探究柴油机的喷射延迟期及其影响因素

课程：柴油机喷射技术与排放控制题目：柴油机的喷射延迟期定义及其影响因素学院：交通运输工程学院专业：车辆工程（学硕）探究柴油机的喷射延迟期及其影响因素柴油机由于其独特的优越性能：热效率高、燃料消耗率低、低速大扭矩和使用寿命长，所以应用范围较广泛。但柴油机亦有噪声高、污染大等缺点，因此，随着环境污染的严重，世界各国都对柴油机的发展提出了更高的要求。在很大程度上，柴油机的燃烧过程在决定了柴油机的各项性能指标，因此对柴油机燃烧过程的合理组织是改善柴油机综合性能的根本途径。而柴油机的燃烧过程与柴油机的进气系统与喷油系统密切相关，在进气系统方面，到现在为止人们已经采用进气增压、增压中冷、可变几何涡轮增压器、组织进气涡流、可变几何进气道、废气再循环（EGR）等技术。故目前对柴油机的研究主要集中在喷油系统方面。当前喷油系统的研究有两个方面：1、加强对喷油系统参数调控的灵活性，特别是喷油量控制、喷油始点提前、喷油率形成及喷油压力调节等方面，以形成理想的喷射规律如预喷射、三角形喷射等。2、进一步提高喷油压力，改善混合气的质量。研究表明，高压喷射是改进柴油机效率、排放和经济性的合理途径。提高喷射压力使燃油从喷嘴出口速度增加，从而得到较高的燃油和空气之间的相对速度，从而有利于燃油射流中微粒平均直径减小，于是蒸发速度加快；提高压力后，喷射动量增加，这就加速了燃油雾注在燃烧室内空气中扩散，通过空气与燃油更迅速的混合，混合气更充分的均匀化，从而改进了燃烧过程，有利于提高热效率和减少碳烟排放。燃油喷射系统是柴油机的核心部件,由于燃油系统存在不可忽略的延迟因素，如高压油管的液力延迟、喷油器开启压力等因素，因此燃油喷射过程存在一定的时间延迟。经典的燃油喷射系统由喷油泵和喷油器组成，它们之间用高压油管相连（图1）。图1喷射系统示意图一、喷射延迟的定义喷射延迟是指对空气流量相关传感器开始采样到最终形成混合气的时间。通过在喷油泵和喷油器安装的传感器，进行压力和针阀升程的记录，结合喷射过程示波图（图2）,将喷射过程分为3个阶段:图2喷射过程示波图1、喷射延迟期T：即从柱塞将进油孔关闭，到针阀开启（图3）。321tttT式中：1t--从柱塞压油开始到出油阀离开阀座的时间；2t--压力波从油泵到油嘴，在高压油管中以声速传播时间；3t--从压力波到达油嘴，至针阀开始上升所需要的时间；图3喷射延迟期示意图2、主喷射期：从针阀开启到柱塞回油孔打开。3、自由喷射期：从柱塞回油孔打开到针阀落座。其中对喷射延迟期定性分析的具体算法：（1）1t---从柱塞压油开始到出油阀离开阀座的时间：2110/pntpposdrpouEFPPPVt（s）式中：poV——压油时柱塞腔初始容积（3cm）；poP——柱塞腔初始压力（MPa）；rP——高压油管内残余压力（MPa）；sdP——出油阀弹簧安装压力（MPa）；pF——柱塞面积（2cm）；E——燃油弹性模数（MPa）；pntu——柱塞平均速度（m/s）；泵腔容积愈大，管内残余压力愈大，柱塞速度愈小，则1t愈长。一般所占时间很短，只有在低速时，由于渗漏量增加才可重视。（2）2t---压力波从油泵到油嘴，在高压油管中以声速传播时间:2210/12aLNt（s）式中：L——高压油管长度（cm）；N——正整数，当一次压力波到达油嘴即开始喷油时，N=0；a——压力波在燃油中传播速度；（3）3t---从压力波到达油嘴，至针阀开始上升所需要的时间:2310/mrrsnDuEFPRPVt（s）式中：DV——喷油器内高压容积（3cm）；snP——针阀弹簧预压压力（MPa）；R——针阀平均单位面积摩擦压力（MPa）；rP——喷油器油路内残余压力（MPa）；rF——喷油器油路内孔截面积（2cm）；E——燃油弹性模数（MPa）；mu——喷油器油路内燃油平均速度（m/s）；3t一般为2t的1/2，1t很小。如果高压油管内的燃油中存在微量的气泡，而且燃气回窜到喷油嘴内腔时，则音速a将显著降低，此时2t就相当长。喷油延迟时间一般以柴油机曲轴转角θ表示：nt6（CA）由此可见喷油延迟角与转速n成正比。喷油延迟时间用计算方法准确地确定比较困难，容易产生偏差，由于存在动力学的原因，实际延迟时间较静力分析值小，故一般采用实验确定时间。二、影响喷油延迟的因素柴油机的喷射延迟特性一方面取决于燃油喷射系统的结构参数，另一方面也取决于不同的运行工况。主要有以下几个方面：1、柱塞直径和喷孔直径增大柱塞直径时，供油速率增大，喷射延迟角和喷油持续角减小，喷射延迟变小。增压机通常加大柱塞直径以缩短喷油持续期，同时减小喷油提前角。设采用电控标准单体泵，柱塞直径为D1，喷油器喷孔直径为D2，在其它结构参数（计算条件不变）一致的情况下，改变柱塞/喷孔直径比，对不同柱塞/喷孔直径比下的喷油压力和喷油速率进行仿真对比。从仿真结果（图4）可知：喷射压力与柱塞/喷孔直径比成正比；喷油速率与柱塞/喷孔直径比成反比；柱塞的直径与喷孔的直径比决定了燃油喷射系统可能达到的最大喷油压力和最大喷油速率。图4不同柱塞/喷孔直径比下的最大喷射压力与喷油速率2、柱塞速度及转速柱塞速度越大，喷射延迟角和喷油持续角越小，喷射延迟变小，所以一般选柱塞速度的高速部分为有效工作段，以提高喷油速率，减小喷油持续角，提高雾化质量。采用电控标准单体泵，在相同的脉宽时间和供油量下，提高转速使柱塞的运动速度加快，喷射延迟时间变短（图5）。图5不同转速下喷射延迟期特性3、高压油管长度高压油管要有足够的燃油流量减小燃油流量的压降，使得管路中的压力波动小，可以承受高压燃油的冲击作用。当油管越长，管径越大，启喷压力越高，喷射延迟期越长。4、出油阀弹簧的刚度出油阀弹簧要求易实现自动控制，使得减压输出压力稳定，控制压力调节灵活，控制精度高，当增大弹簧刚度时，喷射延迟增大。5、高压系统容积和减压容积燃油系统通过气动开关阀和减压容器调节高压气动系统的输出压力。按照要求对容积冲放气进行控制，减小能量转换损失，提高有用能的使用效率。当增大高压系统容积时，喷油延迟也随之变大。当系统减压容积增大时，喷油延迟也变大。6、针阀开启压力和残余压力作为开关管道的精准阀门，针阀耐受很大压力。面对高压力的燃油系统，针阀开启压力增大时，喷油延迟也随之增大。在工作阶段，管道的残余压力增大时，有助于减小喷射延迟。7、喷油量喷射压力与发动机转速相关。当发动机转速上升时，凸轮转速亦上升，加快了泵柱塞的供油速度，因此也加速了喷油压力的建立速度，致使喷油压力随转速上升而上升。随着喷油量的增加，泵端和嘴端的喷射压力都相应增加。采用电控标准单体泵，对发动机油量对喷射延迟的影响进行了仿真（图6）：图6不同循环供油量下的喷射延迟期特性从仿真结果可知：喷油量对喷射延迟的作用较小，但在一定程度上也有影响。三、总结喷射延迟是影响电控柴油机运行的重要因素，是制定电控柴油机控制策略的重要基础。以上仿真主要分析了柴油机运行因素对电控柴油机喷油特性（喷油压力、喷油速率、喷射延迟）的影响。作为柴油机喷射技术的重要组成部分，加深对喷射延迟的研究有重要的意义。