动气泡：←压 力波动、振动；高 压→波动穴蚀
供油压力≈针阀 开启压力
1.后期，关闭 慢，油压低、 喷油量少
2.速度低
3.残余压力过 高
1.减小高压系统容积、减 1. 减 小 出 油 阀 减 压 1.变设计点，趋 1.增加喷油器
增长因素：t1/2、d01/2、Δp1/4；缩短因素：空气Tg-1/4、ρg-1/4
1. 油束射程
⑵对小缸径高速柴油机，新井（Rrai）公式：
当t≤tb油束射程与时间t成正比
L Lb
0.034
g
1/ 2


t d0
1/ 2

p


1/ 2
式中：tb
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供油系统发展趋势
高压：
防泄漏（一体化） 防高压系统变形（刚度、容积） 减少高压系统压力波动（节流
阀、等压阀）
喷油规律可控
可控性（起点、压力、规律、
多次喷射）
1）燃烧粗暴度→噪音
随工况稳定性（变速、变负荷）
改善雾化特性
2）燃烧效率
3）排放：NOx、PM…
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普通高压共轨式电控喷射系统的问题
（1）主喷射的初期喷射率太高，NOx高。 解决：利用两级阀降低初期喷压，采用预喷。
（2）针阀惯性大，停油时的最后一滴油的压力很低，使C 烟及HC排放高。
解决：主喷以后紧接一个后喷。 （3）喷针上持续作用着高压，一旦卡死，油将持续喷入缸 内，引起发动机毁坏。
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3. 影响燃油喷雾的因素
（1）燃料蒸发、雾化特性：
（2）喷孔直径dc； （3）喷孔内外压差Δ p←喷油压力，
喷油泵凸轮型线
（4）缸内工质密度ρ
大，雾化好，
a
但Lf变小。
（5）喷油期间喷雾质量的变化。
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柴油机供油系统组成
直列柱塞泵
喷油器
高压油管
滤清器
燃油箱 2016/3/12
3=分配转塞
4=分配套筒
5=油泵 ECU5
6=高压电磁阀
7=喷油起始控制电磁阀 8=正时活塞
9=凸轮2环016/3/12 10=驱动轴
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喷油器
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二）燃油喷射过程
凸轮型线
柱塞直径
柱塞螺旋槽
（1）燃油可压缩
（2）泄露
（3）节流
（4）高压系统变形
（5）压力波传递
（6）压力波波动
（7）运动件惯性
喷油泵
调速器 油水分离器
输油泵
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柱 塞 式 喷 油 泵
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柱塞式喷油泵
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滚轮体
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柱塞式喷油泵
★要保证高
压、开闭快 捷、稳定、 可靠，应特别
关注：
1.系统变形 2.压力波动 3.密封
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转子分配泵
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径向压缩式分配泵
1=滑片式输油泵 2=转角传感器
从一次预喷到多级喷射： （1）第一次预喷为了冷起动 （2）第二次为正常预喷 （3）主喷 （4）紧接着的后喷射为了降低C烟和HC排放 （5）第二次后喷使排气升温以利于排气与催化剂产生化学反应 （6）延迟喷射为提高排气温度，部分HC参与还原NOx。 多级喷射喷油器正在研制中（要求3~4ms内，要振动5、6次；各次喷 射的稳定性与精确控制问题；关闭时电磁阀盘有缓慢衰减振动）。

t1=f [节流影响，压力传播时间（油管长度L），燃油从剩余压力升
高到针阀开启时间（高压系统容积）]
（2）第二阶段：喷油开始→……→喷油泵开始回油（泵油结束）

t2=正常供油f（柱塞D，柱塞有效行程，凸轮轮廓，负荷等）
（3）第三阶段： （断油延迟）喷油泵开始回油（泵油结束）→……→ 针阀落座
Injectio n Rate
- 602016/3/12
TDC
+ 60
+ 120 °CA 36
燃油雾化的重要性
增加蒸发气化面积、增大燃烧率（~成正比） 质量燃烧率~反比于油滴平均直径平方值。 将3mm直径的油滴雾化成直径为30m的细
油滴1百万颗（当前喷油容易实现），则燃烧率可增 加1万倍。 改善柴油机燃烧特性和排放特性 保证起动可靠性
量化指标：索特平均直径SMD→单位体积油量汽化表面积的倒数；
k
Nidi3
SMD
1 k
N
i
d
2 i
1
Ricardo公司提出的经验公式：
SMD 207.6dc0.416p0.351
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2. 油束结构
（1）结构参数：(a)油束锥角α f；(b)射程，穿透距离Lf （2）油束穿透率Lf/L0；有涡流=1.05；无涡流=0.95~1
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增压式共轨系统与压电式喷油器
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高压共轨式电控喷射系统的优点
①高喷压>200MPa；
②喷压独立于发动机转速；
③可预喷和后喷，调节喷油 率的形状，实现理想喷油规 律；
④喷油定时和喷油量可控；
⑤喷油特性好、排放、噪声、 经济性好；
⑥可靠性好，适应性强，可
以在新老发动机上使用。
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二次喷射
空泡与穴蚀
不稳定喷射
后喷滴油
1. 残p大； 2.残Δp大 原因
1.流动气泡：←节流、 供油压力≈针阀 突变；高压→爆裂→ 开启压力 冲击波→流动穴蚀
2. 波动气泡：←压力 波动、振动；高压→ 波动穴蚀
1. 后 期 ， 关 闭 慢 ， 油压低、喷油量 少
2.速度低
3.残余压力过高
2.油Leabharlann Baidu率be增 3.功率下降
4.排放增
1.雾化差、烟度； 2.油耗高 3. HC增 4.积C、堵塞喷 油器孔
判断
1.针阀升程（供油 1.油压波动
后）
2.油管振动
2.现象：排放、突
然油耗增加、积C、
堵塞
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1.针阀升程（供 1.常见工况与现
油时）抖动
象
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解决措施
二次喷射
空泡与穴蚀
不稳定喷射

28.65
g


p
d0
/
1/
2


未减速的时间
Lb 15.8d0
g
1. 油束射程
当t ≥ tb油束射程与时间t的1/2次方成正比
4.提高针阀开启压力（但 防p过低
射；
强减压作用
残Δ p大、残p也大）
5.避免节流
4.稳定油压，减 4.采用低惯量 小油压波动；加 喷针→关闭迅
阻尼→但易穴蚀 速
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5. 喷油泵特性
1. 速度特性。 (1)定义：齿杆位置不变， 供油量q=f（n）
n↗→油量q↗ .or. q ↘?
是
阀开启压？
燃油喷射过程 压力波动 针阀开油 是
否
喷油器
针阀抖动 喷入气缸
余△p<针 阀开启压？
管收缩△p 幅值衰减
管内△p 音速传播
产生负压 力波△p
柱塞打开 进出油孔
否2016/3/12 收缩终幅值衰减止
下一脉冲
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1. 供喷油过程
1. 供油过程(以普通“泵—管—嘴”供油系统为例)
（1）第一阶段：（喷油滞后）喷油泵柱塞关闭进油孔→……→针阀开 启燃油喷入气缸
(2)原因： n↗→ ①节流↗ 、 ②泄露↘ 、 ③油惯性↗→油量增加。
(3)影响：
① 飞车问题；
② 稳定性(需要低速大转矩)
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三）供喷油系统发展
普通柱塞泵的喷油压力低——～60MPa，为什么？
实现高供压的条件 ⑴压缩容积↗ 、 燃料可压缩性↘ ⑵密封↗ ⑶系统体积变形↘ （油腔、管路等） ⑷系统刚度↗ ⑸系统压力变化↘ （容积变化就小）
泵压一定，喷孔D小，雾化好 雾化好→雾滴细小、均匀，利于混合 雾化好→油的射程减小，在喷油器附近汽化， 不能很好利用远离喷油器处的空气。 3、一般油粒尺寸约在5~40μm，并且要与燃烧室形 状、缸内气体流动情况等配合好。 4、雾化状况的评价依据：喷雾特性
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1. 喷雾特性
1. 喷雾特性（不同直径油滴数量的分布曲线）
小油压波动
作用
于低转速
弹簧预紧力
解 2.增强出油阀减压作用、 2.保持残压一定
2. 限 制 怠 速 速 度 ，2. 减 小 喷 孔 直
决 但要防止Δ p增大
3. 控 制 减 压 、 别 太 n怠↗
径
措 3.出油阀：阻尼、等压， 快
3.针阀开启压力 3.增加出油阀
施 削Δ p
4. 出 油 阀 ： 等 压 阀 ，↘→但易二次喷 减压容积→增
停止挡块
基板 26
2.电控泵喷嘴
轴针弹簧的预紧 力300 bar 燃油的压力可能 达到2050bar
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3 PT 喷油器
目的： 柱塞与针 阀功能合 二为一。
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PT 喷油器
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4. 共轨供油系统
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电液控制 喷油器
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