摘要： 喷油提前角是指柴油开始喷入气缸的时刻相对于曲轴上止点的曲轴转角，而供油提前角则是喷油泵开始向气缸供油时的曲轴转角。显然，供油提前角稍大于喷油提前角。也就是说，柴油发动机的喷油提前角（供油时间）是通过调整喷油泵的供油提前角来实现的。整体式喷油泵柴油机的总供油时间通常以喷油泵第一缸供油提前角为准，调整整个喷油泵供油提前角的方法是改变喷油泵凸轮轴与柴油机曲轴间的相对角位置。为此，喷油泵凸轮轴一端的联轴器通常是做成可调整的。本文围绕最佳提前角的确定、喷油提前角的调节原理、喷油提前角的作用以及对启动性能的改善展开分析。
一、何为最佳提前角
1. 最佳喷油提前角的定义
（1）基本定义
最佳喷油提前角是指在转速和供油量一定的条件下，能获得最大功率和最小燃油消耗率的喷油提前角。
（2）随工况变化的特性
柴油机的最佳喷油提前角是变化的，它随供油量和曲轴转速变化而变化，最佳喷油提前角随柴油机转速升高而增大。转速升高时，曲轴转过同样角度所需时间缩短，为保证燃烧在上止点附近充分进行，喷油必须相应提前。
（3）结构因素的影响
此外，柴油机的结构对最佳喷油提前角也有一定的影响，例如，采用不同形式的燃烧室，其最佳喷油提前角大小就不同；一般采用直接喷射燃烧室的柴油机最佳喷油提前角就比采用分隔式燃烧室要大些。例如，在有些柴油机中，在常用的供油量和转速范围内，采用直接喷射燃烧室的柴油机最佳喷油提前角为28°～35°；采用分隔式燃烧室的柴油机最佳喷油提前角为15°～20°。这一差异与两种燃烧室的混合气形成方式不同有关：直喷式燃烧室依赖喷油雾化与空气涡流配合，需要更早喷油以形成混合气；分隔式燃烧室借助副室产生的强烈气流促进混合，对喷油提前的依赖相对较小。
2. 最佳提前角对柴油机的影响
（1）对颗粒物与NOx排放的影响
增大柴油机的喷油提前角，可以降低颗粒排放，但NOx的排放却逐渐上升，这表明仅靠调节喷油提前角来使二者同时满足排放法规是非常困难的。颗粒物与NOx之间这种此消彼长的关系，是柴油机排放控制中的基本矛盾之一。
（2）对CO和HC排放的影响
柴油机的喷油提前角超过某一值，不仅会使NOx的排放值增加，也会使CO和HC的排放值有所增加。这说明喷油提前角过大时，燃烧过程的恶化是全面的，而非仅限于某一类排放物。
（3）NOx形成的主导因素
在柴油机NOx的形成因素中，燃烧室内的温度起着决定性的作用。喷油提前角增大使着火滞燃期延长，预混合燃烧量增加，燃烧温度升高，从而促进NOx生成。
（4）CO形成的相关因素
由缸内低温引起的稀燃熄火和火焰淬熄对该柴油机CO的形成有着重要的影响。喷油提前角过大或过小都可能造成局部燃烧温度偏低，导致CO氧化不完全。
（5）HC形成的相关因素
在柴油机油气混合及燃烧过程中，若混合气过浓超出了富燃极限，以及混合气过稀低于稀燃极限，都会使其HC的生成量增加。喷油提前角的变化会改变混合气在燃烧室内的分布状态，从而影响HC生成量。
（6）最佳提前角的综合权衡
由此可见，最佳喷油提前角的确定并非单纯追求动力性或经济性，而需在动力、经济与排放三者之间综合权衡。不同用途的柴油机，其最佳提前角的取向也有所不同。
二、喷油提前角调节原理
1. 调节装置的基本构成
（1）装置组成
柴油机喷油提前角调节装置由顶杆、中间套筒和外部套筒组成，中间套筒中心通孔两端的内螺纹，一端与顶杆外螺纹配合联接，另一端与喷油泵凸轮轴端的螺纹配合联接，外套筒与中间套筒以螺纹配合联接。
（2）工作原理
顶杆尖端与喷油泵凸轮轴中心孔保持接触并将喷油泵凸轮轴位置固定，使喷油泵凸轮轴不会出现位移，确保原先已经独立调节好的凸轮轴相位不变，从而一次完成柴油机喷油提前角的调节，提高了工作效率，数据准确，而且该装置结构简单，成本低廉，操作方便。
2. 联轴器
（1）联轴器的基本结构
联轴器主要由两个凸缘盘组成，如图1所示。装在驱动齿轮轴上的凸缘盘和装在喷油泵凸轮轴一端的从动凸缘盘，两凸缘盘间用螺钉连接。驱动凸缘盘安装螺钉的孔是弧形的长孔。松开固定螺钉可变更两凸缘盘间的相对角位置，从而也就变更了整个喷油泵的供油提前角。
（2）拆卸后重新安装的调整方法
将喷油泵从柴油机上拆下后再重新装回时，可先将喷油泵固定在柴油机机体上的喷油泵托架上，再慢慢转动曲轴，使柴油机第一缸的活塞位于压缩行程上止点前相当于规定的供油提前角的位置，然后使喷油泵凸轮轴上与喷油泵壳体上相应记号对准，如图2所示。再拧紧联轴器的固定螺钉。
（3）调整标记的作用
调整标记的作用在于提供明确的相位基准，避免仅凭手感或经验判断造成误差。维修时若标记不清晰，应先清洁或重新标记，再行装配。其标记位置如图2所示。
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图1 柴油发电机喷油泵联轴器 1-从动凸缘盘；2-喷油泵凸轮轴；3-中间凸缘盘；4-驱动凸缘盘；5-销钉；6-驱动齿轮轴；7-夹布胶木垫盘 |
图2 柴油发电机联轴器的调整标记 |
3. 调节器
（1）固定式调整的局限
多数柴油发动机是在标定转速和全负荷下通过试验确定在该工况下的最佳喷油提前角的，将喷油泵安装到柴油机上时，即按此喷油提前角调定，而在柴油机工作过程中一般不再变动。显然，当柴油机在其他工况下运转时，这个喷油提前角就不是最有利的。
（2）离心式自动调节器的应用场合
对于转速范围变化比较大的柴油机，为了提高其经济性和动力性，希望柴油机的喷油提前角能随转速的变化自动进行调节，使其保持较有利的数值。因此，在这种柴油机（特别是直接喷射式柴油机）的喷油泵上，往往装有离心式供油提前角自动调节器，结构如图3所示。
（3）调节器的零件组成
调节器装在联轴器和喷油泵之间，其组成如图4所示。前端面有两个方形凸块的驱动盘，也就是联轴器的从动盘。在驱动盘的腹板上装有两个销轴。两个飞块的一端各有一个圆孔套在此销轴上。两个飞块的另一端则压装有两个销钉。每个销钉上松套着一个滚轮内座圈和滚轮。调节器的从动盘的毂部用半月键与喷油泵凸轮轴相连。从动盘两臂的弧形侧面与滚轮接触，另一侧面则压在两个弹簧上。弹簧的另一端支在弹簧座圈上。弹簧座圈则由螺钉固定在销轴的端部。从动盘还固定有筒状盘，其外圆面与驱动盘的内圆面相配合，以保证驱动盘与从动盘的同心度。整个调节器为一密闭体，内腔充满机油以供润滑。
（4）调节器的工作过程
柴油机工作时，驱动盘连同飞块被曲轴驱动而旋转。飞块在离心力的作用下绕销轴转动，其活动端向外摆动。同时，滚轮则迫使从动盘沿箭头方向转动一个角度，直到弹簧的弹力与飞块的离心力相平衡时为止。于是驱动盘与从动盘开始同步旋转。当柴油机转速升高，飞块活动端进一步向外张开，从动盘被迫再沿箭头方向相对于驱动盘转过一定角度，使供油提前角随转速增加而相应增大。反之，曲轴转速降低，飞块离心力减小，从动盘在弹簧的作用下退回一定角度，使供油提前角相应减小。
（5）调节范围
这种离心式供油提前角自动调节器可以保证供油提前角在转速变化时，在0°～10°范围内自动调节。这一调节范围覆盖了常用转速区间内对提前角的主要需求。
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图3 柴油发电机供油提前角自动调节器构造图 1-从动盘；2-内座圈；3-滚轮；4-密封圈；5-驱动盘；6-筒状盘；7-飞块； 8-销钉；9-弹簧；10-螺钉；11-弹簧座圈；12-销轴；13-调节器盖 |
图4 柴油发电机供油提前角自动调节器零件图 1-从动盘；2-内座圈；3-滚轮；4-密封圈；5-驱动盘；6-筒状盘；7-飞块； 8-销钉；9-弹簧；10-螺钉；11-弹簧座圈；12-销轴；13-调节器盖 |
三、喷油提前角的作用
1. 提前角过大或过小的危害
（1）提前角过大的后果
柴油机的喷油提前角是一个非常重要的参数，提前角过大，燃烧性能不好。喷油过早使着火滞燃期延长，预混合燃烧量过大，缸内压力升高率过高，工作粗暴，NOx排放增加。
（2）提前角过小的后果
提前角过小，燃烧不完全。喷油过晚使燃烧过程延续到膨胀行程，后燃严重，热效率下降，排温升高。
（3）共同表现
这两种状况都导致柴油机性能变坏，油耗过大，效率低下。在实际工况中表现为转速较低，排气管冒黑烟，排气温度和冷却水温度过高，同时还加剧磨损。
2. 最佳点的选择与实际影响因素
（1）最佳点的存在
不同的转速有着不同的喷油提前角，这就存在着一个最佳点的选择。
（2）影响因素
而喷油提前角的最佳点，与很多实际因素有关，比如：不同机器中各处安装间隙大小引起的摩擦阻力的大小不同、润滑质量的好坏、柴油十六烷值的高低、燃油温度、环境温度等因素都影响着喷油提前角的实际大小。
3. 停车调节与动态调节的差异
（1）停车调节的局限
停车调节喷油提前角的柴油机，只能按一个常用转速或最大转速来确定一个大概的喷油提前角。实际上很难定准这个角度，因为它还与拖动负荷大小有关，只能凭经验在满负荷运行时估计需增减多少度，待停车后再加以修正，但换一个时间和工况却又不能适应。总之这种停车调节喷油提前角的形式，很难使柴油机发挥最大效率，并使油耗达到最低。
（2）动态调节的优势
动态调节喷油提前角则不同，它可涵容一切影响柴油机性能的随机因素，在任何转速区、任何工况下都可随时调整喷油提前角，选定一个既节能、功率输出又最大的最佳点。从而使柴油机的效率达到最佳，油耗达到最少。
四、对启动性能的改善
1. 启动临界转速与缸压突变
（1）启动能量的外部依赖
柴油机的启动能量完全要依赖于外界，它的最低启动转速称为启动临界转速。对于每台柴油机来说，启动临界转速是不同的。
（2）启动需克服的阻力
柴油机的启动要克服所有摩擦阻尼，同时还要在压缩冲程中建立一个最低的启动缸压。
（3）缸压突变的产生
另外，从图5缸压和曲轴转角关系图以及图6示功曲线图来看，在喷油开始时，缸压有一个明显的压力突变直至喷油终了，形成了一个斜率较高的梯度，由于这个梯度的存在，突变的缸压反过来又会抑制活塞上行的运动速度，当活塞冲量不足时，活塞将会梗死于上止点之前，使启动失败。
2. 推迟喷油对启动的改善
（1）推迟喷油的作用机理
如果推迟喷油，情况就不一样了。活塞的运动惯性将进一步得到延续，在这种延续后的较长时间段内运动冲量得以很大的提高。当喷油引起的缸压突变到来时，活塞等运动部件因获得了足以克服突变缸压的冲量，所以能轻松越过上止点，顺利启动。
（2）动态调节装置的必要性
如何能方便地推迟喷油、减小喷油提前角，并在持续运行中又能调回喷油提前角？只有安装动态调节装置。
（3）普通型柴油机低温启动的问题
现在的普通型柴油机只能按额定转速或某一预置转速锁定喷油提前角。这样，在冷车启动时，由于缸内压力和缸温均较低，又加上较大的喷油提前角过早喷油，所以导致燃烧条件不理想。由于活塞没有足够的运动冲量越过过早到来的缸压突变梯度，使活塞梗死在上止点之前，前序启动的缸也会因为缸温、缸压不足而没有足够大的爆发力来平衡后序未启动缸带来的负载，使启动失败。
（4）提高启动空气压力的代价
在这种情况下，为了解决低温启动的问题，只有提高启动空气的压力，并延长启动时间，以此来提高活塞的运动冲量，使曲轴在瞬间处于一个比较高的转速状态，以此来适应较大的喷油提前角，从而以较大的惯性冲量越过过早到来的缸压突变梯度来启动柴油机。
（5）粗暴启动的危害
这样做的结果会使柴油机在低温启动时，存在很大的冲击负荷，使启动变得粗暴，并且，冲击负荷导致曲轴脆断的危险性也很大，各运动部件的磨损还会加剧。
（6）动态调节的启动优势
而进行喷油提前角动态调节的柴油机则不然，它在低温启动时，可预先调定一个相应的、专用于启动的喷油提前角，再来启动柴油机。这是一种用修正工作参数去适应启动工况的做法，是比较科学的。
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图5 柴油机缸压和曲轴转角关系图 |
图6 柴油发电机满载负荷下提前角示功曲线 |
总结
众所周知，喷油提前角的大小，在不同转速时其实际数值是不同的。柴油机只能在停车时选定一种角度值，这样就导致了在其它转速、其它工况时，柴油机不能以最佳状态运行，因此，效率也就比较差，其结果就是耗油量增大，输出功率减小。虽然在喷油泵总成内装有一套飞锤式供油平衡装置，但它不能改变既定的喷油提前角，只能在工况变化时，增加或减少喷油量。在既定的不理想的喷油提前角状态下，飞锤式供油平衡装置为了平衡外负荷，会突然增加或减少供油量，这就使柴油机性能更加恶化，如油耗增加，燃烧不完全，水温、排气温度过高，磨损加剧，以及综合性能变坏。其意义在于：理解最佳喷油提前角随转速与负荷变化的规律，掌握联轴器与离心式调节器的调整原理，认识动态调节对启动性能和全工况效率的作用，有助于在维修与使用中合理设定和校正喷油提前角，使柴油机在动力性、经济性与排放之间取得更好的平衡。
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