（机械工程专业论文）燃油系统结构参数对柴油机怠速稳定性影响的研究.pdf

塑垫堑望壁塾塑 塑要 燃油系统结构参数对柴油机 怠速稳定性影响的研究 摘要 本文主要通过改善朝阳柴油机厂4 1 0 2 b q 柴油机怠速不稳现象，对 我公司配套的燃油喷射系统进行研究和改进。采用理论分析、系统仿真 和试验研究的方法，研究了产生怠速不稳原因及内在机理。并通过改变 结构参数，达到改善怠速不稳的目的。研究的思路和内容包括以下几部 分。 1 对本产品采用的“泵一管一嘴”燃油系统进行分析1 惜对怠速稳定性，从燃油系统的结构原理上进行系统的分析，着重 对喷油泵、调速器、喷油嘴剖析。结合柴油机的调速原理，分析了本产 品存在的或可能存在的不良因素。介绍常见的怠速不稳现象的判断方法 和解决措施n 2 对燃油系统的不规则喷射原理分析； f 燃油系统的不规则喷射现象是影响怠速不稳的重要因素，它和本产 品的结构特点有密切关系弃本文建立了高压油管压力波传递简易数学模 型，简化泵端、嘴端边界条件，采用特征线法进行图解分析，突出矛盾 的物理本质，揭示不规则喷射的内在原因。分析了低速区针阀升程波形 变化规律，指出不规则喷射与喷油嘴的喷嘴特性和残余压力有关。陋论 研究与试验研究相结合，提出了改善方案，为制定试验方案提供指导和 打开试验研究思路。j 上海交通大学工程硕士专业学位论文 摘要 3 计算机仿真研究 本文主要用h y d s i m 软件分析了削扁出油阀对系统低速性能的影 响。( 削扁出油阀几何结构简单，但置身于燃油系统中，要分析其作用比 较困难，h y d s i m 软件灵活的建模方式能够实现这一目标。仿真结果显示 原系统低速区存在不稳定喷射现象，残余压力为0 ( 有空泡且含量不稳) ， 削扁出油阀能提高残余能力，并且适量的削扁量能使残余压力稳定，改 善不稳定喷射，若削扁量不当，如过大，虽提高了平均残余压力但更加 剧了不稳定喷射。- 4 4 燃油系统的试验研究 利用先进的试验仪器设备，验证理论分析结果。通过对试验数据的 分析和理论研究，找出本系统怠速不稳的根本原因是怠速范围内存在双 波不稳定喷射区、油量密集区。通过改进设计试验研究，达到改善怠速 不稳的最终目的。) 关键词： 柴油机；怠速稳定性i 残余压力，喷射系统仿真 塑鎏踅堕兰塑兰墅! 主童些兰垡堡壅 竺! 坐坚 r e s e a r c ho nt h ef u e l i n j e c t i o ns y s t e mf o r i m p r o v i n g t h ei d l es t a b i l i t y a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei sf o c u s e do nt h er e s e a r c ha n di m p r o v e m e n to ft h ef u e l i n j e c t i o ns y s t e mu s e d f o rt h ed i e s e l e n g i n em o d e l4 1 0 2 b qp r o d u c e db y c h a o y a n gd i e s e le n g i n ef a c t o r y c o m b i n i n g t h e o r e t i c a n a l y s i s ，s y s t e m s i m u l a t i o na n dt e s tr e s e a r c h ，i ti sw i n gt of i n do u tt h er e a s o n so ft h ei d l e i n s t a b i l i t y a n ds o l v et h ei d l eu n s t a b l e p h e n o m e n a b yb yc h a n g i n g t e s t p a r a m e t e r s t h e m a i nc o n t e n t so f t h i sp 印e ra r ea sf o l l o w s ： 1 a n a l y s i so f m e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h ef u e li n j e c t i o ns y s t e mo f p u m p - l i n e n o z z l e t h e r ea r em a n yf a c t o r si n “p u m p l i n e n o z z l e ”f u e li n j e c t i o ns y s t e m ， w h i c ha f f e c ti d l e s t a b i l i t y u p o na n a l y s i s o ft h es y s t e m ，s o m ee x i s t i n go r p o s s i b l e f a c t o r sa r ee m p h a s i z e d a ni n t r o d u c t i o no fc o m m o nm e t h o d sf o r j u d g e m e n t a n ds o l u t i o ni sg i v e n 2 p r i n c i p l ea n a l y s i so f i r r e g u l a ri n j e e t i o np h e n o m e n a i r r e g u l a ri n j e c t i o no ft h e “p u m p l i n e n o z z l e ”f u e li n j e c t i o ns y s t e mi s o n e o ft h em o s ti m p o r t a n tr e a s o n sa f f e c t i n gt h ei d l es t a b i l i t y , w h i c hh a sc l o s e r e l a t i o n s h i p w i t ht h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e i no r d e rt o s h o wt h e i r r e g u l a r i n j e c t i o nr e l a t i o n sw i t h t h ef u e ln o z z l ec h a r a c t e r i s t i c s t h eb a s i cm a t h e m a t i c a l e q u a t i o n sd e a l i n gw i t h t h ep u m pe n d ，n o z z l ee n da n dh i g h - p r e s s u r ep i p ea r e e s t a b l i s h e d m o d e lo nt h ep r e s s u r ew a v e t r a n s f e ri nt h eh i 曲- p r e s s u r ep i p ei s e s t a b l i s h e d ，b o u n d a r y c o n d i t i o n so ft h e p u m p e n da n dn o z z l ee n da r e s i m p l i f i e da n da r ta n a l y s i s i sd o n eb yt h ee i g e n v e c t o r a f t e rt h a tac e r t a i n i m p o r t a n tm e t h o d i sc a r r i e do u t ，w h i c hc o u l dg i v eag u i d eo nh o w t om a k ea 圭童奎望查堂三矍堡圭主些兰垡堡苎 些! ! 坠! ! b e t t e rt e s tp r o c e d u r ea n d p r o v i d e at r a i no f t h o u g h t o nt h et e s tr e s e a r c h 3 s i m u l a t i o no f t h ef u e li n j e c t i o ns y s t e mw i t hh y d s i m t h ep u r p o s eo ft h es i m u l a t i o ni s t o i m p r o v et h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s d e g r e e i tm a i n l yf o c u s so ne f f e c to ft h eg r i n d i n gv a l v ei nt h ef u e li n j e c t i o n s y s t e ma n dt h r e es c h e m e so fg r i n d i n gv a l v ea r ec a r r i e do u tt os i m u l a t et h e p r e s s u r ea tn o z z l ee n dt o g e t h e rw i t ht h en e e d l el i f t a n a l y z i n gt h es i m u l a t i o n r e s u l t s ，i ti sf o u n d t h a tt h eg r i n d i n gv a l v eh e l p sr a i s et h er e s i d u a lp r e s s u r e ，a n d t h e p r o p e rg r i n d i n ga m o u n tw i l lh e l pr a i s e t h en e e d l el i f ta n dm a k et h e r e s i d u a lp r e s s u r es t a b l e h o w e v e rt o om u c h g r i n d i n ga m o u n t w i l lc a u s ee v e n m o r e i r r e g u l a ri n j e c t i o n 4 t e s tr e s e a r c ho nt h er e s u l t so f t h e o r e t i ca n a l y s i s b ym e a n so fa d v a n c e dt e s te q u i p m e n ta n ds c i e n t i f i c t e s ts c h e m e s ，i t v a l i d a t e st h er e s u l t so ft h e o r e t i ca n a l y s i so no n eh a n d ，o nt h eo t h e rh a n di t i n s t r u c t st e s t sa c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h e o r e t i ca n a l y s i s b yc o m b i n i n gt h e t h e o r e t i ca n a l y s i sa n dt e s td a t a t h ee s s e n t i a lr e a s o no fi d i ei n s t a b i l i t yi st h a t t h e r ei si r r e g u l a ri n j e c t i o na r e aa n df u e lm a s sa r e ai nt h el o wi d l es p e e dr a n g e i ta l s os u p p l i e st h ei m p r o v e m e n t so f t h ed e s i g nt os o l v et h ep r o b l e m a ta 1 1 k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，r e s i d u a lp r e s s u r e ，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 d l es t a b i l i t y i i 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章概述 1 1 研究动态 第一章概述 怠速稳定性是柴油机与油泵匹配过程中考核的重要性能指标之一，配试与使用 过程中，经常会出现低速不稳现象，尤其目前柴油机直喷化、采用增压技术等强化 后，柴油机更容易出现低速不稳。 怠速稳定性问题，是一个综合复杂的问题，针对柴油机低速稳定性，国内外油 泵油嘴行业、研究所及一些院校很多专家采用不同的手段对怠速游车、怠速熄火、 怠速失速等的怠速不稳现象，进行过大量的理论研究和试验研究。 1 1 1 柴油机调速系统稳定性研究 转速稳定性是发动机整个调速系统各个环节共同作用的综合性能。柴油机在各 种工况下能稳定可靠地工作，需装置动态性能良好的调速器，它和喷油泵、柴油 机、负载等共同组成一个闭环的调速系统，其功能方框图如图1 - 1 所示： 卜 q x o 一稳定齿条位移初值x 一齿条位移q 一喷油量t m 一输出扭矩t d 一柴油机角速度 图1 - 1 柴油机调速系统方框图【1 1 f i g 1 1s p e e d c o n t r o ls y s t e mo f ad i e s e le n g i n e 柴油机发出的能量与耗能装置所吸收的能量相等时，柴油机处于稳定状态下工 作，其性能参数不随时间而改变。当负载发生瞬间突变或柴油机其它内、外工作条 件发生变化时，柴油机将处于变工况下工作，如果其调速系统的动态性能良好，则 柴油机能在较短的时间内由过渡过程回到平衡状态“。 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章概述 研究柴油机调速系统稳定性问题，必须考虑每个环节影响。系统稳定性理论 分析的两种常用的方法有：微分方程分析法和传递函数分析法。 4 j ”3 微分方程分析 法对调速系统进行建模，得出整个回路微分方程，利用劳斯一赫尔维茨判据进行稳 定性分析。传递函数分析法依据于各环节微分方程拉氏变换、实测的方法即频率特 性试验，绘制伯德图和乃氏图，引用稳定裕度概念，进行相对稳定性分析。无锡油 泵油嘴研究所王亚伟教授、居钰生博士 2 3 等在这方面进行过深刻地研究，应用控制 理论和采用矢量分析法研究产生怠速不稳机理，把喷油量、柴油机输出扭矩、转 速、调速器作用于齿条位移等用相互关联的矢量来表示，并通过大量调速器幅频特 性、相频特性试验，研究柴油机产生游车机理和提出有利于消除游车现象措施。 消除柴油机游车措施：”儿“ 调速器方面： 1 加大弹簧刚度，但弹簧刚度过大不仅使调速率过大，而且容易失速。 同时加大弹簧刚度和飞锤质量，既消除游车，又不会引起调速率增大和失速。 2 减小运动件质量，但受零件刚度的限制。 3 减小零件装配间隙和运动件表面的磨擦力 油泵方面： 1 减小喷油泵速度特性( 即齿条固定时，油量随转速变化的特性) 曲线上升斜 率，这是泵一管一嘴系统决定的。 2 采用合适的柱塞斜槽导程 1 1 2 喷油泵、调速器动态过渡特性研究 柴油机运转过程中，特别是变工况状态，转速是不断波动的，燃油系统过渡特 性直接影响转速的稳定。 喷油泵转速一定，突然改变调节齿条位置；或调节齿条位置一定，突然改变喷 油泵转速，第一次喷油时的喷油量与稳定时的喷油量存在的差值称为超调油量【7 。 超调油量值很大程度上取决于由最终喷油泵转速、齿条行程决定的残余压力分布状 况。日本专家伊藤界平口1 把喷油能量的概念引进喷油过程解释瞬态喷油量超调现 象。由于在低速区不同的齿条位置和转速时残余压力( 或气泡含量) 不同，当转速 ( 或齿条位置) 突然变化时第一次喷油开始时，残余压力值由上一次状态决定，所 以出现超调喷油量，经过波动过渡，最后喷油量收敛于稳定值。也就是说不同的状 态，喷油潜能不同。通过试验绘制不同的转速与油量的喷油能量图，将喷油动态过 程更精密的模型化陋 。研究发现，低速区不同的转速对应的喷油潜能有较大的变 化，尽量保证喷油能量的恒定，减少超调量，可以提高怠速稳定性。 日本专家伊藤异平等对调速器的动态特性也进行过非常深入试验和理论分析， 调速器数学模型为二阶振动运动方程。如式( 卜1 ) ”1 ma 戈+ ca 膏+ kax=a o s i n国t ( 1 1 ) x ：齿条位移( 距离平衡点) m ：运动质量( 换算到齿条上) c ：阻尼系数( 换算到齿条上) a ：干扰力振幅( 换算到齿条上) 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章概述 国：干扰力角频率 在理论计算和频率特性试验结果比较过程中，发现对阻尼项的计算存在很大误 差，为此，在有关阻尼力的理论计算方面进行反复试验和推导，总结出“伊藤公 式”，大大提高模拟精度，有利于怠速稳定性研究，并为广泛采用。 1 1 3 特征线图解法对低速喷油特性研究 喷油泵在低速区容易产生不规则喷射，导致怠速转速不稳。日本学者串山正 o 】，利用高压油路内压力波的特征线图解法以及采用针阀喷嘴浮动段的喷嘴特性曲 线，分析了无限供油矩形波条件下的针阀升程波动问题。从理论上阐述了在低速区 出现波动喷射的条件。由于特征线图解法，简化了“泵一管嘴”模型，突出了产生 不规则喷射的本质因素，是一种比较方便、直观的理论分析手段。国内很多学者也 采用这种方法来分析怠速稳定性问题，大连理工大学初纶孔、洛阳工学院赵致和教 授利用喷油压力波特征线图解法“0 1 1 1 2 1 来分析各种不规则喷射和喷嘴特性上负斜 率值的影响规律。并结合实例提出解决方案。 1 1 4 柴油机静力稳定性研究 动态分析怠速问题能够全面的了解影响稳定性的各因素，但动态分析数学模型 建立比较复杂。很多问题在系统静态分析中就能发现存在不稳因素。一般认为，在怠 速工况。调速器工作在调速斜线段( 转速上升，齿条向减油量方向移动) ，当外界因素 引起转速波动时。通过调速器作用，带动油量调节齿条，增减油量来维持转速的稳 定；而柱塞的速度特性是随着转速的上升，油量增加的。整个燃油系统是两种相互矛 盾的因素叠加 ，”，如式( 卜2 ) 。 a oa 口j q = q o + ( ) o x + 【_ 二l ) o 国6 7，6。 ( 1 - 2 ) g - g 。= ( 争o ( 毒蔓) o + ( 要- ) c 0 0 3 bo 倒6 q ：转速波动状态喷油泵的循环喷油量 q o ：转速稳定状态喷油泵的循环喷油量 x： 拉杆的位移 。：凸轮轴的角速度 塑：由柱塞斜槽导程决定，为正值 僦 l ：由调速器调速特性决定，为负值 d 望：由柱塞速度特性决定，为正值 a 堡茎望查兰三翌堡主! 些兰堡堡苎 塑二兰塑堕 如果在某一区域柱塞的速度特性上升斜率较大，即毒翌较大。转速突然上升波 0 0 9 b 动，没有及时的减小油量，反而油量增加，柴油机将在该区域失去静力稳定。无锡油 泵油嘴研究所居钰生博士n 4 3 对此曾做过研究，提出增加柱塞导程、减小弹簧刚度、 和削扁出油阀等来提高柴油机静力稳定性【1 5 】 1 m 。 怠速稳定性问题影响因素较多，往往一个现象由几种因素产生。人们碰到怠速 不稳现象，参考前人的研究成果很多问题得到解决，但有些怠速不稳现象局限于前 人的研究，解决起来十分棘手，错综复杂。很有必要有针对性的进行系统的理论分 析和试验研究，把影响怠速不稳的因素综合起来，寻找其内在的联系。 1 2 课题背景介绍 威孚公司配东风朝阳柴油机厂4 1 0 2 b q 柴油机a 型泵在用户使用中经常反映怠 速不稳，并多次处理，未能彻底解决，大批退货和停止生产。本产品市场需求量很 大，严重影响威孚产品市场占有率和经济效益。其他品种如a w 泵、i w 泵、p l 泵、p w 泵在使用过程中也曾多次出现怠速不稳( 如怠速熄火、怠速失速、怠速波 动伴随异响等) ，影响着公司产品质量声誉。为此公司技术中心下达攻关任务，查 找引起本产品怠速不稳的机理，提出解决方案，使之尽快恢复生产。并希望通过本 课题的研究，为公司技术中心产品设计和产品匹配人员提供理论与试验依据，杜绝 以后类似问题的产生。 表1 1 为柴油机低怠速原状态台架试验数据： 表1 1 怠速试验结果 转速( r r a i n )状态 5 0 0 波动2 0r m i n 5 2 5 波动1 5 r m i n 5 5 0 稳定 5 7 5 波动5 0r m i n ，柴油机声音粗暴 6 0 0 8 5 0 无法稳定( 称之为失速) 9 0 0 稳定 6 0 0 8 0 0 r m i n 是用户经常使用的怠速工况转速，不允许存在任何不稳定现象。 1 3 课题研究的技术路线和要达到的目标 本课题从该产品喷油泵、喷油嘴、调速器结构特点入手，对各有可能影响怠速 不稳的各个环节进行定性分析。以本公司编号为4 a 4 5 1 一由9 5 1 6 0 0 的a 型泵产品为 研究对象，着重分析泵一管一嘴燃油喷射系统，从定性到定量的分析喷射稳定性。以 4 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章概述 揭露产生怠速不稳机理、改善怠速稳定性为目标制订试验方案，提出解决措施，改 善怠速稳定性，恢复生产，具体路线如下： ( 1 ) 利用特征线图解法，根据本产品的结构特点，突出影响低速喷射特性的本 质因素，简化数学模型，定性分析不规则喷射的产生机理和不同转速条件下，针阀 波形的变化规律。通过研究，可以直观的了解针阀波形的演变过程，并把针阀升程 的演变过程同不规则喷射相互联系，通过图解分析，提出把不规则喷射区移到常用 的转速范围之外各种的方案，为试验研究提供指导。 ( 2 ) 利用h y d s i m 仿真软件模拟仿真计算，h y d s i m 软件建模灵活、操作方便， 在本文中主要研究削扁出油阀对喷油特性的影响，为试验研究提供指导。 ( 3 ) 应用了先进的试验手段，以理论为指导，进行了科学的试验。对原燃油系 统喷射特性进行系统的试验分析，查找本产品引起低速不稳的内在机理。并通过改 变参数，改善不规则喷射和喷油量速度特性，达到改善怠速稳定性的目的。 1 4 本课题的意义 通过本课题的研究，主要意义有三点。 ( 1 ) 通过改进方案，解决了产品存在的技术问题，达到主机厂的要求，恢复了 生产和销售。 ( 2 ) 在前人的研究成果基础上，结合怠速不稳事例，进行了理论分析、仿真计算 和试验研究，把不稳定喷射、油量密集、超调油量等现象和针阀升程、残余压力联 系在一起，寻找内在本质，并提出个人看法。 ( 3 ) 启用了新引进的单次喷射仪和新引进的h y d s i m 仿真软件，在各种试验设备 仪器的二次仪表、三次仪表搭建上，和软件的二次开发上，投入了大量精力，无论 对自己技术水平的提高还是对本公司的基础研究工作都是很有价值的。 一二堕壁望垦茎堂三矍堡主主坐丝塞 笙三童塑塑堕盟墨竺主堑堕垒垄整塞丝塑里壅 第二章燃油喷射系统中影响怠速 稳定性的因素 2 1 燃油喷射系统的基本结构和功能 油泵、油嘴是柴油机燃油喷射系统最具代表性的简称。柴油机燃油喷射系统完 整的组成：柴油箱、低压油管和高压油管、粗滤器和精滤器、输油泵、喷油泵、调 速器、提前器、联轴器、喷油器等。( 见图2 1 ) l - 柴油箱2 - 输油泵3 滤清器4 喷油泵5 调速器6 提前器7 联轴器 8 一喷油器9 一高压油管1 0 低压油管11 - 回油管 图2 - 1燃油喷射系统的组成图1 7 1 f i g 2 - 1 f u e ls u p p l ya n d d e l i v e r yi nf u e li n j e c t i o ns y s t e m 整个燃油系的流通途径：贮存在柴油箱l 内的柴油经过低压油管l o 进入输油泵 2 和经过低压油管进入滤清器3 ，再经过低压油管进入喷油泵4 ，喷油泵驱动端由联 轴器7 与柴油机传动轴相连，联轴器7 和喷油泵间装有提前器6 ，喷油泵传动端又 与调速器5 相连，喷油泵产生的高压油经高压油管9 进入喷油器8 ，喷油器喷出的 雾状束进入柴油机气缸盖内，在燃烧室内燃烧，作功。柴油机投入正常运转。喷油 泵和喷油器中多余的燃油再回到滤清器和柴油箱内。 兰燮奎兰三堡堡主主些堂垡堡奎第二章燃油喷射系统中影响怠速稳定性的因素 低压油管用于柴油箱和喷油泵间的低压油路和所有的回油管路，一般由耐油软 管或铜管制成，低压油路的压力一般在0 0 5 - - 0 3 m p a 范围内。高压油管用于喷油泵 和喷油器间的高压油路，一般由高压无缝钢管制成，其规格尺寸由柴油机制造厂通 过试验最后确定。 滤清器用于过滤细微的杂质，防止进入精密偶件加快磨损。一般除了在柴油箱 和输油泵入口处有普通的过滤网和沉淀杯外，有专有的滤清器，甚至有粗细两级滤 清器，前级粗滤器过滤较粗的杂质，后级精滤器过滤较细的杂质。滤清器由金属， 棉毡和纸质作滤芯，目前广泛采用纸质滤芯。 输油泵是保证低压油路中柴油的正常流动，克服管路的阻力，以一定的低压向 喷油泵提供足够的柴油。 联轴器是联结喷油泵和柴油机传动轴的装置。 提前器是用于工作转速范围宽广的移动式柴油机，满足各转速工况有最佳的动 力性和经济性。 喷油泵是产生高压柴油的装置。 调速器是随负荷和转速调节供油量，保证柴油机稳定工作的装置。 喷油器是使高压柴油雾化，以利于燃烧的装置。 燃油喷射系统功能； 1 供油系随柴油机的负荷大小能将柴油定时，定量，均匀地供给柴油机。 2 随着外界阻力的大小的变化，能自动调节供油量，确保柴油机按一定的转速稳 定运转。 3 使柴油提高到足够的压力，使其雾 化与燃烧室良好配合，获得最佳的燃烧过 程。 2 1 1 喷油器总成的结构和工作原理 喷油器总成的功能是： 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 将燃油按一定的角度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咀偶件、喷油 器体、调压装置、油管接头、紧帽等零部 件组成。( 见图2 - 2 ) 当高压燃油经高压油道进入喷油咀 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 压油进入咀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， 4 卜喷油嘴 2 一紧帽 3 - 喷油器体 4 一调压弹簧 5 一调压螺钉 6 油管接头 图2 - 2喷油器总成装配图 f i g 2 - 2 n o z z l e a n d - h o l d e ra s s e m b l y 油道内压力降低，针阀受弹簧的压力而降 7 - 二堕篁笙望查兰三望堡圭童兰坚兰! 堂苎 塑三兰塑垫堕盟墨竺主墅堕垒婆整塞丝些里壅 至针阀座面以关闭高压腔，这时燃油 不能经过喷孔进入发动机气缸的燃烧 室，而燃烧室的燃油也不能进入喷油 器体内。由于喷油器总成的主要组成 是喷油咀偶件，而喷油咀偶件又有不 同结构形式，所以喷油器总成也有不 同的结构形式。 2 1 2 喷油泵总成的结构和工作原理 喷油泵是柴油机燃油系中最重要 的组成部分之一，它在整个系统中的 布置见图2 1 。喷油泵有如下功能： 1 将柴油从低压提高到高压。 2 供给与柴油机的工况相对应的 油量。 3 在精确的时刻供油。 4 各缸的供油量需均匀。 a 型泵的结构( 图2 3 ) a 型泵由 喷油泵体、柱塞偶件、出油阎偶件、 出油阀弹簧、出油阀接头、减容器、 油量控制套筒、调节齿圈、调节齿 杆、挺柱部件、凸轮轴等组成。 喷油泵的工作原理 1 ” 1 供油过程( 图2 4 ) 根据喷油泵工作原理，通常把柱 塞的泵油过程分解成下列几段行程。 ( 1 ) 预行程h 1 凸轮轴在转动时，推动挺柱部 件上下运动。开始时柱塞由下止点 ( 即滚轮与凸轮基圆处接触) 升起到 进，回油孔关闭，这段行程称为预 行程，预行程在装配调试时，可以 通过改变正时螺钉的位置或挺柱体 垫片的厚度进行调整。同一种油泵 至喷嘴 t 1 - 出油阀接头2 一出油阀弹簧3 - 出油阀偶件4 - 喷油泵体5 低压腔6 齿 杆7 - 油量控制套筒8 - 柱塞弹簧9 - 挺柱体部件1 0 凸轮轴1 1 弹簧座1 2 柱塞偶件1 3 - 调节齿圈1 4 - 进回油孔 图2 - 3 喷油泵结构图m f i g 2 - 3s e c t i o nd r a w i n go f f u e l - i n j e c t i o np u m p 按要求可调出不同的预行程，如正时螺钉和挺柱体垫片改变尺寸，则预行程也相 差相同的尺寸，而不同的预行程反映在柱塞供油时是在不同的凸轮段工作。 ( 2 ) 减压行程h 2 柱塞向上运动，从进油孔开始关闭到出油阀上升使减压带脱开阀座导向孔，即 高压油供油开始点，这段柱塞行程称为减压行程( 柱塞在向上运动，使出油阀从高压 密封座面的关闭状态到减压带脱开阀座导向孔的这段行程，并不是减压作用，只是 柱塞在下行时，出油阀从减压带开始进入阀座导向孔到落座，高压系统内突然增大 与出油阀减压容积相等的空间，使燃油压力迅速下降，这是柱塞向下移动相应的行 8 - 二望篁塑生苎兰! 墅主主! ! 兰垡堡苎 苎三兰塑垫堕墅墨竺主墅堕皇望整塞堡箜里壅 程。由于高压系统内燃油压力能迅速减小，减压行程因此得名) 。减压行程与出油阀 减压容积成正比，在出油阀减压容积不变的条件下，则减压行程又与柱塞直径成反 比。 i 囊行bl i l t 行 i 宥麓行疆 b c d ) 图2 - 4 柱塞供油过程n 7 3 f i g 2 - 4p l u n g e r - s t r o k ep h a s e s 虬囊行一 ( 3 ) 有效行程h 3 从高压油供油开始到柱塞斜槽( 或螺旋槽) 打开回油孔即停止供油，这段柱塞行 程称为有效行程。 t j b )c ) a ) 不供油b ) 部分供油c ) 最大供油 图2 5 a 型泵油量调节 f i g2 - 5f u e l - - d e l i v e r yc o n t r o l f o ra t y p ep u m p 有效行程的大小是通过改变柱塞斜槽与柱塞套上回油孔的相对位置来实现的， 这种改变，一种是静止的调整。用调整拨叉与拉杆的相对位置( i 号泵) ，或调节油 量控制套筒与调节齿圈的相对位置( a 型泵) 来实现的，另一种是动态的变化，由调 速器工作通过齿杆，调节齿圈或拉杆、拨叉来控制柱塞的相对位置。有效行程h 3 大 小决定了循环供油量的大小，h 3 愈大，每循环供油量愈大，反之亦然。当有效行程 9 圭塑奎型三墅主童些堂垡笙茎第二章燃油喷射系统中影响怠速稳定性的因素 为零时，则喷油泵停止供油，如图2 5 柱塞在不同有效行程的相对位置，其中c 为 最大供油量位置，b 为部分供油量位置，a 为零供油位置。 ( 4 ) 剩余行程h 4 柱塞从回油孔打开的停止供油开始点到上止点这段行程称为剩余行程，这段行 程内油泵不供油，剩余行程的大小由柱塞总行程( 即凸轮最大行程) 减去其他几段行 程之和。 2 a 型泵的油量调节( 图2 5 ) 柱塞上、下运动一次的供油量( 即所谓单缸每循环供油量) 决定于柱塞顶面关 闭柱塞套迸、回油孔到柱塞控制槽打开柱塞套回油孔的柱塞行程。改变这一行程的 大小就能改变单缸每循环供油量的 大小。a 型泵是通过齿圈带动油量 控制套筒转动，油量控制套筒又通 “” 过下部与柱塞扁位配合的槽转动柱 塞而改变柱塞控制槽与柱塞套回油 孔的相对位置来改变这一行程的。 2 2 柴油机的工作稳定。陛和调 速器的功能 2 2 1 柴油机工作的稳定性 柴油机工作时，当输出扭矩m e 与阻力m c 相等，则柴油机处于平 衡状态，即柴油机在某一转速稳定 运转。图2 - 6 分别表示柴油机输出 扭矩特性m e = f ( n ) ( 曲线1 4 ) 和阻 ” 力矩特性m c = f ( n ) ( 曲线5 8 ) 。其 。 中a ，b ，c ，d 等各交点分别代表 。 不同的平衡工况。但是柴油机运转 时，完全平衡是相对的，因为内， 。 外因的影响，不可能一直处于平衡 状态。尤其与汽车，拖拉机配套使 用时，路面条件的不同，上坡，下 坡，田间阻力的差别，负荷更是经 常变化。这些外因的变化，使作用 到柴油机上的阻力矩m c 随时发生 变化。在内因方面，如柴油机工作 图2 - 6 柴油机平衡工况条件m 】 f i g 2 - 6 s t a b l ew o r k i n gc o n d i t i o no f d i e s e l m c n nn n 图2 - 7 柴油机稳定工况 1 7 f j 醇- 7s t a b l ew o r l d n g c o n d i t i o no f d i c s e ! m c e m c b m c f 时燃烧压力不均匀会使输出扭矩m e 瞬间变化。这些外因和内因的变化，都会破坏柴 油机的平衡，使其转速产生偏移，如输出扭矩曲线和阻力矩曲线走向按图2 7 所 示，负荷减小，柴油机将从稳定的转速n 增加到n ，这时输出扭矩为m e c ，比相对 燮望查兰三堡堡主童些堂垡丝文第二章燃油喷射系统中影响怠速稳定性的因素 应的阻力矩m c e 要小，因此会使柴m 。 油机降速，自动向平衡位置恢复， 反之，如负荷增加，柴油机转速低m 。 到n ”，这时输出扭矩m e a 大于阻 力矩m c f ，柴油机将增速，也会自 m 。b 动向平衡位置恢复，这种不通过控 制机构调节，能自动恢复到平衡工m 。 况的能力，称为自平衡性( 稳定 性) 。图2 7 所示情况表示内燃机有 稳定的平衡工况，即具有自动平衡 性。 柴油机稳定的平衡工况与圆球 处在凹曲面的最低位置( 图2 - 7 ) 相 似，圆球离开平衡位置后能自动回 到原来的平衡位置。 盏 最 曩 暴 露 鼎 n nn n 图2 - 8 柴油机不稳定工况 1 7 1 f i 醇8i n s t a b l ew o r k i n g c o n d i t i o no f d i e s e l nn 。 柴油机转速n 1 柴油机扭矩曲线2 阻力矩曲线3 、4 - - 切线 图2 - 9 柴油机稳定性因素确定1 7 m c f m c b m c e 如柴油机特性曲线的走 向，按另一种方向变化时 ( 图2 8 ) ，当负荷变化减 少，柴油机转速由r l 增加到 n ，这时输出扭矩和阻力矩 分别为m e c 和m c f 。由于 皇m e c m c f ，所以柴油机转速 龋会继续升高，将产生飞车现 荟象：当柴油机负荷增加，转 一 速若由n 下降到n ”，这时输 出扭矩m c a 小于阻力矩 m c e ，所以柴油机转速继续 降低，直到自动熄火为止， 这种离开平衡工况b 点后无 法自动恢复到平衡位置的现 象，称为不稳定性。如图2 8 圆球处于凸面最高位置的 f i 9 2 9 d e t e r m i ”i n f l “。“c e f a c t o r s f o d i e 8 。ls t a b l 。o n d n i o n 情形相似，即圆球稍有偏移 时，就不能自动回到原来位置。 如柴油机特性曲线机阻力曲线按图2 9 所时，当负荷减小，转速升高，这时柴 油机离开平衡工况b 点，输出扭矩m e 及阻力矩m c 都引起变化，两者差值为m ： m = m c e m e c( 2 - 1 ) 式中： m c e 一转速为n 时的阻力矩： m e c 转速为n 时的输出扭矩。 当转速大于平衡工况，m 为正值，表明阻力矩大于输出扭矩，因此，柴油机 能自动恢复到平衡工况，且m 值愈大，柴油机工作离开平衡工况后，愈容易恢复 一二堕篁望坠茎兰三堡堡主! ! ! 壁垡笙壅 兰三兰燮垄堕墅墨竺! 墅堕垒壅整塞堡塑里壅 到平衡位置，即在同样的转速变量为an 时， m 愈大，稳定性愈好。因此，可取 m 与a n 比值来评价柴油机的稳定性，通常称此比值为柴油机稳定性因数，以e 表 示： p ：坐( 2 - 2 、 a n 如柴油机转速变化值很小时，则过平衡位置b 点曲线l 和2 上扭矩变量，近似 地等于切线3 和4 上的变化值( 图2 - 9 ) a m = 幽。+ 幽r 幽：+ 州7 。：坐! 坐! n 由于输出扭矩和阻力矩属多元函数，不仅与转速有关，还受操纵手柄位置和阻力 特性( 如车用柴油机采用不同的排挡) 等影响，先仅考虑转速的影响，则可取偏导数 表示如下 蝴! = 妇c g 。：单a na m 。= h 辔晓= 二； 册 ：h 唧e ：芈h u h 稳定性因数e 的表达式如下： p ：丝一丝( n z - n d )p = “lj 锄a n 从稳定性因数e 的表达式中 可以知道当是当 是生时，则自 茎 埭 用 转速n 1 - 柴油机扭矩特性曲线2 - 阻力矩特性曲线 图2 - 10 柴油机扭矩特性( 调速嚣不起作用) f i g 2 - 1 0 d i e s e lt o r q u ec h a r a c t e r i s t i cc l f f v e s 稳定因数为正值，柴油机工作容易稳定。反之尝生 蜥 蜥。 由于孔式喷油嘴在升程较小的区内，a h 比值很大，因此针阀升程即使只 有少量的波动也会引起油量很大的变化，这就是直喷式柴油机在低速时不容易稳定 的另一个原因。 采用双弹簧喷油器是改善怠速不稳定的措施之一【2 ”。这种喷油器有两根弹簧， 分别在针阀升起的两个阶段，控制不同的针阀开肩压力。在较低的压力下能克服第 一根弹簧的预紧力使针阀开启，但升起一定量后，就受第二根预紧力较大的弹簧阻 挡。根据双弹簧喷油器结构原理分析：柴油机低速小负荷时由于油量小压力低，针阀 顶开第一根弹簧，升起一定升程后被第二根强弹簧限制，这样能使针阀得到一个相 对稳定的升起高度，针阎不易出现浮动状态，矿值较稳定。 1 9 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第二章燃油喷射系统中影响怠速稳定性的因素 2 4 常见的怠速不稳类型游车与失速 游车：柴油机工作时，转速无法保持绝对的稳定，总有一定的波动。在转速波 动振幅不大时，表现出相对稳定的运转，柴油机声音也较正常。但当转速波动幅度 过大时，柴油机运转就出现不稳定的现象，伴随着会产生忽高忽低的异常噪声。 失速：某些供油系统，由于低速段出现陡峭的速度特性，反映到调速特性曲线 上，常产生马鞍形，使同一油量值下，可能出现多种转速，这样在一个稳定的供油 量时，不论由于何种原因而引起波动，转速就会任意移动，无法获得一个相对稳定 的转速。这种现象就成为失速。 游车与失速有本质的区别，柴油机游车是一动态稳定性问题，与调速器、喷油 泵、柴油机的动态特性都有关，见第一章图卜1 喷油泵、柴油机、负载组成正向回 路，调速器作为反馈回路，共同组成闭环调速系统，当系统反馈信号滞后角过大 ( 机械摩擦阻尼、运动件惯量、滑套间隙，柴油机能量转换影响滞后角) ，或反馈 信号幅值过大( 弹簧刚度、柱塞斜槽导程影响副值) 使调速系统稳定裕度小，系统的 自稳性能变差，将导致柴油机游车o 6 7 ，游车在高、中、低速时都有可能出现。 失速是一个静态稳定性的问题，通常在低速容易出现“”。两者产生原因不同，解决 方法也不一样，有时采取的措施截然相反。如增加弹簧刚度，减少游车现象，但增 大了失速的可能。所以，柴油机低速不稳定时，首先判断是失速还是游车，分析产 生机理，然后才能采取相应的措施。 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第三章喷射稳定性理论分析 引言 第三章喷射稳定性理论分析 直喷式柴油机喷油系统的低速不规则喷射是导致整机低速不稳的主要因素1 9 1 之 一。若未全面弄清其产生机理对试验观察到的某些重要现象：如隔次喷射，不齐喷 射等无法做出确切地解释，因而提不出完善的解决方法。喷射系统中有很多参数影 响喷射性能，要想全面系统地论述它们对喷射过程的影响是比较困难的。目前，研 究和选择配试参数时，主要靠喷油泵试验台和发动机试验，但采用简单的模拟喷射 系统，用特征线法来图解喷射过程中压力变化和喷射的关系，虽然不能作准确定量 的分析，但对认识高压油管中燃油不稳定流动的物理本质，确实简单，迅速，概念 清楚的方法。再结合电测压力波图形分析各种不正常喷射产生的原因，说明消除不 正常喷射措施的理论根据，这样更显得直观，简便，有助于预测和评价各种改进措 施以及可能取得的效果，从而消除盲目性，有效节省时间和资金。 3 1 “泵一管一嘴”系统压力波传递数学模型 为了突出喷射过程燃油在油管内压力变化和针阀升程变化的物理本质，揭露不 稳定喷射的主要矛盾，忽略次要因素，建立简易数学模型。 3 1 1 闭式喷嘴的喷射特性 闭式喷嘴结构如图3 - 1 所示，锥形的针阀头部和阀座吻合，针阀上部导向部分 圆柱截面积为，针阀座处的截面积为工，针阀上部受弹簧预紧力只的作用，所以 图3 - 1 闭式油嘴喷射系统 f i g 3 1f u e li n j e c t i o ns y s t e m w i t hs a co r i f i c en o z z l e 针阀开启压力b 为： 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第三章喷射稳定性理论分析 r = 只( l 一六)( 3 - 1 ) 因高压油接触到阀座的什么位置不易确定，所以不能准确的知道，值，通常用 阀座的外侧直径。针阀开启后由于针阀的全部截面积都被压力油作用，所以针阎关 闭时的压力b 可用下式求出。 只= 只l 很明显r b (