二次噴射

二次噴射（secondary injection）

燃油系統設計不當的柴油機在高轉速、高負荷下運行時發生的一種不正常燃油噴射現象。在燃油噴射泵一次供油中，在主噴射暫時中止一段時間之後發生的少量燃油再次噴射，由於這次噴射壓力不足和噴射時刻過遲，惡化了這部分燃料在缸內的燃燒條件，因此二次噴射出現時柴油機的經濟性嚴重惡化。

基本介紹

• 中文名：二次噴射
• 外文名：secondary injection
• 分類：液體和氣體二次噴射
• 原因：燃油系統設計不當造成
• 危害：使得燃料燃燒不補充分污染環境
• 套用：內燃機、航空技術

定義

GDI 發動機二次噴射模式中的第一次噴射，使燃燒室內形成均勻的混合氣體。通過第二次噴射，利用發動機的滾流性將油霧卷到火花塞附近，進行局部加濃以利於點火，減少油耗，降低排放。

二次噴射的發展

由於近年來GDI 發動機二次噴射有著良好的經濟性與排放性，因此受到日益廣泛的關注與研究，但也面臨著技術上的挑戰。由於噴油時刻、相關混合氣的形成與邊界條件的精確匹配存在各種困難，所以僅用一次噴射的單段噴射常常不足以滿足第二代缸內直噴混合氣形成過程的給定要求。一方面，必須在整個發動機工作範圍內對這些邊界條件進行考慮，另一方面還要符合排放法規要求。因此，在缸內直噴汽油機燃燒過程的開發中，越來越多地採用二次噴射。二次噴射的噴油時刻以及點火時刻等因素對發動機缸內混合氣的形成以及燃燒有很大影響，大大改善了GDI發動機的燃燒和排放，提高了經濟性。

二次噴射的消除

二次噴射是主噴射期結束針閥落座後，在過大的反射波作用下，針閥再次升起進行噴油的一種不正常現象。二次噴射的出現將使整個噴射延續期拉長，過後燃燒嚴重，柴油機經濟性下降，熱負荷增加，所以要力求消除二次噴射。

二次噴射及解決辦法

消除二次噴射，關鍵在於減小噴油泵停止供油後高壓油路中柴油的壓力波動，常用措施有以下幾點：

1）減少高壓油路中的容積（如減小出油閥接頭內腔容積，減小高壓油管的長度和內徑），增加高壓油管的剛度（如適當增加管壁的厚度），可以減小柴油的壓力波動。

2）適當加大噴油器的噴孔直徑。用增加噴孔截面的方法來減小噴射期內高壓油路中柴油的平均壓力，這樣可以降低針閥關閉後高壓油路中壓力波的強度。但是噴孔直徑過大會影響霧化質量。

3）適當加大出油閥的減壓容積。使供油結束時。高壓油路中的柴油壓力迅速下降到無法引起二次噴射，但是出油閥減壓作用過度，則可能使高壓油路中出現局部真空，而產生氣泡，引起穴蝕。採用等壓閥或阻尼閥將能獲得更好的效果（見上圖）。

流體二次噴射裝置

流體二次噴射裝置是在噴管擴散段上某一位置向噴管中的超聲速燃氣流（主流）橫向射入另一股流體（二次流），從而產生控制火箭飛行所需要的側向力。流體二次噴射推力向量控制裝置具有頻率回響快、效率高、噴管結構簡單（固定的）和發動機比沖損失小等優點。

液體二次噴射

二次流為液體的流體二次噴射叫做液體二次噴射，其裝置由噴射器、伺服機構、貯箱及增壓系統組成，具體組成和工作原理如圖所示。

液體二次噴射裝置的組成及工作過程簡圖

液體二次噴射裝置的工作過程如下：高壓氣瓶或燃氣發生器所產生的高壓氣體，通過調壓器降壓，並在進人工質貯箱時等於所要求的壓強；通過氣囊或直接將液體工質擠壓出貯箱，經由導管進入噴射器。當伺服機構接到指令時，噴射器的針栓在伺服機構作動器作用下打開噴射器的噴嘴，使工質經過噴嘴進入噴管擴散段。噴射出的液體工質微滴碎裂、蒸發，並與主氣流混合或發生反應，從而使主氣流受阻，產生分離激波或衝擊波，激波後流速降低壓強升高，在擴散段壁面上形成不對稱壓強分布。因此液體二次噴射產生的側向力基本上由兩部分組成：一是液體在垂直噴管軸線上的反作用力F_s1，一是分離區、激波區上壓強在垂直噴管軸線上的合力F_s2，總的側向力

F=F_s1+F_s2

藉助於總的側向力F即可實現火箭的俯仰和偏航控制。如果採用四噴管，相對於二噴管除可進行差動噴射，還可實現滾控。

液體二次噴射裝置除具有流體二次噴射的共同優點外，還具有：1）液體工質可在環境溫度下貯存和使用，管路和噴射器不受高溫燃氣燒蝕，所用材料只要滿足工質要求即可；2）液體工質密度大，且便於貯存。

液體二次噴射裝置的不足之處是：1）所能提供的側向力有限，一般小於發動機主推力的10%，當需要大側向力時，需加大噴射流量，這不僅增加了工質的攜帶量，而且降低了噴射效率。2）裝置結構複雜，勤務處理不方便。

液體二次噴射的常用工質為氟里昂一114B2和含62%過氯酸鍶的水溶液。

氣體二次噴射

二次流為氣體的流體二次噴射叫做氣體二次噴射。氣體二次噴射的側向比沖比液體二次噴射的側向比沖高，尤其是從燃燒室引入的燃氣流，其側向比沖更高。

在噴管擴散段射入第二股氣流後，這股二次氣流迅速膨脹，並轉折附壁面流動，對靠近噴射口一側的主氣流形成障礙，在噴射口上游產生一弓形激波。如右圖所示。經過弓形激波後的那部分主氣流發生方向偏斜，導致如右圖所示的整個噴管排氣流離開噴管出口面時不再通過噴管中心線，而是偏斜σ角度，造成推力偏斜，其橫向分力即為側向控制力。

氣體二次噴射原理

在噴管擴散段適當位置噴射二次氣流，可以得到所需側向力。調整二次流某些參數，如流量，可以改變激波強度和角度，改變主氣流偏斜程度，達到控制側向力大小的目的。只要在同定噴管的4個象限內各配置一套氣體二次噴射裝置，即可實現俯仰和偏航所需要的控制力，甚至可以提供滾控所需的側向力。

根據二次氣流的來源，氣體二次噴射裝置可分為以下類型。

（1）燃氣二次噴射裝置

該裝置噴射的二次氣流取自發動機燃燒室中的高溫燃氣，其優點是裝置的零、部件少，質量小，效率高；缺點是管路和閥門必須能承受高溫燃氣燒蝕，而燃氣中的氧化鋁沉積可能堵死管道和閥門，引出的燃氣既受燃燒室壓強波動影響，又反過來影響燃燒室壓強。

（2）低溫燃氣二次噴射裝置

該裝置用的二次氣流來自專門設定的燃氣發生器，這種燃氣發生器中的推進劑燃燒溫度較低，為800～1300 K，僅及發動機燃氣溫度的1/3～1/2；且燃氣中不含金屬氧化物，無沉積現象；燃氣壓強無波動。但是由於二次氣流的溫度低於主氣流當地溫度，與主氣流進行熱交換時會發生吸熱反應，因此該裝置效率略低一些。

（3）空氣二次噴射裝置

該裝置的二次氣流取自發動機周圍的空氣，由安裝於噴管外圍的倒錐形集氣罩、噴射器和伺服機構組成。裝置的結構簡單、質量小、造價低。但只適用於在大氣層中飛行的固體火箭發動機，並且隨火箭速度的加快和空氣密度的下降，不能提供足夠的側向力。

氣體二次噴射裝置尚未用於正式型號的發動機。

對排放影響

如圖1所示，隨著二次噴射時刻的增大，THC 呈現出先上升後下降的趨勢，且該趨勢隨著二噴比例的增大而更為明顯。

圖 1二次噴射對THC影響

如圖2所示，隨著二次噴射比例的增大，NO_x 整體上呈現出下降的趨勢。這是因為隨著二噴噴油量增大，燃油蒸發導致燃燒室內的溫度降低，進而抑制 NO_x 的 生成。隨著噴油時刻的增大，NO_x 的生成整體上呈現出增大的趨勢，因為隨著噴油時刻的增大，缸內的油氣混合更為均勻，能夠組織更加良好的燃燒，使燃燒溫度升高，促進 NO_x 的生成。

燃油系統出現某些故障時，在噴油器針閥落座停止噴射後，由於高壓油路中壓力波動很大，傳至針閥副處的壓力如大於針閥開啟壓力，針閥再次開啟，造成第二次噴油，稱為二次噴射。由於第二次噴油一般比規定的最佳噴油時期晚，且壓力低，噴入缸內的油霧化燃燒不良，後燃嚴重，會帶來冒黑煙、積炭、敲缸、機油稀釋、油耗高等一系列壞的影響。

圖 2二次噴射對NOx影響