（光学工程专业论文）16v280zj型柴油机燃油喷射系统改进及模拟仿真研究.pdf

摘要 摘要 自从铁路机车提速以后，干线机车装用的1 6 v 2 8 0 z j 型柴油机燃油系统故障率上升 3 2 9 6 ，临修率上升4 0 9 6 ，其燃油系统出现问题是：针阀偶件使用寿命短，喷油器在短时间 使用后出现雾化不良现象，喷油泵出油阀穴蚀现象严重，柱塞偶件卡死等现象。上述现 象直接导致柴油机敲缸，油耗率偏高，排气管红热、冒黑烟。情况严重甚至可以导致柴 油机零部件损坏。因此对燃油喷射系统的设计必须给予足够重视。 本文主要是对燃油喷射系统三大偶件( 针阀偶件、出油阀偶件、柱塞偶件) 进行改 进。首先运用先进的冲击应力理论，通过理论计算，发现采用质量较小的短针阀可以减 小针阀对密封座面的冲击应力，同时对喷油器偶件密封座面、压力室容积、喷孔数目等 结构进行改进，提高喷油器的使用寿命；其次对柱塞偶件头部螺旋线进行改进，把原柱 塞定时螺旋边加工成一个三段螺旋边，改善柴油机在部分负荷工况下的经济性；出油阀 改进采用两种方案，方案1 采用等压式出油阀( 包括主阀与副阀) 代替原等容式出油阀， 可以减少燃油喷射系统穴蚀现象；方案2 采用密封座面下置式出油阀代替原等容式出油 阀，可以减缓出油阀对其座面的冲击。 为了保证改进后柴油机燃油喷射系统动力性、经济性有所提高，本论文采用先进商 业软件g t s u i t e 对其改进前后燃油喷射泵一管一嘴系统进行模拟仿真计算，通过上述步 骤可以大大加快开发过程，减少开发费用。论文首先利用g t 软件中f u e l 模块，结合 实际燃油喷射系统零件图纸，建立了1 6 v 2 8 0 z j 型柴油机泵一管一嘴模型，得到循环喷油 量、针阀升程、高压油管压力等计算结果。并利用g t 软件中p o w e r 模块建立改进前 后单缸机模型，预测不同工况下缸内爆发压力，燃油消耗率等曲线。改进后的燃油喷射 系统目前在郑州铁路局新乡机务段配属5 5 8 5 号东风8 b 内燃机车上进行装车试验，目前 运行状况良好。 关键词：柴油机；燃油喷射；模拟仿真；喷油器；喷油泵；改进 大连交通大学t 学硕士学位论文 a bs t r a c t s i n c et h es p e e d i n gu po fr a i l w a y ，t h em a l f u n c t i o nr a t eo f16 v 2 8 0 z jd i e s e le n g i n eh a s i n c r e a s e db y3 2 ，t h er e p a i rr a t eh a sa l s oi n c r e a s e db y4 0 ，t h em a l f u n c t i o n so ff u e l i n j e c t i o ns y s t e ma r ef o l l o w e d ：t h es e r v i c el i f eo f n e e d l ev a l v ei ss h o r ta f t e rs h o r tt i m eu s e ，t h e s p r a ya n df l o wq u a l i t yo ff u e li n j e c t o ri sb a d ，d e l i v e r yv a l v eh a ss e r i o u sc a v i t a t i o n s ，p l u n g e r m a t c h i n gp a r t si sb l o c k e dd o w na n ds oo n a b o v ep h e n o m e n o nl e a dt oc y l i n d e rk n o c k e d ，t h e f u e lc o n s u m p t i o nr a t eb e c o m eh i g h v e n t p i p ei st o oh o t ，e m i tb l a c ks m o k e s o m es e r i o u s p h e n o m e n o nc a nl e a dt op a r t so fd i e s e le n g i n eb r o k e n ，t h e r e f o r ew es h o u l dp a ya t t e n t i o nt h e d e s i g no ff u e li n j e c t i o ns y s t e m t h i sp a p e rm a i n l yi m p r o v e st h r e em a t c h i n gp a r t s ( n e e d l ev a l v e ，d e l i v e r yv a l v e ，p l u n g e r ) f i r s t l y ，w eu s et h ea d v a n c ei m p a c ts t r e s st h e o r y ，t h r o u g hc a l c u l a t i n g ，a d o p t i n gs h o r tn e e d l e v a l v ew i t hs m a l lm a s sc a nr e d u c et h ei m p a c ts t r e s so f n e e d l ev a l v eo ns e a l i n gs u r f a c eo fv a l v e s e a t a c c o r d i n g l y ，w et a k es o m ei m p r o v e m e n t st os e a l e dc o n l a c a ls u r f a c e ，i n j e c t i o nh o l e s ，w h i c hi n c r e a s et h es e r v i c el i f eo ff u e li n j e c t o r ；s e c o n d l y ，w ec h a n g et h eh e a do fs e c to fh e l i xi n s t e a d o fo n l yo n eh e l i x ，w h i c hc a ni m p r o v et h ee c o n o m yo fd i s e le n g i n ei np a r tl o a dw o r kc o n d i t i o n s t h e r ea r et w oi m p r o v e dp r o g r a m m e so fd e l i v e r yv a l v e t h ef i r s ti m p r o v e dp r o g r a m m ei s u s i n gt h ec o n s t a n tp r e s s u r ed e l i v e r yv a l v e ( i n c l u d i n gm a i nv a l v ea n da u x i l i a r yv a l v e ) i n s t e a d o fc o n s t a n tv o l u m e ，w h i c hc a nr e d u c et h ec a v a t i o np h e n o m e n o n ；t h es e c o n di m p r o v e dp r o g r a m m ei su s i n gd e l i v e r yv a l v ew i t hu n d e rs e a ls e a ti n s t e a do fc o n s t a n tv o l u m e ，w h i c hc a ns l o wu p t h ei m p u l s eo fd e l i v e r yv a l v e i no r d e rt oe n s u r et h ea d v a n c eo fd y n a m i c sa n de c o n o m yo fi m p r o v e df u e li n j e c t i o n s y s t e m ，t h i sp a p e ra d o p tb u s i n e s ss o f tg t s u i t et os i m u l a t et h ep u m p l i n e - i n j e c t o ro ff u e l i n j e c t i o ns y s t e m w i t l la b o v es t e p s ，q u i c k e ne m p o l d e rp r o c e s sa n dr e d u c ee x p e n s eo fe m p o l d e l t h i sp a p e rm a k eu s eo ff u e lm o d e lo fg t s u i t es o f t ，谢t l lp a r t sd r a w i n g so fa c t u r a li n j e c t i o ns y s t e m , m o d e l i n gp u m p l i n e - i n j e c t o ro f16 v 2 8 0t y p e ，g e tc y c l ei n j e c t e dm a s s ，t h el i f to f n e e d l ev a l v e ，t h ep r e s s u r eo fh i g hp r e s s u r el i n ea n ds oo nr e s u l t s t h e nw em a k eu s eo fp o w e r m o d e lo fg t - s u i t es o f t ，m o d e l i n gt h es i n g a lc y l i n d e re n g i n e ，p r e d i c tt h em a x i m u mp r e s s u r e i nc y l i n d e r ，f u e lc o n s u m p t i o nr a t e ，t h ei m p r o v e df u e li n je c t i o ns y s t e mi sc a r r i e do nt h el o a d e x p e r i m e n to fn o 5 5 8 5d f 8 bd i e s e ll o c o m o t i v ei nt h ex i nx i a n gm e c h a n i c a ls e c t i o no f z h e n gz h o ur a i lb u r e a u ，a n dn o w i tr u n sw e l l k e yw o r d s ：d i e s e l ；f u e li n j e c t i o ns y s t e m ；s i m u l a t i o n ；i n j e c t o r ；i n j e c t i o np u m p ； i m p r o v e m e n t ； i i 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太蔓銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：滋糨 日期：沙驴年 易月、日 导：名嘲修 日期：硼年6 月一日 学位论文作者毕业后去向：中国北车集团大连机车车辆有限公司 工作单位：中国北车集团大连机车车辆有限公司电话：1 5 9 0 4 2 4 5 0 0 7 通讯地址：辽宁省大连市沙河口区中长街4 9 号邮编：1 1 6 0 2 1 电子信箱：z h e n g s h u - j i e 16 3 t o m 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 爱能 1 日期： k 罟年月y 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 柴油机燃油喷射系统发展状况 1 9 2 7 年，由r o b e r tb o s c h 研制的直列式喷油泵在b o s c h 公司进行批量生产，开始了机 械喷射时代。这在当时对于柴油机的发展是一个突破性的进步，也是燃油喷射系统发展 史上的第一次历史性的飞跃。随着制造工艺技术的提高，燃油喷射系统中重要部件如喷 油泵与喷油器等的使用寿命均有不同程度的提高，例如对喷油泵柱塞进行t i n 涂覆处理 i l l ，提高柱塞抗卡死性。高压管路材料选用奥氏体不锈钢，内孔缺陷不大于0 1 m m ，采用 电火花加工去毛刺并研磨孔内口圆角，提高孔流量系数，采用函数型线燃油凸轮，增大 基圆直径，提高工作表面粗糙度，从而提高凸轮接触应力【1 5 1 。在同时期内，国内大功率 机车常规喷射系统的研究和制造水平也有了很大的提高，主要体现在研究项目的开展、 国外先进机型的引进生产以及国内外科研机构与生产单位的共同合作研究与开发等方 面，如上海七一一研究所和重庆红江机械厂合作，进行了m t u 9 5 6 柴油机喷射系统的国 产化研制，产品经受了6 0 0 h 耐久考核，并成功用作我国舰船柴油机。铁道部大连机车车 辆厂与英国r i c a r d o 公司合作开发的1 6 v 2 4 0 z j e 型机，达到国内外内燃机车用中速柴油机 先进水平【2 3 1 。 2 0 世纪7 0 年代初，电子控制技术开始应用到柴油机上。尤其是在柴油机的燃油喷射 系统上，更加受到人们的重视。1 9 7 9 年1 0 月，m a n 公司展示了第一台安装电子喷射系统 的三缸二冲程柴油机，标志着我们开始步入电控喷射时代。这是柴油机燃油喷射系统发 展上的第二次飞跃。经过近2 0 多年发展，电控喷射技术日臻完善，使用的范围更加扩大。 经过几十年来发展，电控燃油喷射系统发展经历三个阶段：位置控制、时间控制、压力 一时间控制。位置控制系统利用电子控制元件取代原有的机械式调整机构，对喷射过程 实现间接控制进行，不需要进行大量改进，但是控制精度较低。时间控制系统用电磁阀 喷油器代替机械式喷油器，控制电磁阀的关闭，以此来控制喷油器的开启与关闭。这种 电控喷射系统在响应速度与控制频率方面有较大的提高，但仍存在以下缺点：由于喷油 压力直接由高压油泵产生，其喷油压力和喷油规律仍受凸轮形状的控制而不能自由调 节，比较成熟的产品有德国b o s h 公司的v p 4 4 ，日本z e x e l 公司的e c d v 3 ，英国l u c a s 公司 e u ，美国底特律柴油机公司d d e c 等。为了满足日益严格的排放、噪声法规，降低燃油 消耗，出现了共轨式电控喷油系统形式。共轨内的燃油可以维持在1 3 0 m p a 1 6 0 m p a 以 上，电磁阀的开闭控制燃油喷射始点与终点。并可以根据发动机的负荷以及转速等各种 运行工况，改变喷油压力，实现预喷射、主喷射和多段喷射等，将柴油机的燃烧效率、 大连交通大学工学硕士学位论文 排放性能大大地提高。 经过近百年的技术发展，柴油机燃油喷射装置呈现多姿多彩的局面，出现了很多不 同的结构。但是燃油系统的实质性功能却是一脉相承的。就其本质来说，柴油机燃油喷 射基本功能如下：( 1 ) 通过高压机构使燃油变为高压；( 2 ) 调节每次喷油的喷油量与喷油 时间；( 3 ) 将燃油分配到各个气缸中；( 4 ) 将燃油喷入燃烧室，并使燃油雾化。现代柴油 机对燃油喷射系统提出更高的要求：( 5 ) 高喷油压力与喷油速率、可调的喷油持续期。 ( 6 ) 根据负荷与转速的变化，能自动调节喷油始点与喷油量。目前柴油机朝着提高强化 程度和低排放方向的发展，喷油系统的喷油压力呈不断提高的趋势l l 引。国内中小功率的 柴油机上，喷射压力一般为7 0 1 2 0 m p a ，国内由一汽无锡油泵油嘴研究所与无锡柴油机 厂同国外合作，已经在c a 6 11 0 增压中冷柴油机上实现了最高1 2 0 m p a 的喷射压力。在大 型船用和机车用主机上，目前装机实用的喷射压力为9 0 - - 1 2 0 m p a 。国外先进燃油喷射 系统的喷射压力峰值一般可以达到1 5 0 - 1 8 0 m p a ，有的甚至可以达到2 0 0 m p a ，通过上述 措施可以达到很好雾化效果，降低油耗，缩短滞燃期、优化燃烧过程，使柴油机达到最 佳运转状态。世界上先进的大功率中速柴油机，一般在2 0 0 9 k w h ，如d e u t z m w m 公司 的t b d 6 0 4 b 的燃油消耗率仅为1 9 5 9 k w h 。 随着燃油系统的喷射压力越来越高，伴随着高压喷射，燃油系统会出现诸如二次喷 射、断续喷射等异常喷射问题【l4 1 。异常喷射往往会导致柴油机的燃油系统经济性能恶化。 通过研究产生异常喷射特性的原因，可以为试验方案的选择和优化提供切实可行的理论 基础。目前，国内外对燃油系统不规则喷射研究比较深入。一般认为，当喷射压力较低( 8 0 m p a ) 时，就要采用等压出油阀来消除包括二次喷射等的不规则喷射，或采 用双弹簧喷油器，用一级升程来稳定小负荷喷油量的需要。而在高档次柴油机上，采用 轨道压力稳定的电控共轨燃油系统，在不同工况，根据数据库中m a p 图，通过微机控制， 选择最佳的燃油喷射相位和喷射规律，适时提供高喷射压力和高喷射速率的高压燃油。 随着柴油机的发展不断完善，它以其效率高、功率范围广的优点，已广泛应用于工 业、农业、国防等各个领域。而柴油机的供油系统是整机的重要组成部分，喷油和燃烧 已成为柴油机技术发展进程中一个永恒的研究课题，尤其目前为满足世界各国日益严格 的排放法规，提高功率，节约能源和改善排放已成为当今柴油机发展的必然趋势，作为 影响柴油机性能的关键性系统之一的燃油喷射系统的性能越来越受到重视。为了与高性 能柴油机整机相配合，必然要求燃油喷射系统也向高性能化发展。燃油在柴油机活塞压 缩行程结束前喷入气缸，并通过控制喷射量来调节发动机的功率，同时通过控制燃油喷 2 第一章绪论 射的过程或规律来形成良好的混合气以改善柴油机性能和排放。在柴油机设计和改进过 程中为了获得良好的性能和排放指标，往往需要对燃油系统进行大量的配试工作。特别 是随着柴油机向直喷化发展，对燃油系统的要求也越来越高，燃油系统对柴油机的作用 也越来越重要。柴油机的性能在很大程度上取决于燃油系统的性能及其与柴油机燃烧系 统和进气系统参数之间的合理匹配。因此，柴油机燃油系统参数的合理选择与匹配成为 直喷式柴油机开发和改进过程的关键工作。国外对燃油喷射系统的研究一直给予高度的 重视，投入了大量的人力物力进行持续的研究，取得了一系n t i , j 新性成果。相比之下， 我国在这方面的研究尚不深入，多数的研究与实际应用之间缺乏有机的联系，专项试验 进行的较少，缺乏系统的、深入的、细致的基础研究工作，这是目前我国燃油喷射系统 性能与国际水平相比差距较大的主要原因之一。尽管国内一些油泵油嘴生产企业已从国 外引进了部分生产线，但其核心技术仍属于技术机密而无法引进，在技术交流中也不作 详尽介绍。因此，有必要立足于国内条件对燃油喷射系统开展系统深入的理论研究工作， 以提高我国柴油机燃油喷射的理论与技术水平。目前国内大部分采用常规喷射系统，提 高喷射系统性能采用的关键技术主要包括迅速建立高压、高压密封、优化喷油规律和采 用先进的工艺等。只有通过上述措施，才能提高柴油机性能、降低油耗，满足排放的要 求，缩短与国际先进水平的差距。1 2 9 1 1 2 柴油机仿真计算 随着计算机出现和发展，模拟仿真越来越多应用于开发和优化匹配新型发动机方 面，为改善发动机的综合性能提供了方便灵活的有效空间。在各种各样新软件不断出现 的同时，已有的软件也不断地更新换代和升级，出现使用更方便、功能更强大的趋势， 这些专业计算软件在科研开发方面发挥出越来越重要的作用。可以说模拟计算已成为研 发过程不可或缺的部分 2 6 1 。在内燃机行业，有各式各样的发动机性能模拟程序，其中包 括g a m m at e c h n o l o g i e s 的g t f u e l 。运用这些软件可以在结构设计前对系统进 行计算分析，根据已有的边界条件，通过优化、调整计算得出比较合理的结构参数；也 可以配合设计调整，根据需要随时进行计算分析。特别是优化计算，只需对有关参数进 行调整，作相应计算【3 引。相比之下，若要对各方案进行试验对比，则样件的加工的成本 与周期要大大增加。随着计算机及计算技术的发展，计算速度越来越快，计算的准确度 也越来越高，因而模拟计算在研发中效果更为显著。作为新型设计手段的仿真技术有以 下优点： 1 ) 可用于系统的工作特性分析，特别是在开发新的燃油系统的初期，燃油系统的仿 真计算可以比较详尽地评估系统结构参数和运转参数对系统工作特性的影响。 3 大连交通大学下学硕+ 学位论文 2 ) 仿真计算可以减少试验工作量，缩短开发周期，节约成本。 3 ) 仿真计算有助于缩小参数的设计范围，寻找最优设计方案，对系统设计开发有十 分重要的指导意义。 进行燃油系统的仿真计算，可以自行开发仿真计算程序，也可购买成熟的商业软件。 但自行开发程序往往存在开发周期长，开发费用高，程序通用性差，精度低等缺点。而 购买成熟的商业软件，则可以充分利用软件开发商的成果和服务。在掌握软件的使用后 即可应用与研发，省去了自行开发程序的烦恼，降低了成本，为产品开发争取时间。 3 0 l 1 3 论文研究的主要内容 1 3 1 课题意义 铁路提速以后，1 6 v 2 8 0 z j 型柴油机燃油系统故障率与临修率大幅上升，而且比以 前检修周期短，每次拆检都要更换近6 0 以上的喷油器，增加了运行成本和检修工作量。 因此对该系统的故障表现必须给予足够重视，进而对系统喷射过程的内部动态规律作较 深入的了解和研究，尽快进行改进，提高其可靠性和使用寿命。所以这个研究方向有很 大的可行性和实际意义。 机车柴油机燃油系统在运行中存在主要故障问题是：针阀偶件使用寿命短，喷油器 在短时间使用后即出现雾化不良，柱塞副卡死，齿条窜油，出油阀偶件的断裂与穴蚀， 凸轮轴啃伤等现象。这些故障的频繁发生，影响铁路的正常运输秩序，大大增加了运行 成本和检修工作量以及工人的劳动强度，因此有必要对现有的燃油喷射系统进行一些相 应的改进，提高其性能。1 8 1 1 3 2 课题研究方法 研究方法： ( 1 ) 通过现场调查和资料收集，掌握机车燃油系统出现的问题和部件损坏的形式。 ( 2 ) 对故障的发生机理进行深入的分析，为找出解决问题的方法打下良好的基础。 a ) 针阀较长，惯性质量过大导致针阀对针阀体座面的冲击应力过高； b ) 当供油结束后，由于高压容积中的卸载容积较大，压力下降过快，有些部位甚 至出现“负压 ，形成气泡。气泡在正压力的作用下破裂，同时产生非常高的压力，使 金属脱落，形成麻点，即发生穴蚀现象： c ) 柱塞偶件的柱塞螺旋边是不变定时的结构，即随着柴油机负荷工况的不断变化， 几何供油定时是恒定的，显然不是很合理。 研究思路如下： 4 第一章绪论 1 ) 对1 6 v 2 8 0 z j 型柴油机现有的燃油系统进行充分的计算分析和泵台性能试验，分 析存在的问题。 2 ) 在保证良好互换性的前提下，对燃油系统零部件进行改进。 3 ) 运用g t f u e l 与g t p o w e r 软件模块分别对原系统与改进后系统进行模拟仿 真，并通过后处理图表中各项性能指标进行综合比较，为改进方案做指导。 1 3 3 改进方案 在保持与原有的柴油机燃油系统有良好的互换性的基础上，采取以下改进措施： ( 1 ) 采用短针阀结构，通过减轻运动件的惯性质量来降低针阀对密封座面的冲击力， 提高针阀偶件的使用寿命。 ( 2 ) 喷油器设计采用两种不同喷油压力调节方式( 垫片调整启喷压力和螺钉调整启 喷压力) ，启喷压力由2 6 m p a 提高为2 8 m p a ，提高燃油雾化效果。 ( 3 ) 将出油阀结构改为等压式出油阀结构，使燃油系统残余压力保持恒定正值；将 出油阀结构改为下座面密封式，并重新设计各部位的圆环截面的尺寸，使之较好地控制 出油阀落座速度。上述措施对于减少穴蚀现象非常有益。 ( 4 ) 柱塞螺旋线采用特种螺旋线形式，把柱塞定时螺旋边改为三段螺旋边，以适应 不同工况下的供油要求。 本章小结 燃油喷射系统是柴油机的“心脏 ，它的故障率在机车故障中占很大的比率，通过 现场发生的故障，进行技术调研并结合国内外相关的先进技术理念与方案，对原喷射系 统零部件进行理论分析，强度计算，查找出产生故障的原因，对针阀偶件、柱塞偶件、 出油阀偶件进行改进，上述改进措施可以改善1 6 v 2 8 0 z j 型柴油机燃油喷射系统可靠性 与经济性。 5 大连交通大学工学硕士学位论文 第二章柴油机燃油喷射系统组成 2 1 燃油喷射系统分类 燃油喷射系统任务：将一定数量的洁净燃油，以足够的压力，按照严格的喷油定时， 在规定的时间内以良好的雾化状态喷入气缸，与燃烧室内的压缩空气相混合形成均匀的 可燃混合气。燃油系统工作性能的好坏，将直接影响气缸内燃油的燃烧质量，直接影响 柴油机的经济性和动力性指标【l 引。 机车柴油机燃油系统由两大部分组成，一是低压输油系统，由燃油箱、燃油输送泵、 滤清器、预热器、各种阀类和低压输油管组成，负责将燃油自机车的油箱中吸出，经过 滤清器等送到喷油泵；二是高压燃油喷射系统，由喷油泵、高压油管和喷油器组成，负 责建立高压，并将燃油喷射到气缸中【3 】。低压系统主要应保证将具有一定压力的清洁燃 油不间断地供给喷油泵。它的供油量应大大超过最大负荷时的喷油量，燃油系统的输油 压力约为3 5 b a r 。燃油自油箱吸出后，先经过粗滤器，它的滤芯系由金属网及棉纱等组 成，用来滤去燃油中颗粒中较大的杂质。然后由输油泵送入精滤器。精滤器的滤芯是由 毛毡、滤网组成，以滤去较细小的杂质。燃油流经精滤器的压差，要求在0 2 - 0 4 b a r 之间，燃油出精滤器后，由两排管路分别送到柴油机两侧的喷油泵。高压系统中，喷油 泵则将燃油压力进一步提高，并将一定数量的燃油( 根据柴油机负荷而定) 通过高压油 管输送给喷油器。0 0 根据柴油机结构形式和用途的不同，发展了各类喷油系统。现代柴油机上常用的喷 油系统，按照燃油加压方法可以分为柱塞式喷油泵喷油系统、分配式喷油泵喷油系统和 蓄压式( 共轨式) 喷油系统。 柱塞泵式燃油喷射系统 柱塞泵式喷油系统是以柱塞式喷油泵为特点的，燃油经输送泵由油箱抽提至过滤器 内滤除水分、颗粒等杂质，再输往喷油泵，在泵内由柱塞加压，经过出油阀、高压油管 由喷油器喷入燃烧室中。柱塞则以凸轮驱动。柱塞泵结构简单，工作可靠，目前已经发 展出多个系列，能够满足较大范围的功率需要，因此在各种规格的柴油机上应用广泛。 为了保证柴油达到完全燃烧，要求喷油器喷入气缸内的燃油具有良好的雾化状态，并且 分布到整个燃烧室中，这种由油泵、高压油管和喷油器构成的喷油系统也称为泵一管一 嘴喷油系统。如果高压油管长度为零，那么此种喷油系统就称为泵一喷一嘴系统。泵一 管一嘴喷油系统具体结构见图2 1 ： 6 第二章柴油机燃油喷射系统组成 1 凸轮2 柱塞3 等压式出油阀4 高压油管5 喷油器 图2 1 泵管嘴燃油喷射系统 f i g u r e 2 1 t h ef u e ls y s t e mo fp u m p - l i n e - n o z z l e 共轨式喷射系统 共轨式喷油系统由以下主要部件构成：能控制燃油量的高压泵、高压油轨( 又称蓄 压器) 、高压油管、喷油器、电子控制装置、各种传感器( 用以获取发动机转速、发动机 凸轮轴相位、增压器压力、空气温度、冷却液温度等相关数据) 和执行器( 主要是控制喷 油器启闭的电磁阀) 【l l 】。输油泵将燃油从油箱中抽提出来，经滤清后送至高压泵中，由 高压泵将燃油泵送到高压油轨中。高压油轨的体积远大于一次喷射所需的燃油体积，因 此高压油轨中的压力波动受喷射的影响非常小，基本能保持压力稳定。油轨上装有压力 传感器，能将所测得的压力值传送给电子控制装置。高压泵、油轨压力传感器、电子控 制装置形成一个油轨压力的闭环控制回路【3 8 1 。电子控制装置将测得的油轨压力实际值与 根据柴油机转速和喷油量而定的设定值相比较，并据此调节高压泵的泵送量以使油轨内 压力保持在最小偏差范围内。此系统优点剧3 9 】： 1 可实现喷油定时、喷油持续期和喷油压力独立变化； 2 可进行多级喷射； 3 不依赖发动机转速，可进行高速喷射； 4 泵驱动转矩小； 5 机械噪声j x ； 但是共轨式系统也有其自身的缺点，主要是： ( 1 ) 有高压燃油的泄漏的危险，耐久性和安全性较柱塞泵差； ( 2 ) 难实现靴型喷油率以抑制氮氧化物的形成。 共轨式喷射系统的结构见图2 2 ： 7 大连交通大学t 学硕+ 学位论文 图2 2 共轨式燃油喷射系统 f i g u r e 2 2 t h ef u e ls y s t e mo fc o m m o nr a i l 2 2 原16 v 2 8 0 z j 型柴油机燃油喷射系统简介 在1 6 v 2 8 0 z j 型燃油喷射系统中，包括喷油泵、高压油管、喷油器三大主要部件。 其中喷油泵主要包括泵体、柱塞弹簧、柱塞偶件、出油阀偶件及其它附属零件等。喷油 器主要由针阀偶件、调压弹簧、喷油器体及其它附属零件等组成。燃油喷射系统部件的 零件图见图2 3 、2 4 、2 5 ： 图2 31 6 v 2 8 0 z j 型柴油机柱塞零件图 f i g u r e 2 3 t h ep a r t sd r a w i n go fp l u n g e ro f16 v 2 8 0 z jd i e s e le n g i n e 图2 41 6 v 2 8 0 z j 型柴油机出油阀零件图 f i g u r e 2 4t h ep a r t sd r a w i n go fd e l i v e r yv a l v eo f16 v 2 8 0 z jd i e s e le n g i n e 8 第二章柴油机燃油喷射系统组成 图2 51 6 v 2 8 0 z j 型柴油机喷油器零件图 f i g u r e 2 5 t h ep a r t sd r a w i n go ft h ei n j e c t o ro f16 v 2 8 0 z jd i e s e le n g i n e 高压油管容积是构成喷油系统高压容积的一部分。如果油管直径增加( 即高压容积 增加) ，在燃油的可压缩性的影响下，使喷油开始时压力不能迅速升高，喷油后期也不 能迅速断油，而且在喷油结束后压力波动增大，容易引起二次喷射【6 】。但是如果油管过 细，燃油阻力增大，即对燃油压力的阻尼增大，也有不利影响。因此，对于一定的高压 系统，油管直径有一最佳值，例如1 6 v 2 8 0 z j 型柴油机的高压油管内径4 m m 。高压油管 的长度根据柴油机总体布置决定。油管的长度对喷油规律的影响一般有两种情况：在高 压容积较大的情况下，增加高压油管的长度只能使喷油过程相位后移，喷油规律本身不 会有很大的变化。在系统容积很小的情况下，增加高压油管的长度可以大大改变高压油 路中的卸压。因而将改变下次喷射的初始条件而影响喷油规律。 2 3 泵管一嘴系统喷油过程 1 6 v 2 8 0 z j 型柴油机采用泵一管一嘴燃油喷射系统，它由喷油泵，喷油器和高压油管 组成。柴油机工作时，曲轴通过正时齿轮驱动喷油泵凸轮轴旋转，燃油从油箱经过滤清 器，输油泵进入喷油泵的低压油腔，当喷油泵的挺柱体的滚轮与凸轮基圆接触时，柱塞 处于下止点，柱塞腔与低压油腔相通，燃料经进回油孔进入柱塞腔。这时高压油路内由 于上一次喷射过程已结束，喷油器针阀关闭，出油阀落座，高压油路内有残余压力，随 着喷油泵凸轮的转动，挺柱总是克服弹簧力向上运动，当柱塞顶面上升到与进回油孔上 边缘平齐时，进、回油孔关闭，柱塞腔与低压油腔隔离。柱塞再向上运动，柱塞腔内的 9 大连交通大学工学硕士学位论文 燃油被压缩，压力升高，当压力升大到大于出油阀开启压力与高压油管残余压力之和时， 出油阀开启，燃油经出油阀紧帽腔进入高压油管，喷油器体油路及针阀体盛油槽内。柱 塞继续上升，油压升高，当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，喷油器的喷口面积小，故喷射过程中压力继续 升高。当柱塞上升到斜槽边缘打开回油孔后，柱塞腔与低压油腔相通，燃油流经回油孔 的开启截面进入低压油腔，柱塞腔油压下降。随后出油阀在弹簧力和两段油压差综合作 用下开始下行，当它的减压凸缘进入出油阀座以后，出油阀紧帽腔与柱塞腔隔离，紧帽 腔到喷油器所组成的高压油路内保持一定量燃油，但出油阀仍继续下行到落座。在出油 阀落座的过程中，由于减压容积的作用，使高压油路中的燃油压力迅速下降，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1 3 引。 本章小结 本章概要论述了燃油喷射系统的功能、结构等相关知识，介绍了燃油喷射系统的工 作过程以及1 6 v 2 8 0 z j 型柴油机燃油喷射系统的具体结构形式，为本课题的深入开展奠 定了坚实的基础，并提供了理论依据和解决问题的思路。 1 0 第三章1 6 v 2 8 0 z j 型柴油机燃油喷射系统改进措施 第三章16 v 2 8 0 z j 型柴油机燃油喷射系统改进措施 3 1 针阀偶件改进 目前1 6 v 2 8 0 z j 型柴油机上运用的喷油器均采用u 系列长型孔式的喷油器。随着机车 柴油机运用负荷率及功率等级的提高和柴油机的逐步强化，该喷油器总成在运用中逐渐 出现了一些问题。主要表现为，短时间使用之后大部分喷油器出现雾化不良、滴油、喷 孔堵塞甚至针阀卡死等现象【3 3 1 。喷油器工作可靠性不高，导致检修周期缩短，一般运行2 万公里必须全部检修一次【8 】。每次检修中，约6 0 的喷油器因雾化不良、滴油、喷孔堵塞 等原因需要清洗和修磨。1 2 5 j 分析原因，主要是因为针阀对密封座面的冲击应力太高所致。由于长型针阀的运动 件质量大，因此在座面结构相同的条件下，长型针阀的冲击力要比短型针阀的大【9 j 。另外 在检修过程中发现，喷油器运用一段时间后其启喷压力普遍下降较大。除了针阀对座面 冲击应力过大和调压弹簧质量不过关等原因以外，调压螺栓易于松动也是主要原因之 一。采用垫片调压的喷油器将避免了调压螺栓松动这一情况。通过计算分析及调研发现， u 系列短型孔式喷油嘴的喷油器( 以下简称短针阀喷油器) 与采用长型孔式喷油嘴的喷 油器( 以下简称长针阀喷油器) 相比，前者可以大大增加其使用寿命。例如装用短针阀喷 油器的7 f d l 1 6 型机车柴油机，其喷油器拆检周期可达1 年。而装用长针阀喷油器的 1 6 v 2 8 0 z j 型柴油机，其喷油器拆检周期一般仅为2 万k m 左右【3 。改进前后喷油器对比 见图3 1 ： 大连交通大学工学硕士学位论文 l 一针阀，2 一针阀体，3 一压紧螺帽，4 一支座板，5 一弹簧下座，6 一调压弹簧，7 一弹簧上座， 8 一喷油器体，9 一调压螺钉，l o 一螺母，l l 一保护帽 图3 1改进前后喷油器零件尺寸变化 f i g u r e 3 1 t h ed i m e n s i o nc h a n g eo fi n j e c t o rb e t w e e no r i g i n a la n di m p r o v e d 由于针阀长度比以前减少，在总体装配尺寸保持不变与不改变支座板厚度的前提 下，通过加长喷油器体长度，可以达到预期效果。改进前后喷油器偶件见图3 2 ： 改进翦喷油嚣偶件改进后喷油嚣偶俘 图3 2 改进前后喷油器偶件对比图 f i g u r e 3 2 t h ec o n t r a s to fn e e d l ev a l v eb e t w e e no r i g i n a la n di m p r o v e d 1 2 第二章1 6 v 2 8 0 z j 型柴油机燃油喷射系统改进措施 通过上图可以比较，短针阀的长度大约5 7 51 1 1 1 1 1 ；长针阀长度大约7 6 5 m m 。 另外，对针阀偶件的喷孔数目与排列方式( 喷孔数孔径由原来直列8 x o 5 m m 变为 交错排列l o x o 4 5 m m ) 、座面锥角( 蜜封座面角度由原来的6 0 。改为9 0 。) ，压力室容积 的大小( 由直径3 2 m m 变为直径2 m m ) 进行改进，启喷压力由原先2 6 m p a 提高到2 8 m p a 进行调整，更加优化喷油器的使用性能。【3 4 1 以下是通过经验公式对改进前后喷油器的性能进行对比，考虑篇幅有限，改进前后 没有变化的物理量就不重复校核计算。 ( 1 ) 标定工况下的每循环供油量g 。 铲丽淼 。1 ) 4 4 1 0 2 1 1 6 0 1 0 0 0 0 5 x 1 1 6 = 1 9 克循环 式中：n e 一柴油机标定功率- - 6 0 0 0 h p = 4 4 1 0 k w ； g e 一燃油消耗率= 2 1l g k w h ； n 一柴油机转速= 1 0 0 0 转分； z 一冲程系数，四冲程柴油机z - - o 5 ； k 一每缸的喷油器数= 1 ； i 一柴油机气缸数= 1 6 。 ( 2 ) 喷孔流通截面积s c s c = n 7 c 望l( 3 2 ) 4 式中：s c 为喷孔截面( m m 2 ) ； n 为喷孔个数； 以为喷孔直径( r l l r l l ) 。 原1 6 v 2 8 0 z j 型柴油机喷油器：s c = 8 n 兰= 1 5 7 m m 2 n 气2 4 改进后1 6 v 2 8 0 z j 型柴油机喷油器：s c ：1 0 7 c 坐篓：1 5 8 9 聊历2 4 ( 3 ) 喷孔长度l 1 3 大连交通大学工学硕+ 学位论文 原1 6 v 2 8 0 z j 型柴油机喷油器：1 = 3 5 1 2 5 = 2 2 5 m m 改进后1 6 v 2 8 0 z j 型柴油机喷油器：1 = 3 1 = 2 m m ( 4 ) 密封座面流通面积公式【3 l 】 瓯瓠h x s i 鸣( 2 r l - - h x s i n 扣詈) ； ( 3 3 ) 式中：为座面流通截面( m m 2 ) 。 h 为针阀升程( m m ) ； 0 为密封座面夹角( 。) ； r 。为压力室半径( m m ) 。 原1 6 v 2 8 0 z j 型柴油机喷油器： 酾h x s ；哇( 2 蜀一h x s i n 知詈) ：万0 6 s i n 竺( 2 1 2 5 0 6 x s i i l 竺c o s 竺) 222 = 2 1 1 1 3 m m 2 改进后1 6 v 2 8 0 z j 型柴油机喷油器： s k = 兀x h x s i 焉( 2r i - - h x s ；n 知詈) 9 0 ，、，9 09 0 、 = xo 5xs i n 二( 2 1 - 0 5xs i n 二c o s = ) 222 = 1 9 4 4 m m 2 ( 5 ) 针阀承压面积比6 万= 7 f = 1 时：1 - 时= l - ( 舒o s 4 4 式中：厂一针阀承压面积( m m 2 ) o 无一针阀导向部分的截面积( m m 2 ) ； 畋一针阀座面锥体底径，d k = 5 4 m m ： d 。一针阀导向部分直径，d 。= 8 m m 。 ( 6 ) 座面与喷孔截面比 1 4 第三章16 v 2 8 0 z j 型柴油机燃油喷射系统改进措施 原1 6 v 2 8 0 z j 型柴油机喷油器：护s _ l ：兰：! ! ! 塑：1 3 4 4 s 。 1 5 7 改进后1 6 v 2 8 0 z j 型柴油机喷油器：名= 器= 1 2 2 2 ( 7 ) 针阀关闭压力b 原1 6 v 2 8 0 z j 型柴油机喷油器：足= 尼8 = 2 6 x 0 5 4 4 = 1 4 1 4 m p a ； 改进后1 6 v 2 8 0 z j 型柴油机喷油器：b = 昂万= 2 8 x 0 5 4 4 = 1 5 2 3 m p a ； 式中：昂一针阀的开启压力，6 一针阀承压面积比。 ( 8 ) 喷嘴热应力系数。 矿掣；【5 】 ( 3 4 ) 0 2 j ；1 ( 3 4 ) 式中：凡一喷嘴与燃气接触表面积，c m 2 ； b 一柴油机在标定工况下的平均指示压力，蛔c 所2 ； z 一冲程系数，四冲程柴油机z = o 5 ； g 一每小时通过喷嘴的燃油流量，k g h 。 喷嘴局部放大图见图3 3 ： 图3 3 喷嘴局部放大