柴油机燃用水煤浆的设计.docx

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柴油机燃用水煤浆的设计

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AutoCAD绘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

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。

第2章柴油机燃油供给系统

2.1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2.1柴油机燃料供给系统

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0．15-0．3MPa，故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10MPa以上。

　　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。

2.2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。

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。

2.3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-喷油器和转子分配式喷油泵这三大类。

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hg内都供油，喷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hg内才泵泊。

hg称为柱塞有效行程。

显然，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，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

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dv，可以兼顾高、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