柴油機P型噴油器設計

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CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 題目 柴油機 P 型噴油器設計 二級學院 直屬學部 專業(yè) 班級 學生姓名 學號 指導教師姓名 職稱 評閱教師姓名 職稱 2014 年 11 月 常州工學院畢業(yè)設計 摘 要 隨著柴油機性能和結構等各方面的改進 噴油器已經(jīng)被很多人所重視 在技術方 面也取得了顯著的進步 但是它仍然是柴油機的一個比較薄弱的環(huán)節(jié) 容易損壞 并 且使用量很大 本文參考了有關柴油機和燃油供給系統(tǒng)的許多文獻以及噴油器生產(chǎn)廠家多年來在 實際生產(chǎn)中積累的實踐經(jīng)驗 我從噴油器的自身到燃油供給系統(tǒng)進行了相關分析 對 噴油器的結構 工作原理和應用進行了詳細說明 利用以上理論對對現(xiàn)行使用的噴油 器進行可行性的結構改造 最終使所設計的 P 型噴油器排放達到歐洲 排放標準 關鍵詞 柴油機 噴油器 針閥 針閥體 柴油機 P 型噴油器設計 目 錄 1 燃油系統(tǒng)的組成和要求 1 1 1 燃油供給系統(tǒng)的分類 1 1 2 燃油供給系統(tǒng)的基本性能指標 1 1 3 燃油供給系統(tǒng)地組成 1 1 4 燃油供給系統(tǒng)的基本功用及要求 1 2 閉式柴油機噴油器的結構和工作原理 3 2 1 噴油器的結構分類 3 2 2 閉式噴油器的結構 3 2 3 噴油器的功用 5 3 噴油器與燃燒室的匹配 6 3 1 開式燃燒室與噴油器的匹配 6 3 2 半分開式燃燒室與噴油器的匹配 6 3 2 1 噴油嘴的凸出高度 7 3 2 2 噴油器相對于氣缸中心線的偏移 7 3 2 3 噴油器的安裝斜角 8 3 2 4 噴孔的位置 9 3 2 5 噴孔參數(shù)的選配 9 3 3 低慣量多孔式噴油器的優(yōu)點 10 3 4 噴油器設計的其他問題 11 3 4 1 燃油流道 11 3 4 2 燃油倒流 11 3 4 3 噴油嘴熱負荷 12 4 多孔式噴油嘴噴孔參數(shù)的選擇和噴油器體設計 13 4 1 噴孔總截面積 cf 13 4 2 噴孔直徑與孔數(shù) 14 4 3 多孔噴油嘴的最小流通截面 14 4 4 座面應力 15 4 5 針閥關閉時間的計算 18 4 6 噴油器調壓彈簧的計算 18 4 6 1 應力校核 19 4 6 2 材料的選擇與熱處理 20 4 7 漏油量的計算 20 結 論 22 常州工學院畢業(yè)設計 致 謝 23 參考文獻 24 附 表 25 柴油機 P 型噴油器設計 1 1 燃油系統(tǒng)的組成和要求 1 1 燃油供給系統(tǒng)的分類 燃油供給系統(tǒng)在柴油機發(fā)展的過程中經(jīng)歷了長期演變 出現(xiàn)了各種不同的類型 現(xiàn)代柴油機主要采用機械噴射系統(tǒng) 其中以噴油泵與噴油器用高壓油管連接 泵油柱 塞定行程 溢流孔調節(jié)或節(jié)流調節(jié)的泵控式燃油供給系統(tǒng)廣泛應用 此外 也采用了 噴油泵與噴油嘴制造為一體的泵噴嘴系統(tǒng) 近年來出現(xiàn)了某些新型的供油系統(tǒng) 如高 壓燃油共軌噴射系統(tǒng) 1 2 燃油供給系統(tǒng)的基本性能指標 燃油供給系統(tǒng)的基本性能指標是 1 每缸每工作循環(huán)的噴油量 供油系數(shù) 供油量及其變化范圍 2 各缸噴油量的 不均勻度 3 噴油延續(xù)時間 最佳供油提前角 噴油提前角 4 噴油延續(xù)時間 5 燃油 噴霧特性 6 噴油規(guī)律 7 噴油穩(wěn)定性 8 供油特性 9 速度特性 10 使用壽命 1 3 燃油供給系統(tǒng)地組成 柴油機燃油供給系統(tǒng)的組成一般由燃油箱 低壓輸油泵 濾清器 高壓噴油泵 噴油器以及中間連接的低壓油管和高壓油管等重要部件組成 圖 1 1 圖 1 1 燃油系統(tǒng)的組成 1 油箱 2 分配開關 3 加溫裝置 4 手動輸油泵 5 粗濾清器 6 低壓輸油泵 7 精濾清器 8 噴油泵 9 噴油器 10 放氣裝置 11 噴油井 12 溢流管 13 低壓油管 14 高壓油管 1 4 燃油供給系統(tǒng)的基本功用及要求 燃油供給系統(tǒng)應該按照柴油機的工作需要 將適量的燃油 在適當?shù)臅r候以適當 的空間狀態(tài)噴入燃燒室 造成混合氣形成與燃燒最有利的條件 以實現(xiàn)柴油機在功率 扭矩 轉速 油耗 噪聲 排污以及啟動和怠速等方面的要求 燃油供給系統(tǒng)的設計應力求做到 1 正確計量供油 并保持各個氣缸油量均勻和各循環(huán)油量穩(wěn)定 2 保證合適的噴射正時 常州工學院畢業(yè)設計 2 3 噴霧特性與燃燒室配合良好 油束的霧化 分散 分布和貫穿適度 4 噴油規(guī)律同混合氣形成與燃燒過程配合良好 取得合適的燃燒速率 壓力增 長率和最高爆發(fā)力 5 供油設備工作可靠 使用壽命長 結構簡單 緊湊 零件工藝性好 維修保 養(yǎng)容易 柴油機 P 型噴油器設計 3 2 閉式柴油機噴油器的結構和工作原理 2 1 噴油器的結構分類 由于各種柴油機的氣缸蓋結構 燃 燒室的形狀和燃燒方式差別較大 噴油器也有多種結構形式 按不同特征可作如 下分類 按噴油嘴的類型分 開式噴油器和閉式噴油器 按噴油器在氣缸蓋上的安裝方式分 插入式 按壓緊方式又有法蘭式和壓板式兩 種 螺紋擰入式 又分用螺旋套擰緊和噴油嘴外的螺紋擰緊兩種 按調壓彈簧的布置分 調壓彈簧上置式即長挺桿結構和調壓彈簧下置低慣性結構 兩種 按噴油嘴冷卻方式分 非冷卻式和強制冷卻式 柴油機工作時 燃燒室內的燃油和進入燃燒室內的空氣 在燃燒室的內部形成可 燃性混合氣體 在氣缸內靠活塞的上行壓縮而點燃 膨脹做功 這種發(fā)動機稱為壓燃 式發(fā)動機 壓燃式發(fā)動機以供給柴油為主 這種柴油機按一定的噴油規(guī)律噴油的部分 較噴油器 或者叫霧化器 也有采用噴油器噴油 用火花 塞點燃的發(fā)動機 如柴油 轉子發(fā)動機 2 2 閉式噴油器的結構 在閉式噴油器中 噴油嘴的高壓油腔與燃燒室之間由針閥隔開 針閥在調壓彈簧 的預緊力作用下壓在針閥體的座面上 針閥與針閥體的接觸部分又經(jīng)過精確配合的密 封帶 因此在針閥開啟之前與關閉之后 不會有漏油現(xiàn)象發(fā)生 只有當供油壓力大于 調壓彈簧預緊力時 針閥開啟 方開始噴油 這樣就能保證燃油的霧化質量 實質上 噴油嘴就相當于一個液力自動控制閥 如圖 2 1 針閥由彈簧壓緊在閥座上 燃油壓力只與作用于針閥的一端 當油壓達到開啟壓 力 時 彈簧力被克服 針閥升起 0P 則 2 1 420sndFP 壓力室中燃油壓力下降后 針閥又在彈簧力作用下落座使噴油終止 則關閉壓力sp 為 2 2 24nsdFp 式中 F 彈簧預緊力 閉式噴油嘴針閥的開啟與關閉由燃油壓力控制 針閥一旦開啟 承壓面積增加 因而使針閥的升速加快 4 2sd 實際上由于摩擦和慣性 針閥開啟壓力約為上式中 的 1 5 倍左右 關閉壓力亦0P 小于上式中的 sp 閉式噴油嘴可以保證針閥在一定壓力下開啟 霧化質量好 針閥關閉迅速 不易 滴漏和燃氣倒流 孔式噴油嘴有單孔和多孔 孔數(shù) 孔徑 孔長及其布置 壓力室的直徑和長度等 常州工學院畢業(yè)設計 4 應根據(jù)發(fā)動機燃燒室結構和混合氣形成過程的要求決定 圖 2 1 噴油器的構造 1 噴油器體 2 針閥體 3 噴油器螺母 4 結合座 5 挺桿 6 調壓彈簧 7 調壓螺母 8 定位座 9 緊固螺母 單孔噴油嘴通常用于具有強渦流的燃燒室 多孔式噴油嘴常用于直接噴射式柴油 機 常用 2 7 孔 一般不超過 10 孔 噴孔直徑范圍為 0 15 1 0mm 但 0 2mm 以下 加工困難 噴孔長徑比一般為 3 5 當長徑比小于 5 時 噴孔流量系數(shù)為 0 6 0 7 噴孔進油側倒角時流量系數(shù)可增至 0 8 0 9 而孔式噴油嘴除了單孔外都不倒角 該系 數(shù)隨長徑比增加而減少 孔式噴油嘴的主要問題之一是噴孔結碳 因此噴油嘴工作溫度應盡量低于燃油的 裂解溫度 一般控制在 220 以下 孔式噴油嘴有標準型和長型之分 長型噴油嘴的 C 導向部分升高而遠離燃燒室 針閥導向部分的下部是一段非配合細長桿 桿和針閥體 之間可將間隙加大 使燃油在其中流動 就有冷卻作用 因此 可以大大減少針閥卡 死的可能性 另外 由于細長桿有很好的彈性 在微小變形的情況下仍能夠保證針閥 的密封性 長型噴油嘴可適應熱負荷較高的柴油機 但其工藝性較差 座面和中空的 同心度不容易保證 短型噴油嘴的針閥 只有導向作用而沒有接近燃燒室的細長桿 由于導向部分直接靠近燃燒室 因此 他的工作條件不如長型噴油嘴 多數(shù)短型噴油 嘴針閥在其導向部分帶兩道儲油槽以減少漏油量和加強潤滑 但實踐證明 這種結構 也帶來一種缺點 因為兩道儲油槽邊緣的磨削毛刺很難清除 這會造成工作時拉傷導 柴油機 P 型噴油器設計 5 向面 甚至卡住針閥 另外 擠入槽內的研磨膏不易清理 事實上針閥的潤滑即使沒 有儲油槽也是充分的 因為噴油嘴下部的燃油在高壓下一部分噴出 還有相當數(shù)量的 燃油從針閥于針閥體間擠到上部 然后才經(jīng)噴油器的泄油孔或回油孔溢出 因此 針 閥于針閥體的配合徑面經(jīng)常浸在燃油中 2 3 噴油器的功用 柴油機燃油供給系統(tǒng) 必須通過噴油器這個部件 將供給系統(tǒng)的燃料 噴到燃燒 室內 一個在柴油機上能夠正常工作的噴油器 必須應該滿足下列幾個最基本的條件 1 噴霧作用 噴油器應當保證所噴出的燃料有細小而均勻的霧粒 并且能將這些霧粒準確地 均勻分布到燃燒室內 以形成優(yōu)良的混和氣 2 定時作用 噴油的開始與結束 都必須有準確的時間 因此 噴油器針閥開啟和關閉 都應 當非常準確 迅速 并且不允許有燃油的滴漏現(xiàn)象發(fā)生 3 壓力控制 噴油器應當在一定的壓力控制下開始噴油 當噴射終了時 壓力的下降應保持在 一定的范圍內 不允許過大 如果壓力過大 則噴油器在超過規(guī)定的低壓下供油 會 造成混和物的形成過程惡化 燃燒不良 影響柴油機的性能 噴油器噴射完畢壓力下 降過大的原因 主要是噴油器本身設計所決定的 諸如 各油孔 室的比例選擇 調 壓彈簧的剛性 針閥的行程 噴油器的制造 裝配都有直接關系 另外 還和外界因 素有關 實驗證明 如果高壓油管過長 噴油泵內出油閥的減壓帶過大 也會引起噴 油器壓力下降過大 4 計量作用 向燃燒室供給的油量 除要由噴油泵供給和控制外 噴油器也可以起到計量和控 制作用 對于多缸柴油機來說 保證各缸供油量的均勻性和準確性是十分重要的 如 V12150L 型柴油機在選擇標準噴油器時 當噴油泵轉速在 n 850r min 柱塞在 1000 個 行程時 各噴油器的供油量相差不能超過 2g 另外 不允許有兩次噴射現(xiàn)象產(chǎn)生 常州工學院畢業(yè)設計 6 3 噴油器與燃燒室的匹配 隨著柴油機研究過程的不斷進展 對噴油器以及整個燃油噴射系統(tǒng)提出了越來越 嚴格的要求 如不同的燃燒系統(tǒng) 要求匹配不同的噴油器 因此 噴油器與所采用的 燃燒系統(tǒng)應有很好的匹配 借以達到改善柴油機性能的目的 柴油機所采用的燃燒室是多種多樣的 按其工作原理可以分為 噴射式和分開式 兩大類 直接噴射式又包括開式和半分開式兩種燃燒室 分開式包括渦流式與燃燒室 兩種燃燒室 由于具有直接噴射式燃燒室的柴油機經(jīng)濟性好 啟動也較容易等特點 因此 越 來越廣地應用在運輸車輛 工程機械以及固定式柴油機上 3 1 開式燃燒室與噴油器的匹配 柴油機燃燒室口徑 與缸徑 D 之比 的稱為開式燃燒室 圖 3 1 kd8 0 dk 圖 3 1 開式燃燒室 開式燃燒室 多用于缸徑較大的柴油機 D 150mm 采用弱渦流或無渦流 根 據(jù)這些特點 對噴油器提出了如下的要求 1 由于弱渦流或無渦流 油束的偏轉很小 因此 噴油器要求多個噴孔 實驗 證明 一般采用 6 10 孔 孔徑在 0 2mm 左右較為適宜 孔徑太小容易堵塞 特別當 采用重型柴油機時 噴孔直徑應當適當加大 2 由于弱渦流或無渦流 整個燃燒系統(tǒng)對穿透過渡及霧化不良的敏感性增加 這要求通過加大燃燒室的口徑和提高噴射壓力來提高霧化的細微度 若要求油粒達到 10 15 的細微度 噴射壓力要求達到 200 400kg cm 2 3 噴油器的安裝位置 應該在氣缸蓋上 居于燃燒室的中心較好 噴射角度多 孔的噴油器設計在 140 160 這種直接噴射式燃燒室 一般油耗在 200 280 的范圍內 它比分開式油hkwg 耗降低將近 5 15 3 2 半分開式燃燒室與噴油器的匹配 燃燒室口徑 與缸徑 D 之比 D 0 35 0 65 的燃燒室 稱為半分開式燃燒室 kdkd 目前經(jīng)常采用的有淺 型 深 型 平底型及球形等 圖 3 2 柴油機 P 型噴油器設計 7 圖 3 2 燃燒室的類型 2 左右為深 型 深 一般用于小缸徑的柴油機燃燒室 深度加dkh 大可以縮短噴孔與燃燒室壁的距離 增加燃料沖擊壁面的比例 但如果太深 會造成 活塞的長度增加和引起活塞的過熱 型燃燒室的應用比較廣泛 一般用于缸徑 D 小于 150 毫米的中小型柴油機 上 通常有不等程度的進氣渦流 型燃燒室和噴油器的匹配情況與其它類型的燃 燒室和噴油器的匹配情況有很多共同之處 現(xiàn)將噴油器的安裝 位置 及其噴孔參數(shù) 的選擇敘述如下 3 2 1 噴油嘴的凸出高度 噴油嘴凸出高度 指噴孔中心到氣缸蓋燃燒室底平面的距離 圖 3 3 為測方a 便起見 通常測量其從噴油嘴頂部到氣缸蓋燃燒室底部的距離 此時應注意減少 一節(jié)從針閥體噴孔中心到其頂點的一個高度 噴油嘴凸出的高度應當合適 高度太a 小 油線容易噴射到缸蓋的底面 因缸蓋溫度低 會造成燃油溫度過低而影響混合 凸出的高度過大 則噴油嘴很容易產(chǎn)生過熱現(xiàn)象 此值應該通過多次實驗確定 一般 為 2 4mm 型燃燒室對這個數(shù)值的要求應該更加嚴格 英國雷卡多公司推薦 3mm 的最佳位置 圖 3 3 噴油嘴安裝位置 3 2 2 噴油器相對于氣缸中心線的偏移 從有利于油氣進行混合的觀點出發(fā) 要求噴油器中心線最好能與氣缸的中心線重 合 使各油束到燃燒室壁的距離相等 但對于兩個氣門結構的氣缸蓋 這樣的布置有 困難 經(jīng)常采用的辦法是把噴油器向一側偏移 一般柴油機設計時將噴油器相對氣缸 中心線的偏移量定為 5 10D 若小于 5D 時 對柴油機的性能不會發(fā)生什么影響 常州工學院畢業(yè)設計 8 而超過 10D 則從結構上是不允許的 由于氣門的偏移量有限 在氣缸蓋的總體布置 時 噴油器必須向氣門偏移的另一側偏移才行 偏移量為 如圖 圖 3 4 e 圖 3 4 w 型燃燒室活塞偏置 噴油器的偏移量 最大允許為 10D 過大則會與氣道的布置發(fā)生干涉 而過小 e 由于和氣門的距離太近 容易使缸蓋產(chǎn)生熱裂現(xiàn)象 這是必須引起設計方面注意的 就是在氣門布置上有條件可以使噴油器不偏移時 為了防止缸蓋的熱裂現(xiàn)象發(fā)生 以 偏移量為 3 5D 為佳 由于噴油嘴偏離柴油機氣缸中心線 從而導致 型以及平底型燃燒室在活塞 頂上也要偏離一個 的距離 以保證燃燒室內噴霧的均勻性 型燃燒室活塞偏置1e 如圖 圖 3 4 由于燃燒室的偏置 導致活塞的結構不對稱 當柴油機在工作狀況時活塞熱量分 布不均勻 變形不一致 給柴油機的使用造成了一些麻煩 由于活塞結構的布對稱 壁的厚薄不均勻 也給活塞采取冷卻措施造成了一些困難 則活塞結構的不對稱 也 給工藝方面帶來了復雜性 因此 在總體設計時 燃燒室對氣缸中心的偏移量不應大 于 5D 經(jīng)驗證明小于 5D 時 對柴油機的性能影響不大 3 2 3 噴油器的安裝斜角 為了有利安裝和拆卸 在氣缸蓋上安裝噴油器時 一般傾斜一個角度 圖 3 3 這個角度一般設計在 20 25 的范圍內 太小時 有的柴油機安裝噴油器很困難 而 過大導致噴油器的噴油錐角加大 噴孔加工困難 圖 3 5 柴油機 P 型噴油器設計 9 圖 3 5 噴孔錐角 常用的噴孔錐角為 140 150 這樣 一般不會使噴孔發(fā)生 背鉆 設計成 背鉆 會給鉆頭沿針閥體的后端往前鉆 如圖 3 5 所示右側的一個噴孔與水平面成 偏高 2 的角 即出現(xiàn) 2 背鉆 現(xiàn)象 因此 最大斜角 設計為 30 50 3 2 4 噴孔的位置 按著上述布置兩個氣門時的缸蓋結構要求 噴油器相對于氣缸中心線有一定的偏 移 而燃燒室為了適應噴油器的偏移 進行相應的偏移后 噴油器仍然不在燃燒室的 中心 為了減少各個噴孔到燃燒室壁距離的不等程度以及不使距燃燒室壁近的油束噴 到燃燒室壁上 噴孔必須沿閥體的圓周方向作不均勻的分布 圖 3 6 最常用的 4 孔 噴油器 距離燃燒室壁近的兩個噴孔之間的夾角 90 但是不能 否則燃燒 180 室將有一邊不能實現(xiàn)油 氣的良好混合 而離燃燒室壁較遠的 油束較長的兩個噴孔 之間的夾角應 90 圖 3 6 噴孔的不對稱分布 3 2 5 噴孔參數(shù)的選配 由于進氣渦流的存在 一般采用較少的噴孔 3 5 孔 4 孔最常用 較大的孔徑 0 3mm 以上 噴孔夾角為 140 150 噴孔的參數(shù)應該與燃燒室形狀及其渦流強度相適應 噴孔數(shù)量與渦流強度的具體 關系是 在噴射期間 以曲軸轉角 表示 渦流強度應使空氣旋轉一個相鄰油束間的 常州工學院畢業(yè)設計 10 夾角 設 為噴孔數(shù) 則渦流的回轉速度 與柴油機轉速 之比 等于 之比 i nHnH i360 由此看出 渦流的強度越高 噴孔數(shù)可以減少 在采用強渦流 少噴孔的噴油器及 型燃燒室時 特別是對車輛用的柴油機 要注意到高低速的適應性問題 即低速 容易造成油束穿透過度而油束偏轉不足 高速時則油束穿透不足而偏轉較大 如照顧 高速性能 則低速性較差 為改善這情況 國內外均作了大量的工作 并設計了許多 新的燃燒系統(tǒng) 型燃燒室一般以空間混合為主 但近來也有加大油膜混合比例而 去得較好效果的 例如對一臺四沖程的柴油機采用 型燃燒室 缸徑 135mm 沖 程 150mm 四氣門 雙螺旋進氣道 額定轉速為 2200r min 由于渦流強度比例較弱 采用 的噴油嘴進行實驗 性能較差 特別是低速性能差 這顯然是由于渦0154 流強度低 油束偏轉以以及燃油穿透過渡等因素造成的 由于進氣道的修改有困難 希望尋求一種新的燃燒方式 以適應給定的渦流狀況 因此設計了一種 F 燃燒室 5 圖 3 7 中 是一般較深的 型燃燒室 F 燃燒室其開口與深度之比為 4 6 他1 5 的基本設計思想是減少空間混合 使穿透過渡的燃油撞擊反彈并且沿壁面吹起 但是 燃燒機理還在探討中 因此 噴油器采用較多的噴孔為宜 后來改用 噴0153 油嘴的同一個噴油器進行匹配 在同一單缸機上對兩種燃燒室和其匹配的噴油器分別 進行實驗 結果證明 優(yōu)于 5F1 圖 3 7 兩種燃燒室的對比 3 3 低慣量多孔式噴油器的優(yōu)點 此次設計改進的噴油器為低慣量多孔式噴油器 其特點是調壓彈簧靠近噴油嘴 挺桿等運動部件質量和慣性小 減輕針閥對針閥座面的撞擊和挺桿的跳躍使針閥運動 對油壓變化反應靈敏 特別是噴射終了針閥的關閉性能可以得到很大的改善 對防止 針閥座面穴蝕 避免燃氣倒流造成油嘴膠結 卡死 以及由于針閥反應不靈敏可能造 成的后期噴射等不良現(xiàn)象都有了明顯的提高 在低慣量噴油器中調壓彈簧的工作條件和負荷情況也可以得到改善 因為彈簧可 以侵入柴油中 運動件質量小 針閥運動速度和挺桿的超越升程在彈簧中引起的附加 應力小等特點 柴油機 P 型噴油器設計 11 3 4 噴油器設計的其他問題 3 4 1 燃油流道 為了減少燃油流動阻力和損失 要求燃油流道截面積從高壓油管端到噴孔處逐漸 縮小 由于加工需要 中間部分流道往往比要求的要大 有時采用定位銷將噴油器體上的油孔和噴油嘴油孔對準以減少噴油嘴端面環(huán)行槽 截面積或者取消環(huán)行槽 如圖 3 8 虛線所示 圖 3 8 燃油流道 噴油嘴的通油孔可以采用 1 3 個 但以兩孔為多 噴油嘴座面流通截面積通常是噴孔總截面積的 1 5 2 5 倍 當座面流通面積小于 噴孔總面積的 1 5 倍時油流將在座面處產(chǎn)生較大的流動阻力 座面流通截面積過大 使 針閥升程增加帶來不利的后果 噴油器縫隙式濾清器的徑向間隙一般為 0 025 0 04mm 其總流通截面積與噴孔 總截面積之比為 8 12 壓力室橫截面積為噴孔總面積的 4 8 倍 即 id05 2 式中 壓力室直徑d 噴孔直徑0 孔數(shù)i 3 4 2 燃油倒流 燃油倒流系數(shù)指針閥落座過程中氣缸熾熱燃氣倒流入噴油嘴腔 它可使油嘴腔內 的燃油分解碳化 導致座面密封性破壞 針閥變形卡死 不能繼續(xù)工作 為防止燃氣倒流可以采用種種措施 例如 減小噴油器挺桿等運動質量 提高針 閥運動對燃油壓力變化的反應速度 減小針閥升程 縮短針閥落座時間 采用緩沖式出 油閥 合理設計柱塞偶件的卸油通道 使針閥落座末期油壓下降率減緩 在座面沖擊 力允許范圍內適當加大針閥承壓面積比 使針閥關閉壓力高于最高燃氣爆發(fā)力 隨著 氣缸內最高燃氣壓力的增高 承壓面積比有增大的趨勢 常州工學院畢業(yè)設計 12 3 4 3 噴油嘴熱負荷 噴油嘴的可靠性和耐久性只有在一定的溫度范圍內 才能得到保障 溫021 度過高會使座面硬度下降而產(chǎn)生下陷 密封性破壞 膠結 積碳 噴孔堵塞 針閥卡 滯以及柴油機油耗上升 冒煙 功率下降等 如果溫度過低 則燃燒時產(chǎn)生的三氧化 二硫會腐蝕油嘴 噴油嘴最高溫度的限制還與燃油的種類有關 有的燃油在 左右開始分解 C018 噴油嘴溫度與柴油機的強化程度 燃燒室的類型以及在氣缸蓋上的安裝位置和安 裝間隙有關 通常安裝間隙為 0 3mm 0 4mm 當噴油器在氣缸蓋上偏心安裝時局部 間隙可能增加到 0 8mm 或者更大 使噴油嘴溫度大大增加 并造成油嘴圓周上的溫度 分布不均勻 引起熱變性不均勻 間隙小時 包含在間隙中的燃氣熱容量小 影響也 小 減小噴油嘴熱負荷的有效措施是減小安裝間隙 并保證與安裝孔同心 減小油嘴 與燃氣正面接觸的面積以及它在燃燒室內伸出的長度 在某些發(fā)動機上采用鋼屏來保護噴油嘴的 屏罩嵌入氣缸蓋上 保證正常的安裝 間隙 這種方法可以使噴油嘴降低 20 40 C00 噴油嘴安裝在氣缸上可以采用緊帽的端面密封 也可以采用墊片密封 一般采用 紫銅墊片 同時可以減輕油嘴受熱 風冷發(fā)動機的熱負荷更高 可以借助進氣道的空氣冷卻或者采用風扇冷卻噴油器 體 或者用鋼套圍住噴油嘴的伸出部分 以減少輻射 柴油機 P 型噴油器設計 13 4 多孔式噴油嘴噴孔參數(shù)的選擇和噴油器體設計 此次改進設計的噴油器配云南昆明內燃機動力有限公司所設計的 4 90 105 型中 冷渦輪增壓型柴油機 此款柴油機的設計參數(shù)如表 4 1 表 4 1 柴油機技術參數(shù)表 多孔式噴油嘴的噴孔參數(shù) 主要是指孔數(shù) 孔徑與夾角 可以簡寫為 孔 id 數(shù) 孔徑 夾角 這些參數(shù)主要取決于燃燒室的形式 燃燒時內的空氣流動情況及其 噴油量等 4 1 噴孔總截面積 cf 噴孔的總截面積與噴油器的噴油量 噴射延續(xù)時間和噴射壓力是相互聯(lián)系的 設 計時必須全面考慮 從熟知的托里西里 Torricelli 定律可以推導出這些關系的基本液 壓公式 4 1 tCfVcoc 即 310 tfco 式中 額定循環(huán)供油量 oVcm 3 噴孔系數(shù) 一般取 0 65 0 75 c c C 噴孔處燃料的平均流速 一般 C 200 300 s 噴射延續(xù)時間 t sknt6 形式 直立 直列 水冷 四沖程 中冷 缸數(shù) 缸徑 行程 4 90 105 氣缸套形式 濕式 燃燒室形式 直噴 w 型燃燒室 活塞總排量 L 2 672 吸氣方式 渦輪增壓 最低空載穩(wěn)定轉速 r min 750 壓縮比 17 1 標定功率 轉速 Kw r min 48 3200 最低燃油消耗率 g kw h 217 最大扭矩 轉速 N m r min 206N m 2000 2200r min 冷卻方式 強制循環(huán)水冷 排放 歐 II 見附表 常州工學院畢業(yè)設計 14 噴油泵凸輪軸轉角計的噴射延續(xù)角 噴油泵凸輪軸的額定轉速 kn min r 設計計算 額定循環(huán)供油量 ocVocV cmgnP 7 3210 861044276230 噴孔流速系數(shù)取 0 7 c C 噴孔燃料平均流速 C 250 mi 噴射延續(xù)時間 由圖 4 1 得 t 圖 4 1 針閥升程 knt6 104 3 s3 代入式 4 1 得 310CtVfco 231 014 257 m 4 2 噴孔直徑與孔數(shù) 噴孔總截面積 確定后 根據(jù)燃燒室與進氣渦流情況及其同類柴油機確定孔數(shù)和cf 噴射角度 并計算出噴孔直徑 id 4 2 ifci 4 設計噴油嘴噴孔數(shù) 代入式 4 2 6 得 mdi 168 04 3 4 3 多孔噴油嘴的最小流通截面 多孔式噴油嘴的最小截面 指噴孔以前油路中的最小流通截面 即當針閥下落密 封座之前 在座面處 圖 4 1 由尺寸 H 控制的一個環(huán)形臺體的環(huán)面積 為了減少噴 柴油機 P 型噴油器設計 15 射終了壓力的下降 最小流通截面至少應為噴孔總截面積的兩倍 根據(jù)噴油嘴的幾何 尺寸及針閥和針閥座的錐度差 當不考慮針閥和針閥體的錐角差異時 圖 4 2 多孔噴油嘴的最小流通截面 即 最小流通截面可 采用下列簡化公式 012 4 3 2cosin sin00 hdhfK 式中 針閥升程 m4 針閥座面錐角 1 1 6 針閥體座面嘴角 2 02 針閥體壓力室直徑 KddK 針閥密封帶直徑 代入式 4 3 X X 得 2cosin 2sin000 hdhfK 2519 02314 02 145 3 m 4 4 座面應力 座面應力是噴射終了針閥落座時撞擊針閥體座面而產(chǎn)生的應力 它對座面磨損影 響很大 影響座面應力大小的因素很多 如針閥最大升程時的彈簧作用力 針閥座面 下油壓的下降速度 針閥的摩擦阻力 燃油黏度 座面錐角差異以及針閥的剛度等 而在設計的時侯這些因素不可能全部考慮進去 計算結果也代表不了應力的絕對值 只是一個相對的評價方法 座面應力為 AF 式中 F 撞擊作用力 F 4 4 214alEhF 常州工學院畢業(yè)設計 16 式中 F 使針閥落座的彈簧作用力1 204XNdp 針閥最大升程 mm 參考圖 4 3 取 h hm4 0 圖 4 3 針閥升程最佳值 E 彈性模數(shù) 對鋼 E Pa10 2 針閥開啟壓力 Pa 0P0Pa71 2 針閥配合外圓直徑 mm 4mmNd Nd 針閥密封處直徑 mm X mX 座面密封帶到調壓彈簧下座面距離 mm 1l 由表 4 2 得 46 7mml 座面密封帶到針閥體大外圓肩部的距離 mm 2 由表 4 3 得 30mml 長度內的平均截面 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 柴油機 P 型噴油器設計 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 總和 143 195 9 99 mm1a195 43 2 SDln 2 長度內的平均橫截面 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 座面乘壓面的投影面積 A 24KXd 式中 針閥體壓力室直徑 mm 1mmk kd 針閥座面應力的計算 F 使針閥落座的彈簧作用力1 204XNdp N5 1802 14 6 310 247 代入式 4 4 得 F 撞擊作用力 F 214alEh 324213 05 09 5 1045 8 1 87 A 座面乘壓面的投影面積 A 2 36mm 2 36 2KXd 216 3 2261m 座面應力 F MPa7 30 876 材料得許用應力為 835 因此材料選取是合格的 WANiCr4218s 常州工學院畢業(yè)設計 18 4 5 針閥關閉時間的計算 針閥關閉時間 即針閥從最高位置到落座所需要的時間 縮短針閥關閉時間 可 以縮短噴油延續(xù)時間并減少燃氣竄入噴油嘴內部的可能性 從公式 及21ath mF 可以導出 4 5 t4 式中 噴油器運動零件的質量 kg m 經(jīng)計算 挺桿和針閥的總質量為 kg3108 4 針閥的最大升程 mm hhm F 作用在針閥上的力 N 4 6 321 式中 針閥開啟壓力 針閥受壓面積 014XNdp N5 1802 1 6 2 2447 彈簧剛度 升程 F 43 2zh 2 43 018 燃燒壓力 針閥受壓面積 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 針閥關閉時間 1 27mht41 6 23710481 43 s4 在柴油機轉速 時 曲軸的轉角為 in 0tn 2 4447 326 4 6 噴油器調壓彈簧的計算 調壓彈簧是噴油器的重要零件之一 它直接控制噴射壓力及噴油霧化情況 從而 影響著柴油機的燃燒過程與燃油消耗量 調壓彈簧的工作特點是在很小壓縮位移下 具有相當高的負荷與頻率 當針閥上 升時 載荷的工作時間只是千分之幾秒 相當于 的曲軸轉角 彈簧的壓縮位 5 20 移等于針閥升程 在 0 3 1 1mm 的范圍 噴油器工作的可靠性 很大程度上決定于調壓彈簧的工作性能 它的工作條件繁 柴油機 P 型噴油器設計 19 重 作用重大 故必須予以特別重視 因此 除按一般彈簧設計方法計算外 還應特 別注意應力校核 材料選擇以及工藝方法的制定等 通常針閥直徑采用 6mm 時 建議彈簧直徑選取 2mm 3 5mm 彈簧剛度 mNz 108 4 6 1 應力校核 4 7 35 2dKFDcp 式中 彈簧中徑 mm 5 45mmcp cpD 曲度系數(shù) 4 8 Kc615 04 其中 彈簧繞旋比 C 代入式 4 8 dCP725 10245 3 彈簧鋼絲直徑 mm 2mmd 彈簧負載 N F 當針閥未上升時 彈簧僅承受預緊力 為 1FfP 01 式中 針閥開啟壓力 Pa 0Pa92 針閥承受面積Nf 2m 其中 針閥配合外圓直徑 d 針閥密封處直徑 X 因此 NfPF 01 N19404 918 當針閥上升時 彈簧所承受的動負荷 為 dFmzVdax2 Ns 8 260 8 57 3 式中 針閥的最大運動速度axcp 針閥運動的平均速度cpVth 針閥升起之前調壓彈簧應力 3115 2dKFDcp MPa5910246 5 3 針閥上升后的應力 常州工學院畢業(yè)設計 20 3225 dKFDcp MPa6831027 45 3 針閥上升后的最大動應力 3135 ddCP a130102 45 5 3 經(jīng)計算 靜應力與動應力之比 在允許范圍 0 3 0 8 內 4 6 2 材料的選擇與熱處理 對于高速柴油機 一般采用高強度的 50CrVA 鋼絲來制造調壓彈簧 它不僅有較 高的強度 而且也有良好的韌性 在硬度較高的條件下對缺口敏感性較低 用這種材 料或者類似這種材料制造的調壓彈簧 一般要經(jīng)過淬火 回火處理 為了提高疲勞強 度還要進行噴丸處理 4 7 漏油量的計算 針閥和針閥體間微量滲漏是必要的 以便潤滑并防止擦傷咬死 但滲漏應最小 以免過大降低噴射壓力 造成霧化不良 滲漏的因素除針閥和針閥體的間隙 過大外 還與密封長度 直徑 噴射壓力 燃油的粘度 和密度 有關 lNd0P T 滲漏的經(jīng)驗公式為 4 9 lVTN 303154 1 式中 針閥與針閥體徑向間隙 針閥與針閥體配合直徑Nd 噴射壓力0P 粘度 比重T 密封長度l 此次所涉及的噴油器參數(shù)如下 m7102 dN34Pa08 8 3T 32 1kg 代入式 4 9 l 得 每個噴油器理論漏油量為 lPdVTN 30354 柴油機 P 型噴油器設計 21 hcmL 5 6in 10 108 913 824025 3263737 每個噴油器實際漏油量應為 hcmV 630 常州工學院畢業(yè)設計 22 結 論 本次 P 型噴油器的設計 P 型噴油器的結構 其主要分為以下二個部分 1 噴油器體 噴油器體是整個噴油器的基礎零件 它的作用是噴油器固定在柴油機燃燒室所需的 正確位置 作為燃料通向噴油嘴的通道 以及儲存其他零件 2 針閥偶件 噴油器中最重要的部件是噴油嘴 噴油嘴的作用是將噴油泵輸送來的高壓油定時 定量地以霧化狀態(tài)噴入燃燒室與空氣均勻混合 已達到完全燃燒的目的 最后 通過本次的設計工作 使我明白了機械設計或產(chǎn)品開發(fā)不能簡單照搬 也 不是墨守成規(guī)閉門造車 我們要有開闊的視野和發(fā)散性的思維 要有膽大心細的思維 方式 可以根據(jù)實際情況的差異做出不同的 具有設計性的設計和創(chuàng)造 這次設計結 合了課堂中所學的諸多課程 如機械設計 互換性與公差測量技術 材料工程以及金 屬工藝等學科 但是 在設計的過程中 我們也借用了一些別人已經(jīng)存在的科技成果 同時我們 也加入了一部分我們自己的勞動成果 也許我們自己的勞動成果不是十分的完美 或 許這也不科學 更不合理 但是畢竟是我們的第一次嘗試 對于我們來說這是十分重 要的 難能可貴的一次經(jīng)歷和學習 總之 在這次的柴油機 P 型噴油器的設計過程中 不僅使我學到了知識 同時也使我的思維和視野有所開闊 使我受益菲淺 柴油機 P 型噴油器設計 23 致 謝 時光飛逝 四年的大學學習生涯就要結束了 在這短暫而漫長的四年里 使我更 進一步的熟悉和掌握了如何去學習 生活 和工作 同時 也是校園讓我們學會了學 習 學會了思考 學會了做人 雖其短暫 但是在這四年里所學的知識必將可以使我 受用終生 在這大學生涯即將結束的最后半年的畢業(yè)實習與畢業(yè)設計的過程中 不僅是對我 們每一個人的一次全面的考查 同時也是對我們所學習和掌握知識的一次實際而綜合 運用 這不僅僅是只是一次知識的檢驗 更是對我們認識問題 分析問題 解決問題 的綜合能力的鍛煉與培養(yǎng) 同時對于我們來說 這也是一次難能可貴的在校學習的經(jīng) 歷 一次知識和經(jīng)驗的積累的機會 為此 我更應該感謝給予我這個機會的人 是他們給予了我這次學習的機會 同 時也是他們給予我了關懷與支持 正是在他們的關心 支持與幫助下 我的大學學習 生活 以及這次畢業(yè)設計才能完滿結束 為我大學生涯畫上一個完美的句號 在這里 我首先要感謝母校 是母校為我提供了這個平臺 給予我了夢寐已久的 學習和生活的機會 從而是我的人生更加精彩 其次 要感謝的是我的指導老師 在這幾個月的畢業(yè)實習和畢業(yè)設計的日子里 對我們的耐心的關懷與輔導 在這四年的大學生涯中 以前學的專業(yè)知識 對于我們 來說象一盤散沙 雜亂無章沒有系統(tǒng)性 但是在熊老師的悉心輔導下 使我們對自己 的知識進行了整理 組織和裝配 使我的知識結構更加明朗化 體系化了 與此同時 還要感謝校圖書館 CAD 制圖室 以及與之相關的所有老師們 他們在我的畢業(yè)設計 過程中給予了我莫大的支持和幫助 同時 我還要感謝同組的成員 以及關心和支持我的所有的同學 在我們共同學 習 和生活的日子里 大家共同努力 克服困難 不斷提出和完善新的設計思路和方 法 使我們的學習 生活和本次畢業(yè)設計工作得以順利而完滿的結束 生活上互相幫 助 彼此間留下了最珍貴而溫馨的友誼 是你們讓我擁有了一段美好的大學生活 最后 我要感謝所有的教過我的老師和輔導員 感謝您們的辛勤培育和無微不至 的關懷 是你們的高尚品德和人格魅力影響了并改變了我 在以后的學習 生活 工 作中 我將牢記您們的諄諄教誨 不斷學習 不斷進步 在此 衷心地祝福和感謝你們 常州工學院畢業(yè)設計 24 參考文獻 1 高書堂 高國強 柴油機燃油系統(tǒng)和匹配 北京 北京理工大學出版社 2005 4 2 徐家龍 柴油機電控噴油技術 北京 人民交通出版社 2004 6 3 陳紅均 船舶柴油機 武漢 武漢河運專科學校 1987 12 4 柴油機設計手冊編輯委員會 柴油機設計手冊 中冊 北京 中國農(nóng)業(yè)機械 出版社 1984 12 5 王世英 8NVD48A 2U 柴油機操作管理保養(yǎng)說明書 長江航運管理局 1982 6 孫銀城 噴油器 北京 北京工業(yè)出版社 1981 7 7 成大先 機械設計手冊 單行本 化學工業(yè)出版社 2004 1 No7 15 7 35 8 廖念釗 許金釗 互換性與測量技術基礎 第三版 中國計量出版社 2002 3 9 濮良貴 紀名剛 機械設計 第七版 高等教育出版社 2004 5 10 徐灝 機械設計手冊 第 4 卷 機械工業(yè)出版社 1992 4 11 乞永鎖 趙鳳梅 柴油機的維護 工程機械與維修 1989 5 柴油 12 孫寶鈞 機械設計課程設計 機械工業(yè)出版社 2002 9 13 中國機械工業(yè)教育協(xié)會 工程制圖 機械工業(yè)出版社 2001 7 14 王錦俞 汽車工程詞典 機械工業(yè)出版社 2005 年 1 15 胡得昌 胡小舟 現(xiàn)代工程材料手冊 宇航出版社 1992 2 柴油機 P 型噴油器設計 25 附 表 歐 型式認證和生產(chǎn)一致性排放限值 限值 g km CO HC NOx PM 車輛類別 基準質量 RM kg 汽 油機 柴油 機 汽 油機 非 直噴柴 油機 直 噴柴油 機 非直 噴柴油機 直噴 柴油機 第 一類車 全部 2 2 1 0 0 5 0 7 0 9 0 08 0 10 1 級 RM 1250 2 2 1 0 0 5 0 7 0 9 0 08 0 10 2 級 1250 R M 1700 4 0 1 25 0 6 1 0 1 3 0 12 0 14 第 二類車 3 級 1700 R M 5 0 1 5 0 7 1 2 1 6 0 17 0 20