（车辆工程专业论文）高喷射压力中重型车用柴油机燃油系统的开发研究.pdf

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i ie m i s s i o nr e g u l a t i o n t h et h e s i se m p h a s i z e so nt h ee f f e c t so fi m p o r t a n ts t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，s u c ha s d i f f e r e n tc a l nl i f t ，d i f f e r e n tp l u n g e rs t r u c t u r e ，d i f f e r e n td e l i v e r yv a l v et y p e ，h i g h f l o w n o z z l e ，e t c t h r o u g ht h ep e r f o r m a n c et e s t ，w em a k es u r et h eb e s to p t i o n a n dt h r o u g h t h ee n g i n em a t c ht e s ta n do p t i m i z a t i o n ，t h ee n g i n ep e r f o r m a n c ei sp e r f e c ta n dt h e e n g i n em a t c h e dc o u l dm e e te u r o i ie m i s s i o nl i m i t s k e yw o r d s ：f u e li n j e c t i o ns y s t e m ，p e r f o r m a n c et e s t ，o p t i m i z a t i o n ，h i g h f l o wn o z z l e ， t o p l e a dp l u n g e r , d e l i v e r yv a l v e ，c a ml i f t ，e n g i n e 目录 目录 第1 章引言1 1 1 课题的来源及研究背景l 1 2 柴油机排放和节能的趋势对燃油喷射系统的要求2 1 3 国内外研究动向3 1 4 本课题的主要研究内容4 第2 章高喷射压力喷油泵系统总体设计6 2 1 总体设计方案及思路6 2 2 主要设计特点9 2 3 等压阀及阻尼阀的开发设计1 5 2 4 顶隙柱塞的开发设计1 6 2 5 高流量系统喷油嘴的开发1 7 第3 章高喷射压力喷油泵喷射特性研究分析2 0 3 1 测试方法、试验对象、试验仪器及设备2 0 3 2 不同结构参数对喷射特性的影响及优化2 l 3 2 1 不同柱塞直径的影响2 2 3 2 2 不同速度凸轮型线的影响2 3 3 2 3 等压阀与阻尼阀的影响及优化2 5 3 2 4 项隙柱塞的影响及优化2 8 3 2 5 不同喷油嘴的影响及优化3 1 l 目录 3 2 6 不同高压油管的影响及优化3 2 3 3 试验总结3 3 第4 章高喷射压力喷油泵特性对柴油机性能的影响3 4 4 1 发动机开发要求3 4 4 2 喷油泵台架性能试验3 7 4 3 发动机匹配试验及优化4 1 4 4 总结4 3 第5 章全文总结4 4 致谢4 6 参考文献4 7 个人简历5 0 i v 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题的来源及研究背景 为了适应日益严格的排放法规的要求和用户对高的比功率、低燃油消耗率 发动机的市场要求，国内各柴油机厂家纷纷开始开发适应欧n 排放法规的 1 8 4 k w 3 3 0 k w 中重型车用柴油机，如上柴公司的d 9 机、上海日野公司的p 1 1 c 机、锡柴的6 d l 机等。该类机型对应的燃油系统有德国b o s c h 公司的r p 2 1 ，而 在国内亦尚无成熟产品，急需设计开发新的对应产品。虽电控共轨系统是燃油 系统的必然发展趋势，但现阶段在国内，开发适用于满足欧i i 排放的高喷射压 力中重型柴油机用燃油系统仍有很大的市场，具有重要的现实意义和经济价值。 图1 - 1 是目前常见的国外直列泵系列。 c 口 厶 = - r 幽 杂 督 发动机单缸功率( k w ) 图1 - 1 常见直列泵系列 第1 章引言 作者所在的公司生产柴油机用直列式燃油喷射泵。1 9 8 3 年引进了德国b o s c h 公司奥地利f m 工厂许可证生产的p 7 型喷油泵，广泛应用在d 6 1 1 4 及6 1 3 5 柴油 机上。随着国家排放法规的实施，上柴公司于1 9 9 4 年开始开发满足排放要求的 d 6 11 4 柴油机，为此我公司随上柴d 6 11 4 柴油机开发到a v l 公司咨询，开发设计 了p 7 n 型喷油泵和p e 型加强喷油泵，同时为了满足柴油机最佳的扭矩特性和最 低的烟度，测绘设计r 8 0 1 型调速器与之匹配。p 7 n 型泵总成现已大批量生产， 满足d 6 1 1 4 、c a 6 1 1 0 、y c 6 1 0 5 等柴油机欧i 排放的要求；p e 泵与上柴公司的 d 6 1 1 4 、锡柴公司的6 d e 2 、大柴公司的6 d e 2 柴油机配套，得到满意的性能，并 达到欧i i 排放指标。由于p 7 、p 7 n 及p e 泵使用的功率范围在1 8 4 k w 以下，针对 1 8 4 k w 以上适应欧i i 排放法规的中重型车用柴油机领域，需要开发新的柴油机喷 油系统。 1 2 柴油机排放和节能的趋势对燃油喷射系统的要求 随着柴油机排放要求的提高，除了采用后处理技术外，为了实现燃烧方式 的改进，除了改进空气的运动、充量和燃烧室的几何形状外，最主要的因素就 是燃油喷射过程与发动机的配合及优化。概括的说，柴油机对燃油系统提出了 以下的要求： 1 ) 高压化，即更高的喷射压力：高压喷射是柴油机功率强化和降低有害排 放物的关键技术之一。图卜2 是对燃油喷射系统压力要求的预测。 由于采用高压喷射，促使喷油液滴更加细化，与空气的混合质量提高，可 以有效降低碳烟，从而降低了p m 的排放。同时，由于扩散燃烧速度的提高，燃 烧时间缩短，能抑制n o , 的形成。但是，随着燃油喷射系统高压化，同时也有以 下问题发生： 异常喷射特性；二次喷射；穴蚀。关于这些问题，后文还会有介绍 说明。 2 ) 喷油速率的控制：喷油率是控制柴油机燃烧过程的重要参数之一，电控 喷射技术的使用，能有效控制喷油速率，达到理想的形状。 3 ) 喷射定时：由于柴油的燃烧需要一定物理和化学过程的准备，一般要求 有准确的喷油定时，喷油提前会导致n o ；增加，碳烟和颗粒排放可以降低，喷油 延迟则会减少n o l ，但经济性变坏。因此合适的喷射定时非常重要。 2 第1 章引言 一 复 r h 鼍 释 瞥 05 0 1 3 国内外研究动向 1 0 01 5 02 0 0 最大喷射量m m h s t 图1 _ 2 对燃油喷射系统高压化的要求 柴油机由于低速扭矩和功率大、加速性好、热效率高、油耗低、可靠性和 耐久性好等优点，在工业、农业和国防建设各领域都有着广泛的应用。在重型 车用柴油机领域，为了适应日益严格的排放法规的要求和用户对高的比功率、 低的燃油消耗率发动机的市场要求，柴油机喷油系统的喷射压力越来越高。表 1 - 1 是欧洲重型卡车柴油机排放法规的发展趋势。 国内在2 0 0 3 年对重型车开始实施欧i i 排放，欧i i l 标准将于2 0 0 8 年开始实 施。 3 0 0 o 蝤 b 圳 蚰 为 第1 章引言 表1 - 1欧洲重型卡车排放法规的演化g k w h 排放法规 水平 实施日期 n o 。h cc o p t 试验循环 欧i1 9 9 2 1 9 9 38 o1 1 0 4 50 3 6 r 4 9 欧i i 1 9 9 5 1 9 9 6 7 01 1 04 o o 1 5 r 4 9 欧 2 0 0 0 2 0 0 1 5 oo 6 6 2 1 0 1 0e s c o 0 2e s c 欧 2 0 0 5 3 5 0 4 61 5 o 0 3e t c 欧v2 0 0 82 o o 0 3e t c 对适应欧排放以上的柴油机而言，其燃油喷射系统只能采用电控共轨喷 射系统、电控泵喷嘴及电控单体泵。为迎接2 0 0 8 年执行欧i i i 排放，因此各种对 应的电控燃油喷射系统产品已在研究开发中。但在这几年的过渡阶段，由于传 统的柱塞式喷油系统控制机理简单、成本低、安装方便，与改进加强的单弹簧 或双弹簧喷油器优化结合后，直列泵的最高嘴端压力可以达到1 2 0 1 3 0 m p a ，因 此对于适应欧i i 排放法规用的机械控制式柴油机，目前国内外仍普遍使用直列 泵。在1 8 4 - 一3 3 0 k w 的中重型柴油机领域，国外有b o s c h 公司研制的加强的直列 式喷油泵及滑套控制式直列喷油泵，见表卜2 。 表1 - 2b o s c h 公司研制的加强直列泵及滑套控制式直列泵参数 加强直列式滑套控制式 参数 r p 2 1r p 4 6 r p 3 9 r p 4 3 柱塞直径( 哪) 1 21 21 21 2 凸轮升程( 咖) 1 5 1 21 71 4 缸心距( 姗) 3 53 53 53 5 许用泵端压力( m p a ) 1 1 51 1 5 1 1 51 1 5 平均供油率( m m 3 。c a a ) 5 2 14 4 35 3 74 6 7 而在国内，由于各个柴油机厂家纷纷推出大功率的柴油机，而国内自行研 制的直列泵尚未成熟，需要有对应的过渡产品填补空白。 4 第1 章引言 1 4 本课题的主要研究内容 本课题主要研究内容是要设计开发一种新的直列式喷油泵叫x 喷油泵总 成，设计针对目标为1 8 4 3 3 0 k w 中重型车用柴油机市场。对燃油系统的设计目 标为： 高的泵端压力：1 1 5 m p a 高的喷射压力：1 2 0 1 3 0 m p a 安装的通用性 与柴油机配套可满足欧i i 排放法规 可靠性：5 0 万公里 通过对燃油系统重要性能影响因素如柱塞、凸轮型线、出油阀、喷油嘴等 的研究分析，以达到以上设计目标。 本课题的意义在于：进一步提高重型车用柴油机的性能；开发新型直列式 喷油泵来替代进口燃油系统，可以大幅度降低重型柴油机的成本；填补国内该 档次燃油系统的空白。 5 第2 章高喷射压力喷油泵系统的总体设计 第2 章高喷射压力喷油泵系统的总体设计 2 1 总体设计方案及思路 高压喷射是柴油机功率强化和降低有害排放物的技术关键之一。随着载重 汽车单位载重量的功率需求不断提高，提高柴油机升功率水平是最有效的措施。 从降低有害排放物的观点来看，碳烟排放和与n o 。排放具有相互制约的关系，要 实现两者同时降低是有困难的。而提高喷射压力则是能使碳烟和n o i 同时降低的 重要技术之一。由于采用高压喷射，能细化喷油液滴，提高与空气的混合质量， 从而抑制了碳烟的形成。同时，喷射压力的提高可以缩短喷油持续角，通过推 迟喷油定时，缩短着火滞燃期，促进雾化，提高可燃气的混合质量，加速了扩 散燃烧期的油气混合速度，在提高扩散燃烧速度的同时，缩短了燃烧时间，从 而抑制n 0 ，化合物的生成，达到降低碳烟和n o l 的目的。图2 - i 是燃油系统最高 喷射压力的变化趋势。 年份 图2 - 1 最高喷油压力的变化趋势 6 o o o o d 姗 姗 啪 瑚 时山窆r坦曩螫恒略 第2 章高喷射压力喷油泵系统的总体设计 从图中可以清楚地看出随着排放法规越来越严格，燃油系统的喷射压力在 持续向高压化方向发展。本课题的主要研究目标就是要达到高压化，我公司现 有产品的技术能力水平见图2 - 2 所示。本课题研究中利用公司原有产品的基础， 借鉴国内外新产品的经验，定出开发目标，采用c a d 方法进行总体设计及零部 件设计，采用台架试验装置对喷油泵样泵进行多种方案的优化设计。 o 4 矗 薹 乜o 。0 3 = 山 o 2 0 1 5 o 1 0 0 3 0 023 5 4 5678 nox ( g 瓜w h ) 图2 - 2 我公司产品的技术能力 1 0 从以上分析看，根据目前排放要求，对直列式喷油泵，一般要求其泵端许 用压力达到i o o m p a 左右，嘴端许用压力达到1 2 0 m p a 以上，同时为了获得低的 燃油耗，喷油持续期应最佳化。设计时一般采用提高凸轮升程、加大柱塞直径 来达到高压化，同时从结构设计方面来保证其可靠性。图2 - 3 是直列型喷油泵 高压化的一个实例，在不增加直列泵的整体体积的前提下，采用凹面凸轮来提 高凸轮升程，增大凸轮上升的速度。 7 第2 章高喷射压力喷油泵系统的总体设计 凹面凸 型 制 铺 捌 口 槲 杂 螫 r 瞪 摇 瞥 角度e 心 ，、 馥魂 囊 凸轮断丽形状( b ) 桂塞速度特性。， 图2 - 3 直列泵的高压化实例 国外历来常见直列泵的主要规格见表2 - 1 。 表2 - 1 直列泵主要规格 凸轮角艘9 通用发动机小型 中型 大型 柱塞直径( m m ) 5 1 0 7 1 27 1 6 柱塞升程( 衄)7 1 1 8 1 21 0 1 2 气缸数 l 8 1 - 一8l 1 2 b o s c hm 、am wp 、p s 7 1 0 0 、z w 喷油泵型式 z e x e lk 、a a d p 、p d 、p s 7 s 、z w d e n s oa 、n l n bp 、n e 从设计目标出发，本课题考虑到凹面凸轮加工工艺的复杂性，在设计中并 不采用。而是在公司原有产品基础上进一步开发高喷射压力的燃油系统，考虑 通过下述一系列措施来达到高压化：( 1 ) 柱塞直径最优化；( 2 ) 凸轮升程及型 线最优化；( 3 ) 最佳化的等压出油阀；( 4 ) 高流量喷油嘴；( 5 ) 加强强度、刚 度的喷油泵体；( 6 ) 加强的法兰式柱塞套；( 7 ) 最佳化的挡油圈等等。 因此从国内外技术水平出发，可以初步确定新设计的p x 喷油泵主要技术参 数，见表2 2 。 8 第2 章高喷射压力喷油泵系统的总体设计 表2 - 2p x 喷油泵总体设计方案 序 号 喷油泵型式 p xp 7 1 0 0 r p 2 1 1 许用压力( m p a )1 1 5 1 0 5 1 1 5 2 出油阀 c p vc p vc p v 3 挡油圈 连通型 圆筒型 直径( m m ) 1 11 2 1 5 4 柱塞 顶隙有有有 5 齿杆 2 齿啮合 槽及钢球 6 柱塞弹簧 椭圆截面圆截面圆截面 升程( m m ) 1 41 2 1 5 7 凸轮 基圆( n u n ) 由3 8 m 3 4中4 0 8 凸轮与滚轮接触宽度( r a m ) 1 71 7 9 滚轮衬套 无无无 1 0 防止挺柱体转动机构 定位螺钉滑块滑块 1 l凸轮轴轴径( 栅) 3 0由3 0巾3 0 1 2 安装形式 搭予平底搭子平底搭子平底 1 3 凸轮中心到凸轮安装面高度l ( m m ) 1 4 1 1 5 3 1 7 0 2 2 主要设计特点 在实现高压化的同时，在性能提高的同时必然带来可靠性、密封性等相关 问题，因此在设计上必须通过下列特点来保证。 1 ) 整体喷油泵刚性好 p x 泵具有刚性较好的u 型整体全封闭铝合金泵体，见图2 - 4 。采用了整体 锻造的法兰式柱塞偶件，柱塞偶件为悬挂式结构。泵油系部件、挺柱体部件、 柱塞弹簧及弹簧上下座都是从上部装入，这种结构能承受高的安装压力和泵腔 压力。 法兰式柱塞偶件有如下优点：调整预行程可在外部通过在喷油泵体与法兰 式柱塞偶件之间添加合适厚度的预行程调整垫片来进行，喷油量的调整也可以 在外部进行，只需略为拧松螺母，整个法兰式柱塞偶件可以在泵体内旋转来调 9 第2 章高喷射压力喷油泵系统的总体设计 整喷油量。在装配维修上也带来很大的便利。 提高性能的项目 等压阀或阻尼阀 卵型钢丝柱塞弹簧 滚轮与凸轮接触宽度加大 加大凸轮基圆直径，提高凸轮升程 提高可靠性的项目 整体法兰式柱塞偶件 矩形密封圈 e 型挡油圈 加大凸轮轴轴颈、基圆直径 图2 _ 4p x 喷油泵结构简图 在整体设计中，由于提高了凸轮升程和并加粗凸轮轴径，如果仍然采用常 规的圆形截面柱塞弹簧，由于弹簧许用应力所限，整体喷油泵的高度需大大增 加，这对柴油机安装使用是不利的。因此在设计中创新使用了卵形截面的柱塞 弹簧，见图2 - 5 ，能大大缩小了安装空间，以便大部分零件都能与以往产品的通 用化。 图2 - 5 卵形截面弹簧的使用 1 0 卵形截面 柱塞弹簧 第2 章高喷射压力喷油泵系统的总体设计 与传统的圆柱截面相比，异型截面( 如矩形截面、椭圆形截面) 弹簧的使 用越来越广泛，根据截面形状的不同，其承受的集中应力是不同的，图2 - 6 是 弹簧截面形状与剪切应力的分布图。 o 矩形截面半矩形截面 卵形截面 图2 6 弹簧截面形状变化后剪切应力的分布 可以看出，用圆弧连接后，可以避开应力集中，分散了长短边的应力，由 于卵形弹簧的弹簧应力均匀分布，能使柱塞弹簧的安装空间大大缩小。 在实际应用中，该卵形截面的柱塞弹簧通过了1 0 7 疲劳试验，在燃油系统的 可靠性考核中也未出现折断或弹簧力失效的现象。该结构申请并获得了专利。 卵形柱塞弹簧的使用，给凸轮轴基圆加粗创造了条件，使高压化成为可能。 所以喷油泵有很好的刚性。 2 ) 许用泵端压力高 根据目前的研究结论，满足实现欧i i 排放法规要求的直列式喷油泵，一般 要求许用泵端压力达到i o o m p a 左右，提高许用泵端压力，就能有效提高喷油泵 的工作能力。因此在结构设计中，充分考虑了相关影响因素，从表2 - 2 可以看 到，加粗了凸轮轴轴径，并提高凸轮型线，凸轮与滚轮的接触宽度是影响可靠 性的重要结构参数，根据赫兹应力计算公式，许用泵端压力与凸轮与滚轮的接 触宽度是成正比关系的，并采用鼓形滚轮，能进一步有效降低凸轮与滚轮之间 的接触应力。这些设计参数在提高泵端压力的同时保证了零部件的可靠性，通 过计算和试验验证，其许用泵端压力能达到1 0 5 m p a 。p x 喷油泵许用面压曲线见 图2 7 。 第2 章高喷射压力喷油泵系统的总体设计 图2 - 7p x 泵凸轮许用面压曲线 由于喷油压力的不断提高带来的供油压力、运动件惯性力最终都是要落在 凸轮和滚轮上，所以凸轮和滚轮的工作强度非常大。而采用图2 8 所示的鼓形 滚轮，在负荷力f 的作用下，滚轮从实线形状变形为虚线形状，能进一步有效 降低凸轮与滚轮之间的接触应力，从而提高喷油压力界限。 图2 - 8 鼓形滚轮示意图 在实际设计中，滚轮的鼓形量是影响到接触应力的关键参数，分别通过f e m 模型对鼓形滚轮进行解析，并对作用应力进行研究，见图2 9 ，从研究分析结果 1 2 第2 章高喷射压力喷油泵系统的总体设计 得知作用面压达到设计目标。 是 m _ 出 值 暖 世 图2 - 9 鼓形滚轮作用应力图 8 8 t 0 1 21 4 ” 扩，_ 鼓形量( i lm ) 为了进一步验证设计正确性，对不同鼓形量的滚轮通过可靠性试验进行对 比评价，评价结果见图2 - 1 0 。 孟l 够 窆 。赫移 r 幽鳓 是 瞥l 渤 l t o t 0 0 钧 鳓 0 l al 抑 2 5 鼓形量( um ) 图2 - 1 0 鼓形滚轮试验评价结果 1 3 糯瓣辩嬲缴麟辫滁，、，蝴t鼬磅n良 第2 章高喷射压力喷油泵系统的总体设计 从试验结果得到验证，采用鼓形量为9i jm 的滚轮，与4 8i ji l l 相比，喷油 压力界限能提高1 2 ，是非常有效的。 同时，柱塞偶件的间隙泄漏对于建立高喷射压力是不利的，可以很容易理 解的是，柱塞直径越大，高压腔内燃油的泄漏表面积越大，而柱塞速度越低， 泄漏量也越多，因此大柱塞直径和低柱塞速度的组合明显会给泄漏带来不利影 响。而在p x 泵的设计中，由于提高了凸轮升程，得到高的凸轮速度，也使匹配 使用小直径柱塞成为可能。因此较大的柱塞速度与较小的柱塞直径相组合，在 得到高喷射压力的同时从设计上有效防止了通过柱塞偶件间隙的泄漏，并确保 p x 泵的可靠性。为了验证这一点，我们通过燃油的泄漏量试验来证明，图2 - 1 1 就是试验结果。 装 、 褂 燥 袈 时间( h ) 图2 - 11p x 泵柱塞偶件泄漏量试验评价结果 暑 昌 o 鲁 、_ ， 槲 赡 袈 通过试验对比评价，可以得出p x 泵柱塞偶件的泄漏量达到和进口泵的同等 水平，为建立高喷射压力提供保证。 高的喷射压力也带来喷油泵体内部压力的提高，对齿杆滑动的阻抗也随之 提高，因此在设计上采用了较为新颖的2 齿形油量控制套筒，见图2 - 1 2 ，能有 效降低摩擦力。 1 4 第2 章高喷射压力喷油泵系统的总体设计 2 - 1 2 齿杆齿条结构 3 ) 采取消除异常喷射的措施 齿杆 油量控制套筒 随着喷射压力的高压化，除了零件强度及燃料密封性等结构上的问题外， 对喷射特性也有很大的影响。如异常喷油量特性、二次喷射、不稳定喷射等等， 具体见图2 - 1 3 。这些异常喷射特性在实际使用中都是不利于柴油机各方面性能 的，因此在设计中必须避免出现。 图2 - 1 3 高压化在性能上带来的问题 针对这些问题点，尤其其中的异常喷油量特性和二次喷射特性，目前常用 的就是采用阻尼阀或等压阀来避免。 2 3 等压阀与阻尼阀的开发设计 出油阀是喷油泵中最主要的零件之一，对燃油喷射过程起着举足轻重的作 用。为了达到提高柴油机动力性、经济性及满足排放法规采用了凸轮升程增大、 1 5 第2 章高喷射压力喷油泵系统的总体设计 提高预行程等措施，导致喷油泵的泵端压力和供油速率提高，高压腔内的压力 反射波的提高使燃油系统可能出现二次喷射现象。目前在满足欧i i 排放的柴油 机用燃油系统中，最常用的两种出油阀是阻尼阀与等压阀。 阻尼阀是在原等容阀的基础上再加一个阻尼阀。见图2 - 1 4 。在柱塞上升的 供油过程中，阻尼阀并不起作用，在回油过程中，阻尼阀落座，由于阻尼阀节 流孔的节流作用，能控制燃油回油，使出油阀落座速度减慢，燃油压力波动缓 慢，反射波受到阻尼作用，通过选择合适节流孔直径，可以有效防止二次喷射 的发生。 图2 - 1 5 为等压阀结构图，等压阀是通过钢球( 减压阀) 以一定的弹簧预紧 力封闭节流孔，在回油过程中单向阀打开，选择合适的节流孔尺寸可以控制油 管残余压力值的大小，使高压油管内残余压力保持恒定，此时即使喷油嘴流通 截面积特性变化梯度很大，也不会产生喷油量特性异常现象。 节流孔 阻尼阀 出油阀 节流孔 钢球 出油阀 图2 - 1 4 阻尼阀示意图图2 - 1 5 等压阀示意图 2 4 顶隙柱塞的开发设计 柴油机的不同燃烧室和不同工况对喷油定时都有不同的要求，而不同的喷 油定时又直接影响到柴油机的动力性、经济性、排放和噪声等指标。而柴油机 的动态喷油提前角是难以直接调整的，一般通过调整喷油泵的供油提前角来实 现，由于柴油机工作时转速和负荷都是变化的，因此，最佳提前角也应该相应 作变化，目前常用以下三种方法进行喷油提前角动态调整： 1 ) 使用提前器。动态提前角与转速相关，与负荷无关。由于为适用于中重 1 6 第2 章高喷射压力喷油泵系统的总体设计 型柴油机燃油系统相应的大循环供油量和高喷射压力的发展趋势，要求对应的 提前器工作能力必须大大提高，也意味着提前器的体积和重量会明显增加，给 柴油机的整体布置带来难度。同时制造成本也大大提高。 2 ) 改变喷油泵柱塞顶端结构，利用柱塞偶件运动时的节流原理，可以达到 随转速的提高而获得供油提前的特性要求。由于该结构完全不影响柴油机的总 体布置，且成本也可以降低。顶隙柱塞的结构型式大体有图2 - 1 6 所示几种形式。 其中a 为圈槽式顶隙，结构简单，易加工，提前角度随转速而变化；b 为倒角式 顶隙，难于准确控制；c 为螺旋式顶隙结构，提前角可以随转速和负荷变化而变 化，但加工困难。 与喷油泵转速相关的柱塞顶隙提前特性动态调整了喷油泵供油预行程与柱 塞几何有效行程，一方面可以降低高速全负荷工况时的预行程和平均供油速率， 有利于降低n o 。及噪声，另一方面增加了中低速工况时的预行程和平均供油速率， 有利于降低燃油耗。当然，在控制自由度方面，顶隙柱塞不如可变预行程，但 在使用性能方面，有不可比拟的优势。 、 。一曼警謦壹 l 砷 图2 一1 6 顶隙柱塞的结构形式 3 ) 通过电子控制实现喷油定时柔性控制。 目前，提前器应用较普及，电子控制在国外发展很快，国内处在研发阶段。 本课题考虑到工程实用性，着重开发设计顶隙柱塞并进行了优化研究。 2 5 高流量系数喷油嘴的开发 目前，伴随高喷射压力化的要求，减小喷油嘴喷孔直径以促进喷雾的微粒 1 7 第2 章高喷射压力喷油泵系统的总体设计 化，有利于柴油机扩散燃烧，能降低烟度并提高功率及改善燃油耗。 为了说明促进喷雾微粒化的手段及方法，首先说明索特( s a u t e r ) 平均直 径的求解方程式，索特平均直径与喷孔直径和喷孔部位的燃料流速存在如下关 系： x 3 2 = f ( d e v h ) 式中：d e ：喷孔直径；v n ：平均喷射速度。 因此喷孔的节流和喷孔部位燃油流速的提高都能促进喷雾的微粒化。然而 单纯地采用小直径喷孔，会造成喷射时间增长，虽然达到高压化及微粒化的目 的，由于燃烧时间变长且燃烧速度缓慢，反而带来了发动机性能恶化的现象。 另外，由于高压化的要求，为确保喷油泵的可靠性也就造成喷油泵的大型化。 因此，为了避免因喷孔小直径化带来的节流导致喷射时间的延长，就必须提高 喷孔部位处的流速，以改善喷油嘴内部的燃料流动。为了减少喷油嘴内部的流 动损失，通过将喷孔入口部圆角化及提高燃料通路的表面光洁度来得到高流量 系数的喷油嘴。 高流量系数喷油嘴与常规喷油嘴的喷射特性比较，选取了d e n s o 研究结果 作为参考，见图2 1 7 。 口 槲 杂 螫 屯 山 穴 出 菸 瞥 凸轮角度0 图2 - 1 7 高流量系数油嘴与常规油嘴喷射特性比较 1 8 第2 章高喷射压力喷油泵系统的总体设计 喷雾直径的比较结果见图2 - 1 8 ，发动机上燃烧状态的比较结果见图2 - 1 9 ， 发动机排放的比较结果见图2 - 2 0 。 喷油嘴 上部p z = i 2 9 1 k g m 3 中部发动机转速 下部9 5 负载 - 童i 专1 g 。 萋 邕 囊 整 曲轴转角( 。c a ) 图2 - 1 9 发动机上燃烧状态比较 亨 妻 蘧 n o ，c g a w 婚 到喷油嘴中心距离( 删吣 图2 - 1 8 喷雾直径的比较图2 - 2 0 发动机排放比较 从比较结果可以看出，高流量系数喷油嘴在小直径化的基础上，改善了喷 油嘴内部的燃油流动，在保证喷射压力和喷射时间的基础上，实现喷雾微粒化， 能扩大发动机的扩散燃烧，达到排放目标。 1 9 第3 章高喷射压力喷油泵喷射特性研究分析 第3 章高喷射压力喷油泵喷射特性研究分析 3 1 测试方法、试验对象、试验仪器及设备 试验在上海电装燃油喷射有限公司技术部试验室的喷油泵试验台上进行。 试验的对象是针对上海电装公司设计的p x 喷油泵，以及相应的高流量喷油 嘴组成的燃油喷射系统进行喷射特性及喷油规律的研究 试验仪器及设备为t h a 多通道油泵性能试验数据采集处理系统，见图3 - 1 ， 喷油泵数据采集处理流程见图3 - 2 。 图3 - 1 试验设备 试验主要仪器及设备见表3 - 1 。 表3 - 1 主要仪器及设备一览表 序号名称 型号及规格制造商 l 单次油量仪 e f s 8 2 4 6 法国e f s 公司 2 压力传感器 4 0 6 7 k i s t l e r 公司 3 数据采集系统北京木华测控技术有限公司 4 电子齿杆行程测量仪 d e n s o 5 喷油泵试验台中国泰安试验设备厂 第3 章高喷射压力喷油泵喷射特性研究分析 图3 - 2 喷油泵数据采集处理流程 3 2 不同结构参数对喷射特性的影响及优化 为了能达到最佳设计目标，对不同结构配置进行了大量的喷射特性试验及 优化，具体如： 2 l 第3 章高喷射压力喷油泵喷射特性研究分析 不同柱塞直径( 包括顶隙及非顶隙) ； 不同凸轮型线； 不同出油阀( 阻尼阀、等压阀) ； 不同喷孔油嘴； 等等。 3 2 1 不同柱塞直径的影响 柱塞直径的变化影响到喷油规律的变化、喷油泵的最大喷油量及凸轮的面 压。为了达到性能及可靠性的要求，分别设计制造了直径为巾1 0 、巾1 l 、咖1 2 r a m 的三种柱塞，并进行了性能试验，不同转速下其泵端、嘴端压力及喷油持续角 与柱塞直径的关系见图3 3 。 对比巾1 0 、巾1 1 、巾1 2 r a m 三种不同直径柱塞的试验结果，巾1 l m m 直径的柱 塞的泵端压力、嘴端压力及持续角都很好地满足设计要求，并且由于凸轮面压 与柱塞的直径成平方比，因此比使用由1 2 m m 直径的柱塞有更高的可靠性，比由 l o m m 直径的的柱塞能达到更大的喷油量，适用于高喷油量要求的发动机。 2 2 第3 章高喷射压力喷油泵喷射特性研究分析 图3 - 3 不同转速时不同柱塞直径对泵端、嘴端压力的影响 3 2 - 2 不同速度凸轮型线的影响 凸轮型线通过其驱动机构的运动学决定了喷油泵柱塞的升程曲线。除了喷 油系统的参数之外，凸轮型线对于供油过程随时间的变化起着决定性的作用。 由于柴油机发展要求喷油泵在极短的时间内供给大量的燃油，要求高的泵端压 力，并要求提高凸轮轴的运转速度。一般从柱塞的升程、速度和加速度曲线来 判断一定的凸轮型线对喷油泵柱塞的驱动机构和一台柴油机供油情况的适应 性。在其它条件不变时，凸轮型线决定其供油速率从而决定喷油速率。凸轮升 程的一次导数的速度曲线具有很大的意义。本课题在设计开发时选用了具有圆 弧段、过渡段和余弦小圆弧段的切线函数凸轮，对不同最大速度的凸轮型线进 行试验，对泵端、喷端压力及喷油规律进行对比来选取合适的凸轮型线。 对比a 、b 、c 三种不同凸轮型线的试验结果，参照图2 - 7 凸轮面压曲线看 出，b 及c 型的泵端压力在凸轮面压的允许范围内，能保证可靠性，并且嘴端压 力已大于1 2 0 m p a ，能够满足设计目标。 可以选用b 型和c 形凸轮型线，进行下一步发动机匹配优化试验。 2 3 第3 章高喷射压力喷油泵喷射特性研究分析 转速= ll o o r m i n 上a u 盘1 4 0 詈1 3 0 卜a r1 2 0 一一j 工：工：二：二一。 一b 幽1 1 0 一c 蒸t o o 了v 1 5 5 1 6 01 6 51 7 01 7 5 l ，u 名1 6 0 宝1 5 0 一一一一j 二：_ ： - - - 一a r1 4 0 ：一一”一 一b 暴1 3 0 一c 螫1 2 0 l l u 1 5 51 6 01 6 51 7 01 7 5 转速= 7 0 0 r m i n l 儿j 龟 o9 0 卜a r a - - 一。- - 一b 幽7 0 一c 磐 l 瞄r 阿r 、 b u 1 6 51 7 0。1 7 51 8 01 8 5 l l u 01 0 0 宝9 0 卜a 一 穴8 0一b 鬈7 0 一。c 誉6 0 b u 1 6 51 7 01 7 51 8 01 8 5 喷油量( m m 3 s t ) 图3 - 4 不同速度凸轮型线对泵端、嘴端压力的影响 2 4 第3 章高喷射压力喷油泵喷射特性研究分析 3 2 3 等压阀与阻尼阀的影响及优化 如2 - 2 节所述，高压化的要求会带来各种异常喷射现象。图3 - 5 、图3 - 6 就 是几种典型的异常喷射。 著 删 蓍 v n ：1 0 州一1 2 。 一，o 汪 v h - $ - 、b 疑式认 1 净彦扒h 一 忡r 忱州! 蚧越焱巡警 矗 裂 末 屡 本 口 山 r 幽 杂 督 转速r m i 图3 - 5 异常喷油量特性 图3 - 6 二次喷射特性 时间t 在主喷射之后，由于高压油管内的压力再次上升、且使针阀再次开启所产 生的二次喷射现象，会导致发动机性能恶化。为了消除二次喷射，一般采用阻 第3 章高喷射压力喷油泵喷射特性研究分析 尼阀及等压阀来使高压油管内的压力急剧衰减。通过试验得出阻尼阀及等压阀 对喷射性能的影响如图3 - 7 所示。 图3 - 7 等压阀和阻尼阀对泵端、嘴端压力的影响 从图中看出，在高速时，两者对比，其泵端、喷端压力并无大差别，但在 2 6 第3 章高喷射压力喷油泵喷射特性研究分析 低速时，阻尼阀的泵端、喷端压力比等压阀略高。因此在选用最后配置时，可 以根据发动机的要求来确定选择哪种出油阀。在功率要求偏低时，仍可以选用 阻尼阀，但在高功率要求下，要求喷油量大，阻尼阀仍会出现二次喷射现象， 不能适用。 同时为了了解阻尼阀及等压阀对喷射性能的影响，还测定了阻尼阀及等压 阀的转速一喷油量特性，见图3 - 8 。 图3 _ 8 喷油量特性 2 7 第3 章高喷射压力喷油泵喷射特性研究分析 从试验结果看出，阻尼阀有小部分区域有密集域，而等压阀不会产生喷油 量特性异常现象，具有明显的优势。但这并不意味着阻尼阀就没用实用意义了， 事实上，在与发动机匹配时该密集域不在实用区的话，也即能避开密集域时， 考虑到实用工况，在成本优势的前提下，在能满足发动机性能要求时，还是推 荐使用阻尼阀的。 对阻尼阀而言，节流孔直径的大小直接影响到喷射特性。图3 - 9 是通过试 验得出的阻尼阀节流孔直径与二次喷射的关系，从中可以看出，节流孔直径过 大或过小都会使阻尼阀节流孔的作用消失，节流孔为巾0 4 时，有二次喷射发生， 孔径逐渐增大到巾0 6 时，二次喷射消失，而当孔径继续增大到由0 7 、由0 9 时，又再次出现二次喷射。因此选择合适的节流孔径是相当重要的。 巾0 4 m m 由0 6 m m 由0 7 m m 由0 9 m m 图3 - 9 阻尼阀节流孔直径与二次喷射的关系 3 2 4 顶隙柱塞的影响及优化 通过柱塞头部的间隙设计，利用高压燃油的液力节流来实现喷油提前功能， 能够替代常规提前器的功能，从而降低设计制造成本，减少可能的机械故障， 2 8 第3 章高喷射压力喷油泵喷射特性研究分析 提高整体的质量。并且由于高速节流原理，相对于普通柱塞，在高速( 标定点) 喷射量相同的条件下，顶隙柱塞有降低中、低速喷射量的作用，因此能减少调 速器的负校正行程，尤其在普遍使用等压阀的今天，能有效中和等压阀在中低 速时喷射量反翘的现象。 图3 - 1 0 是本次设计的顶隙柱塞，考虑工艺加工性，选用了最简单的圈槽型 顶隙柱塞。 图3 1 l 是对相同直径柱塞，不同顶隙量进行喷射相位的对比试验，从试验 看出，顶隙c 柱塞在中、低速时有明显的提前角度。 图争l o 顶骧柱塞示意图 圈3 - 1 1 相同柱塞直径顶隙量不同时喷射相位的变化( 等压闷) 在实际试验中还发现，对于顶隙柱塞，等压阀和阻尼阀的喷油提前相位也 第3 章高喷射压力喷油泵喷射特性研究分析 都不尽相同，其对比结果见3 - 1 2 。 图3 - 1 2 相同柱塞顶隙量时等压阀与阻尼阀的对比 从试验看出，对相同顶隙量柱塞，使用等压阀和阻尼阀时，提前角度都不 相同，因此必须根据具体目标要求来优化顶隙尺寸，最后确定对应的顶隙尺寸。 第3 章高喷射压力喷油泵喷射特性研究分析 3 2 5 不同喷油嘴的影响及优化 喷油嘴的流量、孔径、孔数直接影响喷油泵的喷油规律，我们选取了4 种 不同流量参数的喷油嘴，在同一台喷油泵上进行了泵、嘴端压力的对比试验。 试验结果见图3 - 1 3 。通过试验结果，最后选取了合适的喷油嘴与柴油机进行匹 配试验，并得到良好的性能及排放结果。 l u a 1 0 0 。一 09 5 乱 j - 一a 考 9 0 夕h b r8 5 孑移? 。 一c 幽8 0 ：+ - - d 莲7 5 么移。j 。 7 0 r o a 6 0 07 8 0 0 9 0 0l o o o1 l o o1 2 0 0 l o u 1 2 5 1 2 0 。，一 主 i 8 ，。ji 童1 0 5 ，0 f ，。 一a 。1 0 0 ，。矿 瓣 ，：。乡。 - 4 1 - - b - ，一”一 一c ，7 ，。， ，。 一一d 螫7 5 2 ：s 7 7 0 7 7 ，一7 6 5 一， o u 6 0 07 0 0 8 0 09 0 01 0 0 01 1 0 01 2 0 0 工4 21 3 j ，一o - - 耐 芝1 2 ，1 l j ：一? 二，| _ p a o1 1 ，。：，：二：t 三妒一 一一b 羹1 0 l ：乏 c 靶9 一- 一d 摈 y 螫8 ， 6 0 07 0 0 8 0 09 0 01 0 0 01 1 0 01 2 0 0 转速( r m i n ) 图3 - 1 3 不同喷孔直径及喷油嘴流量时泵端压力、嘴端压力及持续角与转速的关系 3 1 第3 章高喷射压力喷油泵喷射特性研究分析 3 2 6 不同高压油管的影响 高压油管的直径、长度对喷油压力也有一定的影响。高压油管长度增加及 直径减小时，都会带来喷射过程的变化。管径过小，虽然会使燃油系统高压部 分容积减小，但也会因为流动不畅而导致喷射延迟；管径过大，流动阻力减小， 但燃油系统高压部分容积过大，又会引起二次喷射等异常喷射现象。 为了考察油管直径对燃油系统的影响，选择对3 种不同高压油管管径及长 度的组合与2 种喷油嘴流量的组合配置，以确定泵端、喷端压力是否能达到设 计目标。见图3 - 1 4 。 0 垒 v r 邕 释 隧 0 垒 v 穴 幽 释 墼 标定点( n p - - - - 1 0 5 0 r m i n ) 1 9 01 9 52 0 02 0 52 1 02 1 52 2 0 喷油量( 舢3 s t ) 图3 - 1 4 高压油管与喷油嘴的优化试验 3 2 第3 章高喷射压力喷油泵喷射特性研究分析 根据试验结果，使用巾2 2x7 0 0 油管+ 2 3 0 0 c c m i n 流量油嘴组合与使用巾 2 o 7 0 0 油管+ 2 4 4 7 c c m i n 流量油嘴组合的泵端和嘴端压力都满足要求，且能 保证可靠性，可以