4-3第三节喷油泵及喷油器

第四章 燃油喷射与燃烧 153第三节 喷油泵及喷油器 现代船舶柴油机的燃油喷射系统绝大多数采用直接作用机械驱动式（简称直接作用式或直接喷射式），即由喷油泵排出的高压燃油直接作用于喷油器并喷入气缸。此外，还有一种间接作用式（蓄压式）喷射系统，由喷油泵排出的高压燃油，先储存在一个蓄压器内，并保持恒定压力，然后再由蓄压器分配至相应的喷油器。这种系统结构复杂，可靠性又差，所以未得到广泛应用。但近年来随着技术的进步，电控共轨喷射系统正在发展。 直接作用式喷油设备中的喷油泵为高压柱塞泵，根据调节机构的不同，高压柱塞泵又分为回油孔调节式和回油阀调节式两大类。而喷油器均为液压启阀式。 一、对喷油设备的要求 柴油机的燃烧过程对喷油设备的基本要求是：良好的雾化、正确的喷油定时及便捷的油量调节三个方面。 1燃油的雾化 燃油的良好雾化，是实现良好燃烧过程的基础，主要靠喷油泵提供的一定喷油压力和喷油器配合来保证。 喷油泵对雾化的最大作用就是造成必要的压力，这个压力应在整个喷油期间保持在一定的范围内，以避免在喷油初期和末期因喷油压力过低而影响雾化质量。由于在其它条件相同的情况下，喷油压力越高，雾化效果越好，现代柴油机喷射系统正向高压化发展，这对喷油泵的设计、制造及管理提出了更高的要求。 喷油器是使来自喷油泵的高压燃油雾化的设备。它应保证燃油在已经确定的压力下实现油雾的细化并使之与燃烧室形成良好的配合，以确保预定的燃烧过程得到实现，从而提高柴油机的性能。 2正确的喷油定时 要保证实现良好的燃烧过程，正确的喷油定时也是一个重要的因素。为实现高效的燃烧过程，一般均在上止点前就将燃油喷入气缸。燃油喷入气缸点与上止点之间的曲柄转角，称为“喷油提前角”，而油泵开始供油点与上止点之间的曲柄转角，称为“供油提前角”，喷油设备必须以正确的喷油提前角将燃油喷入气缸。 喷油提前角主要由供油提前角决定，而供油提前角则由喷油泵凸轮的安装位置来决定。在标定工况下的供油提前角由工厂试验确定。但是当使用的燃油品质变更时，燃油的滞燃期发生变化，上述所要求的供油提前角要求重新调整；另外，多缸柴油机由于喷油泵和凸轮制造上的差别和使用中的磨损不同，尽管各喷油泵凸轮的安装角相同，但各缸的实际供油提前角仍有差别，故要求各缸的喷油定时能够单独调节。调节喷油定时大多是通过改变凸轮在凸轮轴上的安装位置来实现的。 3供油量调节图4-3-1 组合式油泵的剖面结构 在柴油机每循环中喷入气缸的燃油量决定着柴油机的功率大小，为适应柴油机负荷的变化，喷油泵应能根据负荷来调节喷油量，此种调节称为“总调”。在多缸柴油机中，各缸喷油量应该均等，否则在高负荷时，某些气缸可能因喷油量过多而超负荷；而在低负荷时，某些气缸又可能因喷油量少而停止工作。理论上，各缸喷油泵的供油量应该是一样的，但由于各喷油泵制造质量上的差别和使用中的磨损不同，以及安装时调节不当等原因，实际上不可能均匀。因此，除要求能对各喷油泵的供油量进行总调外，还要求能进行单独调节。 4其它要求 从保持柴油机性能稳定角度出发，要求喷油设备能根绝重复喷射、断续喷射、不稳定喷射和隔次喷射等异常喷射现象。 从营运角度出发，要求喷油设备工作可靠、调节方便、能迅速停油，还要求喷油设备具备驱除系统中的空气、在柴油机不停车的条件下能使单缸停油等功能。 二、回油孔式喷油泵图4-3-2 回油孔式喷油泵 回油孔式喷油泵即为回油孔调节式喷油泵，也称布许（Bosch）油泵。图4-3-1示出了组合式油泵极其驱动机构的剖面结构，图4-3-2示出了单体式喷油泵的结构。 1喷油泵结构 回油孔式喷油泵的主要零件为油泵柱塞套筒与出油阀阀座两副精密偶件。 从图4-3-1及图4-3-2中可以看出，油泵柱塞在油泵供油凸轮的驱动下上行，在柱塞弹簧的作用下下行。柱塞头部开有斜槽，而在套筒上部开有进油孔及回油孔。装在套筒上部的出油阀及出油阀座，在出油阀弹簧的作用下将喷油泵腔与高压油管分开。当柱塞上行封闭套筒的进油孔及回油孔时，泵内燃油压力将出油阀顶开，并向高压油管供油。与柱塞相连的调节齿圈与调节齿条相啮合。移动调节齿条，通过调节齿圈可以带动柱塞转动，以实现油量的调节。 2喷油泵工作原理a b c图4-3-3 回油孔式喷油泵工作原理 回油孔式喷油泵的工作原理如图4-3-3所示。当柱塞下行至最低位置时，套筒上的油孔被打开，燃油自进油腔被吸入套筒内腔，如图中a）所示。当柱塞从最低位置被喷油泵凸轮顶动开始泵油行程时，部分燃油经回油孔流回进油空间，直到柱塞上部端面将回油孔关闭，燃油才开始受压缩，如图中b）所示，这就是喷油泵的“几何供油始点”。柱塞继续上行，当柱塞斜槽打开回油孔时，柱塞上部的高压燃油即经柱塞头部的直槽和环形槽与回油孔相通而流回进油空间，如图中c）所示，这就是喷油泵的“几何供油终点”。此后，柱塞再上行至行程最高位置，燃油则流回进油空间。显然，在柱塞的整个上行行程中，实际有效排油行程只是从柱塞上边缘遮住回油孔开始到其斜槽的下边缘又打开回油孔为止的这一段行程，因此柱塞的斜槽与套筒上回油孔的相对位置决定了喷油量，同时也决定了喷油时间。而柱塞每转动一个位置，就有一个有效行程，故转动柱塞可以改变喷油量。 3供油量调节 回油孔式喷油泵的供油量调节是靠转动柱塞改变供油始点、终点或始终点来改变柱塞有效行程而实现的。有效行程越长，供油量越大。当有效行程为零时，虽然柱塞上下运动但不供油。 喷油泵的供油量调节有三种不同的方式：始点调节式、终点调节式及始终点调节式。回油孔式喷油泵柱塞头部因此有不同线型，如图4-3-4所示。 1）终点调节式 图4-3-4a）为终点调节式喷油泵的柱塞头部结构，平顶且斜槽向下。这种结构无论将柱塞转到什么位置，其上边缘遮盖回油孔上边缘的时刻几何供油始点是不会改变的。但其下边缘露出回油孔的时间几何供油终点却随负荷的大小而变动。负荷越大，露出回油孔的时刻越迟；反之，负荷越小，露出回油孔的时刻就越早。其供油量大小，依靠转动柱塞斜槽相对于回油孔的位置来决定。如向左转动柱塞时，其下边缘露出回油孔的时刻延迟，有效行程变长，供油量增加；向右转动柱塞时，其下边缘露出回油孔的时刻提前，有效行程变短，供油量减小；如继续右转柱塞至直槽与回油孔相对时，则始终旁通回油孔，有效行程为零，供油量也为零，即为停车位置。 图4-3-4 回油孔式油泵的三种柱塞形式 2）始点调节式 图4-3-4b）为始点调节式喷油泵的柱塞头部结构，平底且斜槽向上。这种结构无论柱塞转到哪个位置，柱塞上行时其下边缘露出回油孔的时刻几何供油终点是不会改变的；但其上边缘遮盖回油孔的时刻几何供油始点却随负荷的大小而变化。负荷大时，供油始点提前；负荷小时，供油始点滞后。 3）始终点调节式 图4-3-4c）为始终点调节式喷油泵的柱塞头部结构，有向上及向下的两条斜槽。其供油始点与终点均随负荷改变。负荷大时，供油始点提前，供油终点滞后；负荷小时，供油始点滞后，供油终点提前。 在多缸柴油机中，各喷油泵的油量调节齿条均连接在一根共同的油量调节杆上，通过操纵台上的加油手柄控制供油量，这是油量总调。如果要单独调节某缸的供油量，一般只要旋转装在各油泵齿条与总油量调节杆之间的调节螺钉即可。图4-3-5 等容卸载出油阀 4出油阀的作用 出油阀的作用有蓄压、止回及减压三方面。 1）蓄压 在柱塞泵油行程中，使喷油泵的供油压力逐渐累进。由于出油阀上减压凸缘和弹簧的作用，使油泵供油时刻延迟到出油阀的一定升程之后，从而使喷油泵获得较高的初始供油压力。 2）止回 在回油孔打开时能有效地防止高压油管中的燃油倒流入泵腔，从而保证柱塞有一定的供油量。也能使高压油管内始终存有一定压力（p0）的燃油，这样就使喷油延迟阶段缩短。 3）减压 减压作用又称卸载作用。即利用出油阀有效地控制喷射过程结束后高压油管中压力波动的p0值，防止出现二次喷射。 按出油阀的卸载方式，可分为等容卸载出油阀及等压卸载出油阀两种。图4-3-6 等压卸载出油阀1-卸载弹簧；2-卸载阀；3-出油阀； 等容卸载出油阀有一圆柱形减压环带，如图4-3-5所示。在出油阀锥面落座前的h距离时，已由减压环带将高压油管与油泵的工作空间分开。此后直到阀落座，出油阀又下落一距离h。这样，在高压油管中就增加了一部分容积（即卸载容积），这部分容积使油管中燃油膨胀，高压油管中油压迅速下降，起到了卸压作用，喷油立即停止。这样就缩短了喷射过程中的滴漏阶段，也防止了重复喷射现象。图4-3-7 回油阀调节式喷油泵工作原理 等容卸载出油阀的优点是结构简单、性能稳定。其主要缺点是，在任何转速工况下，卸载容积都是一恒定值，因而在柴油机工况变化时，高压油管中的剩余压力也相应变化。高转速高负荷时，p0高。更高喷射压力喷射系统设计时，为了避免重复喷射，卸载容积需要更大，但卸载过多，阀快速关闭所产生的水锤现象过于强烈，就会造成高压油腔的真空，产生穴蚀。 等压卸载出油阀没有减压环带，如图4-3-6所示，而是在阀的内部设有一个由卸载弹簧控制的锥形卸压阀。当出油阀落座后，若高压油管中的压力高于卸载阀的开启压力，则卸压阀开启使燃油倒流进入喷油泵工作空间，直到与卸压阀的关闭压力相等时为止，因此高压油管中的燃油压力始终保持一个适中的剩余压力，同时减小了油管中的压力波动。这样既能防止重复喷射，又能防止产生穴蚀。 三、回油阀式喷油泵 回油阀式喷油泵的特点是柱塞上没有斜槽，这样在柱塞上也就不存在侧推力，提高了柱塞套筒偶件的使用寿命。其供油量的改变是由回油阀的启闭早晚来实现的，与回油孔调节式喷油泵相同，它根据回油阀摆杆支点的不同，有始点调节、终点调节及始终点调节三种方式，如图4-3-7所示。 1始点调节式 图4-3-7右侧所示为始点调节回油阀式喷油泵的原理图。 当柱塞从最低位置上行到一定位置时，摆杆的右端和顶杆下降到刚刚脱开进油阀时，进油阀在弹簧力作用下关闭。这时柱塞上部的燃油开始被压缩，这就是喷油泵的几何供油始点。当柱塞上升到最高位置时，泵油终止。此时，摆杆右端和顶杆均处于最低位置，在进油阀和顶杆之间出现一间隙。当柱塞处于最高位置时，此间隙越大，表示柱塞有效行程越长，油泵供油量越大。 柱塞到达最高位置便是供油终点，无论怎样调节油量，供油终点是不变的，而供油始点却随着有效行程的增长而提前，这就是始点调节式的特点。图4-3-8 Sulzer燃油泵 2终点调节式 图4-3-7左侧所示为终点调节式的工作原理。当柱塞处于最低位置时，顶杆也在最低位置，回油阀处于关闭位置，它和顶杆之间有一间隙。此间隙表示供油量的大小，在供油量总调时，偏心轴按图上反时针方向转至极限位置，间隙完全消失，回油阀始终处于开启位置，供油为零，此时偏心轴位置即为停车位置。 当柱塞从最低位置一开始上升，泵腔内的燃油即被压缩，因此其几何供油始点是不变的。柱塞继续上行至一定位置，顶杆走完原有的间隙而刚刚接触回油阀时，即为几何供油终点。这终点是可以调节的，它随着供油量的增大而滞后。 3始终点调节式图4-3-7和图4-3-8所示均为始终点调节式泵的工作原理。它有两个油阀，一个是回油阀，控制着供油终点；而另一个是进油阀，它控制着供油始点。Sulzer燃油泵的结构为始终点调节式，但按终点调节式工作。这样，供油始点和供油终点的柱塞速度均较高，确保雾化良好。“油量总调”改变回油阀摆杆的偏心支点的高低位置。“单独调节” 转动回油阀顶杆下部的调节螺钉。VIT机构利用进油阀调节供油提前角。图4-3-8中还能看到不同负荷时凸轮有效工作段的变化。 4回油阀式喷油泵的优缺点 与回油孔式喷油泵相比，回油阀式喷油泵有下列优点： （1）密封性能好。由于其柱塞与套筒有较长的密封，故密封性能较好，足以保证较高的喷油压力。 （2）耐磨性好。由于柱塞上没有斜槽。不承受测推力，所以柱塞及套筒磨损比较均匀，使用寿命较长。 回油阀式喷油泵与回油孔式喷油泵相比较也存在着一些缺点： （1）体积大。回油阀式喷油泵的体积较大，不适用结构紧凑的高速及中速柴油机使用，只能用于大型低速柴油机上。 （2）结构复杂。回油阀式喷油泵的结构比较复杂，故其造价较贵，且管理麻烦。 四、可变喷油正时机构图4-3-9 MC型柴油机的VIT机构 现代船用大型低速柴油机近十多年来，在提高经济性方面取得了可观的成效，发展了多种节能措施。在这些措施中，最重要的是提高并保持最高爆压。pmax与燃油消耗率密切相关，pmax上升则ge下降。目前pmax已增大至1315MPa，甚至18MPa。pmax标定值通常在接近标定负荷下才能达到。在部分负荷时，由于供油量降低，其最高爆发压力也随之降低，经济性下降。为此，当代新型的船用二冲程低速柴油机的喷油泵均配备了可变喷油定时机构（VIT），保证当负荷改变时，随着喷油泵供油量的改变能自动调整其供油提前角，使得柴油机在部分负荷运行时仍有尽可能高接近标定值的最高爆发压力，以改善部分负荷的经济性。同时在高负荷时又能控制最高爆发压力，使之不超过标定爆压。 图4-3-9所示为MAN-B&W MC型柴油机回油孔式喷油泵的一种VIT机构。在泵体的方形底部装有两根调节齿条，上方的一根是供油定时调节齿条，下方的一根是油量调节齿条。VIT控制系统如图右边所示，主要包括位置传感器，位置伺服器及定时齿圈等。油泵套筒下部有梯形外螺纹，与定时齿圈上部的梯形内螺纹相配，齿圈的外部又与定时齿条相啮合。拉动齿条时，齿圈通过螺旋副可使套筒上下移动，从而改变套筒与柱塞的相对位置，供油定时也随之改变。 图4-3-10 斜槽VIT机构位置伺服器为气动执行元件，其内之活塞杆通过定时调节杆与定时齿条相接，控制信号来自位置传感器，位置传感器由调速器的输出调节轴控制。当负荷变化时，调速器输出轴一方面通过上摇臂直接拉动油量调节齿条改变供油量；与此同时，下摇臂通过杆改变位置传感器以控制空气压力。控制空气输送到位置伺服器，可改变其活塞位置，从而拉动定时齿条达到调节供油定时的目的。 图4-3-9（b）为这种VIT机构的调节特性。 （1）当负荷从100% Nb（标定功率）降到78% Nb时，随着供油量的下降，其供油提前角逐渐增大，以保证在此负荷变化范围内其最高爆发压力pmax基本上保持在标定值。 （2）在从78% Nb 至50% Nb范围内，随着负荷下降，其供油提前角从最大值相应下降，使主要燃烧阶段保持在上死点附近，使pmax尽可能达到标定值。但因喷油量下降，pmax也相应下降，但仍高于不带VIT机构时缸内的最高爆发压力。 （3）在50% Nb负荷以下，该VIT机构失效，供油提前角基本不变。 由此可见，此种VIT机构在78% Nb时具有最大的供油提前角，而在78% 100% Nb 和78% 50% Nb 这两段负荷变化范围内均获得良好的经济性。在MC系列缸径最小的两种柴油机上（L35MC和L42MC），因结构所限，采用柱塞头部特殊形状的双斜槽作为VIT机构，如图4-3-10所示。这种VIT机构也为其它一些中、小型回油孔式喷油泵所采用。 五、喷油器 喷油器分为开式和闭式两大类。 开式喷油器结构简单，没有针阀控制喷油压力，一般在喷孔后装有止回阀，以防止燃气倒冲喷油器。这种喷油器雾化质量差，喷油后期有滴油现象，易引起燃烧不良而排气冒烟。因此在柴油机上已很少采用。 闭式喷油器克服了开式喷油器的缺点，它是依靠燃油本身的压力开启针阀后才开始喷油的，所以也称液压启阀式喷油器。由于在不喷射燃油时，针阀把燃油空间与燃烧隔开，所以称之为闭式喷油器。为了保证喷油器工作可靠，喷油器在工作时需向外散热。依靠喷油器本体与缸盖的贴合来传热并由燃油来冷却的称非冷却式喷油器，而有另设的柴油或淡水系统进行冷却的称冷却式喷油器。 按喷油嘴结构的不同，喷油器可分为单孔式（又称轴针式）和多孔式（又称针阀式）两种。图4-3-11喷油器1. Pressure spring 2. Spring spindle 3. Adjusting screw 4. Nozzle holder cap nut 5. Nozzle holder body 6. Leak-off banjo connection 7. Location dowel 8. Nozzle cap nut 9. Nozzle assembly 图4-3-11左侧所示为单孔式喷油器。当作用在针阀锥面上的高压燃油压力超过喷油器弹簧1压力时，针阀开启，高压燃油从轴针与喷油孔之间的环形空间喷出。此时的压力叫喷油器的“启阀压力”。此压力可由调压螺钉3调整，将调压螺钉按顺时针方向旋进，则启阀压力增大；反之，将调压螺钉按逆时针方向退出，则启阀压减小。当供油结束、油压下降至低于弹簧力时，针阀落座而停止喷油。此时所对应的燃油压力叫针阀落座压力。燃油从进油口进入喷油器，绝大部分从喷口进入气缸，而有一小部分起润滑作用的燃油经针阀与针阀体这副偶件之间的间隙，从回流管6回流。单孔式喷油器油孔直径较大，且有轴针在其中来回运动，故具有自洁作用，不易堵塞，工作可靠；但其喷出的雾化锥角较小，油束比较集中，多用于分隔式燃室中。图4-3-11中的右侧给出了多孔式喷油器的结构。多孔式喷油器的喷孔数目为412个，孔径为0.152.0mm。其孔径相对较小，雾化质量好，且喷孔角度使喷出的油束能与燃烧室形状有良好的配合，如图4-3-12所示。其基本原理及构件与单孔式相同，但有两处大的区别：一是针阀3的头部并不像单孔式针阀那样为针状，而是圆锥状；二是针阀体14上具有多个较小的喷油孔。典型多孔喷油嘴针阀结构见图4-3-13。 老式船用柴油机多使用冷却式多孔喷油器，它使用单独设置的冷却系