4章1燃油雾化与油束特性

影响
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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解决措施
二次喷射 1. 残p大； 2.残Δp大 原 因 空泡与穴蚀 不稳定喷射 后喷滴油 1.流动气泡：节流、 供油压力≈针阀 1.后期，关闭 开启压力 突变；高压、爆裂 慢，油压低、 →冲击波、流动穴 喷油量少 蚀 2.速度低 2. 波动气泡：←压 3.残余压力过 力波动、振动；高 高 压→波动穴蚀 1. 减 小 出 油 阀 减 压 1.变设计点，趋 1.增加喷油器 作用 于低转速 弹簧预紧力 2.保持残压一定 2. 限制怠速速度，2. 减小喷孔直 径 3. 控 制 减 压 、 别 太 n怠↗ 快 3.针阀开启压力 3.增加出油阀 4. 出 油 阀 ： 等 压 阀 ，↘→但易二次喷 减压容积→增 射； 强减压作用 防p过低 4.稳定油压，减 4.采用低惯量 5.避免节流 小油压波动；加 喷针→关闭迅 阻尼→但易穴蚀 速
>出油阀 开启压力
阀开产生正 压力波△p 管内△p 音速传播 管膨胀 △p衰减
下 一 脉 冲
针阀 落座 是
出油 阀落 座
喷油器 余△p>针 阀开启压？ 压力波动 针阀抖动 管内△p 音速传播 针阀开油 喷入气缸 产生负压 力波△p 是 柱塞打开 进出油孔
膨 胀 终 衰 减 止
燃油喷射过程
喷油器 余△p<针 阀开启压？ 管收缩△p 幅值衰减
1. 喷雾特性
1. 喷雾特性（不同直径油滴数量的分布曲线）
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
SMD
N d
i
3 i 2 i
N d
i 1
1 k
Ricardo公司提出的经验公式：
SMD 207.6d c0.416p 0.351
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2. 油束结构
p L 3.07 g
1/ 4
t d 0
1/ 2
294 T g
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。 增长因素：t1/2、d01/2、Δp1/4；缩短因素：空气Tg-1/4、ρg-1/4
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 （8）开启压力 ……
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泵凸轮 高压系统内 ∑△p>针阀开 启压，针阀将 二次开启
柱塞堵住 进出油孔
泵室油压 逐渐上升 泄漏、膨胀 油可压缩
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
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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 1. 后期，关闭慢， 突变；高压→爆裂→ 开启压力 油压低、喷油量 冲击波→流动穴蚀 少 2. 波动气泡：←压力 2.速度低 波动、振动；高压→ 3.残余压力过高 波动穴蚀
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） ⑴对大缸径静止空气燃烧室，Dent（登特）公式为：
否
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 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）]
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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； （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
种类
(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 (一)二次喷射 (二)空泡与穴蚀 (三)不稳定喷射 (四)后喷滴油


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。 2016/3/12

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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。
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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。 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）。
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 2）燃烧效率 3）排放：NOx、PM… 24
随工况稳定性（变速、变负荷）
改善雾化特性
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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
Injection Rate
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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
2、不是雾化越好对燃烧越有利（工作粗暴）
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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解 决 措 施
1.减小高压系统容积、减 小油压波动 2.增强出油阀减压作用、 但要防止Δ p增大 3.出油阀：阻尼、等压， 削Δ p 4.提高针阀开启压力（但 残Δ p大、残p也大）
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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 ↘? (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)
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
g L 0.034 Lb
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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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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；
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电控单体泵
高压接头 缸体 电磁铁
高压室
进油孔
电磁阀顶针
电磁阀弹簧
基板 挺柱弹簧 滚柱 2016/3/12 滚柱挺杆 停止挡块 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。
（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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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 a大，雾化好， 但Lf变小。 （5）喷油期间喷雾质量的变化。
（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。 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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转子分配泵
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径向压缩式分配泵
1=滑片式输油泵 3=分配转塞 5=油泵 ECU5
2=转角传感器 4=分配套筒 6=高压电磁阀 8=正时活塞
7=喷油起始控制电磁阀
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喷油器
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二）燃油喷射过程
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
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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）
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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

（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 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)
高压供油系统， 低压供油系统， 小负荷，低n 低速、低负荷 1.供油、燃烧、 雾化 2.油耗率be增 3.功率下降 4.排放增 1.针阀升程（供 油时）抖动 1.雾化差、烟度； 2.油耗高 3. HC增 4.积C、堵塞喷 油器孔 1.常见工况与现 象
常见 工况
高压供油系统，大 低压供油系统（轴针 负荷，高n 式） 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）
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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柴油机供油系统组成
直列柱塞泵
喷油器
高压油管 滤清器
喷油泵
燃油箱 调速器
油水分离器
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输油泵 8
柱 塞 式 喷 油 泵
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柱塞式喷油泵
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：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.系统变形 2.压力波动 3.密封