第5章

柴油機燃油供給系統

5.1 概述

柴油機與汽油機不同。它燒的是柴油，柴油黏度大，不易揮發，一般不能通過化油器在汽缸外部形成均勻的混合氣，故采用高壓噴射的方法，在接近壓縮行程上止點時，柴油以高壓噴入汽缸，直接在汽缸內部形成混合氣，并借助汽缸內空氣的高溫自行發火燃燒，對外做功。因此，柴油機供給系統的組成、構造及工作原理與汽油機供給系統有較大區別。

5.1.1 柴油機燃油供給系統的功用和要求

柴油機燃油供給系統的功用是完成燃料的儲存、濾清和輸送工作，按柴油機各種不同工況的要求，定時、定量、定壓地將霧化質量良好的柴油，以一定噴油規律噴入燃燒室使其與空氣迅速而良好地混合和燃燒，做功后將燃燒廢氣排出汽缸。

由于柴油的蒸發性和流動性較汽油差，而且柴油機的混合氣形成時間較汽油機短促得多，使得柴油難以在燃燒前霧化并與空氣均勻混合，即柴油機的可燃混合氣的品質較汽油機的差。因此，柴油機不得不采用較大的過量空氣系數，使噴入汽缸的柴油能夠燃燒得比較完全。

為改善混合氣形成的條件，不致出現太長的著火準備期，保證柴油機工作柔和，除了選用十六烷值較高的柴油，采用較高的壓縮比（15～20），以提高汽缸內的空氣溫度，促進柴油蒸發外，還對柴油機供給系統提出如下要求：

① 噴油壓力必須足夠高，一般在10MPa以上，以利于柴油霧化。

② 在燃燒室內組織強烈的空氣運動，促進柴油與空氣的均勻混合。

為使發動機能可靠地工作，柴油機供給系還應保證：

① 在一個工作循環內，各缸均噴油一次，其次序與選定的發動機發火次序相符。

② 能隨發動機負荷的不同而相應改變供油量，且各缸的供油量是一致的。

③ 各缸有相同的噴油提前角，并且在一定程度上可以根據發動機工況進行統一調節。

5.1.2 柴油

柴油是在533～623K的溫度范圍內從石油中提煉出的碳氫化合物，含碳87%、氫12.6%和氧0.4%。柴油按凝點分為10、0、-10、-20、-35五個牌號，其疑點分別不高于10℃、0℃、-10℃、-20℃、-35℃，牌號越高凝點越低。其代號分別為RCZ-10、RC-0、RC-10、RC-20、RC-35。“R”和“C”是“燃”和“柴”字的漢語拼音字頭，凝點在0℃以上的則在“-”前加上“Z”字，選用時，號數應比實際氣溫低5～10℃。

柴油的使用性能指標主要是發火性、蒸發性、黏度和凝點。

發火性是指燃油的自燃能力。柴油機的發火性用“十六辛烷值”表示，十六辛烷值越高，發火性越好，但是十六辛烷值高的柴油的凝點也高，因而蒸發性差，故通用柴油的十六辛烷值應在40～50范圍內。

蒸發性是指由燃油蒸發試驗確定的，需要測定的餾程是50%餾出溫度、90%餾出溫度及95%餾出溫度。同一相對蒸發量的柴油餾出溫度越低，表明柴油蒸發性越好，越有利于可燃混合氣的形成和燃燒。

黏度決定燃油的流動性，黏度越小，則流動性越好。黏度過大的柴油由于流動的阻力過大，難以濾清、沉淀，也嚴重地影響柴油從噴油器噴出時的霧化。黏度過小又將增加柱塞副之間以及噴油器針閥與閥體之間柴油漏失量，加劇這些精密偶件的磨損。

凝點是柴油冷卻到開始失去流動性的溫度。柴油的凝點應比最低工作溫度低3～5℃以上，凝點過高會導致油路堵塞。因此GB252—81規定根據凝點將國產柴油進行編定，如10號、0號和-35號。

汽車應選用十六辛烷值高、蒸發性好、凝點和黏度適合、不含水分和雜質的柴油。

5.1.3 柴油機可燃混合氣的形成

1.柴油機可燃混合氣的形成與燃燒特點

柴油機可燃混合氣的形成和燃燒都是直接在燃燒室內進行的。當活塞接近壓縮行程上止點時，柴油噴入汽缸，與高壓高溫的空氣接觸、混合，經過一系列的物理、化學變化才開始燃燒。之后便是邊噴射，邊燃燒。其混合氣的形成和燃燒是一個非常復雜的物理化學變化過程，其主要特點是：

① 燃料的混合和燃燒是在汽缸內進行的，混合空間小、時間短，給柴油與空氣的良好混合和完全燃燒帶來很大困難；

② 可燃混合氣的形成和燃燒過程是同時、連續重疊進行的，即邊噴射，邊混合，邊燃燒，混合氣形成過程很復雜，成分不斷變化；

③ 柴油機由于難以實現噴入汽缸的柴油與空氣的完全均勻混合，因此要求空氣對燃料的比例一般比汽油機大。過量空氣系數（α）通常在標準工況下都大于1，一般在1.15～2.20范圍內。

2.可燃混合氣的形成與燃燒過程

（1）柴油機可燃混合氣的形成方式

柴油機混合氣形成方式從原理上來分，有空間霧化混合和油膜蒸發混合兩種。

① 空間霧化混合。

空間霧化混合是將燃油噴向燃燒室空間，形成霧狀，霧狀油滴從高溫空氣中吸熱蒸發并擴散，與空氣形成混合氣。為了使混合均勻，要求噴出一個或數個油束與燃燒室形狀配合，并利用燃燒室中空氣的運動與其混合，見圖5-1（a）。

② 油膜蒸發混合

油膜蒸發混合是將大部分燃油噴到燃燒室壁面上，形成一層油膜，油膜受熱汽化蒸發，在燃燒室中強烈的渦流作用下，燃油蒸氣與空氣形成均勻的可燃混合氣，見圖5-1（b）。這一混合方式中起主要作用的因素是燃燒室壁面溫度、空氣相對運動速度和油膜厚度。

（2）柴油機可燃混合氣的形成和燃燒過程

柴油機燃燒過程非常復雜，為了便于分析和揭示燃燒過程的規律，通常將這一連續的燃燒過程分為四個階段，即著火延遲期（又稱為滯燃期）、速燃期、緩燃期和補燃期，汽缸壓力與曲軸轉角的關系見圖5-2。

① 著火延遲期（AB段）

從柴油開始噴入汽缸起到著火開始為止的這一段時期稱為著火延遲期。

噴入汽缸中的霧狀柴油并不能馬上著火燃燒，汽缸中的氣體溫度雖然已高于柴油的自燃點，但柴油的溫度不能馬上升高到自燃點，要經過一段物理和化學的準備過程。也就是說，柴油在高溫空氣的影響下，吸收熱量，溫度升高，逐層蒸發而形成油氣，向四周擴散并與空氣均勻混合；隨著柴油溫度升高，少量的柴油分子首先分解，并與空氣中的氧分子進行化學反應，具備著火條件而著火，形成了火焰中心，為燃燒做好了準備。

② 速燃期（BC段）

從開始著火（即壓力偏離壓縮線）到出現最高壓力的這一段時期稱為速燃期。

火焰中心已經形成，已準備好了的混合氣迅速燃燒，在這一階段由于噴入的柴油幾乎同時著火燃燒，而且是在活塞接近上止點、汽缸工作容積很小的情況下進行燃燒的，因此，汽缸內的壓力p迅速增加，溫度升高很快。

③ 緩燃期（CD段）

從出現最高壓力至溫度達到最高點的這一段時期稱為緩燃期。

這一階段噴油器繼續噴油，由于燃燒室內的溫度和壓力都高，柴油的物理和化學準備時間很短，幾乎是邊噴射邊燃燒。但因為汽缸中氧氣減少，廢氣增多，燃燒速度逐漸減慢，汽缸容積增大，所以汽缸內壓力略有下降，溫度達到最高值，通常噴油器已結束噴油。

④ 補燃期（DE段）

從最高溫度點起到燃油基本燒完時為止稱為補燃期。

補燃期的終點很難準確地確定，一般當放熱量達到循環總放熱量的95%～99%時，可認為補燃期結束。補燃期放出的熱量不能充分利用來做功，很大一部分熱量將通過缸壁散至冷卻水中，或隨廢氣排出，使發動機過熱，排氣溫度升高，造成發動機動力性下降，經濟性下降。因此，要盡可能地縮短補燃期。