第六章 内燃机的燃料供给与调节(上)

内燃机学程勇Email:[e-mail]:96530(实验室)第六章内燃机的燃料供给与调节(上)第一节压燃式内燃机燃料供给与调节系统概述压燃式内燃机在活塞接近上止点时，燃料供给与调节系统将燃料以高压、在极短的时间内喷人气缸，实现燃油与空气的混合和燃烧。对燃料供给与调节系统要求足够高的喷油压力，以保证燃料良好的雾化混合与燃烧，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。精确控制每循环各缸的燃油量，喷油量能随工况变化而自动变化。工况不变时，各循环之间的喷油量应当一致。对多缸内燃机而言，各缸的喷油量应当相等。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。第二节压燃式内燃机燃料喷射过程一、喷油过程改变供油终点改变供油始点改变供油始点和终点一、喷油过程曲轴通过定时齿轮驱动喷油泵运转，燃油从油箱经滤清器、输油泵加压(约0.1~0.15MPa)到喷油泵的低压油腔；当挺柱体总成的滚轮在凸轮基圆时，柱塞腔与低压油腔通过进、回油孔联通，向柱塞腔供油。凸轮推动挺拄体总成克服柱塞弹簧力向上运动。一、喷油过程当柱塞顶面上升到与进、回油孔上边缘平齐，进、回油孔关闭，柱塞腔与低压油腔隔离。柱塞再向上运动，柱塞腔内燃油被压缩，压力升高。压力大于出油阀开启压力与高压油管内的残压pr之和时，出油阀开启，燃油流入出油阀紧帽进到高压油管。一、喷油过程柱塞继续上升，油压升高，当针阀体盛油槽内的油压达到并超过针阀开启压力p0时，针阀打开，向气缸内喷油。一、喷油过程柱塞顶面积大于喷油器的喷孔面积小，故喷射过程中压力继续升高；当柱塞上升到其斜槽上边缘与回油孔的下边缘相通时，柱塞腔与低压油腔相通，燃油流经回油孔开启截面进入低压油腔，柱塞腔压力下降。一、喷油过程随后出油阀在弹簧力和两端油压的综合作用下开始下行。当减压凸缘进入出油阀座孔后，出油阀紧帽腔与柱塞腔隔离，使紧帽腔到喷油器所组成的高压油路内保持一定量燃油；一、喷油过程出油阀下行落座。由于减压容积的作用，高压油路中压力迅速下降。盛油槽内的燃油压力小于针阀关闭压力时，针阀落座，喷油停止。燃油的可压缩性与惯性，使高压油管内的燃油产生一定的压力波。喷油过程在柱塞上升过程中，柱塞从下止点上升到进、回油孔关闭所经过的距离，称之为喷袖泵柱塞的预行程，它的大小决定了柱塞在压油过程中初速度的大小，将影响喷油速率；出油阀落座后，柱塞在凸轮驱动下继续上行到最大行程后，在柱塞弹簧力作用下，沿凸轮下降段下行，完成一个泵油循环。喷油过程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；有效行程影响喷油器循环喷油量的大小。喷油过程二、几何供油规律和喷油规律几何供油规律-从几何关系上求出的单位凸轮转角喷油泵供入高压油路中的燃油量随凸轮转角的变化关系。ppcpAddVAp柱塞面积p柱塞速度喷油规律-喷油过程中，单位凸轮转角喷如其缸的燃油量随凸轮转角的变化关系。ccbfddV几何供油规律和喷油规律喷射时油管中燃油压力达数十甚至100MPa；其他时间压力p0，在出油阀减压容积作用下，残压力零，甚至出现真空；压力变化大，需考虑燃油的可压缩性。几何供油规律和喷油规律压缩性用燃油的弹性模量E表示：高压油路容积V一定，压力变化越大，容积变化量dV也越大；在20~30MPa压力下，E=2000~2500MPa，若V=1500~2000mm3，在30MPa压力作用下，燃油的压缩量达20~30mm3。pEVVVpVEdddd几何供油规律和喷油规律由于燃油的可压缩性、燃油在高压系统容积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，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。因减压作用存在，可能在系统容积内局部产生真空，此时燃油将变为蒸气形成气泡。在液态下压力波传播速度c＝1400~1600m/s，由于有时存在蒸气泡，速度将降低。供油规律与喷油组律的比较压力波传播速度700~1400m/s，燃油流速为20~40m/s，造成喷端泵端压力波形不同。供油规律可据油泵几何参数算出喷油规律受喷油系统几何参数和高压下燃油液力特性综合影响：喷油始点迟于供油始点，喷油持续时间大于供油持续时间，喷油速率的峰值小于供油速率的峰值。三、喷油规律的确定压力升程法，可用于实际发动机及油泵试验台31026fpcbpnAddVA有效流通面积(mm)f燃油密度kg/m3p油嘴喷空前后压差Panp油泵转速，r/minA=Q实/Q理喷油规律测量装置长管法，用于油泵试验台燃油喷入细管中，体积流量为vFddVcb一元流中，压力波vctpf于是tpcFddVfcb1油管直径一致、均匀；长管足够长；管长保证：反射波的次数4~6；第一个波反射回来时，喷油已经结束；第二次喷油时，高压油管中压力波动已经消失。长管示意图声速计算依据tLC2第三节压燃式内燃机喷油泵的结构与参数选择主要参数有供油始点(安装在内燃机上为供油提前角fd);柱塞直径d0;凸轮型线和最大升程H;供油预行程h0;出油阀减压容积等。一、供油提前角fd燃油喷人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ff；油泵柱塞开始压油（供油开始）到上止点所经历的曲柄转角叫供油提前角fd。两者之间的差值是喷油延迟角x，fd=ff+xx的大小由高压油管长度、柴油机转速等决定，油管长，x值大；转速高，x值大。对多缸机而言，各缸高压油管长度应当一致。不同工况，最佳的供油提前角也不相同。全负荷时喷油始点随转速的变化供油提前角调整每一工况，都存在一个最佳供油提前角。供油提前角可由机械装置来改变。一般用飞快离心力和弹簧压力的平衡确定不同速下供油提前角，改变弹簧预紧力可改变供油提前角。转速升高，飞锤离心力克服弹簧力使飞锤向外张开。飞锤圆弧面沿传动销由内向外滑动，带动从动盘或喷油泵凸轮轴相对主动盘或喷油泵驱动轴顺喷油泵旋转方向转过一定角度，从而使喷油提前。二、喷油泵的系列化和工作能力评价指标一定功率范围的柴油机，可以选用外形尺寸、结构形式、缸心距相同的油泵，用缸数、柱塞直径、凸轮型线、升程、出油阀减压容积对供油量、转速等调节参数进行调节，满足不同柴油机的配套，形成系列。柱塞泵1.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号系列泵的结构特点（1）采用斜槽式柱塞和平孔式柱塞套筒；（2）采用拨叉式油量调节机构，加工较简单；（3）滚轮体总成高度多采用垫铁调整的方法，使用方便，寿命长（4）泵体均为上下体分开组合式。拆散和维修方便。2.A型泵和B型泵的结构特点（1）采用螺旋槽式柱塞和平孔式柱塞套筒；（2）油量控制机构为齿杆式，在齿杆前端装有可调最大油量刚性限位器；（3）滚轮体传动部件工作高度可用调整螺钉调节，用以调整供油提前角；（4）泵体为整体式铸造件，刚度好。A型柱塞泵153421.Pumppiston2.Camshaft3/4.Bore5.Controlrod3.P型泵的结构特点（1）全封闭箱式泵体，提高刚度；（2）吊挂式柱塞套，改善柱塞套的受力情况；（3）钢球式油量调节机构；（4）压力式润滑系统。P型柱塞泵箱型封闭式喷油泵体吊挂式柱塞套钢球型油量调节机构压力润滑(1)最大循环供油量喷油泵循环供油量主要取决于柱塞直径和柱塞的有效行程。最大循环供油量是油泵几何供油量的极限值，不计出油阀减压作用和高压液力持性的影响。(2)最高平均供油速率平均供油速率是指喷油泵在供油持续期内每度凸轮轴转角的平均供油量；最高平均供油速率是在最大循环供油量条件下的平均供油速率。常用拄塞式喷油泵性能参数(3)最大许用泵端压力喷油泵所能承受的最大峰值泵端压力值；此值应是柱塞腔内压力。由于测量困难，一般用泵端峰值压力替代，该测量值略小柱塞腔的压力。高供油速率需高喷油压力，泵端峰值压力决定了凸轮、挺柱体、泵体等的受力和强度、刚度，对喷油泵工作可靠性产生影响。(4)最高工作转速转速增大，泵端蜂值压力增大。柱塞在下行时，往复运动件的惯性力增大，当惯性力超过柱塞弹簧作用力时会使滚轮与凸轮之间出现飞脱，产生冲击，使工作表面损坏。调速器也有工作极限转速。三、喷油泵参数的选择1.柱塞直径dp和有效供油行程he由标定供况燃油消耗率和功率估算所需循环供油量循环/1012033mminPbVfeebbe标定功率点燃油消耗率g/kWhPe标定功率，kWi柴油机缸数柴油机冲程数f燃油密度g/cm2n转速r/min柱塞直径dp和有效供油行程he据循环供油量、气缸直径、燃烧室形状选择油泵型号;据下式校验减压容积EVppVpj0Vj减压容积mm3pp最大泵端压力MPap0针阀开启压力MPaV高压油路容积mm3E燃油弹性模量2000~2500MPa柱塞直径dp和有效供油行程he喷油泵必须保证循环供油量jbpVVVfepphdV24f供油系数，1.0~1.25柱塞直径dp和有效供油行程he之比0.6~5.41m314fppmVd柱塞直径加大，供油速率增加，有效行程可以下降，供油持续期缩短，燃烧持续期缩短。初期供油量增加，工作粗暴。2.凸轮最大升程、供油持续期、供油预行程的确定确定最大升程H；凸轮升速段为切线段，降速段为小圆弧。有效供油行程在升速段，且供油最迟在最大速度点对应升程前0.3mm处结束，以减小凸轮表面与滚轮间的接触应力(1900MPa)。降速段也可采用余弦函数，使切线段延长，升速段升程可加大10％，提高平均供油速率减速段的加速度变化与柱塞弹簧力变化趋向相一致。2.凸轮最大升程、供油持续期、供油预行程的确定循环供油量一定，在凸轮型线及柱塞有效行程确定后，柱塞预行程大小就决定了供油持续期的长短和平均供油速率的大小。预行程h0增大，供油初始速度增大，平均供油速率随之增大，供油持续期缩短，从而可提高喷油压力和喷油速率，强化喷油过程，改善柴油机性能。不同柱塞直径对喷油规律的影响喷油泵凸轮升程及速度系数C的变化喷油泵凸轮降速段为小圆弧和函数段时h、C的比较3．出油阀结构和减压容积出油阀锥面隔断柱塞腔和高压腔油路。减压环带落座后出油阀下降了一段距离，使高压油路容积增大，油压迅速下降。减压容积改变，残余压力发生变化，影响喷油延迟角；喷油提前角一定，减压容积增大，供油提前角应适当增大；为保证循环喷油量不变，柱塞有效行程要增大。3．出油阀结构和减压容积出油阀结构和减压容积减压容积过大，压力膨胀多，可能出现负压。负压到高压之间的变化，使燃油发生一系列气泡产生和溃灭的过程，高压油路产生穴蚀。减压容积过小，油管中残余压力过高，可能因压力波动再次打开油嘴针阀，产生二次喷射。高压容积增大，减压容积应当增大；供油压力增大，减压容积应当增大。高速、全负荷时喷油压力很高，需较大的减压容积；低、怠速工况，喷油压力明显减小，减压作用过度将会造成柴油机供油的不稳定。故出现了阻尼出油阀和等压出油阀。阻尼出油阀在等容式出油阀上部置一阻尼阀，在压油过程中，阻尼阀不起作用，回油过程中，阻尼阀落座，通过阻尼孔dv控制燃油回流。合适尺寸的阻尼孔直径dv可防止二次喷射，兼顾高、低速性能。等压出油阀在等压出油阀上，置节流孔。通过钢球以一定弹簧预紧力封闭节流孔5，构成单向阀4。在回油过程中单向阀打开，合适的节流孔尺寸可控制油管内残余压力值的大小，避免或减弱了等容出油阀减压容积大而引起的压力振荡或波动，但其出油阀直径较大。第四节压燃式内燃机喷油器的结构与参数选择传统喷嘴上置弹簧顶杆长、运动件质量较大，针阀上升和下降时间相对较长；低惯量喷油器弹簧下置、顶杆质量小，针阀上升和下降速度快，有利于喷油过程的改善。n3000r/min的柴油机，应采用低惯量喷油器。低惯量喷油器弹簧外径小，机械应力和热应力大，弹簧质量要求相对高。第