性能特點(diǎn)和作用說明

柴油發(fā)電機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的要求和霧化特性

 

柴油發(fā)電機(jī)燃料的噴射方式及其霧化特性是制約壓燃式發(fā)動機(jī)混合氣形成和燃燒過程的重要因素。因此，隨著節(jié)能與排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，對柴油發(fā)電機(jī)燃料噴射系統(tǒng)提出了越來越高的要求。康明斯公司在本文中就燃油噴射系統(tǒng)的要求和霧化特性作了詳細(xì)介紹。

 

一、對燃料噴射系統(tǒng)的要求

 

如前所述，柴油發(fā)電機(jī)的性能及其排放特性與其燃燒放熱規(guī)律有關(guān)。對一定的燃燒系統(tǒng)，放熱規(guī)律直接取決于噴射規(guī)律。傳統(tǒng)的機(jī)械式泵-管-噴油器型噴射系統(tǒng)，以及在此基礎(chǔ)上開發(fā)的電控位置式噴射系統(tǒng)，是通過油門拉桿（齒條）位置的控制方法來控制噴油泵的，將一定的燃料量按一定的供油壓力和供油規(guī)律經(jīng)高壓油管輸送到噴油器，由噴油器向燃燒室內(nèi)噴射，完成可燃混合氣的形成；而且噴油時(shí)刻也是通過噴油泵的供油時(shí)刻來間接控制的。這種泵-管-噴油器位置式噴射系統(tǒng)，是噴油器、高壓油管、噴油泵及調(diào)速器（電控）連成一體的，使得各自的性能互相受到制約和影響，從而控制自由度受到限制，不能有效地控制放熱規(guī)律（圖1左圖）。而理想的噴射系統(tǒng)，是噴油器和噴油泵由控制單元可獨(dú)立控制的合理的噴射系統(tǒng)，其特點(diǎn)是最大限度地提高控制自由度，達(dá)到噴射系統(tǒng)各參數(shù)的最佳配合，優(yōu)化柴油發(fā)電機(jī)的整機(jī)性能和排放特性。這種理想的噴射系統(tǒng)，只有依靠時(shí)間-壓力式電控噴射系統(tǒng)才有可能實(shí)現(xiàn)（圖1右圖）。

 

柴油發(fā)電機(jī)的電控技術(shù)，從20世紀(jì)80年代開始開發(fā)研究，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，從位置式控制系統(tǒng)發(fā)展到時(shí)間式控制的電控泵噴嘴系統(tǒng)（Unit Injector System，UIS）和時(shí)間-壓力式控制的電控高壓共軌（Common Rail，CR）系統(tǒng)，由此滿足發(fā)電用柴油發(fā)電機(jī)對噴射系統(tǒng)的要求，以實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)燃燒放熱規(guī)律的柔性化控制，達(dá)到節(jié)能及控制排放的目的。為了實(shí)現(xiàn)對發(fā)電用柴油發(fā)電機(jī)噴油規(guī)律的自由柔性化控制，對其燃油噴射系統(tǒng)提出以下基本要求：

1）能產(chǎn)生足夠高的噴射壓力，而且噴射壓力可任意控制，由此保證燃料快速、良好的霧化。

2）噴油器的響應(yīng)時(shí)間要足夠快，由此在極短的混合氣形成時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)噴油規(guī)律的自由控制，以保證柴油發(fā)電機(jī)在整個(gè)運(yùn)行工況范圍內(nèi)都能達(dá)到最佳噴油時(shí)刻和理想噴油規(guī)律。

3）噴霧特性與燃燒室內(nèi)氣流特性的最佳匹配。

 

圖1 柴油機(jī)對噴射系統(tǒng)的要求

 

二、燃油噴射霧化特性

 

由于柴油黏度大、不易揮發(fā)，所以燃油的霧化是其形成混合氣的前提條件。為了使燃油快速霧化，柴油發(fā)電機(jī)采用以噴油器向氣缸內(nèi)高壓噴射的方法強(qiáng)制使燃料霧化粉碎成微小的油滴，由此大大增加單位時(shí)間內(nèi)所噴入的燃油量與周圍空氣接觸的蒸發(fā)面積，加速燃料從空氣中吸熱而汽化形成混合氣的過程。噴油器的噴霧質(zhì)量常用其噴注（或油束）特性來評價(jià)。圖2所示為在靜止的高壓空氣中噴射燃料時(shí)某一時(shí)刻噴注的結(jié)構(gòu)示意圖。用噴油器高壓噴射方式形成的噴注核心部分的油滴非常密集且直徑較大，油滴運(yùn)動速度高，空氣極少；而噴注外側(cè)油滴稀少，直徑也較小，且油滴運(yùn)動速度相對緩慢。這種噴注特性取決于噴油器的結(jié)構(gòu)、噴射壓力和背壓，是影響混合氣形成的主要因素。常用噴注的幾何形狀和霧化質(zhì)量來評價(jià)噴注特性。

噴注的幾何形狀指標(biāo)，主要包括噴注的貫穿距離（或射程）L、貫穿率和噴霧錐角β或噴注的最大寬度B（圖2）。噴注的貫穿率是指噴生的貫穿距離與從噴孔出口沿噴孔軸線到燃燒室壁面的距離之比，它表征燃油噴到燃燒室壁董的程度。當(dāng)貫穿率大于1時(shí)，表示噴注已噴到燃燒室壁面。噴射壓力越高、噴孔的長度和徑之比越大、噴射環(huán)境密度越小，噴注的貫穿率就越大，噴霧錐角就越小。

 

圖2 燃油噴注結(jié)構(gòu)示意圖

 

噴注的霧化質(zhì)量主要由噴注中油滴的細(xì)度和均勻度來表示。細(xì)度常用噴注油滴的平均徑表示，其定義為全部油滴直徑的總和與油滴總數(shù)之比，即Σd_i/n_T，其中d_i為每個(gè)油滴曲直徑，n_T為油滴的總數(shù)。油滴平均直徑越小，霧化質(zhì)量越好。但是，用這種油滴平均直徑來評價(jià)噴注的細(xì)度時(shí)，對含有許多細(xì)小油滴的噴霧，會造成過小的平均直徑。例如，由直徑為10μm的1000個(gè)油滴和直徑為100μm的1個(gè)油滴組成的油滴群，其平均油滴直徑為［（101000）＋100］μm/（1000＋1）＝10.09μm，顯然這種評價(jià)方法不太合理。所以引入索特平均粒徑的概念，即假設(shè)有一種假想的均質(zhì)油滴群，其總質(zhì)量和總表面積與實(shí)際油滴群（樣品）相同。令這種均質(zhì)油滴群的直徑為該樣品的索特平均粒徑，用d_m32表示，即

 (公式1)

 

式（1）中，n_i為直徑為d_i的油滴個(gè)數(shù)。

上述例子的索特直徑為

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

這種索特平均直徑的處理方法，雖然油滴的總數(shù)發(fā)生了變化，但蒸發(fā)速度和所生成的蒸氣量不變，所以更為合理。圖3所示為噴射壓力與煙度和噴霧細(xì)度的關(guān)系。當(dāng)噴射壓力超過100MPa時(shí)，油滴的索特平均直徑接近10μm，此時(shí)發(fā)動機(jī)的煙度幾乎等于零。

 

圖3 噴射壓力與煙度和噴霧細(xì)度的關(guān)系曲線圖

 

噴霧的均勻度是表示噴霧中油滴大小相同程度及直徑分布的均勻程度。實(shí)際噴霧的油滴直徑是非均勻的，所以常用粒度分布或油滴的質(zhì)量分布來表示（圖4）。將所采樣油滴按粒徑分為s個(gè)組，令d_i為第i組的中心粒徑，其中所包含的油滴個(gè)數(shù)為n_i質(zhì)量為m_i；n_T為油滴的總數(shù)，m_T為油滴群的總質(zhì)量，則

 

(公式2)

 

 

 

 

噴霧的均勻度分布圖

 

 

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