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性能特点和作用说明

柴油发电机燃油喷射系统的要求和雾化特性

 

柴油发电机燃料的喷射方式及其雾化特性是制约压燃式发动机混合气形成和燃烧过程的重要因素。因此，随着节能与排放法规的日趋严格，对柴油发电机燃料喷射系统提出了越来越高的要求。康明斯公司在本文中就燃油喷射系统的要求和雾化特性作了详细介绍。

 

一、对燃料喷射系统的要求

 

如前所述，柴油发电机的性能及其排放特性与其燃烧放热规律有关。对一定的燃烧系统，放热规律直接取决于喷射规律。传统的机械式泵-管-喷油器型喷射系统，以及在此基础上开发的电控位置式喷射系统，是通过油门拉杆（齿条）位置的控制方法来控制喷油泵的，将一定的燃料量按一定的供油压力和供油规律经高压油管输送到喷油器，由喷油器向燃烧室内喷射，完成可燃混合气的形成；而且喷油时刻也是通过喷油泵的供油时刻来间接控制的。这种泵-管-喷油器位置式喷射系统，是喷油器、高压油管、喷油泵及调速器（电控）连成一体的，使得各自的性能互相受到制约和影响，从而控制自由度受到限制，不能有效地控制放热规律（图1左图）。而理想的喷射系统，是喷油器和喷油泵由控制单元可独立控制的合理的喷射系统，其特点是最大限度地提高控制自由度，达到喷射系统各参数的最佳配合，优化柴油发电机的整机性能和排放特性。这种理想的喷射系统，只有依靠时间-压力式电控喷射系统才有可能实现（图1右图）。

 

柴油发电机的电控技术，从20世纪80年代开始开发研究，经过几十年的发展，从位置式控制系统发展到时间式控制的电控泵喷嘴系统（Unit Injector System，UIS）和时间-压力式控制的电控高压共轨（Common Rail，CR）系统，由此满足发电用柴油发电机对喷射系统的要求，以实现柴油发电机燃烧放热规律的柔性化控制，达到节能及控制排放的目的。为了实现对发电用柴油发电机喷油规律的自由柔性化控制，对其燃油喷射系统提出以下基本要求：

1）能产生足够高的喷射压力，而且喷射压力可任意控制，由此保证燃料快速、良好的雾化。

2）喷油器的响应时间要足够快，由此在极短的混合气形成时间内，实现喷油规律的自由控制，以保证柴油发电机在整个运行工况范围内都能达到最佳喷油时刻和理想喷油规律。

3）喷雾特性与燃烧室内气流特性的最佳匹配。

 

图1 柴油机对喷射系统的要求

 

二、燃油喷射雾化特性

 

由于柴油黏度大、不易挥发，所以燃油的雾化是其形成混合气的前提条件。为了使燃油快速雾化，柴油发电机采用以喷油器向气缸内高压喷射的方法强制使燃料雾化粉碎成微小的油滴，由此大大增加单位时间内所喷入的燃油量与周围空气接触的蒸发面积，加速燃料从空气中吸热而汽化形成混合气的过程。喷油器的喷雾质量常用其喷注（或油束）特性来评价。图2所示为在静止的高压空气中喷射燃料时某一时刻喷注的结构示意图。用喷油器高压喷射方式形成的喷注核心部分的油滴非常密集且直径较大，油滴运动速度高，空气极少；而喷注外侧油滴稀少，直径也较小，且油滴运动速度相对缓慢。这种喷注特性取决于喷油器的结构、喷射压力和背压，是影响混合气形成的主要因素。常用喷注的几何形状和雾化质量来评价喷注特性。

喷注的几何形状指标，主要包括喷注的贯穿距离（或射程）L、贯穿率和喷雾锥角β或喷注的最大宽度B（图2）。喷注的贯穿率是指喷生的贯穿距离与从喷孔出口沿喷孔轴线到燃烧室壁面的距离之比，它表征燃油喷到燃烧室壁董的程度。当贯穿率大于1时，表示喷注已喷到燃烧室壁面。喷射压力越高、喷孔的长度和径之比越大、喷射环境密度越小，喷注的贯穿率就越大，喷雾锥角就越小。

 

图2 燃油喷注结构示意图

 

喷注的雾化质量主要由喷注中油滴的细度和均匀度来表示。细度常用喷注油滴的平均径表示，其定义为全部油滴直径的总和与油滴总数之比，即Σd_i/n_T，其中d_i为每个油滴曲直径，n_T为油滴的总数。油滴平均直径越小，雾化质量越好。但是，用这种油滴平均直径来评价喷注的细度时，对含有许多细小油滴的喷雾，会造成过小的平均直径。例如，由直径为10μm的1000个油滴和直径为100μm的1个油滴组成的油滴群，其平均油滴直径为［（101000）＋100］μm/（1000＋1）＝10.09μm，显然这种评价方法不太合理。所以引入索特平均粒径的概念，即假设有一种假想的均质油滴群，其总质量和总表面积与实际油滴群（样品）相同。令这种均质油滴群的直径为该样品的索特平均粒径，用d_m32表示，即

 (公式1)

 

式（1）中，n_i为直径为d_i的油滴个数。

上述例子的索特直径为

d_m32=(10³×1000+100³×1)μm/(10²×1000+100²×1)=18.18μm(>10.09μm)

这种索特平均直径的处理方法，虽然油滴的总数发生了变化，但蒸发速度和所生成的蒸气量不变，所以更为合理。图3所示为喷射压力与烟度和喷雾细度的关系。当喷射压力超过100MPa时，油滴的索特平均直径接近10μm，此时发动机的烟度几乎等于零。

 

图3 喷射压力与烟度和喷雾细度的关系曲线图

 

喷雾的均匀度是表示喷雾中油滴大小相同程度及直径分布的均匀程度。实际喷雾的油滴直径是非均匀的，所以常用粒度分布或油滴的质量分布来表示（图4）。将所采样油滴按粒径分为s个组，令d_i为第i组的中心粒径，其中所包含的油滴个数为n_i质量为m_i；n_T为油滴的总数，m_T为油滴群的总质量，则

 

(公式2)

 

 

 

 

喷雾的均匀度分布图

 

 

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