性能特點和作用說明

孔式、軸針、電磁和壓電式噴油器工作原理圖解

 

摘要：噴油器是柴油機燃油供給系中實現燃油噴射的重要部件，其功用是根據柴油機混合氣形成的特點，將燃油霧化成細微的油滴，并將其噴射到燃燒室特定的部位。按照噴油器線圈電阻大小，噴油器可分為低阻抗噴油器和高阻抗噴油器兩種。低阻抗噴油器線圈電阻一般為2-3歐姆，高阻抗噴油器線圈電阻一般為13-16歐姆。低阻抗噴油器可采用電流驅動和電壓驅動方式，高阻抗噴油器僅采用電壓驅動，三種驅動方式，低阻抗噴油器電流驅動響應性好，低阻抗噴油器電壓驅動響應性次之，高阻抗噴油器電壓驅動響應性再次之。

 

一、孔式噴油器的結構和工作原理

 

1、適用

      孔式噴油器適用于統一式燃燒室。

2、特點

① 噴孔的位置和方向與燃燒室形狀相適應，以保證油霧直接噴射在球形燃燒室壁上。

② 噴射壓力較高。

③ 噴油頭細長，噴孔小，加工精度高。

3、結構

      如圖1所示，噴油器由針閥和針閥體構成。噴油器有長型和短型兩種結構形式。前者將噴油器加長，針閥的導向部分遠離燃燒室，以減少針閥受熱及變形，從而避免針閥卡死在針閥體內。另外，由于細長桿有很好的彈性，在微小變形的情況下仍能保證針閥的密封性，所以長型噴油器多用于熱負荷較高的柴油發電機上。

① 承壓錐面：

      承受高壓油腔中油壓的作用，使針閥產生向上的軸向推力，克服調壓彈簧的預緊力及針閥與針閥體間的摩擦力，使噴油器實現噴油。

② 密封錐面：

      與針閥體內的密封錐面配合，以實現噴油器內腔的密封。

③ 噴孔：

      噴油器有一個或多個噴孔。有一個噴孔的稱為單孔噴油器，有兩個噴孔的稱為雙孔噴油器，有三個以上噴孔的稱為多孔噴油器。一般噴孔數目為1～8個，噴孔直徑為0.2～0.5mm。噴孔數和噴孔角度依據燃燒室形狀、大小及空氣渦流情況而定。噴孔直徑不宜過小，否則既不易加工，又在使用中容易被積炭堵塞。

④ 調壓裝置：

       調壓彈簧的預緊力通過頂桿作用在針閥上，將針閥壓緊在針閥體內的密封錐面上，使噴油器關閉。調壓彈簧的預緊力由調壓螺釘調節。

4、工作原理

       來自噴油泵的高壓柴油通過高壓油管送到噴油器，經進油管接頭、噴油器濾芯以及噴油器體和針閥體內的油道進入噴油器內的壓力室。油壓作用在針閥的承壓錐面上，產生向上的推力。當此推力超過調壓彈簧的預緊力時，針閥升起并將噴孔打開，高壓柴油經噴孔噴入燃燒室。當噴油泵停止供油時，噴油器壓力室內的油壓迅速下降，針閥在調壓彈簧的作用下迅速落座，將噴孔關閉，終止噴油。孔式噴油器的工作原理如圖2所示。

 

圖1 孔式噴油器的結構圖

圖2  孔式噴油器工作原理

 

二、軸針式噴油器的結構和工作原理

 

1、適用

      軸針式噴油器適用于對噴霧要求不高的渦流室式燃燒室和預燃室式燃燒室-分隔式燃燒室。

2、特點

      常有一個噴孔，直徑較大，軸針上下運動，噴孔不易積炭，且能自除積炭。

3、軸針式噴油器的結構類型

① 普通型：

      如圖3左圖所示，軸針較短，即節流升程較小，當軸針上升到其下端面完全離開針閥體上噴孔時，噴孔截面迅速增大，噴油速率迅速增大。由于噴油速率突然增大，易使柴油發電機工作粗暴。

② 節流型：

      如圖3右圖所示，與普通型相比，節流型噴油器的軸針較長（形狀不是圓柱體，可為階梯狀或倒錐體），節流升程較大，在噴油過程中軸針始終不會離開針閥體的噴孔，噴油初期的噴油速率較小，從而可以減緩燃燒過程初期氣缸壓力的增長，有利于降低柴油發電機最大爆發壓力和壓力升高率，從而使柴油發電機工作比較柔和，對降低柴油發電機燃燒噪聲有利。

③ 分流型：

      分流型噴油器除主噴孔外，還在針閥體的密封錐面上加工有分流孔，孔徑一般為0.2mm，孔中心線與針閥體軸線成30°。當柴油發電機起動時，由于轉速很低，噴油泵供油壓力較小，因此噴油器的針閥升程較小，這時大部分柴油經分流孔逆氣流方向噴到渦流室中心。因為逆氣流噴射，燃油霧化好，加上渦流室中心的溫度比較高，所以柴油容易著火燃燒，使柴油發電機在低溫下順利起動。當柴油發電機起動后，在正常轉速下工作時，針閥升程較大，大部分柴油從主噴孔順氣流方向噴入渦流室。

4、工作原理

      軸針式噴油器的工作原理與孔式噴油器相同，如圖4所示。軸針式噴油器的噴孔直徑一般為1～3mm，噴油壓力較低，一般為12～14MPa。特點是：

① 不噴油時針閥關閉噴孔，使高壓油腔與燃燒室隔開，燃燒氣體不致沖入油腔內引起積炭堵塞。

② 噴孔直徑較大，便于加工且不易堵塞。

③ 針閥在油壓達到一定壓力時開啟，供油停止時，在彈簧作用下立即關閉，因此，噴油開始和停止都干脆利落，沒有滴油現象。

④ 不能滿足對噴油質量有特殊要求的燃燒室的需要。

 

圖3  軸針式噴油器的結構圖

圖4  節流型軸針式噴油器原理圖

 

三、電控電磁閥式噴油器的結構和工作原理

 

1、適用

      電磁閥式噴油器適用于電控高壓共軌柴油發電機。

2、特點

① 對噴油定時的控制精度高（高于0.50CA），反應速度快。

② 對噴油量的控制精確、靈活、快速，噴油量可隨意調節，可實現預噴射和后噴射，改變噴油規律。

③ 噴油壓力高（電控高壓共軌噴油系統高達160MPa），不受發動機轉速影響，優化了燃燒過程。

④ 可靠性好，適用性強，可以在新老發動機上應用。

3、作用

      電控電磁閥式噴油器是共軌柴油噴射系統的核心部件，其作用是根據ECU發出的控制信號，通過控制電磁閥的開啟和關閉，將高壓油軌中的燃油以最佳的噴油定時、噴油量和噴油率（噴油規律）噴入燃燒室。

4、結構

      電控電磁閥式噴油器的結構如圖5所示。主要由燃油濾網、線束插座、電磁線圈、針閥閥體、閥座、復位彈簧、O形密封圈等組成。O形密封圈起到密封作用，密封圈防止燃油泄漏，密封圈防止漏氣。濾網用于過濾油中的雜質，軸針與針閥閥體制成整體結構。閥體上端安裝有一根螺旋彈簧，當噴油器停止工作時，彈簧彈力使閥體復位，針閥關閉，軸針壓靠在閥座上起到密封作用，防止燃油泄漏。在燃油分配管上，設有噴油器專用的支座，支座為橡膠成形件，起到隔熱作用，防止噴油器中的燃油產生氣泡，有助于提高發動機的高溫起動性能。

5、工作原理

①  初始狀態：

      當噴油器電磁閥未被觸發時，小彈簧將電驅的球閥壓向釋放控制孔上，在控制腔內形成共軌高壓；同樣，噴油器腔內也形成共軌高壓，共軌壓力對控制柱塞端面的壓力和噴油器彈簧的壓力與高壓燃油作用在針閥錐面上的開啟力相平衡，使針閥保持關閉狀態。

② 噴油開始狀態：

      當電磁閥被觸發時，電驅將泄油口打開，燃油從閥控制室中流到上方的空腔中（從空腔通過回油管道返回油箱），使控制室壓力降低；控制室壓力降低，減少了作用在控制柱塞上的力，這時噴油器針閥被打開，噴油器開始噴油，如圖6左圖所示。

③ 噴油結束狀態：

      電磁閥一旦斷電不被觸發，小彈簧力會使電磁閥電驅下壓，球閥將泄油孔關閉；泄油孔關閉后，燃油從進油孔進入控制室建立起油壓（這個壓力為油軌壓力），這個高壓作用在控制柱塞端面上，油軌壓力加上彈簧力大于針閥錐面上的壓力，使噴油器針閥關閉，如圖6右圖所示。

 

圖5  電控電磁閥噴油器結構圖

圖6  電控電磁閥噴油器狀態圖

 

四、電控壓電式噴油器的結構和工作原理

 

1、適用

      電控壓電式噴油器適用于電控高壓共軌柴油發電機系統。

2、結構特點

      電控壓電式噴油器的結構如圖7所示。

① 壓電執行器實際上無滯后時間。

② 開、關非常迅速而且精確。

③ 可重復性非常好。

④ 結構設計造成諸如間隙之類的誤差。

⑤ 在使用壽命期內性能穩定。

3、作用

      根據ECU發出的控制信號，通過控制電磁閥的開啟和關閉，將高壓油軌中的燃油以最佳的噴油定時、噴油量和噴油率（噴油規律）噴入氣缸燃燒。

4、工作原理

      噴油器針閥由一個伺服閥控制，噴油量則由其控制持續期決定。以圖8所示說明其工作原理。實現壓電式噴油器功能的主要組件是壓電執行器、液壓接桿、伺服閥和噴油器。壓電執行器在非工作狀態時處于原始位置，伺服閥關閉。高壓范圍和低壓范圍相互隔斷。此時，液壓接桿補償可能存在（例如由干熱膨脹所引起的）間隙，噴油器借助緊接著控制室的共軌壓力保持關閉狀態。壓電執行器起作用時將伺服閥打開，從而使控制室中的壓力降低，噴油器開啟。若伺服閥關閉，控制室中的壓力隨之增大，噴油器針閥也隨之關閉。

 

圖7  電控壓力式噴油器結構圖

圖8  電控壓力式噴油器原理圖

 

      這種壓電噴油器被設計成沒有機械力通過推桿作用在噴油器針閥上，因此運動質量和摩擦大大降低，并且噴油器的穩定性和噴油誤差比通常的電磁閥控制噴油系統明顯改善。伺服閥與噴油器針閥的緊密連接使得針閥對壓電執行器的動作能直接做出迅速的反應，控制始點與噴油始點之間的延遲時間總共約150μs，這樣就能獲得高的針閥速度和重復性較好的最小噴油量。

       同時，這種壓電噴油系統還能實現很短的噴射間隔，其工作過程如圖9所示。其中，圖10示范性地示出了每循環5次噴射的實例，其噴射次數和時刻能與發動機工況相匹配。

      從功能和可靠性觀點出發，壓電共軌噴油系統對高壓零件清潔度的要求比通常行程控制的噴油系統更高。

圖9  電控壓力式噴油器工作過程

圖10  噴油器柔性控制實例每循環5次噴射示意圖

 

總結：

      噴油器直接安裝在柴油機氣缸蓋上，噴油嘴頭部與高溫燃燒室接觸，其工作條件十分苛刻，因此它是影響柴油機設計指標和使用性能的關鍵部件。噴油器應滿足不同類型的燃燒室對霧化特性的要求。一般說來，噴注應有一定的貫穿距離和噴霧錐角，以及良好的霧化質量，而且在噴油結束時不發生滴漏現象。

 

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