内燃机的燃料供给与调节6-1.

第六章内燃机的燃料供给与调节内燃机燃料供给与调节系统是内燃机最重要的系统之一，其主要功能是为内燃机缸内混合气形成与燃烧提供所需的燃料。由于它对内燃机的燃烧及其主要性能指标具有直接影响，因此人们在强调这个系统的重要性时，有时把它喻为内燃机的“心脏”。视燃料种类及其着火原理的不同，压燃式内燃机与点式内燃机燃料供给与调节系统的结构与工作原理也有很多不同。主要内容压燃式内燃机燃料供给与调节概述压燃式内燃机的燃料喷射过程压燃式内燃机喷油泵的结构与参数选择压燃式内燃机喷油器的结构与参数选择压燃式内燃机异常喷射现象压燃式内燃机调速器工作特性及其与主机匹配电控高压喷射系统点燃式内燃机燃料供给与调节化油器电控汽油喷射系统气体燃料供给系统第一节压燃式内燃机燃料供给与调节系统概述系统要求压燃式内燃机是在气缸内部形成混合气，即在活塞接近上止点时，燃料供给与调节系统将燃料以高压、在极短的时间内喷入气缸，实现燃油与空气的混合和燃烧。因此，对燃料供给与调节系统，无论是在制造与调整精度，还是在与整机的参数匹配方面均有十分严格的要求，为了保证压燃式内燃机在动力性、经济性、排放与噪声等方面达到优良的性能，对其燃料供给与调节系统提出以下要求：1)能产生足够高的喷油压力，以保证燃料良好的雾化混合与燃烧，且燃油油束需与内燃机燃烧室和气流运动相匹配，保证油气混合均匀。2)对每一个内燃机运转工况(一定的转速与负荷组成一个工况)，精确控制每循环喷入气缸的燃油量，且喷油量能随工况变化而自动变化。在工况不变时，各循环之间的喷油且应当一致。对多缸内燃机而言，各缸的喷油量应当相等。3)在内燃机所运转的工况范围内，尽可能保持最佳的起始喷油时刻、喷油持续时间与喷油规律，以保证良好的燃烧并取得优良的综合性能。系统构成在压燃式内燃机出现早期，燃油喷射是通过高压空气实现的。1927年，德国博世(Bosch)公司开始专业生产以螺旋槽柱塞旋转方式调整供油量的机械式喷油泵，这种喷油泵的工作原理至今仍用于多数压燃式内燃机的燃料供给系统中。图6—1所示为典型的燃料供给与调节系统简图。整个系统由低压油路(油箱8、输油泵5、燃料滤清器3及低压油管)、高压油路(喷油泵6、高压油管13、喷油器11)和调节系统(离心式调速器9、自动供油提前器7)组成；其核心部分是高压油路所组成的喷油系统，人们也把这种传统的燃料供给系统称之为泵-管-嘴系统。系统分类及应用•在这种系统中，喷油泵有柱塞式喷油泵和转子分配式喷油泵两种。•对柱塞式喷油泵，每个柱塞元件对应于一个气缸，多缸内燃机所用的柱塞数和气缸数相等且合为一体，构成合成式喷油泵；•对小型单缸和大型多缸内燃机，常采用每个柱塞元件独立组成一个喷油泵，称之为单体喷油泵。•转子分配式喷油泵是用一个或一对柱塞产生高压油向多缸内燃机的气缸内喷油，这种泵主要用于小缸径高速压燃式内燃机上，其制造成本较低。在上述泵—管—嘴燃料供给系统中，由于有高压油管的存在，使喷油系统在内燃机上的布置比较方便与灵活，加上已积累了长期制造与匹配的理论与经验，因此，目前仍在各种压燃式内燃机上得到广泛应用。也正由于高压油管的存在，降低了整个燃料供给系统高压部分的液力刚性，难于实现高压喷射与理想的喷油规律，也使这种传统燃料供给系统的应用前景受到一定限制。为了满足压燃式内燃机不断强化及日益严格的排放与噪声法规的要求目前正在大力发展各种高压、电控的燃料喷射系统，如采用短油管的单体泵系统、泵喷嘴与PT系统、蓄压式或共轨系统等等。第二节压燃式内燃机燃料喷射过程一、喷射过程二、几何供油规律和喷油规律三、喷油规律的确定一、喷油过程喷油系统结构喷油过程概念——喷油泵柱塞的有效行程he柱塞封闭进、回油孔开始压油到柱塞斜槽上边缘与回油孔相通开始回油所经历的升程，称之为喷油泵柱塞的有效行程he，它的大小与循环供油量有关．决定了喷油器循环喷油量的大小。二、几何供油规律和喷油规律概念——几何供油规律几何供油规律是指从几何关系上求出的单位凸轮转角(或单位时间)喷油泵供入高压油路中的燃油量随凸轮转角(或时间t)的变化关系。它完全由柱塞的直径和凸轮型线的运动特性决定。式中，AP为柱塞面积，AP＝；dp为拄塞直径；ωP为有效行程段的柱塞速度。ppcPAddVppPAdtdV2Pd4喷油规律是指在喷油过程中，单位凸轮转角(或单位时间)从喷油器喷入气缸的燃油量随凸轮转角(或时间t)的变化关系，即0)(fddVccb概念——喷油规律)t(fdtdVb供油规律与喷油规律之不同及分析1、进入高压油路中的燃油在喷射时，燃油压力达数十甚至超过100MPa，而在一个循环的不喷油阶段，燃油压力小于针阀开启压力p0，在一定的出油阀减压容积作用下，残压力零，甚至出现真空；2、喷油过程中喷油峰值压力高且变化大，因此需考虑燃油的可压缩性，燃油的可压缩性用燃油的弹性模量E表示：E=Vdp／dv，压力变化越大，对应一定的高压油路容积V，容积变化量dv也越大，故E是燃油的—个物性常数，在20~30MPa压力，E=2000~2500MPa。也就是说，若高压油路中容积为1500~2000mm3的喷油系统，在30MPa压力作用下，燃油的压缩量达20~30mm3。3、考虑了燃油的可压缩性，燃油在高压系统容内也就产生了弹性振动，压力从泵端传到嘴端需一定的时间，传播的速度为声速。在传播过程中，泵端、嘴端开启或关闭等边界条件不同，将造成压力波的反射。又由于减压作用存在，可能在系统容积内局部产生真空。此时燃油将变为气形成气泡，故压力波传播的速度是变化的，在液态下压力波传播速度（声速）c＝1400-1600m／s，而在高压油路中，由于有时存在蒸气池，故速度将降低。大量试验表明压波传播速度的数值在700~1400m／s之间变化，而燃油在高压油管内的流速仅20~40m/s，这样，喷油器盛油腔内压力波形与出油阀紧幅腔内的压力波形，不论是数值大小和时间相位都不相同。上述因素造成喷油规律不可能和供油规律相同，它不仅受喷油泵内机械运动的影响，还受燃料在高压油路中液力作用的制约。供油规律可根据喷油泵几何参数计算得出、而喷油规律由喷油系统的几何参数和燃油在高压作用下的液力特性综合作用所决定；它们之间有一定的内在联系，喷油规律受供油规律的影响，喷油始点迟于供油始点，喷油持续时间大干供油持续时间，喷油速率的峰值小于供油速率的峰值。三、喷油规律的确定1．试验测定法2．计算法1.试验测定法(1)压力升程法(2)博世长管法（1）压力升程法由喷油器的喷孔流量方程知，瞬时喷油速率[单位为mm3/(CaA)]与喷孔流通截面、喷孔前后的压差有关，计算公式为式中μA为喷油器有效流通截面积(mm2)；nP为喷油泵的转速(r／min);ρf为内燃油密度(kg／m3)；Δp=p-pZ为喷孔前油压及气缸内的气体压力差(Pa)。3fpcb10p2n6AddV因此，测定某一工况的喷油规律．如图6—2a那样，用压力传感器实测喷油器端的油管压力pN，然后计算出盛油腔处的压力p(或直接测出喷油器盛油腔处的压力p)和气缸压力pz(示功图)，用位移传感器测出针阀升程的变化，在专用试验台上实测不同升程下的油嘴流通截面积μA．由此计算出喷油规律。这是在运转发动机上实测喷油规律的首选方法。(2)博世长管法这是在喷油泵试验台上测定喷油规律的常用方法，从喷油系统喷出的燃油进入细长管组成的波许长管仪中，见图6-4。它是用测量细长管内压力随时间的变化来测定喷油规律的。工作原理喷油器喷油进入细长管内，其体积流量的表达式为FdtdVb(6-4)F为细长管截面积；υ为燃油在细长管中的流速。非稳定流中一元压力波P(t)可用下式(c为声速)表达fc)t((6-5)由式(6—4)和式(6—5)化简得喷油速率表达式)t(c1FdtdVfb(6-6)由此在图6—4中用压力传感器4测得长管压力波的变化，即可求得喷油规律。测试要求博世长管仪中，长管长度要足够长，且管截面保持一定，这样喷油的压力波不受管截面突变和细长管端反射波的影响，保证喷油速率测定的精度。为做到这一点．细长管的长度L应保证由细长管出口端所产生的反射波反射到喷油嘴端所需的时间大于喷油持续期tz(tz＜2L／a)，且保证在下一个循环之前管内的压力波已经完全衰减。大量试验表明，实测的压力波为4个波形时(一个喷油波形和三个反射波形)，测量精度较高。图6—4中的背压阀可用于模拟气缸压力的大小，而节流阀8用来保证长管中有一定的压力，调整节流阀改变流通截面的大小，可得到所需的实测压力波的个数。2．计算法计算法是对喷油系统建立物理数学模型，用质量守恒定律分别建立柱塞腔、出油阀紧帽腔、针阀体的盛油槽及压力室内的燃油连续性方程；用牛顿定律建立出油阀、针阀的运动方程及高压油管内的一元可压缩不定常流的燃油运动方程和连续性方程，根据已知的喷油系统结构参数、喷油泵升程随转角变化的关系，用数值计算的方法编程，在计算机上联立求解。可得出柱塞腔、出油阀紧帽腔、针阀体的盛油槽、压力室和高压油管任意位置的压力变化及出油阀、针阀的达功规律，并得出喷油规律的计算结果，计算精度已能满足工程应用的要求。目前这一方法已是国内外对喷油系统性能预测的基本方法，可利用此方法对燃料供给系统进行结构参数的优化。第三节压燃式内燃机喷油泵的结构与参数选择喷油泵结构参数和调整参数影响喷油过程，从而对内燃机性能有一定影响。其主要参数有供油始点(安装在内燃机上为供油提前角)，柱塞直径，凸轮型线和最大升程H，供油预行程，出油阀减压容积等，现分述如下。fdpd0h主要内容一、供油提前角θfd二、喷油泵的系列化和工作能力评价指标三、喷油泵参数的选择一、供油提前角θfd柴油机为获得高的热效率．要求燃烧在上止点附近完成，喷油需在上止点前某一时刻开始，过早或过迟喷油对燃烧热效率都有影响。燃油喷入气缸的时刻到活塞上止点所经历的曲轴转角称为喷油提前角：喷油提前角测量需在喷油器内安装针阀升程传感器，配专用电产仪器完成。这种动态测试比较麻烦，故平常柴油机调试及产品说明书标注时都采用供油提前角.供油提前角θfd就是喷油泵安装于柴油机上，喷油泵柱塞关闭进、回油孔开始压油到柴油机活塞上止点所经历的曲轴转角。它可以在停车状态用溢流法检查(以出油阀开启供油代替进、回油孔关闭)，这样用控制供油提前角的方法保证喷油提前角θfj,两者之间的差值是喷油延迟角θx，三者的关系是θfd=θfj+θx,θx的大小由高压油管长度、柴油机转速等参数决定。油管越长，θx值越大；转速越高，θx值越大。因此，对多缸机而言，各缸用高压油管长度应该一致。供油提前角大小对柴油机燃烧过程影响很大，故对某一工况，从燃烧效率即动力性和经济性考虑有一最佳值。若考虑某一排放物(如NOx或PM或HC)或黑烟(烟度R)或压力升高比(dp／dφ)等，又各有不同的最佳值，如图6—5所示。而对不同工况，供油提前角也不相同。供油提前角的其他选择原则1.从动力性和经济性考虑，负荷增加，喷油量增大，喷油持续期加长，喷油提前角应增大，这样才能保证燃料在上止点附近燃烧及时；转速增大，最佳供油提前角也应增大，这是因为喷油延迟角加大，保证燃烧及时，供油要相应提前一些。2.考虑到分隔式与直喷式柴油机燃烧方式不同，供油提前角变化也不相同，分隔式燃烧室所需的供油提前角较直喷式燃烧室相应要小一些，且对转速、负荷变化敏感性小。3.对增压柴油机，缸内压缩温度和压力较高，滞燃期短，故供油提前角也应小一些。4.从减少有害排放考虑，若需降低NOx，供油提前角比热效率最高的θfd要小一些，即需推迟喷油，但此时为不过分降低热效率,需加大供油速率；5.从燃烧噪声考虑，降低dp/dφ和pmax也应取较小的供油提前角。供油提前角调节方式供油提前角可用机械装置来自动改变如用上螺旋槽柱塞实现负荷增大，供油提前角相应增大，用合适的螺旋角满足柴油机匹配的要求。随转速增大，最佳供油提前角需要相应增大，可用供油角度自动提前器来实现，它是用感应转速的飞块离心力与提前机构上