喷油嘴喷孔油线在燃烧室内的分布原则

前已说明，中小型直喷式高速柴油机常采用ω形燃烧室，采用4～8个喷孔的喷油嘴，通过适当的进气涡流组织油气混合和燃烧。另外，根据缸径大小与性能方面的不同要求，有四气门和两气门两种布置方式，气门数不同，喷油器在气缸盖上的布置就不一样，其喷油嘴的油线在燃烧室分布设计也有较大差异。

对于四气门机构，可将喷油器垂直布置在4个气门中间，这时活塞顶上的燃烧室轴心线和气缸中心线与喷油器轴心线重合，喷油嘴各喷孔到燃烧室壁的距离相等，喷油油束沿燃烧室周边均布，油束沿气缸轴线方向在燃烧室壁上的落点位置处于同一高度并可以通过改变喷孔之间的锥面夹角和喷油嘴头部伸出气缸盖底面的距离来加以调整。

对于两气门机构，由于受空间限制，气门轴心线和燃烧室轴心线都须偏置于气缸中心线，喷油器轴线也偏离燃烧室中心并以倾斜角度布置（图9-17），为使柴油机取得优良的性能，在设计燃烧系统时，希望尽可能地减少偏移量，图9-17中给出了上述极限偏移量的推荐值。显然，柴油机缸径越小，其燃烧室结构布置就越困难，研究表明，燃烧室偏置会使进气过程产生的进气涡流衰减较快，因此对于缸径较小的柴油机，进气涡流应相应增大，以保证燃烧室内所需的气流强度，但这又使进气阻力加大，降低了充量系数。此外由于中小型柴油机转速高，标定转速为2000～4500r/min，高低速工况所需的最佳涡流比相差较大，因此在进气涡流与燃油喷柱之间的匹配上必须十分仔细，若在高速工况下的涡流偏大，会使油束重叠；在低速时涡流比偏小，则不利于油束在整个燃烧室内的分布。

图9-17 两气门柴油机的燃烧室、喷油器头部中心与气缸中心的位置关系

O—气缸中心 O₁—喷油器中心 O₂—燃烧室中心 O₃、O₄—进排气门中心其中：喷油器最大偏移量a：8%～10%D 气门最大偏移量b：8%～10%D燃烧室最大偏移量c：约5%D

就燃料供给系统而言，由于循环喷油量与柴油机的工作容积，即缸径的平方成正比，小缸径的柴油机由于喷油量小而使匹配更为困难，要保证良好的雾化并防止燃油过多的射向壁面，要求尽可能减小喷孔直径，对于缸径小于100mm的柴油机，喷孔直径应在0.13～0.28mm之间，而且加工质量对各孔喷油的均匀性影响很大。

图9-18 喷油嘴喷孔倾斜角对喷孔喷油量的影响

此外，为保证油线在燃烧室内的均匀分布，对于倾斜布置的喷油器而言，其各个喷孔与喷油器轴线之间的夹角φ也不应相等，由于各喷孔流动条件不同，又造成各喷孔流量的不均匀（图9-18），虽然可以采用小尺寸的P系列喷油嘴来尽量减小喷油器的安装倾斜角，但与大缸径的四气门机型相比，毕竟还是加大了匹配方面的困难。

综上所述，在直喷式柴油机燃料供给系统与燃烧室空间匹配工作中，正确选定喷孔的方位，即油线在燃烧室壁上的落点位置是一项关键技术，其基本思路就是要保证燃油与空气的良好混合，力求实现燃烧室各处既不缺氧又不缺油的“等空燃比”的目标（当然，这只是从油气合理分布提出的设计原则和理想情况），由此提出以下几个基本设计原则：

1.油线轴向分布原则

前已说明，在四气门结构方案中，喷油器居中安装，喷孔在圆周方向均布，有关匹配工作不难进行也无需赘述。但在两气门结构方案中，情况就比较复杂，其喷油器在气缸盖上的布置和燃烧室如图9-17和图9-19所示，其中图9-19是以4孔喷油器为例表示的喷孔油线在燃烧室内分布的示意图。由图可见，由于喷油器斜置（角度γ），为了保证各油线在燃烧室壁面上的落点处于同一高度，各喷孔与喷油器本身轴线的夹角φ（图9-18）应当不同。另外，4个喷孔的轴线在空间形成一个锥角Δ（一般为140°～160°）的圆锥面，前已说明（参见6.4节），当活塞处于上止点时，在选择这个锥角以及喷油器头部的伸出量时，要保持此锥面上下面两部分燃烧室的空间容积大致相等，这一点对于浅盆形燃烧室的四气门机构是比较合理也容易做到的，但对活塞顶面有凹坑（如ω形燃烧室）就要复杂得多，这时不能再像大缸径柴油机那样主要考虑油束在空间的分布，还必须考虑有一部分燃油不可避免地要喷射到燃烧室壁面的现象。(www.xing528.com)

因此，提出“有效燃烧室容积”的概念，它是燃烧室凹坑容积加上顶部上空的一部分余隙容积，大约占活塞位于上止点时整个燃烧室容积的75%～85%（除有效燃烧室容积外，还包括余隙容积的其余环形部分，活塞头部环岸容积，气门下沉容积等）。这是主燃烧阶段油气混合及燃烧的空间，它直接影响柴油机的动力与经济性能。为使油气混合的条件更为合理，油线锥面下方的容积应比上方略大（因为下方的燃烧室壁面上积聚了较多的燃油），即上、下容积的最佳比值应略小于1。若燃烧室带有缩口，则缩口越小，下锥体中活塞壁面上因射流积聚的燃油越多，上述比值越小，这样才能保证燃油量与空间容积达到等比例为宜。

图9-19 喷油嘴喷孔油线在燃烧室内分布计算示意图

图9-20 喷油嘴喷孔油线在燃烧室周向分布形式

a）等角度分布 b）等弧长分布 c）等面积分布

2.油线周向分布原则

由于在四气门结构中，喷油器喷孔按等角度均布即可保证燃油与空气混合的周向均匀性，故无需多作讨论；而在两气门方案中，由于喷油器斜置，情况就复杂得多。例如，图9-20所示即为几种可能方案，该图为活塞顶面的投影图，图中O为燃烧室中心，O′为喷油嘴中心，A、B、C、D为油线在壁面的落点，由图可见，油线落点的布置有等弧长、等角度及等面积三种。所谓等弧长（图9-20b）是指各油线落点之间的燃烧室周壁等长，其思路是燃烧室的空气旋流使油束吹偏布满整个空间，每一束燃油扫过的弧长相等，不会造成燃油吹偏不足或过度的现象；所谓等面积（图9-20c）是指两油线夹角在活塞顶上的扇形投影面积相等，其设计思想是假定燃油喷射每一束的油量相等，保证每一油束周围的油、气比例一致（相等的过量空气系数）以充分利用周向每一处空间的空气与燃油混合；所谓等角度（图9-20a）是指相邻两油束在活塞顶平面的投影夹角相等，喷孔按等角度分布，其优点是喷油嘴加工比较容易，因此在早期设计中大多采用，而按等弧长与等面积原则设计的喷油嘴各油束之间的夹角是不相等的，故喷油嘴的喷孔加工较为复杂。英国里卡多（Ricardo）公司曾在我国开发的R4100柴油机上进行过匹配试验，结论是等角度布置的油线柴油机低速性能较好；等面积布置的油线柴油机高速性能略优；等弧长布置的油线，可在高低速之间取得较好的折中的性能指标。目前，国内柴油机喷油油线分布设计大多采用等弧长布置方案。

3.油线等空燃比布置原则

随着设计技术的不断发展及对燃油喷射特性研究的深入，作者在分析前述等弧长、等面积分布等方案不足的基础上，提出了第四种油线周向落点的布置原则，即等空燃比综合分布原则。这是因为两气门柴油机的喷油器与气缸中心线以一定的倾斜角度布置，导致了其喷油嘴各喷孔喷油量不均等（各喷孔的喷油量与喷孔倾斜角φ有关），这是因为燃油从压力室经喷孔流出的条件受到喷孔倾斜角的影响，夹角越小，燃油流出时的转向与阻力越小，流量越大。由于存在各喷孔的喷油量差异（图9-18），两油线夹角在活塞顶上的扇形投影面积应依据各喷孔不同的喷油量来决定，其大小应与相应喷孔的喷油量成对应关系，以实现等空燃比油气分布的理想。现以某种缸径为80mm的4缸柴油机为例来进行说明，其喷油嘴喷孔轴线锥面夹角Δ为150°，喷油器安装时的倾斜角γ为23°，图9-20c中A、B油线的φ角与C、D油线的φ角相差36°，由图9-18知，A、B喷孔喷油量要比C、D喷孔喷油量少约23%。故O′AB扇形投影面积应比O′CD扇形投影面积小23%左右才能达到周向等空燃比油气混气的目的。

另外，油线尽可能采用等长度设计。不论是采用哪一种方案，在燃烧室中心与喷油嘴中心的连线上不能布置油线，因为这时两油线长度差最大。

喷油嘴喷孔油线在燃烧室内分布的设计，可以依据上述原则在燃烧室参数确定后用三维造型软件（如Pro/E、UG等）或AutoCAD来计算和绘图，以得出要求的参数和油线落点位置的坐标，也可以用解析几何的数学计算的方法得出，下面通过一个具体实例说明油线长度和落点高度的计算方法。