柴油机P型喷油器设计

CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY 毕 业 设 计 说 明 书 题目 柴油机 P 型喷油器设计 二级学院 直属学部 专业 班级 学生姓名 学号 指导教师姓名 职称 评阅教师姓名 职称 2014 年 11 月 常州工学院毕业设计 摘 要 随着柴油机性能和结构等各方面的改进 喷油器已经被很多人所重视 在技术方 面也取得了显著的进步 但是它仍然是柴油机的一个比较薄弱的环节 容易损坏 并 且使用量很大 本文参考了有关柴油机和燃油供给系统的许多文献以及喷油器生产厂家多年来在 实际生产中积累的实践经验 我从喷油器的自身到燃油供给系统进行了相关分析 对 喷油器的结构 工作原理和应用进行了详细说明 利用以上理论对对现行使用的喷油 器进行可行性的结构改造 最终使所设计的 P 型喷油器排放达到欧洲 排放标准 关键词 柴油机 喷油器 针阀 针阀体 柴油机 P 型喷油器设计 目 录 1 燃油系统的组成和要求 1 1 1 燃油供给系统的分类 1 1 2 燃油供给系统的基本性能指标 1 1 3 燃油供给系统地组成 1 1 4 燃油供给系统的基本功用及要求 1 2 闭式柴油机喷油器的结构和工作原理 3 2 1 喷油器的结构分类 3 2 2 闭式喷油器的结构 3 2 3 喷油器的功用 5 3 喷油器与燃烧室的匹配 6 3 1 开式燃烧室与喷油器的匹配 6 3 2 半分开式燃烧室与喷油器的匹配 6 3 2 1 喷油嘴的凸出高度 7 3 2 2 喷油器相对于气缸中心线的偏移 7 3 2 3 喷油器的安装斜角 8 3 2 4 喷孔的位置 9 3 2 5 喷孔参数的选配 9 3 3 低惯量多孔式喷油器的优点 10 3 4 喷油器设计的其他问题 11 3 4 1 燃油流道 11 3 4 2 燃油倒流 11 3 4 3 喷油嘴热负荷 12 4 多孔式喷油嘴喷孔参数的选择和喷油器体设计 13 4 1 喷孔总截面积 cf 13 4 2 喷孔直径与孔数 14 4 3 多孔喷油嘴的最小流通截面 14 4 4 座面应力 15 4 5 针阀关闭时间的计算 18 4 6 喷油器调压弹簧的计算 18 4 6 1 应力校核 19 4 6 2 材料的选择与热处理 20 4 7 漏油量的计算 20 结 论 22 常州工学院毕业设计 致 谢 23 参考文献 24 附 表 25 柴油机 P 型喷油器设计 1 1 燃油系统的组成和要求 1 1 燃油供给系统的分类 燃油供给系统在柴油机发展的过程中经历了长期演变 出现了各种不同的类型 现代柴油机主要采用机械喷射系统 其中以喷油泵与喷油器用高压油管连接 泵油柱 塞定行程 溢流孔调节或节流调节的泵控式燃油供给系统广泛应用 此外 也采用了 喷油泵与喷油嘴制造为一体的泵喷嘴系统 近年来出现了某些新型的供油系统 如高 压燃油共轨喷射系统 1 2 燃油供给系统的基本性能指标 燃油供给系统的基本性能指标是 1 每缸每工作循环的喷油量 供油系数 供油量及其变化范围 2 各缸喷油量的 不均匀度 3 喷油延续时间 最佳供油提前角 喷油提前角 4 喷油延续时间 5 燃油 喷雾特性 6 喷油规律 7 喷油稳定性 8 供油特性 9 速度特性 10 使用寿命 1 3 燃油供给系统地组成 柴油机燃油供给系统的组成一般由燃油箱 低压输油泵 滤清器 高压喷油泵 喷油器以及中间连接的低压油管和高压油管等重要部件组成 图 1 1 图 1 1 燃油系统的组成 1 油箱 2 分配开关 3 加温装置 4 手动输油泵 5 粗滤清器 6 低压输油泵 7 精滤清器 8 喷油泵 9 喷油器 10 放气装置 11 喷油井 12 溢流管 13 低压油管 14 高压油管 1 4 燃油供给系统的基本功用及要求 燃油供给系统应该按照柴油机的工作需要 将适量的燃油 在适当的时候以适当 的空间状态喷入燃烧室 造成混合气形成与燃烧最有利的条件 以实现柴油机在功率 扭矩 转速 油耗 噪声 排污以及启动和怠速等方面的要求 燃油供给系统的设计应力求做到 1 正确计量供油 并保持各个气缸油量均匀和各循环油量稳定 2 保证合适的喷射正时 常州工学院毕业设计 2 3 喷雾特性与燃烧室配合良好 油束的雾化 分散 分布和贯穿适度 4 喷油规律同混合气形成与燃烧过程配合良好 取得合适的燃烧速率 压力增 长率和最高爆发力 5 供油设备工作可靠 使用寿命长 结构简单 紧凑 零件工艺性好 维修保 养容易 柴油机 P 型喷油器设计 3 2 闭式柴油机喷油器的结构和工作原理 2 1 喷油器的结构分类 由于各种柴油机的气缸盖结构 燃 烧室的形状和燃烧方式差别较大 喷油器也有多种结构形式 按不同特征可作如 下分类 按喷油嘴的类型分 开式喷油器和闭式喷油器 按喷油器在气缸盖上的安装方式分 插入式 按压紧方式又有法兰式和压板式两 种 螺纹拧入式 又分用螺旋套拧紧和喷油嘴外的螺纹拧紧两种 按调压弹簧的布置分 调压弹簧上置式即长挺杆结构和调压弹簧下置低惯性结构 两种 按喷油嘴冷却方式分 非冷却式和强制冷却式 柴油机工作时 燃烧室内的燃油和进入燃烧室内的空气 在燃烧室的内部形成可 燃性混合气体 在气缸内靠活塞的上行压缩而点燃 膨胀做功 这种发动机称为压燃 式发动机 压燃式发动机以供给柴油为主 这种柴油机按一定的喷油规律喷油的部分 较喷油器 或者叫雾化器 也有采用喷油器喷油 用火花 塞点燃的发动机 如柴油 转子发动机 2 2 闭式喷油器的结构 在闭式喷油器中 喷油嘴的高压油腔与燃烧室之间由针阀隔开 针阀在调压弹簧 的预紧力作用下压在针阀体的座面上 针阀与针阀体的接触部分又经过精确配合的密 封带 因此在针阀开启之前与关闭之后 不会有漏油现象发生 只有当供油压力大于 调压弹簧预紧力时 针阀开启 方开始喷油 这样就能保证燃油的雾化质量 实质上 喷油嘴就相当于一个液力自动控制阀 如图 2 1 针阀由弹簧压紧在阀座上 燃油压力只与作用于针阀的一端 当油压达到开启压 力 时 弹簧力被克服 针阀升起 0P 则 2 1 420sndFP 压力室中燃油压力下降后 针阀又在弹簧力作用下落座使喷油终止 则关闭压力sp 为 2 2 24nsdFp 式中 F 弹簧预紧力 闭式喷油嘴针阀的开启与关闭由燃油压力控制 针阀一旦开启 承压面积增加 因而使针阀的升速加快 4 2sd 实际上由于摩擦和惯性 针阀开启压力约为上式中 的 1 5 倍左右 关闭压力亦0P 小于上式中的 sp 闭式喷油嘴可以保证针阀在一定压力下开启 雾化质量好 针阀关闭迅速 不易 滴漏和燃气倒流 孔式喷油嘴有单孔和多孔 孔数 孔径 孔长及其布置 压力室的直径和长度等 常州工学院毕业设计 4 应根据发动机燃烧室结构和混合气形成过程的要求决定 图 2 1 喷油器的构造 1 喷油器体 2 针阀体 3 喷油器螺母 4 结合座 5 挺杆 6 调压弹簧 7 调压螺母 8 定位座 9 紧固螺母 单孔喷油嘴通常用于具有强涡流的燃烧室 多孔式喷油嘴常用于直接喷射式柴油 机 常用 2 7 孔 一般不超过 10 孔 喷孔直径范围为 0 15 1 0mm 但 0 2mm 以下 加工困难 喷孔长径比一般为 3 5 当长径比小于 5 时 喷孔流量系数为 0 6 0 7 喷孔进油侧倒角时流量系数可增至 0 8 0 9 而孔式喷油嘴除了单孔外都不倒角 该系 数随长径比增加而减少 孔式喷油嘴的主要问题之一是喷孔结碳 因此喷油嘴工作温度应尽量低于燃油的 裂解温度 一般控制在 220 以下 孔式喷油嘴有标准型和长型之分 长型喷油嘴的 C 导向部分升高而远离燃烧室 针阀导向部分的下部是一段非配合细长杆 杆和针阀体 之间可将间隙加大 使燃油在其中流动 就有冷却作用 因此 可以大大减少针阀卡 死的可能性 另外 由于细长杆有很好的弹性 在微小变形的情况下仍能够保证针阀 的密封性 长型喷油嘴可适应热负荷较高的柴油机 但其工艺性较差 座面和中空的 同心度不容易保证 短型喷油嘴的针阀 只有导向作用而没有接近燃烧室的细长杆 由于导向部分直接靠近燃烧室 因此 他的工作条件不如长型喷油嘴 多数短型喷油 嘴针阀在其导向部分带两道储油槽以减少漏油量和加强润滑 但实践证明 这种结构 也带来一种缺点 因为两道储油槽边缘的磨削毛刺很难清除 这会造成工作时拉伤导 柴油机 P 型喷油器设计 5 向面 甚至卡住针阀 另外 挤入槽内的研磨膏不易清理 事实上针阀的润滑即使没 有储油槽也是充分的 因为喷油嘴下部的燃油在高压下一部分喷出 还有相当数量的 燃油从针阀于针阀体间挤到上部 然后才经喷油器的泄油孔或回油孔溢出 因此 针 阀于针阀体的配合径面经常浸在燃油中 2 3 喷油器的功用 柴油机燃油供给系统 必须通过喷油器这个部件 将供给系统的燃料 喷到燃烧 室内 一个在柴油机上能够正常工作的喷油器 必须应该满足下列几个最基本的条件 1 喷雾作用 喷油器应当保证所喷出的燃料有细小而均匀的雾粒 并且能将这些雾粒准确地 均匀分布到燃烧室内 以形成优良的混和气 2 定时作用 喷油的开始与结束 都必须有准确的时间 因此 喷油器针阀开启和关闭 都应 当非常准确 迅速 并且不允许有燃油的滴漏现象发生 3 压力控制 喷油器应当在一定的压力控制下开始喷油 当喷射终了时 压力的下降应保持在 一定的范围内 不允许过大 如果压力过大 则喷油器在超过规定的低压下供油 会 造成混和物的形成过程恶化 燃烧不良 影响柴油机的性能 喷油器喷射完毕压力下 降过大的原因 主要是喷油器本身设计所决定的 诸如 各油孔 室的比例选择 调 压弹簧的刚性 针阀的行程 喷油器的制造 装配都有直接关系 另外 还和外界因 素有关 实验证明 如果高压油管过长 喷油泵内出油阀的减压带过大 也会引起喷 油器压力下降过大 4 计量作用 向燃烧室供给的油量 除要由喷油泵供给和控制外 喷油器也可以起到计量和控 制作用 对于多缸柴油机来说 保证各缸供油量的均匀性和准确性是十分重要的 如 V12150L 型柴油机在选择标准喷油器时 当喷油泵转速在 n 850r min 柱塞在 1000 个 行程时 各喷油器的供油量相差不能超过 2g 另外 不允许有两次喷射现象产生 常州工学院毕业设计 6 3 喷油器与燃烧室的匹配 随着柴油机研究过程的不断进展 对喷油器以及整个燃油喷射系统提出了越来越 严格的要求 如不同的燃烧系统 要求匹配不同的喷油器 因此 喷油器与所采用的 燃烧系统应有很好的匹配 借以达到改善柴油机性能的目的 柴油机所采用的燃烧室是多种多样的 按其工作原理可以分为 喷射式和分开式 两大类 直接喷射式又包括开式和半分开式两种燃烧室 分开式包括涡流式与燃烧室 两种燃烧室 由于具有直接喷射式燃烧室的柴油机经济性好 启动也较容易等特点 因此 越 来越广地应用在运输车辆 工程机械以及固定式柴油机上 3 1 开式燃烧室与喷油器的匹配 柴油机燃烧室口径 与缸径 D 之比 的称为开式燃烧室 图 3 1 kd8 0 dk 图 3 1 开式燃烧室 开式燃烧室 多用于缸径较大的柴油机 D 150mm 采用弱涡流或无涡流 根 据这些特点 对喷油器提出了如下的要求 1 由于弱涡流或无涡流 油束的偏转很小 因此 喷油器要求多个喷孔 实验 证明 一般采用 6 10 孔 孔径在 0 2mm 左右较为适宜 孔径太小容易堵塞 特别当 采用重型柴油机时 喷孔直径应当适当加大 2 由于弱涡流或无涡流 整个燃烧系统对穿透过渡及雾化不良的敏感性增加 这要求通过加大燃烧室的口径和提高喷射压力来提高雾化的细微度 若要求油粒达到 10 15 的细微度 喷射压力要求达到 200 400kg cm 2 3 喷油器的安装位置 应该在气缸盖上 居于燃烧室的中心较好 喷射角度多 孔的喷油器设计在 140 160 这种直接喷射式燃烧室 一般油耗在 200 280 的范围内 它比分开式油hkwg 耗降低将近 5 15 3 2 半分开式燃烧室与喷油器的匹配 燃烧室口径 与缸径 D 之比 D 0 35 0 65 的燃烧室 称为半分开式燃烧室 kdkd 目前经常采用的有浅 型 深 型 平底型及球形等 图 3 2 柴油机 P 型喷油器设计 7 图 3 2 燃烧室的类型 2 左右为深 型 深 一般用于小缸径的柴油机燃烧室 深度加dkh 大可以缩短喷孔与燃烧室壁的距离 增加燃料冲击壁面的比例 但如果太深 会造成 活塞的长度增加和引起活塞的过热 型燃烧室的应用比较广泛 一般用于缸径 D 小于 150 毫米的中小型柴油机 上 通常有不等程度的进气涡流 型燃烧室和喷油器的匹配情况与其它类型的燃 烧室和喷油器的匹配情况有很多共同之处 现将喷油器的安装 位置 及其喷孔参数 的选择叙述如下 3 2 1 喷油嘴的凸出高度 喷油嘴凸出高度 指喷孔中心到气缸盖燃烧室底平面的距离 图 3 3 为测方a 便起见 通常测量其从喷油嘴顶部到气缸盖燃烧室底部的距离 此时应注意减少 一节从针阀体喷孔中心到其顶点的一个高度 喷油嘴凸出的高度应当合适 高度太a 小 油线容易喷射到缸盖的底面 因缸盖温度低 会造成燃油温度过低而影响混合 凸出的高度过大 则喷油嘴很容易产生过热现象 此值应该通过多次实验确定 一般 为 2 4mm 型燃烧室对这个数值的要求应该更加严格 英国雷卡多公司推荐 3mm 的最佳位置 图 3 3 喷油嘴安装位置 3 2 2 喷油器相对于气缸中心线的偏移 从有利于油气进行混合的观点出发 要求喷油器中心线最好能与气缸的中心线重 合 使各油束到燃烧室壁的距离相等 但对于两个气门结构的气缸盖 这样的布置有 困难 经常采用的办法是把喷油器向一侧偏移 一般柴油机设计时将喷油器相对气缸 中心线的偏移量定为 5 10D 若小于 5D 时 对柴油机的性能不会发生什么影响 常州工学院毕业设计 8 而超过 10D 则从结构上是不允许的 由于气门的偏移量有限 在气缸盖的总体布置 时 喷油器必须向气门偏移的另一侧偏移才行 偏移量为 如图 图 3 4 e 图 3 4 w 型燃烧室活塞偏置 喷油器的偏移量 最大允许为 10D 过大则会与气道的布置发生干涉 而过小 e 由于和气门的距离太近 容易使缸盖产生热裂现象 这是必须引起设计方面注意的 就是在气门布置上有条件可以使喷油器不偏移时 为了防止缸盖的热裂现象发生 以 偏移量为 3 5D 为佳 由于喷油嘴偏离柴油机气缸中心线 从而导致 型以及平底型燃烧室在活塞 顶上也要偏离一个 的距离 以保证燃烧室内喷雾的均匀性 型燃烧室活塞偏置1e 如图 图 3 4 由于燃烧室的偏置 导致活塞的结构不对称 当柴油机在工作状况时活塞热量分 布不均匀 变形不一致 给柴油机的使用造成了一些麻烦 由于活塞结构的布对称 壁的厚薄不均匀 也给活塞采取冷却措施造成了一些困难 则活塞结构的不对称 也 给工艺方面带来了复杂性 因此 在总体设计时 燃烧室对气缸中心的偏移量不应大 于 5D 经验证明小于 5D 时 对柴油机的性能影响不大 3 2 3 喷油器的安装斜角 为了有利安装和拆卸 在气缸盖上安装喷油器时 一般倾斜一个角度 图 3 3 这个角度一般设计在 20 25 的范围内 太小时 有的柴油机安装喷油器很困难 而 过大导致喷油器的喷油锥角加大 喷孔加工困难 图 3 5 柴油机 P 型喷油器设计 9 图 3 5 喷孔锥角 常用的喷孔锥角为 140 150 这样 一般不会使喷孔发生 背钻 设计成 背钻 会给钻头沿针阀体的后端往前钻 如图 3 5 所示右侧的一个喷孔与水平面成 偏高 2 的角 即出现 2 背钻 现象 因此 最大斜角 设计为 30 50 3 2 4 喷孔的位置 按着上述布置两个气门时的缸盖结构要求 喷油器相对于气缸中心线有一定的偏 移 而燃烧室为了适应喷油器的偏移 进行相应的偏移后 喷油器仍然不在燃烧室的 中心 为了减少各个喷孔到燃烧室壁距离的不等程度以及不使距燃烧室壁近的油束喷 到燃烧室壁上 喷孔必须沿阀体的圆周方向作不均匀的分布 图 3 6 最常用的 4 孔 喷油器 距离燃烧室壁近的两个喷孔之间的夹角 90 但是不能 否则燃烧 180 室将有一边不能实现油 气的良好混合 而离燃烧室壁较远的 油束较长的两个喷孔 之间的夹角应 90 图 3 6 喷孔的不对称分布 3 2 5 喷孔参数的选配 由于进气涡流的存在 一般采用较少的喷孔 3 5 孔 4 孔最常用 较大的孔径 0 3mm 以上 喷孔夹角为 140 150 喷孔的参数应该与燃烧室形状及其涡流强度相适应 喷孔数量与涡流强度的具体 关系是 在喷射期间 以曲轴转角 表示 涡流强度应使空气旋转一个相邻油束间的 常州工学院毕业设计 10 夹角 设 为喷孔数 则涡流的回转速度 与柴油机转速 之比 等于 之比 i nHnH i360 由此看出 涡流的强度越高 喷孔数可以减少 在采用强涡流 少喷孔的喷油器及 型燃烧室时 特别是对车辆用的柴油机 要注意到高低速的适应性问题 即低速 容易造成油束穿透过度而油束偏转不足 高速时则油束穿透不足而偏转较大 如照顾 高速性能 则低速性较差 为改善这情况 国内外均作了大量的工作 并设计了许多 新的燃烧系统 型燃烧室一般以空间混合为主 但近来也有加大油膜混合比例而 去得较好效果的 例如对一台四冲程的柴油机采用 型燃烧室 缸径 135mm 冲 程 150mm 四气门 双螺旋进气道 额定转速为 2200r min 由于涡流强度比例较弱 采用 的喷油嘴进行实验 性能较差 特别是低速性能差 这显然是由于涡0154 流强度低 油束偏转以以及燃油穿透过渡等因素造成的 由于进气道的修改有困难 希望寻求一种新的燃烧方式 以适应给定的涡流状况 因此设计了一种 F 燃烧室 5 图 3 7 中 是一般较深的 型燃烧室 F 燃烧室其开口与深度之比为 4 6 他1 5 的基本设计思想是减少空间混合 使穿透过渡的燃油撞击反弹并且沿壁面吹起 但是 燃烧机理还在探讨中 因此 喷油器采用较多的喷孔为宜 后来改用 喷0153 油嘴的同一个喷油器进行匹配 在同一单缸机上对两种燃烧室和其匹配的喷油器分别 进行实验 结果证明 优于 5F1 图 3 7 两种燃烧室的对比 3 3 低惯量多孔式喷油器的优点 此次设计改进的喷油器为低惯量多孔式喷油器 其特点是调压弹簧靠近喷油嘴 挺杆等运动部件质量和惯性小 减轻针阀对针阀座面的撞击和挺杆的跳跃使针阀运动 对油压变化反应灵敏 特别是喷射终了针阀的关闭性能可以得到很大的改善 对防止 针阀座面穴蚀 避免燃气倒流造成油嘴胶结 卡死 以及由于针阀反应不灵敏可能造 成的后期喷射等不良现象都有了明显的提高 在低惯量喷油器中调压弹簧的工作条件和负荷情况也可以得到改善 因为弹簧可 以侵入柴油中 运动件质量小 针阀运动速度和挺杆的超越升程在弹簧中引起的附加 应力小等特点 柴油机 P 型喷油器设计 11 3 4 喷油器设计的其他问题 3 4 1 燃油流道 为了减少燃油流动阻力和损失 要求燃油流道截面积从高压油管端到喷孔处逐渐 缩小 由于加工需要 中间部分流道往往比要求的要大 有时采用定位销将喷油器体上的油孔和喷油嘴油孔对准以减少喷油嘴端面环行槽 截面积或者取消环行槽 如图 3 8 虚线所示 图 3 8 燃油流道 喷油嘴的通油孔可以采用 1 3 个 但以两孔为多 喷油嘴座面流通截面积通常是喷孔总截面积的 1 5 2 5 倍 当座面流通面积小于 喷孔总面积的 1 5 倍时油流将在座面处产生较大的流动阻力 座面流通截面积过大 使 针阀升程增加带来不利的后果 喷油器缝隙式滤清器的径向间隙一般为 0 025 0 04mm 其总流通截面积与喷孔 总截面积之比为 8 12 压力室横截面积为喷孔总面积的 4 8 倍 即 id05 2 式中 压力室直径d 喷孔直径0 孔数i 3 4 2 燃油倒流 燃油倒流系数指针阀落座过程中气缸炽热燃气倒流入喷油嘴腔 它可使油嘴腔内 的燃油分解碳化 导致座面密封性破坏 针阀变形卡死 不能继续工作 为防止燃气倒流可以采用种种措施 例如 减小喷油器挺杆等运动质量 提高针 阀运动对燃油压力变化的反应速度 减小针阀升程 缩短针阀落座时间 采用缓冲式出 油阀 合理设计柱塞偶件的卸油通道 使针阀落座末期油压下降率减缓 在座面冲击 力允许范围内适当加大针阀承压面积比 使针阀关闭压力高于最高燃气爆发力 随着 气缸内最高燃气压力的增高 承压面积比有增大的趋势 常州工学院毕业设计 12 3 4 3 喷油嘴热负荷 喷油嘴的可靠性和耐久性只有在一定的温度范围内 才能得到保障 温021 度过高会使座面硬度下降而产生下陷 密封性破坏 胶结 积碳 喷孔堵塞 针阀卡 滞以及柴油机油耗上升 冒烟 功率下降等 如果温度过低 则燃烧时产生的三氧化 二硫会腐蚀油嘴 喷油嘴最高温度的限制还与燃油的种类有关 有的燃油在 左右开始分解 C018 喷油嘴温度与柴油机的强化程度 燃烧室的类型以及在气缸盖上的安装位置和安 装间隙有关 通常安装间隙为 0 3mm 0 4mm 当喷油器在气缸盖上偏心安装时局部 间隙可能增加到 0 8mm 或者更大 使喷油嘴温度大大增加 并造成油嘴圆周上的温度 分布不均匀 引起热变性不均匀 间隙小时 包含在间隙中的燃气热容量小 影响也 小 减小喷油嘴热负荷的有效措施是减小安装间隙 并保证与安装孔同心 减小油嘴 与燃气正面接触的面积以及它在燃烧室内伸出的长度 在某些发动机上采用钢屏来保护喷油嘴的 屏罩嵌入气缸盖上 保证正常的安装 间隙 这种方法可以使喷油嘴降低 20 40 C00 喷油嘴安装在气缸上可以采用紧帽的端面密封 也可以采用垫片密封 一般采用 紫铜垫片 同时可以减轻油嘴受热 风冷发动机的热负荷更高 可以借助进气道的空气冷却或者采用风扇冷却喷油器 体 或者用钢套围住喷油嘴的伸出部分 以减少辐射 柴油机 P 型喷油器设计 13 4 多孔式喷油嘴喷孔参数的选择和喷油器体设计 此次改进设计的喷油器配云南昆明内燃机动力有限公司所设计的 4 90 105 型中 冷涡轮增压型柴油机 此款柴油机的设计参数如表 4 1 表 4 1 柴油机技术参数表 多孔式喷油嘴的喷孔参数 主要是指孔数 孔径与夹角 可以简写为 孔 id 数 孔径 夹角 这些参数主要取决于燃烧室的形式 燃烧时内的空气流动情况及其 喷油量等 4 1 喷孔总截面积 cf 喷孔的总截面积与喷油器的喷油量 喷射延续时间和喷射压力是相互联系的 设 计时必须全面考虑 从熟知的托里西里 Torricelli 定律可以推导出这些关系的基本液 压公式 4 1 tCfVcoc 即 310 tfco 式中 额定循环供油量 oVcm 3 喷孔系数 一般取 0 65 0 75 c c C 喷孔处燃料的平均流速 一般 C 200 300 s 喷射延续时间 t sknt6 形式 直立 直列 水冷 四冲程 中冷 缸数 缸径 行程 4 90 105 气缸套形式 湿式 燃烧室形式 直喷 w 型燃烧室 活塞总排量 L 2 672 吸气方式 涡轮增压 最低空载稳定转速 r min 750 压缩比 17 1 标定功率 转速 Kw r min 48 3200 最低燃油消耗率 g kw h 217 最大扭矩 转速 N m r min 206N m 2000 2200r min 冷却方式 强制循环水冷 排放 欧 II 见附表 常州工学院毕业设计 14 喷油泵凸轮轴转角计的喷射延续角 喷油泵凸轮轴的额定转速 kn min r 设计计算 额定循环供油量 ocVocV cmgnP 7 3210 861044276230 喷孔流速系数取 0 7 c C 喷孔燃料平均流速 C 250 mi 喷射延续时间 由图 4 1 得 t 图 4 1 针阀升程 knt6 104 3 s3 代入式 4 1 得 310CtVfco 231 014 257 m 4 2 喷孔直径与孔数 喷孔总截面积 确定后 根据燃烧室与进气涡流情况及其同类柴油机确定孔数和cf 喷射角度 并计算出喷孔直径 id 4 2 ifci 4 设计喷油嘴喷孔数 代入式 4 2 6 得 mdi 168 04 3 4 3 多孔喷油嘴的最小流通截面 多孔式喷油嘴的最小截面 指喷孔以前油路中的最小流通截面 即当针阀下落密 封座之前 在座面处 图 4 1 由尺寸 H 控制的一个环形台体的环面积 为了减少喷 柴油机 P 型喷油器设计 15 射终了压力的下降 最小流通截面至少应为喷孔总截面积的两倍 根据喷油嘴的几何 尺寸及针阀和针阀座的锥度差 当不考虑针阀和针阀体的锥角差异时 图 4 2 多孔喷油嘴的最小流通截面 即 最小流通截面可 采用下列简化公式 012 4 3 2cosin sin00 hdhfK 式中 针阀升程 m4 针阀座面锥角 1 1 6 针阀体座面嘴角 2 02 针阀体压力室直径 KddK 针阀密封带直径 代入式 4 3 X X 得 2cosin 2sin000 hdhfK 2519 02314 02 145 3 m 4 4 座面应力 座面应力是喷射终了针阀落座时撞击针阀体座面而产生的应力 它对座面磨损影 响很大 影响座面应力大小的因素很多 如针阀最大升程时的弹簧作用力 针阀座面 下油压的下降速度 针阀的摩擦阻力 燃油黏度 座面锥角差异以及针阀的刚度等 而在设计的时侯这些因素不可能全部考虑进去 计算结果也代表不了应力的绝对值 只是一个相对的评价方法 座面应力为 AF 式中 F 撞击作用力 F 4 4 214alEhF 常州工学院毕业设计 16 式中 F 使针阀落座的弹簧作用力1 204XNdp 针阀最大升程 mm 参考图 4 3 取 h hm4 0 图 4 3 针阀升程最佳值 E 弹性模数 对钢 E Pa10 2 针阀开启压力 Pa 0P0Pa71 2 针阀配合外圆直径 mm 4mmNd Nd 针阀密封处直径 mm X mX 座面密封带到调压弹簧下座面距离 mm 1l 由表 4 2 得 46 7mml 座面密封带到针阀体大外圆肩部的距离 mm 2 由表 4 3 得 30mml 长度内的平均截面 mm 1al 2 表 4 2Nd2Nd S SdN 2 1 7 25 3 625 1 13 14 2 2 15 1 075 2 5 2 89 3 4 00 2 12 48 4 3 69 1 845 0 5 1 7 5 3 38 1 69 2 5 71 柴油机 P 型喷油器设计 17 6 3 25 1 625 26 68 66 7 2 76 1 363 1 3 2 413 8 1 50 0 75 1 0 618 9 0 80 0 4 0 4 0 064 总和 143 195 9 99 mm1a195 43 2 SDln 2 长度内的平均横截面 mm 2 2 表 4 3nDnd2 n2 nd S 22nndD 1 9 15 3 8 20 93 3 16 8 138 56 2 7 1 3 8 12 6 3 61 22 197 78 35 2 mma 34 601 322 nNdl 2 A 座面乘压面的投影面积 A 24KXd 式中 针阀体压力室直径 mm 1mmk kd 针阀座面应力的计算 F 使针阀落座的弹簧作用力1 204XNdp N5 1802 14 6 310 247 代入式 4 4 得 F 撞击作用力 F 214alEh 324213 05 09 5 1045 8 1 87 A 座面乘压面的投影面积 A 2 36mm 2 36 2KXd 216 3 2261m 座面应力 F MPa7 30 876 材料得许用应力为 835 因此材料选取是合格的 WANiCr4218s 常州工学院毕业设计 18 4 5 针阀关闭时间的计算 针阀关闭时间 即针阀从最高位置到落座所需要的时间 缩短针阀关闭时间 可 以缩短喷油延续时间并减少燃气窜入喷油嘴内部的可能性 从公式 及21ath mF 可以导出 4 5 t4 式中 喷油器运动零件的质量 kg m 经计算 挺杆和针阀的总质量为 kg3108 4 针阀的最大升程 mm hhm F 作用在针阀上的力 N 4 6 321 式中 针阀开启压力 针阀受压面积 014XNdp N5 1802 1 6 2 2447 弹簧刚度 升程 F 43 2zh 2 43 018 燃烧压力 针阀受压面积 3 5 929 4Kzdp 4105 5 7236 N 代入式 4 6 得 188 5 5 93 43 2 237 6 321F 代入式 4 6 得 针阀关闭时间 1 27mht41 6 23710481 43 s4 在柴油机转速 时 曲轴的转角为 in 0tn 2 4447 326 4 6 喷油器调压弹簧的计算 调压弹簧是喷油器的重要零件之一 它直接控制喷射压力及喷油雾化情况 从而 影响着柴油机的燃烧过程与燃油消耗量 调压弹簧的工作特点是在很小压缩位移下 具有相当高的负荷与频率 当针阀上 升时 载荷的工作时间只是千分之几秒 相当于 的曲轴转角 弹簧的压缩位 5 20 移等于针阀升程 在 0 3 1 1mm 的范围 喷油器工作的可靠性 很大程度上决定于调压弹簧的工作性能 它的工作条件繁 柴油机 P 型喷油器设计 19 重 作用重大 故必须予以特别重视 因此 除按一般弹簧设计方法计算外 还应特 别注意应力校核 材料选择以及工艺方法的制定等 通常针阀直径采用 6mm 时 建议弹簧直径选取 2mm 3 5mm 弹簧刚度 mNz 108 4 6 1 应力校核 4 7 35 2dKFDcp 式中 弹簧中径 mm 5 45mmcp cpD 曲度系数 4 8 Kc615 04 其中 弹簧绕旋比 C 代入式 4 8 dCP725 10245 3 弹簧钢丝直径 mm 2mmd 弹簧负载 N F 当针阀未上升时 弹簧仅承受预紧力 为 1FfP 01 式中 针阀开启压力 Pa 0Pa92 针阀承受面积Nf 2m 其中 针阀配合外圆直径 d 针阀密封处直径 X 因此 NfPF 01 N19404 918 当针阀上升时 弹簧所承受的动负荷 为 dFmzVdax2 Ns 8 260 8 57 3 式中 针阀的最大运动速度axcp 针阀运动的平均速度cpVth 针阀升起之前调压弹簧应力 3115 2dKFDcp MPa5910246 5 3 针阀上升后的应力 常州工学院毕业设计 20 3225 dKFDcp MPa6831027 45 3 针阀上升后的最大动应力 3135 ddCP a130102 45 5 3 经计算 静应力与动应力之比 在允许范围 0 3 0 8 内 4 6 2 材料的选择与热处理 对于高速柴油机 一般采用高强度的 50CrVA 钢丝来制造调压弹簧 它不仅有较 高的强度 而且也有良好的韧性 在硬度较高的条件下对缺口敏感性较低 用这种材 料或者类似这种材料制造的调压弹簧 一般要经过淬火 回火处理 为了提高疲劳强 度还要进行喷丸处理 4 7 漏油量的计算 针阀和针阀体间微量渗漏是必要的 以便润滑并防止擦伤咬死 但渗漏应最小 以免过大降低喷射压力 造成雾化不良 渗漏的因素除针阀和针阀体的间隙 过大外 还与密封长度 直径 喷射压力 燃油的粘度 和密度 有关 lNd0P T 渗漏的经验公式为 4 9 lVTN 303154 1 式中 针阀与针阀体径向间隙 针阀与针阀体配合直径Nd 喷射压力0P 粘度 比重T 密封长度l 此次所涉及的喷油器参数如下 m7102 dN34Pa08 8 3T 32 1kg 代入式 4 9 l 得 每个喷油器理论漏油量为 lPdVTN 30354 柴油机 P 型喷油器设计 21 hcmL 5 6in 10 108 913 824025 3263737 每个喷油器实际漏油量应为 hcmV 630 常州工学院毕业设计 22 结 论 本次 P 型喷油器的设计 P 型喷油器的结构 其主要分为以下二个部分 1 喷油器体 喷油器体是整个喷油器的基础零件 它的作用是喷油器固定在柴油机燃烧室所需的 正确位置 作为燃料通向喷油嘴的通道 以及储存其他零件 2 针阀偶件 喷油器中最重要的部件是喷油嘴 喷油嘴的作用是将喷油泵输送来的高压油定时 定量地以雾化状态喷入燃烧室与空气均匀混合 已达到完全燃烧的目的 最后 通过本次的设计工作 使我明白了机械设计或产品开发不能简单照搬 也 不是墨守成规闭门造车 我们要有开阔的视野和发散性的思维 要有胆大心细的思维 方式 可以根据实际情况的差异做出不同的 具有设计性的设计和创造 这次设计结 合了课堂中所学的诸多课程 如机械设计 互换性与公差测量技术 材料工程以及金 属工艺等学科 但是 在设计的过程中 我们也借用了一些别人已经存在的科技成果 同时我们 也加入了一部分我们自己的劳动成果 也许我们自己的劳动成果不是十分的完美 或 许这也不科学 更不合理 但是毕竟是我们的第一次尝试 对于我们来说这是十分重 要的 难能可贵的一次经历和学习 总之 在这次的柴油机 P 型喷油器的设计过程中 不仅使我学到了知识 同时也使我的思维和视野有所开阔 使我受益菲浅 柴油机 P 型喷油器设计 23 致 谢 时光飞逝 四年的大学学习生涯就要结束了 在这短暂而漫长的四年里 使我更 进一步的熟悉和掌握了如何去学习 生活 和工作 同时 也是校园让我们学会了学 习 学会了思考 学会了做人 虽其短暂 但是在这四年里所学的知识必将可以使我 受用终生 在这大学生涯即将结束的最后半年的毕业实习与毕业设计的过程中 不仅是对我 们每一个人的一次全面的考查 同时也是对我们所学习和掌握知识的一次实际而综合 运用 这不仅仅是只是一次知识的检验 更是对我们认识问题 分析问题 解决问题 的综合能力的锻炼与培养 同时对于我们来说 这也是一次难能可贵的在校学习的经 历 一次知识和经验的积累的机会 为此 我更应该感谢给予我这个机会的人 是他们给予了我这次学习的机会 同 时也是他们给予我了关怀与支持 正是在他们的关心 支持与帮助下 我的大学学习 生活 以及这次毕业设计才能完满结束 为我大学生涯画上一个完美的句号 在这里 我首先要感谢母校 是母校为我提供了这个平台 给予我了梦寐已久的 学习和生活的机会 从而是我的人生更加精彩 其次 要感谢的是我的指导老师 在这几个月的毕业实习和毕业设计的日子里 对我们的耐心的关怀与辅导 在这四年的大学生涯中 以前学的专业知识 对于我们 来说象一盘散沙 杂乱无章没有系统性 但是在熊老师的悉心辅导下 使我们对自己 的知识进行了整理 组织和装配 使我的知识结构更加明朗化 体系化了 与此同时 还要感谢校图书馆 CAD 制图室 以及与之相关的所有老师们 他们在我的毕业设计 过程中给予了我莫大的支持和帮助 同时 我还要感谢同组的成员 以及关心和支持我的所有的同学 在我们共同学 习 和生活的日子里 大家共同努力 克服困难 不断提出和完善新的设计思路和方 法 使我们的学习 生活和本次毕业设计工作得以顺利而完满的结束 生活上互相帮 助 彼此间留下了最珍贵而温馨的友谊 是你们让我拥有了一段美好的大学生活 最后 我要感谢所有的教过我的老师和辅导员 感谢您们的辛勤培育和无微不至 的关怀 是你们的高尚品德和人格魅力影响了并改变了我 在以后的学习 生活 工 作中 我将牢记您们的谆谆教诲 不断学习 不断进步 在此 衷心地祝福和感谢你们 常州工学院毕业设计 24 参考文献 1 高书堂 高国强 柴油机燃油系统和匹配 北京 北京理工大学出版社 2005 4 2 徐家龙 柴油机电控喷油技术 北京 人民交通出版社 2004 6 3 陈红均 船舶柴油机 武汉 武汉河运专科学校 1987 12 4 柴油机设计手册编辑委员会 柴油机设计手册 中册 北京 中国农业机械 出版社 1984 12 5 王世英 8NVD48A 2U 柴油机操作管理保养说明书 长江航运管理局 1982 6 孙银城 喷油器 北京 北京工业出版社 1981 7 7 成大先 机械设计手册 单行本 化学工业出版社 2004 1 No7 15 7 35 8 廖念钊 许金钊 互换性与测量技术基础 第三版 中国计量出版社 2002 3 9 濮良贵 纪名刚 机械设计 第七版 高等教育出版社 2004 5 10 徐灏 机械设计手册 第 4 卷 机械工业出版社 1992 4 11 乞永锁 赵凤梅 柴油机的维护 工程机械与维修 1989 5 柴油 12 孙宝钧 机械设计课程设计 机械工业出版社 2002 9 13 中国机械工业教育协会 工程制图 机械工业出版社 2001 7 14 王锦俞 汽车工程词典 机械工业出版社 2005 年 1 15 胡得昌 胡小舟 现代工程材料手册 宇航出版社 1992 2 柴油机 P 型喷油器设计 25 附 表 欧 型式认证和生产一致性排放限值 限值 g km CO HC NOx PM 车辆类别 基准质量 RM kg 汽 油机 柴油 机 汽 油机 非 直喷柴 油机 直 喷柴油 机 非直 喷柴油机 直喷 柴油机 第 一类车 全部 2 2 1 0 0 5 0 7 0 9 0 08 0 10 1 级 RM 1250 2 2 1 0 0 5 0 7 0 9 0 08 0 10 2 级 1250 R M 1700 4 0 1 25 0 6 1 0 1 3 0 12 0 14 第 二类车 3 级 1700 R M 5 0 1 5 0 7 1 2 1 6 0 17 0 20