燃油喷射与雾化

6.2　燃油喷射与雾化

6.2.1　燃油喷射过程

燃油在喷油泵泵室中，受到柱塞压缩，压力升高，经喷油器喷孔喷出的过程，称为燃油喷射过程。

在车用柴油机中，燃油喷射持续时间很短，只占15°～35°曲轴转角。而在燃油喷射系统中，燃油压力在极短时间内变化很大，喷射时最高压力可达数百乃至上千个大气压，而最低压力可小于大气压力，形成空穴，即低于该温度下的燃油蒸气压而形成气泡的现象。由于高压系统中燃油压力变化大和变化快的特点，柴油要产生压缩变形，高压油管会发生弹性变形。燃油的可压缩性和高压油管的弹性，使高压系统形成一个弹性系统。在高压系统中就不断有压力传播，其传播速度为音速。由于压力传播需要时间以及压力波的反射、叠加等，使实际喷油过程与柱塞的供油过程很不一致。为深入研究喷射过程，在喷射泵端和喷油器端分别装上压力传感器，用示波器将两端的压力变化情况记录下来，并将喷油器针阀升程同时记录下来，如图6－3所示。

图6－3　燃油喷射过程

1－喷油泵泵室　2－回油孔　3－出油阀　4－出油阀弹簧　5－压力传感器　6－高压油管　7－压力传感器　8－喷油器针阀　9－针阀弹簧

P₁－针阀开启压力　P₂－喷油终止压力　P_r－高压油管剩余压力

当柱塞开始关闭进油孔时(称油泵供油始点)，泵室内燃油被压缩，燃油压力开始升高，直到油压升高超过高压油管中残余压力及出油阀弹簧压力后，燃油才进入高压油管中，使喷油泵端的压力升高。但喷油器端的压力并未随之立即升高，而是经过短暂的时间后才升高并且出现压力波动，这是燃油的可压缩性及高压油管的弹性所致。当喷油器针阀处的压力超过针阀开启压力时，针阀才开始打开，将燃油喷入气缸。由于喷油器端的压力升高滞后于喷油泵端的压力升高，针阀开启压力远高于出油阀弹簧压力，使喷油器实际喷油始点落后于喷油泵的供油始点。针阀打开后，一部分燃油喷入气缸，喷油器端压力暂时下降。泵端因柱塞继续压油其压力还在升高，当柱塞斜槽打开回油孔时，最初开度小，因节流作用，泵端压力并不立刻下将，随柱塞运动，回油孔开大，泵端压力急剧下降，出油阀落座。因出油阀落座过程减压环带的减压作用，使高压油管压力迅速下降，并影响到喷油器端的压力。喷油器端的压力下降滞后于泵端的压力下降，当其压力下降到针阀落座压力时，针阀关闭，便停止喷射。但在高压油管中仍存在压力波动。

综上所述，可将整个喷油过程分为三个阶段:

1.喷油延迟阶段:从喷油泵压出燃油(供油始点)到喷油器针阀开始抬起(喷油始点)为止;

2.主喷射阶段:从喷油始点到喷油器端压力开始急剧下降为止;

3.滴漏阶段:从喷油器端压力开始急剧下降针阀完全落座(喷油终点)为止。

6.2.2　喷油规律

单位时间(或转角)的喷油量即喷油速度随时间(或转角)而变化的关系，称之为喷油规律。单位为［mm³］或［mm³(°)］。

喷油规律可通过实验或模拟计算得到。对研究燃油喷射系统以及它与燃烧室有效配合极其有用，尤其是对以空间混合为主的直喷式燃烧室、其喷油规律对气缸内平均压力升高率dp/dθ和最大燃烧压力p _max起决定作用。

喷油规律取决于喷油泵、喷油器内有关零部件及高压油管等整个喷油系统的结构参数和调整参数。喷油规律对柴油机性能有很大影响，为要实现平稳、有效的燃烧，比较理想的喷油规律是“先缓后急”，即在滞燃期内喷入气缸的油量不宜过多，以控制速燃期的最大燃烧压力和平均最大压力升高率，保证柴油机能平稳运转及较小的燃烧噪声。而着火燃烧后，应以较高的喷油速率将燃油喷入气缸，停油时应干脆迅速，喷油延续角不宜过大，中小功率柴油机的喷油延续角，一般控制在15°～25°曲轴转角的范围内，目的是使燃烧过程尽量在上止点附近进行，以获得良好的性能。

图6－4　几种喷油规律类型

图6－4是几种典型喷油规律图。图(a)采用高速凸轮，喷油速率大，曲线变化很陡，喷油延续时间短，柴油机经济性和动力性好，但工作粗暴、噪声大。图(b)所示喷油规律，开始喷油速率大，曲线上升陡，柴油机工作粗暴，而后曲线下降平缓，后喷速率过小，喷油延续时间长，使燃烧时间拖长，补燃多，性能不好。图(c)喷油规律，开始时喷油速率较低，曲线变化平缓，柴油机工作柔和，接着加大喷油速率使喷油延续时间不致太长，保证燃烧效率，效果较好，即为上述比较理想的喷油规律。

6.2.3　不正常喷射

若燃油系统的参数选择不当时，可能会产生各种不规则喷射，使柴油机经济性下降，排气冒烟、油嘴积炭烧损、偶件和油管零件的穴蚀破坏等不正常现象。

1.二次喷射

二次喷射是主喷射结束针阀落座后，在过大的反射波作用下，针阀再次升起进行喷油的一种不正常现象。二次喷射的出现将使整个喷射延续期拉长，过后燃烧严重，柴油机经济性下降，热负荷增加，所以要力求消除二次喷射。

消除二次喷射关键在于减小喷油泵停止供油后，高压油路中柴油的压力波动，常用措施有以下几点:

(1)减少高压油路中的容积(如减小出油阀接头内腔容积，减小高压油管长度和内径)，增加高压油管的刚度(如适当增加管壁的厚度)，可以减小柴油的压力波动。

(2)适当加大喷油器的喷孔直径。用增加喷孔截面的方法来减小喷射期内高压油路中柴油的平均压力，这样可以降低针阀关闭后高压油路中压力波的强度。但是喷孔直径过大会影响雾化质量。

(3)适当加大出油阀的减压容积，使供油结束时，高压油路中的柴油压力迅速下降到无法引起二次喷射，但是出油阀减压作用过度，则可能使高压油路中出现局部真空而产生气泡，引起穴蚀，见图6－5。采用阻尼阀(图6－6)，将能获得更好的效果。下面阐述其作用机理。

图6－5　二次喷射及解决方法

2.气泡、穴蚀

当油管压力局部突然降到相应温度时的饱和蒸气压力以下时，会有气泡产生。在实验时油管压力出现为零平台时。即表明这个区域有气泡产生(见图6－6)，气泡产生后，在波动中的压力作用下，当压力值高至某一程度，气泡在高压作用下会破裂，这时局部油管压力急剧上升，气泡连续的产生和破裂会引起油管压力在主喷射后的高频波动。当这些压力波峰值超过一定数值时将会造成金属表面的损坏，即所谓的穴蚀现象，因此说穴蚀是由气泡的产生和破裂引起的。但气泡的产生和破裂并不一定引起穴蚀损坏。

图6－6　实践及解决方法

气泡的产生和破裂，不但有可能引起穴蚀现象，而且会造成供油不稳定。因此应采取措施防止气泡产生，但在车用柴油机中完全消除气泡是困难的，一般主要是控制不产生穴蚀损坏现象并尽量减少气泡产生为原则，即把气泡破裂引起的峰值压力加以控制。据介绍日本D.K.K.公司在直喷式柴油机中控制主喷后油管压力峰值应小于150×10⁵ Pa。

消除气泡的办法:通常是使燃油系统在喷油结束后，高压管内具有一定的剩余压力，它有利于防止气泡的形成，例如减小出油阀减压容积就有一定效果，但过高的剩余压力，又容易引起二次喷射。

喷射系统内剩余压力往往随着油泵转速的增高而加大，随着转速的降低而减小，因此在高转速时要求有较大的减压效果，才能有效地防止二次喷射的产生。但当出油阀减压容积较大时，在低速小油量时由于高压系统内剩余压力较小，只需较小的减压效果就已足够，如果仍有很大的减压容积则容易因减压过多而产生气泡。较小的减压容积虽在低速小油量时较合适，但在高速大油门时就容易产生二次喷射。

图6－7　阻尼阀

车用柴油机的特点是负荷、转速变化较大，选择能适合整个工作范围的减压容积就较困难，尤其在高速直喷式车用柴油机中矛盾更为突出，采用阻尼阀装置(见图6－7)，对解决这种矛盾能起积极作用。

由于阻尼阀的节流作用，使出油阀落座速度降低并能延缓压力波的下降速度，这样可以防止气泡产生。同时由于小孔节流的影响，使反射波受阻而衰减，又有防止二次喷射的作用，因此阻尼阀能把柴油机性能的有害影响缩小到最低限度。

3.滴油

在正常喷射结束后，如断油不干脆，仍有少量柴油滴出，称为滴油。滴油产生的原因:一种是针阀偶件座面密封性差的原因;另一种是由于针阀关闭速度慢引起。滴油是在压力很低、柴油不能雾化的条件下产生的，但柴油积聚在喷孔处受高温作用而形成结炭堵塞喷孔，影响柴油机的正常工作，也应予以消除。如属于针阀偶件座面密封性差而引起，这是由于零件制造质量问题，可以更换针阀偶件。

但如属于针阀关闭过量引起，则与燃油系统的匹配有关，这属于不正常喷射的一种。通常可采用加大调压弹簧预紧力、增加调压弹簧刚度、减小针阀升程、减小针阀直径及增加出油阀减压容积、加强高压系统内减压作用等措施，都在一定程度上有消除滴油作用。

4.燃油的喷雾特性

燃油经喷孔喷出时，在气缸中被破碎成微粒的过程，称为燃油的喷雾或雾化。将燃油喷射雾化，可以大大增加其表面积，加速混合气形成。例如:1ml的油如果呈一个球体，直径为9.7mm，则表面积为245mm²。如果雾化成直径为40μm的均匀油滴，油滴总数为2.99×10⁷个，其总面积为15×10⁵mm²。这样，由于雾化，表面积增加了5090倍。

当燃油高速从喷孔喷出(喷出速度为100～300m/s)，便形成如圆锥形状的喷注，也称油束。喷注在压缩空气中运动，由于空气阻力及高速流动时的内部扰动而被破碎成细小油滴。表示燃油喷注的简图见图6－8。在油束的中心部分是油滴密集且具有很高速度的粗油滴，越向外围，油滴越细，速度越小。外部细小油滴最先蒸发并与空气形成混合气。

图6－8　喷注的形状

Ⅰ－喷注横截面上燃油分布　Ⅱ－喷注横截面上油粒速度　β－锥角　L－射程

喷注本身的特性可以用以下基本参数表示:

(1)喷注的射程(或贯穿距离)L。喷注的射程表示喷注前端在压缩空气中贯穿的深度。根据混合气形成方式对喷注射程L的要求不同，它必须与燃烧室配合，如果燃烧室尺寸小而射程大，就会有较多的燃油喷到燃烧室壁上。反之如果射程小，则燃油不能分布到燃烧室空间，空气就得不到充分利用。

(2)喷注锥角β。喷注锥角大小可以反映油束的紧密程度，大说明喷注松散、油滴细。它主要取决于喷孔尺寸和形状。

(3)雾化质量(雾化特性)。雾化质量是表示燃油喷散雾化的程度，一般是指喷雾的细度和均匀度。细度可以用油注中油粒的平均直径来表示。平均直径愈小，则喷雾愈细。均匀度是指喷注中油粒直径相同的程度，油粒的尺寸差别愈小，说明喷雾愈均匀，均匀度愈高。图6－9表示这种雾化质量的曲线，横坐标是油粒直径，纵坐标是某一直径的油粒占全部油粒的百分数。曲线愈窄，愈靠近纵坐标轴，表示油粒愈细，愈均匀。不同的燃烧室喷雾质量的要求各不相同。

图6－9　雾化特性曲线

1－喷射压力为34000kPa　2－喷射压力为15000kPa