柴油机燃用水煤浆的设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘 要 本文首先介绍了柴油机的燃料供给系统，重点分析了柴油机喷油泵的结构和性能，及其对代用燃料的要求，进而引进一种新型清洁燃料 水煤浆，对水煤浆的物理化学特性进行了分析，介绍了水煤浆技术目前的发展概况，总结其在柴油机上的发展概况和实验研究 ,叙述了水煤浆的基本物理化学性质及其在发动机上应用时对发动机的影响。 在此基础上进行了水煤浆在典型国产柴油机上应用方案设计。并针对水煤浆的特性对发动机供油系统有关零部件作了重新调整和改动，通过从精细水煤浆特性入手分析了原供给系统存在的问题，提出了解决方案 双功能供给系统 ，为实现水煤浆在柴油机上应用提供了可行方案。设计了新的适用于水煤浆的喷油泵。在泵送时高压润滑油通过柱塞偶件、针阀偶件的配合表面，建立了高压润滑油膜。柴油机上使用新设计的喷油泵的较好克服了煤浆颗粒进入针阀针阀座的配合间隙问题。该系统未出现柱塞偶件、针阀偶件卡死、磨损现象，并且系统稳定工作。为实现水煤浆在柴油机上应用提供了可行方案。并对其经济性进行了进一步的分析和论证。本文运用高压油膜润滑原理，设计用于泵送水煤浆燃料供给系统。用制了装配图及零件图。 关键词：柴油；水煤浆；供给系统；卡死；双功能 泵 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 第 1 章 绪论 . 1 第 2 章 柴油机燃油供给系统 . 2 供给系统概述 . 2 柴油机对燃油供给系统的要求 . 2 柴油机高压油泵 . 3 柴油机对代用燃料的要求 . 6 第 3 章 水煤浆特性分析 . 7 煤浆概述 . 8 水煤浆的物理化学性质 . 8 水煤浆的重要指标 . 9 水煤浆作为代用燃料的优点 . 10 水煤浆作为代用燃料的缺点 . 10 第 4 章 供给系统的改造 . 12 供给系统故障原因分析 . 12 解决方案 . 13 参数确定 . 15 原发动机参数 . 15 柱塞直径 . 16 凸轮最大升程和 预行程的确定 . 17 喷油泵设计 . 18 润滑系统设计 . 20 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 改造后的供给系统与发动机的连接 . 21 第 5 章 技术经济性分析 . 23 第 6 章 结论 . 25 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 27 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 第 1 章 绪论 在世界工业发展史上，柴油机凭借其体积小、重量轻、热效率高、功率和转速范围宽、启动停止迅速、配套简便等优点，是一种难以取代的性能优良的动力设备。 近年来 柴油 发动机 的整体发展趋势是：环保、节能、高科技广泛 应用 。 由于近年来环保工作取得了很多成果 , 随着低污染排放技术的发展与普及，柴油机在环保方面可以达到预定标准，并可为人们所接受。而能源问题，则将随着时间的推移而更加严峻。因为柴油机燃料 具有不可再生的特点，面对严重的能源问题 , 研究人员一方面着眼于改进现有的发动机，提高热效率，并设法燃用劣质的石油制品燃料，提高石油的利用率，以节约石油资源；另一方面进行内燃机代用燃料的研究，寻求适合内燃机的各种非石油制品燃料来代替石油，以摆脱对石油的依赖，为内燃机开辟新能源渠道。 世界能源界自上世纪七十年代就开始了对水煤浆的研究，我国是世界上较早开发这一项目的国家，“水煤浆制备与燃烧技术”从“六五”到“八五”都列为国家重点科技攻关项目。八十年代初，我国在这一技术上就取得了成功，走在世界的前列，多次获得国家科 技进步奖和国家专利 。 但在用水煤浆代替柴油实现在内燃机上的燃烧方面的研究却进展缓慢。主要是在供浆系统出现柱塞偶件、针阀偶件卡死、磨损现象。为了实现柴油在柴油机上快速高效率的燃烧，要求柱塞件和针阀偶件在高速下高速远动，以使柴油得到良好的雾化，保证柴油在喷入汽缸后，于汽缸的空气实现均匀混合，提高燃烧效率和燃烧速度。柴油机燃烧精细油水煤浆时，精细油水煤浆中包含煤的颗粒。这些颗粒在泵送、喷射过程中很容易进入柱塞偶件和针阀偶进的配合间隙中，造成柱塞偶件和针阀偶件的磨损、卡死，是柴油机的燃料供给系统不能正常工作。要实现精 细油水煤浆在柴油机上稳定燃烧，使柴油机燃料供给系统适于泵送浆体燃料是关键，为此对柴油机的燃料供给系统进行改造，本文主要针对柱塞泵进行改造。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 第 2 章 柴油机燃油供给系统 供给系统概述 柴油机燃油供给系主要由燃油箱、滤清器、输油泵、喷油泵、喷油器、油管等组成，如下图所示。 图 油机燃料供给系统 1 柴油粗滤清器； 2 燃油箱； 3 供油提前角自动调节器； 4 喷油泵； 5 手油泵； 6 输油泵； 7 调速器； 8回油管； 9 喷油器； 10 高压油管； 11 溢油阀； 12 低压油管； 13 柴油细滤器； 14 联轴节 燃料供给系统可分为低压与高压两个油路。所谓低压是指从燃油箱到喷油泵人口的这段油路中的油压，因它是由输油泵建立的，而输油泵的出油压力一般为 0 153这段油路称为低压油路。高压油路是指从喷油泵到喷油器的这段油路，该油路中的油压是由喷油泵建立的，一般在 10 在低压油路中，输油泵 6从燃油箱 2内将 柴油吸出，经燃油粗滤清器 1滤去较大颗粒的杂质，再经柴油细滤清器 13滤去细微杂质后进入喷油泵 4。喷油泵将低压柴油增压后，经高压油管 10、喷油器 9以一定的压力和一定的雾化质量喷入燃烧室，形成可燃混合气。输油泵输送给喷油泵的多余柴油和喷油器泄漏的柴油经回油管流回油箱。 柴油机对燃油供给系统的要求 燃油供给系统应按柴油机工作需要，将适量的燃油在适当的时刻内，以适当的空间状态喷入燃烧室，以保证混合气的形成及燃烧过程能在最有利的条件下进行，从而使柴油机获得良好的经济性，动力性，稳定性及排污、噪声等指标。 燃 油供给系统应满足下列条件： 1） 应正确地供给与柴油机负荷相适应的油量，并保证各缸供油量的均匀性。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 2） 应能自动改变喷油定时，以适应柴油机转速或负荷变化的需要。 3） 当柴油机转速和负荷变化时，燃油供给系统应有足够的响应速度，提供所要求的供油量。 4） 喷雾特性应与燃烧室有良好配合，应使柴油机能获得最佳的燃烧过程。 5） 可靠耐用，结构简单，制造容易，维修方便。 柴油机高压油泵 高压油泵是柴油机燃油系统中最重要的组成部分，它的作用是把燃油由低压变成高压，然后按各缸发火次序定时、定量、均匀地通过喷油器，把雾 状的燃油喷入燃烧室内燃烧作功，并保证供油正时，断油迅速。同时，为了保证各缸工作一致，各缸的供油量、供油压力和供油提前角均应相同。如果喷油量过多则不能完全燃烧，柴油机将冒黑烟，经济性下降；供油量太小，又会引起功率不足。如果供油时间不恰当同时影响柴油机的经济性和动力性及其他排放指标。若各缸供油量的不均匀度超差，则个别气缸可能超负荷，而有的气缸则不能充分发挥，这样既影响柴油机工作稳定性，亦影响其他性能。可见只有在高压油泵正常的供油条件下，柴油机才能正常地工作，为此人们常把高压油泵称作柴油机的心脏。 高压油泵的结构 形式很多。按照工作原理的不同，高压油泵可分为柱塞式喷油泵、泵 现在的汽车柴油机上，高压油泵总成通常是由高压油泵、调速器等部件安装在一起组成的一个整体。其中，高压油泵（又称为喷油泵）是柴油机的心脏，燃料供给系统最重要的一个部件。它一旦出问题会使整个柴油机工作失常。高压油泵的关键在于一个 “ 泵 ” 字。泵油的数量、压力和时间都要非常精确，并且按照负荷自动调节。高压油泵是一个加工精细，制造工艺复杂的部件，目前国内外一般汽车柴油机的高压油泵都是由世界上少数几个专业厂生产的。 本文设 计的是柱塞式喷油泵，以下仅详细介绍柱塞式喷油泵 。 柱塞式喷油泵是通过柱塞往复运动来泵油的，其主要包括：泵体、分泵、驱动机构、油量调节机构及出油阀等。这种喷油泵的结构简单，便于维修，可靠性好，供油量调节较为准确，故应用最为广泛。 泵体是喷油泵的基础零件，分泵、油量调节机构、出油阀及驱动机构均安装其内。泵体一般安装在柴油机一侧的支架上，多采用铝合金或铸铁制造。 按其结构形式的不同，柱塞式喷油泵可分为单体泵与合成泵。单体泵多用于单杠柴油机或多缸大中型柴油机上。合成泵通常是将各缸的泵油机构及调速器合为一体，用于多缸买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 高速柴油机上。 合成泵中每一缸的供油机构称为分泵，它是喷油泵的核心部分。分泵的主要零件是柱塞偶件，即柱塞和柱塞套。 驱动机构主要由上柱塞弹簧座、柱塞弹簧、下柱塞弹簧座、滚轮体及凸轮等组成。当喷油泵凸轮轴转动时，凸轮通过滚轮体推动柱塞向上运动，当凸轮到最大升程后，柱塞在柱塞弹簧的作用下向下运动而复位。 油量调节机构用于调节供油量的大小，其主要由油量调节齿圈、油量调节齿杆和油量调节套筒组成。 出油阀位于喷油泵的出口处，与出油阀座是一对精密偶件需成对使用。密封锥面被出油阀弹簧紧压在出油阀座上，使柱塞上部油腔与高压 油管隔开，起密封作用。密封锥面下部有一圆柱形的减压环带，其与出油阀座的内孔精密配合，也具有密封作用。减压环带下面还切有四个直切槽，其为高压柴油的通道。 柱塞式油泵的泵油原理 :柱塞的圆柱表面上铣有直线型 (或螺旋型 )斜槽，斜槽内腔和柱塞上面的泵腔用孔道连通。柱塞套上有两个圆孔都与喷油泵体上的低压油腔相通。柱塞由凸轮驱动，在柱塞套内作往复直线运动，此外它还可以绕本身轴线在一定角度范围内转动。 1) 吸油过程 当柱塞下移，燃油自低压油腔经进油孔被吸入并充满泵腔。 2) 压油过程 在柱塞自下止点上移的过程中，起初有 一部分燃油被从泵腔挤回低压油腔，直到柱塞上部的圆柱面将两个油孔完全 封闭时为止。此后柱塞继续上升，柱塞上部的燃油压力迅速增高到足以克服出油阀弹簧的作用力，出油阀即开始上升。当出油阀的圆柱环形带离开出油阀座时，高压燃油便自泵腔通过高压油管流向喷油器。当燃油压力高出喷油器的喷油压力时，喷油器则开始喷油。 3) 回油过程 当柱塞继续上移到，斜槽与油孔开始接通，于是泵腔内油压迅速下降，出油阀在弹簧压力作用下立即回位，喷油泵停止供油。此后柱塞仍继续上行，直到凸轮达到最高升程为止，但不再泵油。 由上述泵油过程可知，由 驱动凸轮轮廊曲线的最大矢径决定的柱塞行程 h(即柱塞的上、下止点间的距离 )是一定的，但并非在整个柱塞上移行程 油泵只在柱塞完全封闭油孔之后到柱塞斜槽和油孔开始接通之前的这一部分柱塞行程 然，喷油泵每次泵出的油量取决于有效行程的长短，因此欲使喷油泵能随柴油机工况不同而改变供油量，只须改变有效行程。一般借改变柱塞斜槽与柱塞套油买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 孔的相对位置来实现，将柱塞转向的方向，有效行程的供油量即增加 ;反之则减少。 4) 停止供油状态当柱塞转到柱塞根本不可能完全封闭油孔位置，因 此有效行程为零，即喷油泵处于不泵油状态。 出油阀的结构与减压作用：出油阀偶件也是喷油泵重要的精密偶件之一，它对控制高压油路的残余压力乃至整个系统的喷油过程都有重要作用。按其工作原理可以分为等容式与等压两种。 目前应用得较为广泛的是等容式出油阀，其工作原理是 当柱塞向上泵油并克服了出油阀弹簧力时，出油阀开始上升，直到减压环带离开出油阀座后，柴油通过直切槽流入高压油管。直到柱塞螺旋槽与回油孔接通后，高压柴油便流回低压油道。此时，出油阀在弹簧和高压柴油的共同作用下迅速下落，由于出油阀上有一个直径为 d 的圆柱减压带，在它从开始进入座孔至锥面完全落座的过程中，还要下降一段距离 h ，这样当减压带隔断柱塞顶部高压腔与高压油管以后，还给高压油路让出一个相当 2 /4V d h 的等压容积，从而使高压油路中的压力迅速下降 。 其中如没有减压环带的减压作用，则在出油阀落座后，高压油管中仍会存有很高的剩余压力，易使喷油器发生滴漏、二次喷射等异常喷射现象。 减压容积的大小可以按下式估算 2 1 m a x()4 p o p VV d h V p p E 但最终的数值应当通过与柴油机的仔细配试来确定。 等容式出油阀的优点是结构简单，缺点是 对变工况适当性差。因为柴油机在高速大负荷时，油管压力高，为了防止二次喷射，需要较大的减压容积，但在低速小负荷时，油管压力低，只需要较小的减压容积，因此固定的减压容积很难同时兼顾两方面的要求，若匹配不当，在高速大负荷时，可能会因减压不够产生二次喷射现象，而在低速小负荷时，又常可能因减压过度，产生负压（真空），形成气泡而引起“气穴”现象，从而造成机器运转的不稳，甚至引起零件的穴蚀损坏。 为了克服上述的 缺点，研制了一种阻尼阀结构，它是在等容式出油阀上部加装一阻尼阀，在压油过程中，阻尼阀在高压油的作用下打开，阻尼孔不起作用，而在回油过程中，阻尼阀落座，用阻尼孔控制燃油的回流。通过选用合适的阻尼孔直径 以兼顾高、低速性能的要求，既防止高速大负荷时的二次喷射，又避免了低速小负荷时喷油不稳定的现象的出现。 随着柴油机喷油压力的不断提高，等容式出油阀已逐渐不能适应，因此需要采用等压买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 式出油阀：钢球在弹簧的作用下，关闭节流孔，从而在出油阀上构成一个小的单向阀，在供油过程中它不起作用，而在回油过程中则打开并使高压油 路保持为一定的残余 压力 ，若能通过细致的匹配工作，选择合适的节流孔尺寸与等压阀的弹簧刚度，就可以控制高压油路中的残余压力大小并使其保持稳定，从而消除了等容出油阀存在的问题，保证燃料供给系统在各种工况下正常工作。等压式出油阀目前存在的问题是制造成本较高，调试也比较困难，但随着技术的进步，今后的应用范围越来越广 。 柴油机对代用燃料的要求 柴油机对其燃料有如下的要求： 1) 流体燃料，即液态或气态的燃料（常温下），才能直接作为内燃机的燃料。 2) 其能量密度必须足够大。例如液体燃料的低热值必须在 18g 以上；气体燃料的低热值必须在 53 以上。 3) 必须是资源丰富，能长期供应的；或者是可再生的； 4) 必须是无毒或低毒的，包括燃烧前和燃烧后的物资均应如此，对环境污染的程度要少。 5) 必须易于运输、贮存和使用。 6) 价格适中。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 第 3 章 水煤浆特性分析 水煤浆技术是 20 世纪 70 年代世界范围内的石油危机中产生的一种以煤代油的煤炭利用新方 式。其主要技术特点是将煤炭、水、部分添加剂加入磨机中，经磨碎后成为一种类似石油一样的可以流动的煤基流休燃料。 洗精煤经破碎成为 6煤粒进入球磨机，并加入水和分散剂在球磨机中一同磨碎成为浆体。经泵送至滤浆器除去未磨碎的粗颗粒和杂质进入调浆罐，经加入稳定剂并调整水煤浆的粘度后送入储浆罐储存备用。 我国目前制备的水煤浆按制备水煤浆原料的性质约分为 6 种，如表 1，水煤浆的质量浓度一般为 65%70%，粘度为 1000 200中煤炭最大颗粒粒径小于 03平均粒径小于 50 m，浆体稳定期大于 3 个月不发生硬沉淀。 表 1 水煤浆品质特性 品种 选用原料煤 水煤浆特性 用途 精煤水煤浆 洗精煤，灰分： 10% 浓度： 65% 粘度： 1000 稳定性： 3 个月 发热量： J/为锅炉代油燃料 精细水煤浆 超低灰精煤， 灰分： 1% 2% 浓度： 50% 55% 粘度： 300 细度： 10m 作为内燃机、燃气透平燃料 经济型水煤浆 原生煤泥 灰分： 15% 25% 浓度： 65% 68% 稳定性： 15 天 作链条锅炉燃料 浮选尾煤灰分： 25% 浓度： 50% 65% 稳定性： 3 5 天 作沸腾炉或链条炉燃料 环保型水煤浆 制浆过程中加入 脱硫剂 浓度： 65%， 粘度： 1000 200 提高脱硫率 10%20% 加入碱性有机废液 浓度： 50% 55%， 粘度： 1200 稳定性： 30 天 适合高硫煤地区 锅炉燃用，脱硫效果好 原煤水煤浆 原煤灰分： 20%， 炉前制浆 浓度： 60%左右， 稳定性： 1 天 作工业窑炉燃料 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 水煤浆具有较好的流动性和稳定性，可以像石油产品一样储存、运输，并且具有不易燃、不污染的优良特性，是目前比较经济和实际的清洁煤代油燃料。由于水煤浆是采用洗精煤制备，其灰分、硫分较低 (干基灰分小于 10%、硫分小于 05%)，在燃烧过程中，由于水分的存在降低了燃烧火焰中心温度，抑制了氮氧化物的产生量。另外水煤浆自煤炭进入磨机后即可以采用管道、罐车输送。不会产生煤炭流失造成的环境污染，具有较好的环保 效果。 目前国际石油价格很不稳定，石油价格的变化让使用石油产品的企业不堪重负，因此纷纷将眼光转向其他可以代油的燃料。由于水煤浆的性质像油，价格稳定又具有清洁的环保特性，因此具有较大的竞争优势。 煤浆概述 煤浆是一种洁净煤燃料，它是将煤进行破碎、分选出煤粉，再按一定比例将煤粉和水、油、甲醇、添加剂等混合，充分搅拌制成的浆体。不同的煤浆产品是根据煤与不同流体的混名来命名的： 油煤浆（ 称 煤粉和油的混合物； 油水煤浆（ 称 煤粉、油和水的混合物； 水煤浆（ 称 称 称 煤粉和水及少量的添加剂组成的混合物； 煤 甲醇混合物（ 称 煤粉、甲醇或甲醇、水所组成的混合物。 此外，还有石油焦浆（石油焦为低灰高热值的石油残渣），石油焦浆可以分为石油焦与油混合的油焦浆和水与石油焦混合的水焦浆。 水煤浆的物理化学性质 水煤 浆是一种以煤代油的新型煤基清洁燃料。水煤浆技术是洁净技术的一个重要部分。水煤浆燃料是一种固液相混合物 ,以煤为燃烧基 ,含量占 65% 70%,化学添加剂占 10%,其余为水分。要求煤的粒度不大于 300 微米 ,其中小于 74 微 米的颗粒占 75%以上。通常情况下，它是一种非牛顿流体 ,具有良好的流变性和稳定性。即表现为在静止状态下粘度较高 ,稳定性好 ;在剪切作用下 ,粘度变低 ,流动性好。这些特性有利于它的储存、管道输送和雾化燃烧。由于水煤浆煤基颗粒度小 ,可以雾化燃烧 ,因此燃烧充分 ,提高了煤的燃烧效率 ,增加了燃烧热量 ,大幅降低了烟 尘排放。但对于本文研究的油水煤浆却是具有牛顿流体流动的特性的燃料，（所谓牛顿流体，其粘度仅是温度的单值函数，不随剪切速率的变化而变化。）从而油水煤浆在处于流动状态时，表现出低的粘度，便于泵送、雾化和燃烧，处买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 于静止状态时，又表现出高粘度，便于存放和防止沉淀。 水煤浆的重要指标 1) 水煤浆浓度 指煤浆中所含固体煤的质量百分数。浓度直接影响到水煤浆的热值，浓度越大，发热量越高。但在高浓度范围内，水煤浆的粘度将随浓度增大而显著增高。 2) 水煤浆中煤的粒度分布 煤炭的粒径分布关系到水煤浆的浓度，合理 的粒径分布可以达到较高的水煤浆浓度；同时，煤炭的粒径分布也直接影响到煤浆的流变性、稳定性及燃烧特性。一般情况下，粒度上限不大于 30 ，小于 74 的含量应不少于 75。 3) 水煤浆的流变性 精细油水煤浆的黏度影响柴油机雾化稳定性和雾化质量，进而影响柴油机工作的稳定性和燃烧效率。精细油煤浆是油、柴油及少量添加剂形成的多相流体混合物，对于这种混合物，其梯度与剪切应力之间的函数关系比较复杂，在多相混合物中，剪切应力产生的速度梯度受到流体内部物理结构变化的影响，反过来物理结构又会因剪切作用而产生变化；颗粒之间的 物理化学作用造成的颗粒之间的凝聚或者形成脆弱的、对剪切十分敏感的结构。煤浆或多或少都具有这些特征，这样其流边方程或本构方程可表示为： , 式中： , 分别为大分子、颗粒群或团块在剪切开始以后 t 时刻的浓度，平均体积，去向和形状。 描述大分子、颗粒群或团块形成速率和破坏速率系数。 E 混合体系的弹性模量。 通常粘性流体的类型可分为 牛顿流体和非牛顿流体。煤浆是多相流体混合物，由于煤浆的组成不同，浓度变化及添加剂不同浆呈现不同的流变特性。 4) 水煤浆的稳定性 这是表征水煤浆质量的一个重要指标。水煤浆是固、液两相流体，且属于粗分散体，产生固、液分离，生成沉淀物是不可避免的。沉淀可以分为硬沉淀与软沉淀，所谓硬沉淀是指通过搅拌不可能使煤浆重新恢复均匀态的沉淀，而软沉淀是指可以通过搅拌，煤浆恢复均匀态的沉淀。水煤浆稳定性的优劣决定于生成沉淀物的性质。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 水煤浆作为代用燃料的优点 水煤浆是一种具有经济性和清洁性的柴油机的代用燃料，与其本 身的特点和性质有直接关系。 发动机排放尾气中的有害物质，是造成污染环境重要原因。从发动机污染物产生机理上看，氮氧化物的产生，主要受气缸中气体的燃烧温度的影响。温度越高产生氮氧化物浓度越高。一氧化碳的产生，主要是由于气缸中局部缺氧造成的，并受气体温度的影响，温度越低，氧化反应越弱，产生的一氧化碳越高。二氧化硫的产生，主要是由于制浆原料煤中的硫氧化而生成，生成浓度与制浆原料煤的燃烧量有关，燃烧的量越多，则产生的二氧化硫越多。碳氢化合物的生成是一个非常复杂的过程，其特征是燃油的蒸发、空气与燃油、已燃物和未燃物之间 的混合以及燃烧本身三者同时发生。通过试验表明柴油机燃烧油水煤浆的氮氧化物排放浓度较低，在相同工况条件下只是燃烧柴油时 的 10% 燃烧油水煤浆与燃烧柴油相比一氧化碳、碳氢化合物的排放浓度相当，对所测取得点的最大排放浓度也符合国家标准 89。 因此，柴油与水煤浆的混合燃料作为是一种清洁燃料，可以在替代燃料的发展进程中占有一定的地位。 作为代油燃料，油煤浆和水煤浆能够节约能源，且燃烧洁净。但油煤浆粘度较高且代油效率低。水煤浆虽然代油效率较高，但适于制浆的煤种范围较窄，热值较低，着火点较高、粘度较高 。油水煤浆综合了水煤浆和油煤浆的特点，具有热值较高、粘度较低、燃烧速度较快等优点。 选用油水煤浆作为代油燃料主要考虑到： 1) 油水煤浆热值较高。可以在对柴油机燃烧系统、进气系统不做较大改动的条件下，发动机动力性降低较少，具有较高的实用推广价值。 2) 油水煤浆的粘度较低，不需要对发动机燃料供给系统进行大的改造，即可实现较好的雾化，降低发动机的改造成本。 3) 油水煤浆燃烧速度较快，避免过后燃烧，提高燃烧效率。 水煤浆作为代用燃料的缺点 水煤浆作为柴油机代用燃料有着实际应用的巨大潜力。可是，从水煤 浆的特性可以看出，对发动机性能有不利的影响。如： 1) 水煤浆在常温下为液体，高的燃点使其需要有柴油作为引燃，才能燃烧。 2) 水煤浆的热值低于柴油，只有柴油的 为了达到原柴油机的动力水平，则必须增大水煤浆的每循环供油量（达到柴油供油量的 ）。我们可以采用加大喷油泵中柱塞直径和柱塞有效行程，加大喷油器中喷孔直径等方法来提高发动机的每循环供买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 油量的方法，以期达到发动机原有动力性。 水煤浆在物化性质上和柴油的差异，决定了现有的柴油机设备不得不重新改进以适应燃用水煤浆的需要。目前，需要作的 改 动主要集中在燃油供给系统方面，例如： 1、水煤浆的热值比柴油低，但其燃烧时所需要理论空气量少，其理论混合气的热值与柴油理论混合气的热值相当。从热值上讲，使用水煤浆时并不影响发动机的效率，但问题的关键在于，使用水煤浆时必须增加燃料的供油量。因此，柴油机上使用高比例的水煤浆时，应对发动机供油系统进行改进。 2、由于水煤浆中即存在液态水，又含有微小固体煤颗粒，具有固液两相流的性质。这就使燃油润滑效果较差，柴油机上喷油泵和喷油器部件出现磨损现象，特别是柱塞与柱塞套、出油阀与出油阀座、针阀与针阀体三大相对运动的精密偶件容 易因为润滑不良而产生严重磨损。因此，为了保证柴油机运转的可靠性和耐久性，设计一种新型喷油泵和喷油器来实现水煤浆燃料在柴油机上稳定燃烧。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 第 4 章 供给系统的改造 如前所述，原柴油机的燃料供给系统，是为柴油的供给与雾化而设计的，采用的是柱塞泵 喷嘴系统，最主要的零件是柱塞泵的柱塞偶件和喷嘴的针阀偶件。为了实现柴油在柴油机上快速、高效率燃烧，要求柱塞偶件和针阀偶件在高压下高速运动。以使柴油得到良好的雾化，保证柴油在喷入汽缸后，与汽缸中的空气实现均匀混合，提高燃烧效率和燃烧速度。柴油机燃烧精细油煤浆时 ，精细油煤浆中包含煤的颗粒。这些颗粒在泵送、喷射过程中，很容易进入柱塞偶件和针阀偶件的配合间隙中，造成柱塞偶件和针阀偶件的磨损、卡死，时柴油机的燃料供给系统不能正常工作。要实现精细油煤浆在柴油机上稳定燃烧，使柴油机燃料供给系统适于泵送浆体燃料是关键，为此对柴油机的燃料供给系统进行了改造。 为了使柴油机上能燃用水煤浆达到原有的动力性能，同时改善其经济性和排放指标，则必须局部地改善和调整原柴油机的有关部件。主要包括喷油泵、喷油器和润滑系统的改进设计 ,本文主要针对喷油泵和润滑系统进行改造。 供给系统故障 原因分析 精细水煤浆和柴油相比的区别是：精细水煤浆是一种固液两相流体，而柴油是液体。两者之间存在着一些差异： 1）水 煤浆内存在颗粒，而柴油没有； 2）精细水煤浆黏度较高，而柴油黏度很低。 发动机在燃烧煤浆时 ,燃料泵的柱塞偶件、喷嘴的针阀偶件间的相对运动速度较高（柱塞约 s） ，并且承受较高的压力 （约 18,精细油水煤浆在泵送的过程中 ,尽管供浆系统的精密偶件之间的间隙较小（ ，由于精细油水煤浆中颗粒是连续分布的，从图 3看出 25%以上的微粒小 于 3 m ，易使精细油水煤浆中的一些颗粒进入精密偶件的相互运动配合表面形成的缝隙中 ,由于这些颗粒的存在，破坏了缝隙之间形成的承载油膜，在配合表面之间以及配合表面与煤颗粒之间局部形成干摩擦，使柱塞偶件表面由于干摩擦急剧发热，加速了配合表面之间以及配合表面与煤颗粒之间的磨损。由于摩擦在表面上形成一些微观的沟槽，这些沟槽积聚了一些细微的煤粒，随着这些沟槽逐渐积累增多，煤粒的积累亦相应增多，一段时间后，造成精密偶件间的卡死，从而使柴油机的燃料泵送系统不能正常工作 . 图 3煤浆在柴油机上燃烧较短时间内（ 约 10分 钟） ,喷嘴中的针阀偶件缝隙中进入煤粒的电子扫描照片，图中白点为煤浆中煤的颗粒，以照片中的比例尺估计，这些煤的颗粒大部分在 10 m 以下。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 图 塞偶件配合表面中进入煤粒的电子扫描照片 图 塞偶件配合表面中由于煤粒的存在而引起磨损的电子扫描照片 图 由于煤粒的进入一段时间后而引起的针阀上表面磨损情况。图中的白色条痕为由于煤浆中煤颗粒的进入，对其表面产生的 磨损痕迹，从照片上的比例尺可以看出，这些调痕的宽度在 10 m 以下。 解决方案 喷油泵是柴油机的重要组成部分，它在柴油机上的作用是按照柴油机的工作顺序，将低压燃油压缩成高压燃油，定时、定量地通过喷油器将雾状燃油喷入燃烧室内燃烧作功，并能根据操作人员的要求及柴油机工作负荷的变化，自动控制和调整喷油泵供油量。因此，柴油机工作性能的好坏，在很大程度上取决于喷油泵是否在正常工作。水煤浆作为一种新柴油机的替代燃料，目前在国内还只处在实验阶段，由于其含有煤粉颗粒的固相和水 分子液相，就要求柱塞供给泵的具有防柱塞卡死、磨损的特殊性能，更加有效的喷出水煤浆燃料。 如前所述，实现煤浆在柴油机上的稳定燃烧，主要问题是要解决柴油机燃料供给系由于煤浆颗粒的进入而产生的精密偶件间的磨损与卡死问题。关键是要防止煤浆进入精密偶件的缝隙之中。综合比较各种方案，拟在精密偶件的缝隙中注入高压润滑油来进行润滑以避免煤颗粒的进入。图 柱塞偶件改造原理图，工作原理为：工作 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 图 浆系统润滑原理图 时高压润滑油进入柱塞与柱塞套之间的缝隙中，由于润滑油在高压下，始终充满柱塞与柱塞套之间的缝隙中， 在柱塞与柱塞套之间形成承载的润滑油膜，避免柱塞与柱塞套配合面之间的干摩擦。高压润滑油的油压比煤浆压力稍高，根据缝隙流计算与实验可知，工作时有较少的高压油缝隙流通过柱塞与柱塞套之间的缝隙，对柱塞与柱塞套的配合表面具有清洗作用，避免煤浆颗粒的进入。柴油机采用的是燃料泵、高压油管、燃料喷射器燃料供给系统。在燃料供给系统中容易产生磨损精密偶件，主要是燃料泵的柱塞偶件、燃料喷射器的针阀偶件。要保证柱塞偶件、针阀偶件工作可靠，关键是要保证柱塞表面、针阀表面有高压润滑油通过。 图 自由柱塞式煤浆喷 射系统 图 造后的系统流程 图 资料介绍较为成功的一种自由柱塞式煤浆喷射系统。该系统采用高压油来推动自由柱塞，用自由柱塞推动煤浆。为了避免自由柱塞和柱塞套之间产生磨损、卡死。在自由柱塞四周用高压润滑油密封、清洗。工作时，低压泵给煤浆加压，煤浆通过单向阀泵入自由柱塞前端的煤浆腔中。高压油推动自由柱塞向下运动，将煤浆压向针阀前端。随着压力的提高，针阀被顶起，煤浆向下喷出。针阀偶件、自由柱塞表面主要靠密封油清洗润滑。 该系统采用密封润滑油的方法，解决了精密偶件间的磨损与卡死问题 。但是采用高压买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 油来推动自由柱塞，工作时自由柱塞的运动位置难于控制，容易造成每循环供浆量不均匀，每循环供浆量的调节也难以保证。煤浆进入自由柱塞前端的煤浆腔，需通过单向阀，要保证煤浆的进入，需要另外附加低压泵，使系统趋于复杂。 喷油泵改进的目标： 1) 润滑油的功能为驱赶微细煤粒和润滑运转偶件。 2) 润滑系统必须自身附带，不应外加其他设备，尽量简化系统。 3) 使与原发动机的配合性要好，尽量避免改变原发动机的几何尺寸。 为了适应这些改进要求，把燃料泵设计成二级联动泵的形式。上部泵浆，为发动机提供燃料；下部泵润滑油，为其本 身润滑和喷浆器提供密封润滑油。燃料泵靠原柴油机凸轮驱动， 避免对原柴油机做大的改动。在原喷浆器上开设高压润滑油通道，以使高压润滑油进入针阀偶件表面，对针阀偶件配合表面进行润滑清洗。供浆系统改造采用的技术方案如下： 1) 设计泵体，在泵体上加工低压润滑油进油通道、低压润滑油腔、高压润滑油出油通道。 2) 设计二级高压腔柱塞偶件，包括高压泵煤浆腔、高压泵油腔的设计与加工。 3) 设计喷油泵的其他零件，包括出油阀座、进油螺栓、出油阀弹簧、出油阀体、调节臂、柱塞弹簧、进油螺栓、防污套管、紧座、出油阀垫片、柱塞弹簧下 座、出油阀密封圈、定位螺钉的设计。 双功能泵与双功能喷嘴再加上高压管路构成双功能供给系统。示。 参数确定 原发动机参数 考虑到实验容易进行和配套部件的方便更换， 同时为了节省实验费用和柴油机的应用广泛，采 用 柴油机。 1 ) 型号： ) 型式： 卧式、单缸、四冲程、自然吸气、强制水冷、涡流式柴油机 3) 汽缸直径活塞行程： 95115 ) 活塞排量： ) 标定功率 ： 8.8 ) 标定转速： 2000 r/ ) 压缩比： 19 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 8 ) 供油提前角 ： 170 燃烧水煤浆供油提前角变为可调 9 ) 喷油压力： 13 燃烧水煤浆喷油压力 为 13 0) 柱塞直径 ： 8 1) 启动方式： 手摇启动 柱塞直径 具有建立高压与控制供油量的重要作用，柱塞直径先，根据柴油机标定工况点燃油消耗率和功率算出柴油机所需的每循环喷油量（ 环） 33101202 4 4 . 8 8 . 8 2 41 2 0 2 0 0 0 0 . 9 8 5 13 6 . 4 ( / ) 循 环（ 3 式中， 柴油机标定功率 （ ； 标定功率点燃油消耗率 g/(kwh)； n 柴油机转速 （ r/； i 柴油机气缸数 ； f 燃料油密度 （ g/； 柴油机的行程数。 喷油泵柱塞在有效行程 b，即有 1 2 1p b V V V V （ 3 式中， 为高压油路内，在最大泵端峰值压力与针阀开启压力的压差作用下的燃油压缩量； 为喷油泵柱塞套与高压油管的变形量，在粗略计算中可以略去不计。 1 m a 1750( 7 0 1 3 )20004 9 . 8 8 ( )p o p a M P （ 3 式中，是最大泵端许用压力（查表可知） （ ； 是喷油器针阀开启压力（对轴针式喷油器，开启压力2 15； V 是高压油路总容积（对于采用泵 嘴系统的中小功率柴油机，买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 31 5 0 0 2 0 0 0V m m ）； E 是燃料弹性模量， 1 5 0 0 2 5 0 0 M P a。 求出 参照喷油泵最大循环供油量并根据柴油机的特点，即可在表中选择所需要的喷油泵系列与型号，其柱塞直径 24p p e fV d h （ 3 式中，f 为喷油泵的供油系数，其值主要与进回油孔的节流作用有关，一般1 1 f ，对节流作用较大时，取大值。 定义柱塞直径据统计1 4 6 ，将1代入上式后，可得柱塞直径13344 8 6 . 2 8 5 . 13 . 1 4 1 . 18 ( )（ 3 对计算值圆整，最后确定柱塞直径 ()pd 根据 18 ( ) 1 . 6 ( )5 . 1m m m（ 3 柱塞直径增大，供油速率增大，在相同供油量情况下，有效行程减小，供油和喷油持续缩短，从而缩短柴油机的燃烧期，改善性能。但加大柱塞直径后，初期喷油量大，柴油机运转粗暴，此外凸轮承受接触应力也增大。 凸