汽车发动机油路测量设备的机构设计【毕业论文】【汽车专业】

编号 无锡 太湖学院 毕业设计（论文） 题目： 汽车发动机油路测量 设备的机构设计 信机 系 机械工程及自动化 专业 学 号： 0923154 学生姓名： 孙墅阳 指导教师： 范圣耀 （职称 ： 副教授 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡 太湖学院本科毕业设计（论文） 诚 信 承 诺 书 本人郑重声明 ：所呈交的毕业设计（论文） 汽车发动机油路压力测量设备的机构设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 93 学 号： 0923154 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无锡 太湖学院 信 机 系 机械工程及自动化 专业 毕 业 设 计论 文 任 务 书 一、题目及专题： 1、 题目 汽车发动机油路压力测量设备的机构设计 2、专题 二、课题来源及选题依据 结合自己实习经验观察，国内 油路压力测量设备 尚未普及，生产效率的提升空间很大。 前景一片广阔 三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 1、了解发动机及其压力设备的基本结构 2、了解内燃机异常喷射现象 3、充分理解机械传动的计算并完成相关图纸，折合 A0 图纸不少于 3 张 4、完成机械类相关文献翻译 8000 字符左右 四、接受任务学生： 机械 93 班 姓名 孙墅阳 II 五、开始及完成日期： 自 2012 年 11 月 7 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师 签名 签名 签名 教 研 室 主 任 学科组组长研究所所长 签名 系主任 签名 2012 年 11 月 12 日 III 摘 要 柴油机供油系统多参数的电测量，为研究供油系统喷射特性提供了手段。而且，目前在评估新品开发设计的喷油泵和喷油嘴的性能时， 在产品改进和新品试制过程中，为了获得良好的性能指标，往往需要对燃油喷射系统进行大量的调试工作 ， 也常以多参数的电测量作为考核项目之一。 柴油发动机油路压力测量设备相关油管嘴端压力与针阀体压力室压力喷油泵的参数选择及其对柴油机性能的影响 ，以及 柴油内燃机异常喷射现象 和 柴油发动机油路压力测量设备相关油管嘴端压力与针阀体压力室压力 。 关键词： 压力喷油泵的参数选择；内燃机异常喷射现象；相关油管嘴端压力 IV Abstract Diesel engine fuel supply system electrical multi-parameter measurement, provides the means to study the injection characteristics of the fuel supply system. Moreover, in the assessment of the performance of new product development and design of the fuel injection pump and injector, in the process of product improvement and new trial, in order to obtain good performance indicators, often require the fuel injection system debugging work, often the power of multi-parameter measurements as one of the assessment project. Diesel engine line pressure measurement equipment the related tubing pressure of the mouth end of the needle valve body pressure chamber pressure fuel pump parameters selection and its impact on diesel engine performance, as well as the abnormal jet phenomenon of the diesel engine and diesel engine line pressure measurement equipment tubing mouth end pressure and needle valve body pressure chamber pressure. Keywords: pressure fuel pump parameter selection； the abnormal internal combustion engine jet phenomenon； tubing mouth end pressure V 目 录 摘 要 . III ABSTRACT . IV 目 录 . V 1 绪论 . 1 1.1 设计目的 . 1 1.2 柴油发动机的燃料喷射装置概述 . 1 1.3 喷油过程 . 2 1.4 几何供油规律和喷油规律的定义 . 3 1.5 喷油器总成 . 3 2 柴油发动机油路压力测量设备的设计 . 6 2.1 柴油发动机油路压力测量设备控制系统概述 . 6 2.2 柴油发动机油路压力测量设备的原理 . 8 2.3 柴油发动机油路压 力测量设备相位调整 . 8 2.4 柴油发动机油路压力测量设备测量线路 . 8 2.5 柴油发动机油路压力测量设备试验结果分析 . 11 2.6 柴油发动机油路压力测量设备校验压电压力传感器 . 12 2.7 柴油发动机油路压力测量设备相关油管嘴端压力与针阀体压力室压力 . 12 3 机械传动选用及设计计算 . 14 3.1 圆锥齿轮的计算 . 14 3.2 主传动轴的相关概算 . 16 3. 3 花键联轴器的计算 . 17 3.4 压力波动的分析 . 18 3.5 燃油的可压缩性 . 18 3.6 管路的容积变化 . 19 3.7 管路中的压力波动 . 19 3.8 喷油泵的参数选择及其对柴油机性能的影响 . 20 3.9 喷油泵的速度特性校正 . 22 3.10 可变减压容积 . 22 3.11 可变的减压作用 . 22 3.12 高压油管 . 23 3.13 柴油内燃机异常喷射现象 . 23 3.14 二次喷射 . 24 3.15 稳定喷射 . 25 4 测试精度 . 26 总结 . 29 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 汽车发动机油路测量设备的机构设计 1 1 绪论 1.1 设计目的 柴油机供油系统多参数的电测量，为研究供油系统喷射特性提供了手段。而且，目前在评估 新品开发设计的喷油泵和喷油嘴的性能时，也常以多参数的电测量作为考核项目之一。因此，测量的精确性就显得越发重要了。 在以往的电测试验中，出现过油嘴已喷油的工况下，测出的油管压力低于油嘴开启压力的情况。例如在二零零二年八月高速一号泵的电测试验中，油嘴开启压力为 12。 5MPA，当油泵转速为 250RPM 时，测出的嘴端最高压力只有 11。 69MPA。还有，日本 VE 泵在二零零二年九月的试验中，油嘴开启压力为 18。 13MPA（ 185kgf/cm2），在油泵转速为 390RPM时，测出的嘴端最高压力只有 17。 013MPA（ 173。 6 kgf/cm2）。在上述两例试验中，油嘴针阀均已开启喷油。 现有使用的传感器、信号转换仪、数据处理仪、都是具有世界先进水平的仪器。精度很高，随机误差很小。这就要考虑是否存在较大的系统误差，即要从测试方法的角度去考虑了。目前一般采用压电式传感器测量压力。压电传感器因其机械强度高，体积小，重量轻、高频特性良好，输出线性好等优点，而被广泛采用。但当被测压力变化频率低，变化幅度小时，压电晶体的电荷量变化难于反映到测量结果中，即压电传感器的低频特性差。而我们测量的油路中存在这种变化频率低、幅度小的压力 高压 油管中的残留压力。因此，压电传感器是测不出这种压力的。上面提到的现象极可能是因为测不出残留压力而产生的。 在课题立项时，还曾考虑过压电传感器灵敏度变化问题，还有高压油管嘴端压力与针阀体内压力室的压力差异问题，是否会对压力测量精度产生一定的影响。这些都将在下面的论文中予以阐述。 1.2 柴油发动机的燃料喷射装置概述 燃油喷射装置是柴油机的一个重要组成部分，在产品改进和新品试制过程中，为了获得良好的性能指标，往往需要对燃油喷射系统进行大量的调试工作 ， 根据大量实践表明 ，对现代柴油机喷射装置的要求是 : (1) 能 精确的控制每循环的喷射量 (并要求每缸等量 )，并在规定的时间内 (喷射持续角 )喷入汽缸，换言之，即要求具有合适的喷油率。 (2) 为了优化柴油机的性能、烟度、噪声和排放，需要具备能随柴油机负荷和转速变的、精度为 1 A 的喷油提前角。 (3) 为了将柴油和空气混合，需要高的喷射压力，对具有强空气涡流的直喷式或非直喷式柴油机，最大喷射压力为 30 40MPA，对低涡流直喷式，最大喷射压力约为 4548MPA，对无涡流直喷式，最大喷射压力在 100MPA 以上。 近年来，得到蓬勃发展的电控喷射系统，在实现要求（ 2）方面已比 常规的机械液力式喷射装置显示出更大的优越性，并开辟了将喷油系统控制和运输车辆控制结合起来的可能性。 在柴油内燃机出现早期，燃油喷射是通过高压空气实现的。一九二七年，德国博世无锡太湖学院 学士学位论文 2 （ BOSH）公司开始专业生产以螺旋槽柱塞旋转方式调整供油量的机械式喷油泵，这种喷油泵的工作原理至今仍用于多数柴油内燃机的燃料供给系统中。 图 1.1 燃油系统图 如图 1.1 整个燃油系统由低压油路（油箱、输油泵、燃料滤请器、）（喷油泵、高压油管、喷油器）和调节系统组成。其核心部分是高压油路所组成的喷油系统，人们也把这种传统燃料供给系 统称之为泵 -管 -嘴系统。在这种系统中，喷油泵有柱塞式喷油泵和转子分配式喷油泵两种。对柱塞式喷油泵，每个柱塞元件对应于一个气缸，多缸内燃机所用的柱塞数和气缸数相等且和为一体，构成合成式喷油泵；对小型单缸和大型多缸内燃机，常采用每个柱塞元件独立组成一个喷油泵，称之为单体喷油泵。转子分配式喷油泵是用一个或一对柱塞产生高压油向多缸内燃机的气缸内喷油，这种主要用于小缸径高速柴油内燃机上，其制造成本较低。 在上述泵 -管 -嘴燃料供给系统中，由于有高压油管的存在，使喷油系统在内燃机上的布置比较方便灵活，加上已积累了长期制造 与匹配的理论与经验，因此，目前这种系统仍在各种柴油内燃机上得到广泛应用。但是，也正由于高压油管的存在，降低了整个燃油供给系统高压部分的液力刚性，难于实现高压喷射与理想的喷油规律，也使这种传统燃料供给系统的应用前景受到一定的限制。为了满足柴油内燃机不断强化及日益严格的排放与噪声法规的要求，目前正在大力发展各种高压、电控的燃料喷射系统，如采用短油管的单体泵系统、泵喷嘴与 PT 系统、蓄压式或共轨系统等等。 在目前对于上述各种喷射装置的研制中，对喷射装置系统压力性能有着很高的要求，而油管的残留压力，在整个压力系统中占 有十分重要的地位，因此对残留压力装置的研究对整个燃油喷射装置性能的提高有着十分重要的作用。 1.3 喷油过程 柴油内燃机工作时，曲轴通过定时齿轮驱动喷油泵旋转，燃油从油箱经滤清、输油泵汽车发动机油路测量设备的机构设计 3 加压（约 0。 1 0。 15MPA）到喷油泵的低压油腔。当挺柱体总成的滚轮在凸轮基圆时，柱塞腔与低压油腔通过进、回油孔联通，向柱塞腔供油，喷油泵凸轮轴运转，凸轮推动挺柱体总成克服柱塞弹簧力向上运动。当柱塞顶面上升到与进、回油孔上边缘平齐，进、回油孔关闭，柱塞腔与低压油腔隔离。当柱塞再向上运动时，柱塞腔内的燃油被压缩，压力升高。当 压力上升到大于出油阀开启压力与高压油管内残压之和时，出油阀开启，燃油流入出油阀紧帽进到高压油管、喷油器体内油路及针阀体盛油槽内。柱塞继续上升，油压升高，当喷油器针阀体盛油槽内的油压达到并超过针阀开启压力时，针阀打开，向气缸内喷油。由于柱塞顶面积大，喷油器的喷孔面积小，故喷射过程中压力继续升高。当柱塞上升到其斜槽上边缘与回油孔的下边缘相联通时，柱塞再上升，柱塞腔与低压油腔相通，燃油流经回油孔开启截面进入低压油腔，柱塞腔压力下降。随后出油阀在弹簧力和两端油压的综合作用下开始下行，当减压凸缘进入出油阀座孔后，出油 阀紧帽腔与柱塞腔隔离，使紧帽腔到喷油器所组成的高压油路内保持一定量燃油，出油阀仍继续下行到落座。出油阀在落座过程中，由于减压容积的作用，使高压油路（出油阀紧帽腔、高压油管、喷油器体内油道、盛油槽容积的总和）中燃油压力迅速下降。当盛油槽内的燃油压力小于针阀关闭压力时，针阀落座，喷油停止。 由于燃油的可压缩性与惯性，压力的传播与反射，高压油管内的燃油将产生一定的压力波，压力波在出油阀紧帽腔到针阀体的盛油槽内不断衰减，趋于一定压力定值即残留压力。上述喷油过程是可用压力传感器及位移传感器和相应仪器测出，考虑到测量的 方便性和可行性，通常喷油过程试验仅测出泵端压力、嘴端压力、针阀升程和喷油速率随凸轮轴转角变化关系。随后，出油阀落座时，柱塞在凸轮驱动下继续上行到最大行程后，在柱塞弹簧力作用下，沿凸轮下降段下行，在下行过程中，喷油泵不产生泵油作用，至此，完成了一个泵油循环。在柱塞上升过程中，柱塞从下止点上升到进、回油孔关闭时所经过的距离，称之为喷油泵柱塞的预行程，它的大小决定了柱塞在压油过程中初速度的大小，将影响喷油速率；柱塞封闭进、回油孔开始压油到柱塞斜槽上边缘与回油孔相通开始回油所经历的升程，称之为喷油泵柱塞的有效行程， 它的大小与循环供油量有关，决定了喷油器循环喷油量的大小。 从上述喷油过程的概述可知，喷油试验过程涉及了泵端压力嘴端压力。而为了真实获得这两个压力必须与油管的残留压力结合起来。因此油管的残留压力是整个喷油过程的一个组成部分，对整个喷射过程有着十分重要的作用。 1.4 几何供油规律和喷油规律的定义 几何供油规律是指从几何关系上求出的油泵凸轮每转一度（或每妙）喷油泵供入高压系统的燃油量（ mm3/（ ）泵轴或 mm3/s）随凸轮轴转角 （或时间 t）的变化关系。由于它纯粹是几何关系决定的，因此只要知道柱塞的运动特性即 可。 喷油规律是指在喷油过程中，每秒或每度泵轴转角从喷油器喷出的燃油量随时间或泵轴转角的变化关系。 1.5 喷油器总成 喷油器总成对于柴油机来说，有着非常重要的作用。喷油器总成在发动机上的安装及无锡太湖学院 学士学位论文 4 喷油器总成的喷射性能直接影响柴油发动机的动力性、经济性、使用性能及可靠性。喷油器不仅决定着喷雾质量、油束与燃烧室的配合，而且影响喷油特性（喷油时刻、喷油延续时间、喷油规律），这些都直接影响发动机的性能指标。如果喷油不良，油束和燃烧室配合不好，则混合气形成恶化，燃烧变坏，性能下降。在新产品的试制过程中，往往需要对喷油 器作大量的调试，才能使柴油机达到设计指标；在使用过程中，常由于喷油器的故障使发动机性能下降，甚至不能运转。所以喷油器是影响柴油机设计指标和使用性能的关键部件之一。 喷油器总成通过法兰、压板和螺套紧固在发动机的气缸头上，它的喷油嘴端深入到发动机气缸的燃烧室内。喷油器的高压油道通过高压油管与喷油泵总成的出油阀接头相连接，回油油路相互连接直接回到油箱。 喷油器总成的功用是： (1) 将一定数量的具有合适喷射压力的燃油雾化，以促进燃油在发动机气缸内的着火燃烧。 (2) 借助于（或者不借助于）空气涡流将燃油喷注并力求 均匀分布到气缸的燃烧室内，特别对于无涡流的开式燃烧室，喷油器总成的安装精度是一个很值得重视的问题。一般喷油器总成由喷油嘴偶件、喷油器体、调压装置、油管接头、紧帽等、部件组成。 当高压燃油经高压油道进入喷油嘴偶件盛油槽部位而压力积蓄到能克服调压弹簧对针阀的压紧力时，针阀被升起，高压油进入嘴端的高压腔经喷孔雾化而喷射到气缸的燃烧室内。当喷油泵终止泵油，油道内压力降低，针阀受弹簧的压力而降致针阀座面以关闭高压腔，这时燃油不能经过喷油孔而进入发动机气缸的燃烧室，而燃烧室的燃点也不能进入喷油器体内。由于喷油器总成的主 要组成是喷油嘴偶件，而喷油嘴偶件又有不同的结构形式，所以喷油器总成也有不同的结构形式。 小发动机的油嘴开启压力较低，而大发动机的油嘴开启压力和关闭压力应足够高，以保证喷射终止后针阀能克服燃烧室高压而落座，否则燃烧室气体将进入油嘴，使喷孔和针阀积碳而进一步影响燃油的喷射和燃烧。 喷油器中喷油压力的影响： 在燃油喷射过程中，燃油压力是变化的。一般讲，小型高速柴油机的喷油嘴针阀开启压力为 12 20MPA，最高燃油压力是 40 60MPA，而大型柴油机喷油嘴针阀开启压力为21 30MPA，最高喷油压力约为 80 100MPA 以上。喷油压力直接影响喷油持续时间和燃油雾化质量。如果喷油压力过低，则燃油雾化不好，而且容易引起燃气回窜将喷油嘴烧坏。随着喷油压力提高，可以使油束出口速度增加，降低油滴的平均直径，使油滴蒸发加快，加速油束在空气中的扩散，使空气卷入的相对速度增加，同时喷射持续期缩短，这样就大大提高了混合气形成速率，从而改善燃烧性能。 喷油压力对然油消耗率的影响： 随着喷油压力提高，燃油消耗率下降。所以近年来在柴油机上有提高喷油压力的趋势，甚至采用高压喷射。例如在大型柴油机上喷油压力已提高到 100MPA以上， MAN公司的 58/64系列柴油机的最高喷油压力已达 130MPA，并打算提高到 140MPA，在小型高速柴油机上，由于受到喷油泵强度的限制，最高喷油压力通常在 70MPA 以下。应该指出，由于最高喷油汽车发动机油路测量设备的机构设计 5 压力的出现是瞬时的，因此应用平均有效压力（即在喷油持续期内通过喷孔的平均压降）来判断喷油过程的好坏更为合理。随着平均有效压力的提高，燃油消耗率和烟度都相应下降。 无锡太湖学院 学士学位论文 6 2 柴油发动机油路压力测量设备的设计 2.1 柴油发动机油路压力测量设备控制系统概述 信息总 是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。这些物理量就是信号。就具体物理性质而言，信号有光电信号、光信号、力信号，等等。其中，电信号在变换、处理、传输和运用等方面，都有明显的优点，因而成为目前应用最广泛的信号。各种非电信号也往往被转换成电信号，而后传输、处理和运用。 在测试工作的许多场合中，并不考虑信号的具体性质，而是将其抽象为变量之间的函数关系，特别是时间函数或空间函数，从数学上加以分析研究，从中得出一些具有普遍意义的理论。这些理论极大地发展了测试技术，并成为测试技术的重要组成部分。这些理论就是信号的分 析和处理技术 如图 1.2 图 1.2 信号的分析和处理技术图 一般说来，测试工作的全过程包含着许多环节：以适当的方式激励被测对象、信号的调理、分析与处理、显示与记录，以及必要时以电量形式输出测量结果。因此，测试系统的大致框图可以用图 2.1 来表示： 图 2.1 测试系统流程框图 应当指出，并非所有的测试系统都具备图 2.1 中所有环节，尤其是虚线连接的环节和传输环节。实际上，对环节与环节之间都存在着传输。图 2.1 中的传输环节是指较远距离的通讯传输。客观事物是多样的。测试工作所希望获取的信息，有可能已载于某种可检测的信号中，也有可能尚未载于检测的信号中。对于后者，测试工作就包含着选用合适的方式激励被测对象，使其产生既能充分表征其有关信息便于检测的信号。事实上，许多系统的特征参量在系统的某些状态下，可能充分地显示出来；而在另外一些状态下确可能没有汽车发动机油路测量设备的机构设计 7 显示出来，或者显示得很不明显，以至于难于检测出来。因此，在后一种情况下，要测量这些特征参量时，就需要激励该系统，使其处于能够充分显示这些参量特性的状态中，以便有效地检测载有这些信号的信号。传感器直接作 用于被测量。并能按一定规律将被测量转换成同种或别种量输出。信号调理环节。把来自传感器的信号转换成更适合于进一步传输和处理的形式。这时信号转换，在多数情况下是电信号之间的转换。 例如将幅值放大，将阻抗的变化转换成电压的变化或将阻抗的变化转换成频率的变化等等。信号处理环节接受来自调理环节的信号，并进行各种计算、滤波分析将结果输至显示记录或控制系统。信号显示、记录环节，以检测者易于认识的形式来显示测量的结果，或将测量结果存贮，供必要时使用。在所有这些环节中，必须遵循的基本原则是各环节的输出量与输入量之间保持一 一对应和尽量不失真的关系，并必须尽可能的减小或消除各种干扰。 从以上的各测量环节的相互关系中我们可以知道 ， 任何测量仪器都是由感受件、中间件、效用件组成的 。 下面我们再对这三个元件作一下简单的描述 。 1.信号接收部件 它直接与被测对象发生联系 (但不一定直接接触 )，感知被测参数的变化，同时对外界发出相应的信号。 作为仪器的感受件必须满足下述三个条件 : (1) 它必须随被测参数的变化而发生相应的内部变化 (这个内部变化就是传感器的输出信号 )。如热电偶的一端受热后，因金属的热电效应而产生热电势。 (2) 它只能随被测参数的变化而发出信 号（即不受其它任何参数的影响）。如热电偶产生电势的大小只随温度而变化，其它如压力等参数的变化不引起电势的改变。 (3) 感受件发出的信号与被测参数之间必须是单值的函数关系（即一个确定的信号只能与参数的一个值相对应）。例如，不能用水的密度变化来测量 +4 左右的温度，因为在这种情况下水的同一个密度大小可以代表两个不同的温度。 实际上，这三个条件是难以完全得到满足的，特别是其中第（ 2）项条件。因此，任何传感器都不可能是十全十美的，它都受一定使用条件的限制。如在使用上不加以注意，就会得出错误的测量结果。 2. 中间件 最简 单的中间件是 “单纯 ”起传递作用的元件，它将传感器的输出原封不动地传递给效用件。这种单纯的传递件一般只有当传感器输出的信号较强，感受件与效用件之间的距离不大或效用件的灵敏度很高（或消耗的能量很小）时才有可能采用。 在近代的内燃机测试工作中，都要求实现数据集中观测、遥测和自动记录。所以大多数测量仪器的中间件还必须完成 “放大 ”、 “变换 ”和 “运算 ”任务。 仪器的放大件有两类：一类是感受件发出的信号较强，放大时不需外加能量，它只利用杠杆、齿轮等机械构件扩大指针和标尺之间的相对位移，使之易于观测，如机械式示功器中的杠杆 、弹簧管压力计中的杠杆和扇形齿轮传动机构。 另一类放大是需要外加能量的，这在电测仪器中用得很多，例如用电子电位计测量热电势时，就要将电势放大十万倍才能足以驱动伺服电机带动指针作出指示。这类放大在电测仪器中利用电子器件来完成。 无锡太湖学院 学士学位论文 8 有时，为了放大信号的需要，或改变传感器输出信号性质的需要，在电测仪器的测量电路中设有信号 “变换器 ”和 “运算器 ”。 3. 效用件 它直接与观测者发生联系，其作用是根据传感器输出信号的大小向检测者显示被测参数在数量上的大小。最简单而常见的仪器效用件是指示件，它通过标尺和指针（或液面、光线等 ）的相对位置来反映被测参数的瞬时值，有这种效用件的仪器也就被称作指示仪器。效用件能将被测参数变化历程记录下来的仪器称为记录式仪器。在记录式仪器中，除了以记录笔的运动来反映被测参数的变化外，还需要另一个作相应运动的部件，这样才能作出函数的图形。在现有的条件下此类部件已被打印机等显示输出设备所代替。 记录式仪器所能反映的是被测参数在各个瞬时的变化情况，但有时需要知道被测参数对时间的积分。例如，在测定流量时，不仅要知道流量的瞬时值，而且还要知道在某个时间间隔内流过的总流量，如以 Q 表示瞬时流量（ m2/s），则 21tt tQd就是从时间 t1 到 t2 间隔内流过的总流量，但这毕竟比较麻烦，为此可以使仪器的效用件自己进行积分，这样的测量仪器称积分式累计仪器，如流量计、电度表等。 此外，按照效用件的功能来分类的还有：数字式仪器、信号式仪器、电接触式仪器、调节式仪器，等等。 2.2 柴油发动机油路压力测量设备的原理 为了精确地测定高压油管中的残留压力，我们在查阅了大量资料的基础上，并参照喷油泵的结构设计，设计了一种专门用于测量残留压力的测量装置。柱塞二开有二百四十度的环槽，并通过一队圆锥直齿轮与油泵 凸轮轴同步转动，柱塞套上装有压力表和应变式传感器。当油泵与残留压力测量装置连接的那一缸即将进入供油状态时，柱塞的密封面将测量油路与油泵高压油路切断。供油结束后，柱塞上的环槽使得测量油路与高压油管相同。这样，压力表和传感器就采集到了供油结束时期高压油管中的残留压力。可以从压力表的表盘上直接读取压力数值，也可以以此观察压力的变化趋势。由传感器采集、信号转换仪转换和数据处理仪记录下来的压力波形，可以得到在一定工况下，一段凸轮轴转角范围内压力波动的情况。可见这两种记录方式各有所长。 2.3 柴油发动机油路压力测量 设备相位调整 要测量与油泵某一缸连接的高压油管的残留压力；需先转动油泵凸轮轴，将该缸转到供油始点位置；再将残留压力测量装置转到附图 1（ b）所示的位置。然后，将油泵试验台动力输出端与残留压力测量装置传动轴的一端、残留压力测量装置传动轴的另一端与油泵凸轮轴，用联轴节连接起来。这样，就把残留压力测量装置的相位与油泵的相位对应起来了。 2.4 柴油发动机油路压力测量设备测量线路 测量残留压力所作用的传感器是应变式传感器。导体受机械变形时，其电阻值发生变化，称为 “应变效应 ”。应变式传感器就是用以上原理工作的。 汽车发动机油路测量设备的机构设计 9 对于 大多数作为应变片金属丝的材料来说，其电阻丝电阻变化率 RdR 在弹性范围内可用下式表示： kldlkRdR 式中 k 为常数，其值约在。 1.6 3.6 之间 ； ldl 为应变。 此式表示金属电阻丝电阻变化率 与应变 成线性关系，而应变灵敏系数 k 即为此直线的斜率，这就是电阻应变片测量应变的理论基础。 半导体应变 片最突出的优点是灵敏系数高，根据不同的半导体材料， ks=30 175，它比常用的金属丝电阻应变片的灵敏数系（一般 k=2）大几十倍，于是在应变片的应用上提供了很大方便。此外，如机械滞后小，横向效应小以及它本身的体积小等优点，扩大了它的使用范围。 但半导体应变片目前还存在如下缺点： （ 1）温度稳定性差。不仅因为半导体材料的电阻温度系数大，而且它的灵敏系数随温度的变化而有相当大的变化。 （ 2）在大应变作用下，灵敏系数的非线性较大，同时，由于半导体应变片的灵敏系数高，在承受应变作用时引起的电阻变化就大，如灵敏系数高 ，在承受应变作用时引起的电阻变化就大，如灵敏系数为 130 的半导体应变片，在承受 1000 的作用时，其电阻变化率 R/R 可达 13%，在这种情况下，不仅应变片灵敏系数本身失去线性，而且应变仪常用的等臂惠斯顿电桥也将达到 6%的非线性误差，所以使用半导体应变片测量较大的应变时，对测量仪器本身亦应采取措施，以配合半导体应变片的应用，如用高阻抗恒流电源作电桥供电和采用具有高桥臂比的恒压电桥等。 由于半导体应变片的温度稳定性差，使用时必须采取温度补偿措施，以消除由温度引起的零漂或虚假信号。 应变式传感器的温度补偿是一个 不可忽视的问题，因为应变片作为敏感元件测量构件的变形时，总是希望应变片的电阻变化与应变之间有单值函数关系，但实际上电阻的变化受温度变化的影响很大。 在实际工作中，为了减小甚至消除这种温度变化的影响，常采用桥路补偿和应变片自补偿的方法来进行温度补偿。 目前常用的应变式压力传感器有悬链膜片 -应变筒式、平膜片式和管式等。它们的共同特点是利用粘贴在弹性敏感元件上的应变片，感测其受压后的局部应变，从而测得流体的压力。 油管残留压力测量装置采用 的 BPR-2/100 型传感器，就是悬链膜片 -应变筒式应变式压力传感器。当传 感器的膜片受到流体压力作用时，圆筒受到压缩，产生应变。在圆筒薄壁部分的外表面上，沿轴向粘贴工作应变片，沿横向粘贴温度补偿片，工作片和补偿片接成半桥，通过相应的测量电路，即可得到与被测压力成正比的电压（或电流）输出。 这种传感器的承压膜片以应变筒直径分为内、外两部分，其径向剖面呈悬链线形，膜片的抗弯刚度很小。这样，应变筒的轴向压应变可由下式估算： RdR无锡太湖学院 学士学位论文 10 式中 P被测压力（ Pa） A应变筒的横截面积（ m2） E应变筒材料的弹性模量（ N/ m2） A1承压膜片的有效工作面 积（ m2） 在外壳内径确定的情况下，应变筒外径越大则承压膜片的有效工作面积也越大，这对提高传感器的灵敏度有利。但应变筒外径增大，应变筒与膜片的接触面积就要增加，从而使温度影响增大。一般设计成小圆面积略小于大圆面积的三分之一，在这种情况下，承压膜片的有效面积略小于总面积的三分之二。 悬链膜片压力传感器的线性误差较大。包括非线性、回程误差和蠕变再内的总线性误差一般为 1%，较好的情况下可达 0。 5%左右。除了它有一般应变式传感器中产生线性误差的因素之外，这种传感器承压膜片的有效工作面积随压力的增大而减小，以及在压力 作用下膜片边缘部位出现相当大的局部弯曲应力，都是产生非线性的重要原因。当应力超过材料屈服限时，就会出现回程误差、蠕变等问题。上述所有因素引起的线性误差，都是随着膜片直径的增大而减小。 这种压力传感器的灵敏度和固有频率都要比相同直径的平膜片式传感器高的多，它的固有频率一般在 30 50kHz 的范围内。 综合上述内容，可以得出这样一个结论，就是传感器受压力作用，产生微应变。由应变仪将微应变量的变化转换为电压的变化。将电压信号送入数据处理仪。由模拟量 /数字量（ A / D）转换板转换，就得到了压力的数字量。 测量高压 油管泵端、嘴端压力的传感器是压电式传感器。 压电传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。 有些结晶物质沿它的某个结晶轴受到力的作用时，其内部有极化现象出现，在它的表面上有电荷集结，其大小和作用力的大小成正比，这种效应称为正压电效应。反之，如果在晶体的某些表面之间加上电场，在晶体内部也产生极化现象，同时晶体产生变形，这种现象称为逆压电效应。具有压电效应的晶体称为压电晶体。作为压电传感器材料的压电晶体有：石英晶体、酒石酸钾钠、钛酸铅等铅系多晶体烧结而成的陶瓷等。 在晶体切片的电轴方向对其施加压力或拉力时 都会在垂直于该轴面上集结电荷，电荷可从紧贴于两晶体面上的金属极板用引线传出，作为压电传感器的输出。 为了提高输出，在压电传感器中，一般很少将压电晶体单片使用，而往往采用两片以上组合在一起组成一个传感器。由于压电晶片是有极性的，所以有两种组合方式，一种是将晶片同极性的晶面紧贴在一起作一个输出端，两边的电极用导线连接后作为输出的另一端，形成 “并联组合 ”。另一种组合是将正负电荷集中在上下极板，而中间晶面上的电荷则互相抵消，形成 “串联组合 ”。 从上述两种组合方式中可以看出：并联组合中输出的电荷大，输出电容大，输出阻 抗低，时间常数大，故适于电荷作为输出的场合。而在串联组合中输出电压大，输出电容小，阻抗高以及时间常数小，故适于以电压作为输出信号和测量电路输入阻抗很高的场合。 汽车发动机油路测量设备的机构设计 11 从压电效应来说，压电传感器产生的电荷量 Q 属于静电性质的现象。此电荷量 Q 的大小是无法用一般仪表测得的，这是因为一般仪表的输入阻抗 有限，压电晶片上产生的电荷将通过测量电路的输入电阻泄漏掉。测量电路的输入阻抗愈高，被测参数的变化愈快（即频率愈高），则所测的结果就愈接近电荷的实际变化。由此可见，为了减小测量误差，要求压电传感器测量电路必须是高输入阻抗的放大 器，通常是在放大器与变换器之间加入高阻抗的前置放大器。 为了克服由于电缆长度影响传感器的灵敏度，发挥利用压电效应作为传感器的优点，压电传感器应与电荷放大器匹配。它是一种以输出电压与输入电荷成正比的前置放大器。 在采用电荷放大器的情况下，压电传感器视为一个电源。电荷放大器是一个高增益的、具有反馈电容 Cf的运算放大器。 开环增益为 A， Cf 为反馈电容。此放大器是一个电压并联负反馈电路，从放大器输入端看，相当于 Cf（ 1+A）的反馈输入阻抗和输入端阻抗并联。反馈电容 Cf 在输入端的作用增加了（ 1+A）倍，这就增大了输入 回路的时间常数，当压电传感器受外力作用产生电荷Q 时，将向所有电容充电，此时放大器输入端的电压为为： e Q / C p C c C i 1i A C f 当 A 远大于 1 时 e Q / .ifCA 放大器的输入电压 eO 为 0 . A = - Q /ife e C 式中的负号表示本极的输出与输入极性相 反。此式还说明电荷放大器的输出电压仅和电荷量及反馈电容量有关，对于放大系数 A 及电缆分布 Cc 的变化不再影响放大器的输出，这是电荷放大器的显著特点。一般对于长电缆时取 A Cf 大于 100C0 即可使电缆分布电容对测量的灵敏度无明显影响。但是 Cf 值选得过大也会影响灵敏度下降。此外，当电荷放大器与压电传感器连接使用时，其下限频率（时间常数）只由电荷放大器决定，目前国内生产的电荷放大器的下限频率已达 1.610-6Hz，这对实际测量和准静态标定是很重要的。 通过以上的分析，可以知道，本测量装置所用的信号转换仪是电荷放大器 。电荷放大器将传感器传输来的电荷量信号转换为电压信号送入数据处理仪。 凸轮轴转角信号是由霍尔元件始点信号传感器产生的。 2.5 柴油发动机油路压力测量设备试验结果分析 利用高压油管残留压力测量装置和其它电测仪器，我们对日本 DDK 公司的 A 型泵进行了电测试验。试验项目有高压油管泵端压力，嘴端压力和残留压力。通过试验得到这样的结论：我们一般将泵端、嘴端压力波形中的最低点（一般是供油前一段压力），当作压力零点。事实上这一段压力并不为零，而恰恰是残留压力的数值。供油开始前，残留压力传感器与嘴端压力传感器的采样相同， 两个压力相等，以这点为基准，泵端压力波形与残留压力波形迭加，嘴端压力波形与残留压力波形迭加，才是泵端压力、嘴端压力的实际波形。当油泵转速为 300RPM，油嘴开启压力为 17.5MPA，而最高嘴端压力只有 15.6MPA，低于油嘴开启压力。但把嘴端压力波形与残留压力波形迭加之后，最高嘴端压力可接进无锡太湖学院 学士学位论文 12 21MPA，就大大高于油嘴开启压力了。这样就可以解释在油嘴已喷油的工况下，测出的油管嘴端压力低于油嘴开启压力的现象了。 我们曾尝试用所里现有的仪器来测残留压力。采用应变式传感器与压电式传感器串接在油管嘴端。从测量压力的曲 线来看，应变式传感器以其所测压力波形的最低点作为其记录零线。如果认为此点为实际零线，那么喷油前一段稳定的压力就应该为残留压力了。从曲线上看这段压力为 2.64MPA。但用残留压力测量装置测同工况下的残留压力，测得结果残留压力均在 7MPA 左右。因此用应变式传感器装在高压油管端部，并不能测得残留压力。 接残压装置与不接残压装置测得的同一转速下的泵端、嘴端压力波形，尽管两次测得的对应最大值不同，但嘴端与泵端的压力差值基本相同，可见装上残压装置后并不影响高压油管的压力。 目前，许多研究报告表明，高压油管残留压力的研究 对柴油机供油系统喷射过程的研究有着重要的意义。如空泡和喷射过程的稳定性等问题的研究中，只要残留压力不低于燃油中轻馏份的饱和蒸汽压力，就不会出现蒸汽空泡；而高压油管中残留压力的稳定性就决定了喷射过程的稳定。因此，残留压力的研究，不仅在科研机构中得到重视，而且越来越多的生产部门作为开发新品时参数选择的依据。因此，我们开发的这个残留压力测量装置，不仅对提高油泵多参数测试精度有重要意义，也为喷油系统的研究和设计，提供了新的测试手段。 2.6 柴油发动机油路压力测量设备校验压电压力传感器 我们采用本所现有的仪器，比 较了压电式压力传感器与应变式压力传感器的压力测量值。目的是观察压电式压力传感器经过这么多年的使用灵敏度是否有变化。 首先，用活塞式压力计标定应变式压力传感器。再用电荷标定器（ AVL3054-A01 CHARGE CALIBRATOR），根据所用的压电传感器的灵敏度数值，标定压电式传感器。然后，将经过标定的压电式传感器与应变式传感器串接在高压油管的嘴端，如附图十七，接线、安装，进行试验。附图十八为测出的在油泵转速为 800RPM，全油门工况下的嘴端压力曲线。压电式传感器测得的最高压力； PPMAX=26.159MPA，应变式传感器测得的最高压力 PSMAX=25。 250MPA。 两者的相对误差为： 3 . 6 %100%2 5 . 2 5 02 5 . 2 5 02 6 . 1 5 9100%P P-PS M A XS M A XP M A X 偏差并不大。再比较两者波形，压电式压力传感器的动态响应快，因此尖波较多，但两者的波形变化趋势是相同的。 根据试验结果，可以说，压电式压力传感器的灵敏度变化不大。 2.7 柴油发动机油路压力测量设备相关油管嘴端压力与针阀体压力室压力 高压油管嘴端压力不同于针阀体压力室的压力（以下称嘴腔压力）。由于压力波在高压油路的传播，嘴端压力与嘴腔压力存在相位差 ，两者随转速，负荷变化的趋势基本一致，嘴腔压力要高于嘴端压力。 汽车发动机油路测量设备的机构设计 13 我们一般说的油嘴开启压力，是在油嘴试验台上手动加压测出的。从其测量仪表与油路的联接方式来看，这个压力是油管嘴端压力，不是嘴腔压力。因此，嘴端压力与油嘴开启压力是可以直接比较的。 无锡太湖学院 学士学位论文 14 3 机械传动选用及设计计算 考虑到油管残留压力试验装置的特殊性，采用了圆锥直齿轮一级传动，并用花键联轴器与油泵试验台相连，专用联轴节与测试油泵相连的方式进行布置。它有结构简单，使用方便的特点。 齿轮机构是机械中应用最广的传动机构之一。与其他传动机构相比，其主要特点是：传动比稳定，寿命较长，效率较高，适用的周速和功率范围广，并可实现任意两轴间的传动；但要求较高的制造和安装精度，成本较高，且高速运转时噪声较大。 锥齿轮用于两相交轴间的传动。一对锥齿轮的传动相当于一对节圆锥作纯滚动。锥齿轮有分度圆锥，齿顶圆锥，齿根圆锥和基圆锥。按照分度圆锥上齿的方向，锥齿轮可分为直齿、斜齿和曲齿三种。直齿锥齿轮的设计、制造和安装都较简单，应用较广。曲齿锥齿轮传动平稳，承载能力高，常用于高速重载传动，但设计、制造比较复杂。由于本装置是一级传动，结构相对较简单所以采用直齿圆锥齿轮传动。 3.1 圆锥齿轮的计算 图 3-1 圆锥齿轮 1.轴的交角 :=1+2=90 根据实际工况及经验值定 Z1=Z2=44 m=1 2.分度圆锥角 (节锥角 ) 1 011 451 ictg 219 0 9 0 4 5 4 5 o o o o 3.模数 (大端 )m 由经验确定 m=1 4.分度圆直径 d： 1 4 4 4 4d m z 5.齿顶高 ha： *.ha ha m 查表得 ： ha* 1 c* 0.2 * . 1 1 1h a h a m 汽车发动机油路测量设备的机构设计 15 6 齿根高 hf ： *.h f h a c m 1 0 . 2 1 1 . 2 1 1 . 2hf 7 全齿高 h： *2.h h a c m 所以： 2 1 0 . 2 1 2 . 2h 8 齿顶圆直径 da ： *2 c o s 2 c o sd a d h a m Z h a 所以： 1 4 4 2 1 c o s 4 5 4 4 2 4 5 . 4 1 4da o 9 齿根圆直径 df： d f d 2 h f * c o s 2d f 4 4 2 1 . 2 4 2 . 3 0 3 10 锥距 (节锥长 ) 2212 212 0 . 5 2 4 4 3 1 . 1 1 32 s i n 22222 mR Z Zm z d d 11 齿顶角 a 正常收缩齿 tg a=haR tg 13 1 .1 1 3a a rc tg 1 .8 4a o 12 齿根角 tg f tg f hfR t g f 0 . 0 3 8 61 . 23 1 . 1 1 3 mmnPcnT. P.d 33 620 10559 arc tg f=2.21 o 13 齿顶锥角 a 正常收缩齿 4 5 1 . 8 4 4 6 . 8 4aa o o o 14 齿根锥角 f 4 5 2 . 2 1 4 2 . 4 9ff o o o 15 齿宽 b 3 1 . 1 1 3b 1 0 . 3 7 133R 根据实际工况取 6 16 齿顶高投影 n 2n h a s i n 1 s i n 4 52 o 17 齿宽的投影 e .coscosbae a 6 c o s 4 6 . 8 4 4 . 1 0 6 3c o s 1 . 8 4e oo 无锡太湖学院 学士学位论文 16 18 从锥顶到大端外圆的距离 A 1 . 4 4 2A 1 A 2 n 1 2 1 . 2 9 3222mz 根据结构要求取 21 19 从支承端面到大端外圆的距离 M 根据结构 定为 10 20 齿轮厚度 H： H M e 1 0 4 1 4 21 周节 p： p 3 . 1 4 1 3 . 1 4m 3.2 主传动轴的相关概算 根据实际工作条件：确定传动轴的材料为之 45 钢，传递功率为 5KW，轴的转速为1200RPM。 由于该传动轴主要受的是扭矩，所以扭转强度条件初步估算轴径： 最小轴径计算公式 d： 查表得 45 钢相应得 C 值应为 118 107 综合已知条件代入上式得3 pdc n d 1 1 8 1 0 7 1 7 . 2 1 8 1 8 . 9 8 8531200: 考虑到轴上将布置键槽所以需将轴径增大 3% 最小轴径应为 17。 74 19。 56 扭矩计算： 669 . 5 5 1 0 9 . 5 5 1 0 5T 3 9 7 9 1 . 6 6 6 .1200P N m mn 若将扭矩按脉动性质考虑，取脉动系数 =0。 6 则 3 9 7 9 1 . 6 6 6 0 . 6 2 3 8 7 4 . 9 9 9 6 .T N m m 汽车发动机油路测量设备的机构设计 17 3. 3 花键联轴器的计算 图 3-2 花健联轴器 根据实际工况选定花键联轴器的齿数 Z=86 m=0。 5 标准压力角为 30，选用 30的圆齿根 1 分度圆直径 ： D m z 0 . 5 8 6 4 3 2 基圆直径 ： c o sbDD m z D 查表得 D=30 0 . 5 8 6 c o s 3 0 3 7 . 2 4bD o 3 齿距 P： Pm P 3 . 1 4 0 . 5 1. 5 7 4 花键作用齿厚上偏差查 GB/T3478。 1 表 23、图 3 得 esv 0.025 5 花键大径基本尺寸 Dee： D e e m z 1 D e e 0 . 5 8 7 4 3 . 5 6 外花键大径上偏差查 GB/T3478。 1 为 -0.043 7 外花键大径公差查 GB/T3478。 1 表 25 为 0.1 Tx 100 T x Es EI E I E S T x 0 . 0 4 3 0 . 1 0 . 1 4 3 花键的下偏差为 -0。 143 8 外花键渐开线起始圆直径最 大值 22m a x0 . 5t a n( 0 . 5 )s i n0 . 5 s i n DDDe s vhSD T e D b D 0 . 5 D b 2 3 4 6 . 6 9 0 . 5 D S i n 0 . 5 4 3 S i n 3 0 1 0 . 7 5D o h s 0 . 6 m 0 . 6 0 . 5 0 . 3 0 . 5 e s v = 0 . 5 0 . 0 2 5 0 . 0 1 2 5 无锡太湖学院 学士学位论文 18 t a n t a n 3 0 0 . 5 7 7 4D o 0 . 50 . 5 0 . 0 2 1 6 5t a nDe s va 0 . 3 0 . 0 2 1 6 5 0 . 3 2 1 6 50 . 5t a n De s vhS 9 综合以上结果代入上式得 D T e m a x 4 2 .3 9 花键小径基本尺寸 : 10 30圆齿根 Die： D i e m Z 1 . 8 0 . 5 8 6 1 . 8 4 2 . 1 11 外花键小径公差取 Tx=0.01 同大径 :EI=-0.143 基本齿厚 S： S 0 . 5 m 0 . 5 0 . 5 0 . 7 8 5 12 作用齿厚最大值 ： S v m a x S e s v 0 . 7 8 5 0 . 0 2 5 0 . 7 6 13 实际齿厚最小值 ： Smin= Svmax-(T+) T+ 查 GB/T3478。 1 T+=82 Smin= Svmax-(T+)=0。 76-0。 082=0。 678 14 实际齿厚最大值 Smax Smax= Svmax- 查 GB/T3478。 1 续表 8 =0.037 Smax= Svmax =0.76 0.037=0.723 15 实际作用齿厚最小值 Svmin Svmin=Smin+ Svmin=Smin+=0.678+0.037=0。 715 16 齿形裕度 CF=0.1m=0.10。 5=0.05 17 齿根圆最小曲率半径 Remin Remin=0.4m=0.2 18 查 GB/T3478.1 得齿距累积公差 FP=0.054 齿 形公差 ff=0.029 齿向公差 F=0.017 3.4 压力波动的分析 在高速柴油机中，燃油喷射的持续时间很短，只有 15 度 35 度曲轴转角。在这样短的时间内，喷油泵柱塞变速供油，高压管路中燃油压力变化却很大，在喷油时的最高压力可以高达 30 100MPA，而不喷射时（即在相邻两次喷油过程之间），高压管路中的残留压力又很低。 根据分析故可选用设计图纸中出油接头规格尺寸 3.5 燃油的可压缩性 当压力变化不大时，可以认为液体是不可压缩的，但在柴油机的燃油系统中，由于压力变化幅度大，燃油的可压缩性就必须加以 考虑。当压力变化 25MPA 时，柴油体积约缩小 1%，体积变化的数值不大，但由于每循环的供油量本身就很小（如 6135G 柴油机全负荷时为 0。 13ml/循环），而高压管路中积聚的燃油比每循环供油量要多得多，这部分燃油汽车发动机油路测量设备的机构设计 19 被压缩，喷油器中的压力升高就要延迟，就会对喷油过程产生较大的影响。燃油的可压缩性 压力变化愈大或容积愈大，则体积变化也愈大。当压力变化在（ 2 3） 107Pa 时， =（ 4 5） 10-10m2/N 压缩系数 的倒数称为燃油的弹性系数 E，其表达式为： 9E 2 2 .5 1 0: （ N / m2） 3.6 管路的容积变化 高压油管一般是用厚壁无缝钢管制成，钢管是有弹性的，在高压作用下管子会胀大。当油管中压力变化为 P 时，管子内径改变量为： prR rRErr 22 22 式中 r高压油管的内半径 R高压油管的外半径 u泊桑系数，钢 u=0.3 E弹性模数，钢 E=2.21011 N / m2 由上式可知，压力变化愈大，管子内径愈大，管子愈长，则容积变化也愈大。根据上式理论数据，壳体尺寸设计便知。 3.7 管路中的压力波动 燃油的可压缩性和管路的弹性，使高压系统形成一个弹性系统，燃油在高压系统中的流动也就产生弹性振动。在供油过程中，出油阀开启之前，柱塞运动仅使泵油室中燃油压力升高；出油阀开启的瞬间，在高压油管靠近喷油泵一端的燃油受到自泵油室来的燃油压力冲击，其附近区域产生局部的压力升高，出油阀开启后，柱塞运动将燃油挤向高压油管。但由于燃油 的惯性和可压缩性，柱塞所排挤的燃油量与高压油管中流动的燃油量之间不平衡，造成燃油瞬时堆积，使压力继续升高。这种局部压力的瞬时提高，都以压力波的形式沿高压油管向喷油器一端传播。 传播的速度就是声速在这种介质中的传播速度，其值约为 1400 1600m/s。这种传播速度应该在纯油状态下；但在实际情况下其值应为 7001200m/s，声速在传播中是变化的。、 压力波的传播情况可作以下说明。当出油阀开启时，高压油管中靠近喷油泵一端的燃油产生的压力波向喷油器一端传播。经过 L/a（ L高压油管长度， a声速）到达喷油器端 。如果第一个压力波不足以升起针阀，则压力波全部被反射，向喷油泵端传播，反射波经过 L/a 到达喷油泵端与该处新产生的压力波叠加起来，又被反射向喷油器一端传播。当压力传播使喷油器端的燃油压力升高到大于针阀开启压力时，针阀即打开，喷油开始，此时，传至喷油器端的压力波仍要部分地反射回去。所以，在整个供油过程期间，压力波往复传播多次反射，高压油管中的压力也就随时间和地点而变。在针阀关闭后，油管中的压无锡太湖学院 学士学位论文 20 力仍会往返波动，如果这个波动大，有可能使针阀再度开启，造成不正常喷油，引起燃烧恶化，如果波动不大，由于管壁摩擦阻力和燃料粘 性阻尼（内摩擦）的作用，压力波较快衰减，以至在下次供油之前，油管中的压力可以达到稳定状态，此时残留压力为 pr。 由于上述的压力波动现象存在，使实际喷油过程与柱塞的供油过程很不一致。这也是对油管的残留压力进行研究的重要原因之一。 3.8 喷油泵的参数选择及其对柴油机性能的影响 提高喷油压力的措施很多，如增大柱塞直径；采用较陡的油泵凸轮廓线，提高柱塞供油速度；减少高压系统的阻力，以减少高压燃料的能量损失；减小喷孔直径等。采用高压喷射后，由于燃烧过程加快，使未燃的碳氢化合物 HC 的排放明显减少。燃烧过程加快，就可 能采取推迟喷油的措施来降低有害排放物，而又不使燃油经济恶化。但高压喷射也带来其它问题，如二次喷射、穴蚀，油泵凸轮疲劳剥落等，需要采取相应措施加以解决。以上问题将在下面予以说明。 喷油泵柱塞和喷油泵凸轮，共同决定着每循环供油量及几何供油规律，它们对柴油机性能的影响主要反映在供油时刻和供油持续时间（即供油速度）对性能的影响上。供油时刻可由供油提前角予以调整，而供油持续时间则和柱塞直径、凸轮外形等因素有关。由于本课题主要是对油管的残留压力进行研究，所以仅对上述几个和油管的残留压力有关的特性参数作简要描述。 直接影 响燃烧性能的是喷油提前角，因为测量喷油提前角必须有一套电气设备来测量喷油器针阀开启时刻，这是动态测量，比较麻烦，所以平时柴油机测试，就是测量供油提前角，产品说明书上给用户的提前角的数据都是指供油提前角。供油提前角就是喷油泵开始压油到上止点为止的曲轴转角，是用静态法测量，也就是使发动机处于停车状态，凭目力观察出油管是否冒出燃油来确定供油始点（溢油法），或者从计算进油孔关闭的时刻来确定。因此，用静态法测出的供油提前角与实际喷油提前角之间可能有较大的差别，其差别取决于喷油延迟角 x 即 =s+x -供油提前 角 s-喷油提前角 x-喷油延迟角 x 与许多因素有关。不同转速和高压油管长度对喷射延迟都有影响，喷油延迟角随转速升高而增大；当油管增长时，由于压力波传播的时间增加，使喷油延迟角也随之加大。 供油提前角对柴油机性能影响很大，主要是影响经济性、压力升高率 p/ 和最高燃烧压力。供油提前角过大，则燃料在压缩过程中燃烧的数量就多，不仅增加压缩负功使燃油消耗率增高、马力下降，而且 大时由于着火延迟较长，压力升高率和最高燃烧压力迅速升高，工作粗暴（可以听到有清脆的 “嘎嘎 ”震声），怠速不良，难于起动；如果供油提 前角过小，则燃料不能在上止点附近迅速燃烧，后燃料增加，而且喷油后很快燃烧，油气混合均匀性差。虽然最高燃烧压力较低，但虽然燃油消耗率和排气温度增高，发动机过热。所以对每一工况，有一最有利的供油提前角，此时燃油消耗率最低。 汽车发动机油路测量设备的机构设计 21 最佳供油提前角都是调试过程中由试验最后选定。应该指出，有些发动机，特别是增压发动机，在最佳供油提前角时最高燃烧压力较大，为了降低机械负荷，实际选用的供油提前角比最佳值略小一些。 当柴油机转速增加时，一方面喷油延迟角加大，另一方面混合气形成和燃烧的时间（以秒计）缩短，为了保证在上止点附近燃烧， 就需要供油相应提前一些，因此，最佳供油提前角是随柴油机转速升高而增大的。 喷油泵的主要结构参数是柱塞直径、柱塞的有效行程、全行程和油泵凸轮廓线等。初步选择喷油泵的结构参数的主要依据是柴油机的每循环供油量。考虑到发动机可能超载运行，以及柱塞偶件长期使用后因磨损使漏油增加等因素，实际每循环供油量计算时应大25 35%。由于每循环供油量与柱塞的直径有关，所以在确定了每循环供油量后就可通过相应的公式计算出柱塞的直径。同样柱塞的有效行程、全行程和油泵凸轮廓线都可通过相应的计算和凸轮升程表获得。 当柱塞的直径增大时，喷 油延迟角及喷油持续时间都减小，但供油速度增大，使喷初期油速率也较大，喷油规律曲线变高，所以一般说来，柱塞直径加大经济性好，但运转粗暴。当发动机强化时，每循环供油量加大，就要特别考虑加大柱塞直径以缩短喷油延续时间，改善经济性。同时从改善性能的角度考虑，为了保证迅速燃烧，高速柴油机全负荷时的喷油持续角不希望大于 25 A，中速柴油机的喷油持续角不应大于 30 40 A，因此也就要求供油持续角不能过大。供油持续时间缩短 就要求提高供油速度，可以增加柱塞直径或增加柱塞速度来提高供油速度。增加柱塞直径将使驱动力明显增加（ 驱动力与柱塞直径平方成正比），而加大柱塞速度又会使柱塞容易磨损及传动机构的动力负荷增大，因此柱塞直径和柱塞速度要合理选择，既要有良好的性能，又要保证有足够的使用寿命。为了保证柱塞有一定的寿命，柱塞最大速度不希望超过 2。 5 3m/s。选取供油持续角和在有效行程期间的柱塞平均速度后，喷油泵参数根据统计资料或理论公式初步选定后，还要进行试验，才能最后确定。 在与喷油泵特性有关的各个参数中，还有一个与燃油压力有关的重要参量。那就是出油阀对燃油压力的影响。我们可知道，喷油泵的出油阀头部带有密封锥面，尾部又有四个铣槽在 阀头与阀尾之间有一个圆柱形的减压带，在油管的残留压力和弹簧的作用下，使出油阀压紧在阀座上。这样，在柱塞吸油行程时，出油阀就阻止高压油管中的燃油倒流入泵油室，从而保证柱塞有一定的供油量。当柱塞压油时，泵油室中油压升高，克服弹簧力及油管中的残留压力，将出油阀向上压，一直等到圆柱减压带离开阀座导向孔时，才有燃油经过铣槽流入高压油管。柱塞在有效行程结束时，泵油室中油压迅速下降，出油阀开始下降。当柱形减压带进入导向孔时，高压油管与泵油室即被隔开，此后直到阀面落座，出油阀又下落一距离 h（实际 h 从锥面密封带算起），这样， 在高压油管中就突然增加一部分容积，这部分容积使油管中的燃油膨胀，从而使高压油管中的油压迅速下降，喷油迅速停止。我们把出油阀使高压油管中压力骤然下降的作用称作出油阀的减压作用。 借助出油阀的减压作用可以控制高压油管中的残留压力，由此影响喷油特性。通过合理选择减压带高度 h，可以消除喷油器滴油的现象，而出油阀的升程、开启压力等也影响燃油喷射过程，所以出油阀对柴油机性能也有一定影响。随着减压带高度的增加，减压容无锡太湖学院 学士学位论文 22 积加大，由于减压效果增加而使性能得到改善。 出油阀紧帽的高压储油容积在整个高压系统的容积中占有相当的比重， 可以通过出油阀紧帽内径的改变或改变减容器尺寸，来改变出油阀紧帽的高压储油容积。高压储油容积减小，可以减小喷射过程的压力的波动，提高压力上升速度，缩短喷油延续时间，使经济性有所改善。从在供油提前角都相同的情况下的试验结果可以看出，由于出油阀高压储油容积减小，喷油延迟角也减小，因此，最佳供油提前角也减小。根据上述分析柱塞校合尺寸，柱塞偶件尺寸，联轴节如设计图纸。 3.9 喷油泵的速度特性校正 当喷油泵油量控制机构（齿条或拉杆）位置不变时，每循环供油量随转速的变化特性称作喷油泵的速度特性。由于柴油机负荷变化是靠 改变供油量来实现，即平均有效压力（或扭矩）大致与每循环供油量成正比，所以喷油泵的速度特性直接影响柴油机的速度特性。从喷油泵的速度特性分析可知，每循环供油量随转速升高而增加，这是由于进、回油孔的节流作用而引起的。理论上当柱塞上端关闭进、回油孔时，才开始压油，实际上当柱塞上端面还未完全关闭油孔时，由于节流作用，被柱塞排挤的油量来不及通过油孔流出致使泵油室内压力升高，出油阀提早开启。同样道理，当供油终了，柱塞的斜切槽边缘开启油孔通道还不足够大时，由于节流作用，泵油室中燃油不能立即流到低压系统中去，仍维持较高压力使 出油阀延迟关闭。出油阀的早开和迟闭必然使流向高压油管的燃油量增多，而转速愈高，柱塞的压油速度就愈大，泵油室内的压力建立也愈早，压力下降也愈迟，所以，供油量随转速升高而增加。 从使用要求和充分发挥柴油机潜力来看，都需要设法改变喷油泵的速度特性。目前常用的校正方法有出油阀校正和弹簧校正两种，针对前面对于喷油泵出油阀压力特性的描述，现在本文中仅对出油阀校正进行介绍。由此螺塞选用尺寸如设计图纸。 3.10 可变减压容积 带有减压带的出油阀的油泵，其供油量大体是与柱塞有效排量和减压容积之差成比例的，如使减压容积能随 转速而增加，则喷油泵速度特性将变得平坦，当柴油机转速升高时，作用在出油阀下部的燃油压力及燃油流过通道时速度增大，使出油阀升程加大，在油管中所占的体积也增大。当供油终了时，由于节流作用，流通截面尚未关闭就已开始减压作用，转速愈高，节流作用愈显著，出油阀的减压作用愈早，高压管路中的减压容积也愈大。在下一次供油时，必须以供油量中的一部分来填满这一减压容积后，才能提高油管中压力，使喷油器喷油。这样实际上就减少了喷油量，供油量随转速升高而减少。这种校正阀的缺点是随转速的升高，喷油延迟比普通出油阀为大，而且变化不规则， 对选用供油提前角自动提前器不利。 3.11 可变的减压作用 利用出油阀减压带凸缘与出油阀座内孔的不同间隙可以得到各种不同的减压作用，间隙在小油泵上为 0.025 0.076mm，在大油泵上可达 0.18mm。这种减压方法在所有转速范汽车发动机油路测量设备的机构设计 23 围内出油阀的升程是一样的。当回油孔打开后，泵端油压迅速下降到油泵进油压力（即柴油机输送泵的出口压力值），在减压带进入出油阀阀座以后，即开始发生减压作用，把泵端压力抽成真空，这时喷嘴端的燃油迅速回流填补，与此同时，由于减压带和阀座之间间隙的存在，低压油腔内将可能有一些燃油回流到高压油 管内，从而使减压作用有所削弱。在高速时，由于间隙的节流作用较大（亦即流体的动力阻力大，出油阀的上下压差大），出油阀落座迅速，燃油回进高压油管的现象不明显，因此基本上完全减压。在低速时，正相反，由于节流作用相对较小，出油阀落座时间相对增长，燃油回进高压油管的现象比较明显，减压效果削弱，残留压力升高，因此使每循环的供油量增加。此轴套工作在低压，重载，湿摩擦的工作环境中， 1 万 km以上机油保养一次，由此尺寸，材料如设计图纸。 3.12 高压油管 连接喷油泵和喷油器的高压油管，承受着高压脉动负荷及振动，常常发生高压 油管接头漏油及油管疲劳震裂等故障。在发动机设计中，我们是根据燃油系统性能要求来确定油管内径、外径及长度，这对保证良好燃烧及延长喷油嘴使用寿命有重要的作用，由于高压油管也是整个燃油压力系统的一个重要组成部分，本课题涉及的也是对高压油管残留压力的研究，因此对高压油管应予足够的重视。 要求高压油管在高压下（ 100 120MPA）应能保证密封，并有良好的抗冲击负荷及振动能力。高压油管一般用厚壁钢管制成，以适应高压工作，为了尽量减少管系因高压而膨胀，油管外径是内径的三倍以上。油管在喷油泵及喷油器两端的防漏结构，目前普 遍采用的是冲制的锥形管接头。为了消除振动的不良影响，在有些发动机上将油管特别予以夹紧，管子夹头的最好材料是非金属的（我所采用的是丁晴橡胶），因为金属夹头有时会使管子表面受到损伤。 高压油管容积是然油高压系统容积的一部分，如果油管容积大，亦即高压系统容积大，使喷射时压力波动影响很大，喷油延迟大，喷油也不易迅速终止，但油管过细，则燃油流动阻力增大。所以油管内径的选择应以燃油在管路中平均流速在 20 40m/s 的范围内为宜。高压油管的长度，一般是根据柴油机总体布置决定。高压油管尺寸也必须经过试验最后才能选定。油管越 长，压力波传播的时间也愈长，使喷油更加延迟，而喷油持续时间基本不变，因此高压油管长时，最佳供油提前角应该更提前一些。多缸发动机各缸油管长度不相等，使各缸喷油规律有所差别，这也是影响多缸发动机工作不均匀的原因之一。随着油管内径减小，燃油流动阻力增大，使喷油延迟角加大。 3.13 柴油内燃机异常喷射现象 由于供油系统中的高压容积、高压油管长度的存在，是产生各种不正常喷射的根源。由于增压柴油机要求在喷油持续角基本上和非增压柴油机差不多的条件下，大幅度地增加每循环的供油量，因此使泵的供油率、油管内的最高压力均大幅 度地增加，随发动机工况变化，每循环供油量的变化幅度也大大增加，从而使各种不正常喷射的情况更加突出的表现出来。大功率增压柴油机的性能在增压系统设计良好的条件下，主要决定于供油系统和燃烧室形状之间具有良好的配合，因此在研制大功率强化柴油机和高速车用柴油机时，必无锡太湖学院 学士学位论文 24 须对供油系统的各种不正常喷射的情况予以极大的注意。同时由于柴油机在转速和负荷范围都变化的面工况下工作，喷油系统结构参数选择既要考虑在高速、大负荷工况，又要考虑在低怠速工况时都能正常工作，两者对某些结构参数要求是矛盾的。当喷油系统结构参数选择不当时，在某些工 况可能会出现不正常的喷射，这些通称为异常喷射现象。这些现象会造成柴油机性能的恶化，如经济性能下降，冒黑烟，排放差，或低速不稳定，游车，喷油嘴积碳烧损，喷油系统零件产生穴蚀损坏等等。因此，对匹配优良的柴油机不应存在这些不正常的喷射现象。在喷油系统与柴油机主机匹配之前，应在喷油泵试验台上进行先期试验，测试喷油系统的压力、针阀升程和喷油规律，消除这些异常喷射；也可应用计算机进行喷油过程的模拟计算，计算出结构参数对喷油过程的影响，优化匹配方案，消除异常喷射。 3.14 二次喷射 二次喷射是指发生在主喷射结束之后， 喷射终了针阀落座后又第二次开启向气缸内喷油的现象。二次喷射使整个喷油持续时间延长，二次喷射的燃油是在较低的压力下喷入气缸的，雾化质量差，燃烧不完全且喷射偏离上止点附近，后燃严重，造成燃油消耗、排烟和排温升高，性能恶化，零部件过热甚至喷孔积碳堵塞。 二次喷射出现的工况是在柴油机大负荷、高速运转工况。判断柴油机有无二次喷射，最直接可靠的办法是测量针阀升程，也可以通过测取油管嘴端压力来间接判断，但值得注意的是嘴端测点至盛油槽的压力，两者存在着一定差异。 二次喷射产生的原因是燃油在高压作用下的可压缩性和燃油压力波在 高压油路的传播与反射。当喷油系统结构参数匹配不当时，主喷射期柱塞供油结束，出油阀落座，高压油路的燃油回流；这一膨胀压力波传到喷油嘴端，针阀落座，主喷射结束，同时燃油流回出油阀紧帽；因出油阀已落座，压力上升，此压力波再次传到喷油嘴端时，当盛油槽内压力峰值超过喷油器开启压力时，针阀二次开启，向气缸内喷油。 1 二次喷射的方法主要有： 1) 适当增大等容出油阀的减压容积，减小高压油路容积，如缩短高压油管长度、减小内径、减小出油阀紧帽腔容积等等。其目的是在一定油管峰值压力下，出油阀减压容积与高压油路容积有一个合适的 比值，限制主喷射后压力波传播和反射的峰值。 2) 在保证喷雾质量的前提下，适当增大喷孔总面积。喷油速度的加快将使油管峰值压力有所下降。 3) 增大出油阀弹簧刚度和开启压力。开启压力增大，使本来由于进油孔的节流可以进入高压油管的附加油量减少，从而每循环供油供油量减少，油管内最高压力减小；弹簧刚度增大，使出油阀落座速度加快，两者都有助二次喷射的消除。 4) 对油管压力峰值较高的喷油系统，上述措施难以优化综合性能，可采用等压出油阀或阻尼出油阀等结构。 2.穴蚀 上述消除二次喷射的措施往往会促成穴蚀破坏发生。在高压 油路中，当测试的油压为零时，可能会出现零压或真空。当油压突降到其相应温度的饱和蒸汽压（ 1 3KPA）时，汽车发动机油路测量设备的机构设计 25 高压油路中会产生油的蒸汽泡。在喷油过程的一个循环中，压力是变动的。当油压达到一定值时，气泡将破裂，气泡连续产生和破裂的过程，将会造成能量的骤变。若气泡破裂过程的能量达一定数值，对金属表面形成冲击而导致疲劳损坏，称为穴蚀现象。在中、小功率柴油机中，高压油路中的残压有可能常常为零。甚至真空，但不一定产生穴蚀；反过来穴蚀一定是由气泡溃灭过程产生。因此，在采取一些消除二次喷射措施的同时，应合理选择参数，防止穴蚀的 发生，如出油阀减压速度不能过大等等，这在高压喷射中需特别注意。 3 滴油现象 这里讲的不是因喷油器针阀密封不良造成的滴漏，而是在针阀密封正常的情况下，喷射终了仍可能有燃料自喷嘴流出，流出速度很低（形似漏油），燃油不雾化，结集在喷孔处容易结碳，使喷孔堵塞。滴油现象特别在喷孔面积较大，出油阀减压作用不够时发生。因此可采用增加弹簧刚度减小针阀直径以及减小喷孔面积，提高油管压力适当增大减压容积的办法来解决。 此外，滴油现象的存在，从时间概念上表明，在回油孔打开后针阀是以小的落座速度缓慢地在关闭，因而有可能在落座过程中 当喷油器内的压力低于气缸燃气压力时，针阀还没有完全落座，燃气就挤开燃油进入喷油器内，从而导致过热，喷油嘴结焦等故障，因而消除滴油现象和前述的二次喷射，同样也为防止燃气回窜创造了条件。 3.15 稳定喷射 在喷油过程中，对一固定的拉杆（或齿杆）位置和喷油泵转速，理论上每循环喷油量应是恒定的。在正常喷油过程中，每循环喷油量也是基本不变的。但是，在某些工况（特别是低怠速工况），当结构参数匹配不当时，循环供油量不断变动，各循环喷油规律也有差异，这种现象称之为不稳定喷射，也称不规则喷射。对于不稳定喷射，测量针阀升程 和喷油归律可以明显判定，如针阀开启不足，针阀的跳动无一定的规律，造成每循环喷油量的变动；更为严重的是有的循环针阀不能开启，产生隔次喷射现象。造成这些现象的原因是高速、大负荷时，为提高喷油速率而采用高喷射压力，为防止二次喷射而采用较大的出油阀减压容积，但在低怠速工况时，循环供油量少，柱塞有效供油行程小，漏油增多，油压低，高压油路中减压过度，且燃油有一定压缩量，这些因素造成高压油路系统残压降低并产生波动，从而使循环喷油量产生变动。用孔式喷油嘴，在低怠速工况下，容易出现不稳定喷射。除在与主机匹配事合理选择喷油系统 参数，防止不稳定喷射外，采用两级开启压力的双弹簧喷油器，可以改善低怠速的不稳定喷射。低怠速运转时，喷油 压力低，仅能使喷油器达第一级开启压力（一般为 14 16MPA），针阀升程不大于 0。 1mm。这样，针阀上下运动的泵吸作用也减少，针阀稳定在此升程下喷油，故喷油稳定。当柴油机转速和负荷增大，压力增高，达第二级开启压力时，进入喷油器的正常工作状态。采用等压出油阀也可改善低怠速工作的稳定性。 无锡太湖学院 学士学位论文 26 4 测试精度 在一定的条件下，某物理量客观存在的真实数值称为这个物理量的真值，通常用 A 表示。 测量就是希望得到待测 物理量的真值。但是测量总是依据一定的理论方法，在一定的环境条件中，使用一定的仪器，由一定的人来进行的。由于理论方法的近似性、环境条件的不稳定性、实验仪器灵敏度的局限性以及实验者的操作熟练程度等等因素的影响，甚至物理量本身存在变化，待测物理量的真值是不可能得到的。也就是说，测量结果总是真值的近似值，它们之间总会存在一定的差异，这种差异称为待测物理量的测量误差，通常用 来表示。如果用 X 表示待测物理量的测得值，我们定义误差的数学表达式为： E=X-A 显然，由于 X 可能比 A 大，也可能比 A 小，所以 可能是正值，也可能 是负值。 在任何测量中都存在误差，这是绝对的，不可避免的。当对某一参数进行多次测量时，尽管所有的条件都相同，而所得到的测量结果却往往并不完全相同，这一事实表明了误差的存在。但也有这样的情况，当对某一参数进行多次测量时，所得测量结果均为同一数值。这并不能认为不存在测量误差，可能因所使用的测量仪器灵敏度太低，以致没有反映出应有的测量误差，此时误差值完全可能是很大的。 在测量过程中产生误差的因素是多种多样的，如果按照这些因素的出现规律以及它们对测量结果的影响程度来区分，可将测量误差分为系统误差、偶然误差、过失误差 三类。 1. 系统误差： 在同一条件下（理论方法、仪器、环境和观测者不变）多次测量某一物理量时，数值不变或按照某一规律变化的误差称为系统误差。产生的原因大致有以下几个方面： （ 1）仪器误差 这是由于仪器制造本身的缺陷或没有按照规定要求调节，使用造成的误差。例如米尺的刻度不均匀，天平砝码质量不准确，电表使用前没调好零点等等，都会造成这种误差。只要设法改进仪器的设计制造，严格按规定要求调节使用仪器，就可能减小仪器误差。 （ 2）安装误差 由于测量仪器安装使用不正确而产生的误差。 （ 3）条件误差 在测量过程中，某些 对测量结果有明显影响的外界环境（如大气压力、温度、湿度、电磁场等）不同而引起的误差。 （ 4）理论方法误差 这是由于测量方法或计算方法不当所形成的误差，或是由于测量和计算所依据的理论本身不完善等原因而导致的误差。有时，也可能由于对被测量定义不明确而形成的一种理论误差。 （ 5）个人误差也称操作误差由于测量者的身理特点或固有习惯而引入的误差。如有人估读数偏高，有的人却总是偏低。又如在田径比赛中，手动计时与电动计时相比可能有0。 24 秒的误差，这样的误差可以通过多次正确训练后使之减少，或对测量结果进行修正。 （ 6）动 态误差 在测量迅变量时，由于仪器指示系统的自振频率、阻尼、以及与被测迅变参数之间的关系而产生的振幅和相位误差。 上述分类并不很严格，一个具体的误差往往可以归入这一类，也可以归到另一类，有时也可将系统误差分为恒值系统误差和变值系统误差二类。但重要的是：系统误差的出现汽车发动机油路测量设备的机构设计 27 一般是有规律的，其产生的原因往往是可知的或能掌握的。一般地说，应尽可能设法预见到各种系