柴油机喷射系统的功用和构造

柴油机燃油喷射系的功用和构造

2.1柴油机燃油喷射系的组成以及作用

柴油机燃油喷射系主要由柴油箱、柴油滤清器、输油泵、高压油泵、喷油器、低压油管、高压油管和回油管组成。主要组成部分的作用如下：（1）喷油泵：喷油泵的作用是定时、定量地向喷油器输送高压燃油。在多缸柴油机中喷油泵应保证：①各缸的供油次序符合所要求的发动机工作次序；②各缸供油量均匀，不均匀度在标定工况不大于3%~4%；③各缸供油提前角一致，相差不大于0.5度。为避免喷油滴漏现象，喷油泵还必须保证供油停止迅速。

（2）调速器：调速器是一种自动调节喷油泵供油量的装置。它能根据柴油机负荷的变化自动作相应的调节，使柴油机能以稳定的转速运转，从而保证柴油机既不会产生超速也不会在怠速时造成熄火。

（3）喷油器：喷油器可把喷油泵送来的高压燃油雾化成较细的颗粒，并以一定的设计角度往发动机燃烧室内喷射。

2.2对柴油机燃油喷射系的性能要求

柴油机燃油喷射系作为发动机的重要组成部分，主要应满足下列的性能要求：

（1）要能随时精确测量出发动机负荷的变化，且能使供油量自动灵敏地进行自适应调节，并往各缸做均匀的喷射。

（2）应能根据转速或负荷的变化自动地改变喷油定时（即自动调节喷油的提前时间）

（3）喷射的燃油必须获得充分的雾化，并能以最佳状态引起燃烧。

（4）结果设计合理，要能耐冲击、抗疲劳，零部件互换性强，且价格尽可能低廉。

2.3对燃油喷射系各工作部件的要求

根据柴油机可燃混合气形成的特点和燃烧过程的需要，喷油泵应满足以下要求：

（1）匹配而均匀的供油率。额定供油率的调节是与发动机的额定功率和舒定转速相匹配的。为使运转平稳，对各缸的供油率要均匀，这就需要与之相适应的柱塞直径、柱塞行程和方便的供油调节机构。

（2）准确的供油提前角。喷油泵的供油提前角一方面要求与发动机的曲轴转速相同步（即第一缸喷油起始时间要对得上发动机曲轴转角零位标记），另一方面还要求对各缸供油的间隔时间要一致，其误差应控制在0.5°以内。为了防止喷油时间过长而造成燃烧不良，喷油泵还必须能在短促喷油之后迅速地暂停供油，这主要通过出油阀及喷油器结构的合理设计来达到。

（3）燃油雾化良好。柴油的挥发性能差，为了能在极短的时间内形成混合气，有利于燃烧，要求喷出的油束雾化良好、油粒细小均匀、方向和形状与燃烧室的形状相适应，并且要求喷射干脆，不允许喷油滴漏。为了使燃油获得良好的雾化，要求喷油泵能够提供相当高的供油压力。经喷油器调定后，喷射压力将控制在10~21MPa。当某些喷油嘴针阀卡死造成高压油路堵塞时，被近似封闭的燃油的压力经柱塞压缩后，其峰值压力可高达60Mpa以上，这就对柱塞、出油阀偶件和泵体柱塞座孔肩胛面的强度及加工精度提出了相当高的要求[1] [2] [3] [4]。

柴油机属于压燃式内燃机，为了适应发动机高速运转的需要，从喷油嘴喷往气缸的燃油必须尽快着火，并在最佳时刻迅速燃烧完毕，以便将燃油的化学能最大限度的转化为推动发动机运行的机械能。要达到此目的，喷油器应满足以下要求：

（1）喷油器应具有一定的喷油压力和喷注贯穿距离。气缸中的空气经压缩后，温度和压强都大大提高，喷油器的喷油压力若不能超过这一高压就根本无法进行燃油的喷射。喷油器的喷油压力是由喷油泵提供并经自身的调节弹簧调定的。而喷注贯穿距离不仅与喷油压力有关，也与喷油器的结构和喷油嘴的喷油直径、针阀型式有关。

（2）要与燃烧室形状相匹配的合适的喷射方向和喷雾锥角。由于不同的设计需要，发动机燃烧室除了具有预燃烧室式、涡流式和直接喷射式等多种形式外，火塞顶部形状还有平顶型、中心凹弧形、中心凹孔型、ω型和非对称型等各式各样的变化，这就要求喷油器的喷射方向和喷雾锥角要与之相匹配，使喷出的燃油能与燃烧室的构造特点及燃烧室气流运动的特点相适应，己达到使燃油能迅速与空气充分均匀混合，从而提高燃烧效率的目的。

（3）要有良好的雾化性能，这是保证喷射的燃油能迅速与空气均匀混合而获得充分燃烧的重要条件。雾化的好坏与喷射压力的大小、喷油器内部的装配质量和喷油嘴的磨损程度有关。雾化性能的测量要在喷油器试验器上进行。磨损严重，雾化不良且难以修复的喷油嘴应坚决更换。

（4）在暂停喷油时刻，喷油器应能迅速完全的切断燃油供给，不允许发生异常喷油现象。喷油嘴的针阀与针阀座面之间的密封不良会导致异常喷油。在气缸压力与气体温度因活塞下行而迅速下降后，异常喷油所引起的燃烧只会造成燃烧不良、积炭增多、油耗增加和排气异常。要保持喷油嘴的密封性，除了从设计上设法适当减小密封面的接触面积，以使接触压力增大外，经常对喷油器进行维护保养也是十分重要的。

（5）应能经受高温、高压的严酷条件并长期安全的使用。由于喷油嘴暴露在高温、高压的燃气中，温度和压力的反复骤变，使工作条件十分恶劣，加上运

动疲劳磨损、燃油杂质磨损、高速油流冲刷磨损和燃烧中产生的腐蚀性气体（如三氧化硫）的腐蚀磨损，使喷油嘴成为柴油机发动机的易损件之一。因此，要使喷油器经常保持良好的工作状态，必须选择优良的制造材料、合理的制造工艺，并在注意维护保养喷油器本身的同时，注意加强对发动机、高压油泵的定期保养与维护，以求尽量改善喷油器运行的外部环境[4][5][6]。

2.4柴油机供油喷射系统的结构对发动机工作性能的影响

柴油机的供油系统是柴油机的重要组成部分。其作用是将一定数量的清洁燃油，以足够高的压力，在准确的时间内喷入气缸，与压缩空气混合，以保证气缸内燃烧的进行。因此，供油系统的好坏，必然会影响到气缸内燃油的燃烧质量，同时也将影响柴油机的性能和可靠性。

柱塞式喷油泵的泵油机构主要由柱塞偶件和出油阀偶件组成。柱塞在柱塞套内做往复运动，将一定数量的燃油压缩到一定的压力，出油阀相当于一个单向止回限压阀，只要柱塞将燃油压缩到一定压力，出油阀就开启，使燃油进入高压油管，并使喷油器喷油。在停止喷油后，出油阀还能保证高压油管中具有一定的残余压力。

柱塞从上止点到下止点所经过的实际行程取决于驱动凸轮的高度，该行程是不变的，但是循环喷油量却取决于它的有效行程—柱塞的上端面完全遮住套筒的油孔到柱塞下斜面刚刚露出油孔这一段柱塞所上行的行程。在柴油机工作过程中，如果使柱塞相对于套筒转动一个角度，则改变了柱塞的有效行程，也就相应地改变了循环喷油量，从而达到了调节柴油机工作状况的目的。

出油阀偶件设在柱塞偶件与高压油管之间，出油阀在开启时先上升一个距离，使高压油管压力预先接近喷油器启喷压力，结果使喷油器喷油及时迅速；在喷油之后，出油阀又下降一个距离，使高压油管残余压力远远低于喷油器的启喷压力，结果使喷油器停喷干脆彻底。

柴油机燃烧质量的好坏与喷油器的结构有着很大的关系。喷油器中最重要的精密副是针阀偶件，当高压油管中的高压燃油进入喷油器体和针阀体内的油道进入针阀中部承受锥面处的压力腔内。当高压油管内压力升高，并反映到压力腔时，承受锥面在油压的作用下推动针阀上升。针阀通过顶杆在克服弹簧张力上升的同时，针阀下端与针阀体配合的密封锥面被打开，燃油通过此处经喷油孔喷入燃烧室;当高压油管内的压力下降时，针阀承受锥面的受力减小，调节弹簧通过顶杆迫使针阀下落，并立刻关闭密封锥面，使燃油停止喷射[[1][2][3]。

当针阀刚刚上升时，由于喷孔内的轴针为柱形，喷孔通道面积也较小，所以喷油较少，而且扩散锥角较小;针阀继续上升，喷孔通道面积增大，喷油量增多，同时，倒锥形的节流式轴针前端使喷注的扩散锥角增大。这样，一方面限制了滞

燃期内形成始燃量过多，使速燃期压力升高率和燃烧最高压力较低，柴油机工作柔和平稳;另一方面使大量的燃油集中在缓燃期内燃烧，减少了后燃量和排污。在喷油泵中，喷油泵凸轮型线和喷油泵柱塞决定着循环供油量和几何供油规律，它们对柴油机性能的影响，主要反映在喷供油提前角、喷油延迟角、喷油持续角对柴油机性能的影响上。喷油提前角可通过改变凸轮轴位置进行调整，而喷油延迟角、喷油持续角则和柱塞直径、凸轮外形等因素有关。

供油系统中直接影响燃烧性能的是喷油提前角，但是喷油提前角的测量比较麻烦，所以平时的柴油机调试，只测量供油提前角。供油提前角是指喷油泵从开始供油的瞬时（柱塞泵以喷油泵的出油阀升起为标志，而分配泵以内凸轮顶起滚柱为标志）到活塞行至上止点时所转过的曲轴转角。供油提前角对柴油机的影响很大，主要是影响柴油机的经济性，压力增长率和最高爆发压力。供油提前角过少时，在压缩过程中燃烧的燃油数量过多，这不仅增加压缩负功使油耗增高，功率下降，而且由于着火延迟较长，压力增加率和最高爆发压力迅速升高，工作粗暴，怠速不良，难于启动；供油提前角过小时，则燃油不能在上止点附近迅速燃烧，后燃增加，虽然最高爆发压力较低，但燃油消耗率及排温增高，发动机过热。所以对于每一工况，有一最佳供油提前角，此时的燃油消耗率最低。

喷油泵凸轮廓线决定了柱塞的运动规律，而柱塞的速度变化规律决定油泵的供油规律，从而影响喷油规律。在柱塞有效行程和供油始点相同的情况下，凸轮外形陡，即供油速度大，喷油持续时间缩短；而凸轮外形平，喷油持续时间和喷油延迟时间都较长。在高速柴油机中，由于燃油高压系统中有压力波动现象，使得很难从供油规律控制喷油规律，所以油泵凸轮的廓线一般不是根据理想的供油规律设计的，而是从加工难易的角度考虑，一般都选用切线凸轮或圆弧凸轮。在升程、基圆和滚轮等都相同的情况下，切线凸轮的柱塞速度增加较快。对于一定的供油量，柱塞速度提高，则供油持续时间可以缩短，一般说来，柴油机转速较高时，采用切线凸轮，对改善经济性有好处，但是供油速度过高，在着火延迟期里喷入气缸的燃油较多，可能引起燃烧粗暴，最高爆发压力过高。在某些大功率中速柴油机中还应用凹弧凸轮以增大供油速率，减少燃油持续角，但过大的供油速率，往往导致凸轮和滚轮之间接触应力过大，引起点蚀。

不同的柱塞直径对喷油规律也有影响。当柱塞直径增大时，喷油延迟角及喷油持续角都减小，但供油速度变大，使初期喷油速率也变大，喷油规律曲线变高。所以一般说来，柱塞直径加大能使经济性变好，但运转粗暴。当柴油机强化时，因每循环供油量加大，就要考虑加大柱塞直径来维持合适的喷油延续时间，以保证柴油机的经济性[2][7][8]。

虽然上述各种工作部件对柴油机的燃油喷射和燃烧过程都有影响，但是相比

较而言，柱塞、出油阀和针阀偶件的影响要大一些，因此，在本试验中将重点研究这三大精密偶件对柴油机性能的影响。