压燃式发动机油管残留测量装置的设计与实现(机械制造毕业设计)

燃油的可压缩性和管路的弹性，使高压系统形成一个弹性系统，燃油在高压系统中的流动也就产生弹性振动。在供油过程中，出油阀开启之前，柱塞运动仅使泵油室中燃油压力升高；出油阀开启的瞬间，在高压油管靠近喷油泵一端的燃油受到自泵油室来的燃油压力冲击，其附近区域产生局部的压力升高，出油阀开启后，柱塞运动将燃油挤向高压油管。但由于燃油的惯性和可压缩性，柱塞所排挤的燃油量与高压油管中流动的燃油量之间不平衡，造成燃油瞬时堆积，使压力继续升高。这种局部压力的瞬时提高，都以压力波的形式沿高压油管向喷油器一端传播。 传播的速度就是声速在这种介质中的传播速度，其值约为1400～1600m/s。这种传播速度应该在纯油状态下；但在实际情况下其值应为700～1200m/s，声速在传播中是变化的。、

压力波的传播情况可作以下说明。当出油阀开启时，高压油管中靠近喷油泵一端的燃油产生的压力波向喷油器一端传播。经过L/a（L—高压油管长度，a—声速）到达喷油器端。如果第一个压力波不足以升起针阀，则压力波全部被反射，向喷油泵端传播，反射波经过L/a到达喷油泵端与该处新产生的压力波叠加起来，又被反射向喷油器一端传播。当压力传播使喷油器端的燃油压力升高到大于针阀开启压力时，针阀即打开，喷油开始，此时，传至喷油器端的压力波仍要部分地反射回去。所以，在整个供油过程期间，压力波往复传播多次反射，高压油管中的压力也就随时间和地点而变。在针阀关闭后，油管中的压力仍会往返波动，如果这个波动大，有可能使针阀再度开启，造成不正常喷油，引起燃烧恶化，如果波动不大，由于管壁摩擦阻力和燃料粘性阻尼（内摩擦）的作用，压力波较快衰减，以至在下次供油之前，油管中的压力可以可以达到稳定状态，此时残留压力为p_r。

由于上述的压力波动现象存在，使实际喷油过程与柱塞的供油过程很不一致。这也是对油管的残留压力进行研究的重要原因之一。

提高喷油压力的措施很多，如增大柱塞直径；采用较陡的油泵凸轮廓线，提高柱塞供油速度；减少高压系统的阻力，以减少高压燃料的能量损失；减小喷孔直径等。采用高压喷射后，由于燃烧过程加快，使未燃的碳氢化合物HC的排放明显减少。燃烧过程加快，就可能采取推迟喷油的措施来降低有害排放物，而又不使燃油经济恶化。但高压喷射也带来其它问题，如二次喷射、穴蚀，油泵凸轮疲劳剥落等，需要采取相应措施加以解决。以上问题将在下面的文章中予以说明。

    喷油泵柱塞和喷油泵凸轮，共同决定着每循环供油量及几何供油规律,它们对柴油机性能的影响主要反映在供油时刻和供油持续时间（即供油速度）对性能的影响上。供油时刻可由供油提前角予以调整，而供油持续时间则和柱塞直径、凸轮外形等因素有关。由于本课题主要是对油管的残留压力进行研究，所以仅对上述几个和油管的残留压力有关的特性参数作简要描述。

直接影响燃烧性能的是喷油提前角，因为测量喷油提前角必须有一套电气设备来测量喷油器针阀开启时刻，这是动态测量，比较麻烦，所以平时柴油机测试，就是测量供油提前角，产品说明书上给用户的提前角的数据都是指供油提前角。供油提前角就是喷油泵开始压油到上止点为止的曲轴转角，是用静态法测量，也就是使发动机处于停车状态，凭目力观察出油管是否冒出燃油来确定供油始点（溢油法），或者从计算进油孔关闭的时刻来确定。因此，用静态法测出的供油提前角与实际喷油提前角之间可能有较大的差别，其差别取决于喷油延迟角θ_x即

θ=θ_s+θ_x

       θ—供油提前角

       θ_s—喷油提前角

       θ_x—喷油延迟角

θ_x 与许多因素有关。不同转速和高压油管长度对喷射延迟都有影响，喷油延迟角随转速升高而增大；当油管增长时，由于压力波传播的时间增加，使喷油延迟角也随之加大。

供油提前角对柴油机性能影响很大，主要是影响经济性、压力升高率Δp/Δψ和最高燃烧压力。供油提前角过大，则燃料在压缩过程中燃烧的数量就多，不仅增加压缩负功使燃油消耗率增高、马力下降，而且θ大时由于着火延迟较长，压力升高率和最高燃烧压力迅速升高，工作粗暴（可以听到有清脆的“嘎嘎”震声），怠速不良，难于起动；如果供油提前角过小，则燃料不能在上止点附近迅速燃烧，后燃料增加，而且喷油后很快燃烧，油气混合均匀性差。虽然最高燃烧压力较低，但虽然燃油消耗率和排气温度增高，发动机过热。所以对每一工况，有一最有利的供油提前角，此时燃油消耗率最低。

最佳供油提前角都是调试过程中由试验最后选定。应该指出，有些发动机，特别是增压发动机，在最佳供油提前角时最高燃烧压力较大，为了降低机械负荷，实际选用的供油提前角比最佳值略小一些。

当柴油机转速增加时，一方面喷油延迟角加大，另一方面混合气形成和燃烧的时间（以秒计）缩短，为了保证在上止点附近燃烧，就需要供油相应提前一些，因此，最佳供油提前角是随柴油机转速升高而增大的。

喷油泵的主要结构参数是柱塞直径、柱塞的有效行程、全行程和油泵凸轮廓线等。初步选择喷油泵的结构参数的主要依据是柴油机的每循环供油量。考虑到发动机可能超载运行，以及柱塞偶件长期使用后因磨损使漏油增加等因素，实际每循环供油量计算时应大25～35%。由于每循环供油量与柱塞的直径有关，所以在确定了每循环供油量后就可通过相应的公式计算出柱塞的直径。同样柱塞的有效行程、全行程和油泵凸轮廓线都可通过相应的计算和凸轮升程表获得。

当柱塞的直径增大时，喷油延迟角及喷油持续时间都减小，但供油速度增大，使喷初期油速率也较大，喷油规律曲线变高，所以一般说来，柱塞直径加大经济性好，但运转粗暴。当发动机强化时，每循环供油量加大，就要特别考虑加大柱塞直径以缩短喷油延续时间，改善经济性。同时从改善性能的角度考虑，为了保证迅速燃烧，高速柴油机全负荷时的喷油持续角不希望大于25℃A，中速柴油机的喷油持续角不应大于30～40℃A，因此也就要求供油持续角不能过大。供油持续时间缩短 就要求提高供油速度，可以增加柱塞直径或增加柱塞速度来提高供油速度。增加柱塞直径将使驱动力明显增加（驱动力与柱塞直径平方成正比），而加大柱塞速度又会使柱塞容易磨损及传动机构的动力负荷增大，因此柱塞直径和柱塞速度要合理选择，既要有良好的性能，又要保证有足够的使用寿命。为了保证柱塞有一定的寿命，柱塞最大速度不希望超过2.5～3m/s。选取供油持续角和在有效行程期间的柱塞平均速度后，喷油泵参数根据统计资料或理论公式初步选定后，还要进行试验，才能最后确定。              

在与喷油泵特性有关的各个参数中，还有一个与燃油压力有关的重要参量。那就是出油阀对燃油压力的影响。我们可知道，喷油泵的出油阀头部带有密封锥面，尾部又有四个铣槽在阀头与阀尾之间有一个圆柱形的减压带，在油管的残留压力和弹簧的作用下，使出油阀压紧在阀座上。这样，在柱塞吸油行程时，出油阀就阻止高压油管中的燃油倒流入泵油室，从而保证柱塞有一定的供油量。当柱塞压油时，泵油室中油压升高，克服弹簧力及油管中的残留压力，将出油阀向上压，一直等到圆柱减压带离开阀座导向孔时，才有燃油经过铣槽流入高压油管。柱塞在有效行程结束时，泵油室中油压迅速下降，出油阀开始下降。当柱形减压带进入导向孔时，高压油管与泵油室即被隔开，此后直到阀面落座，出油阀又下落一距离h（实际h从锥面密封带算起），这样，在高压油管中就突然增加一部分容积，这部分容积使油管中的燃油膨胀，从而使高压油管中的油压迅速下降，喷油迅速停止。我们把出油阀使高压油管中压力骤然下降的作用称作出油阀的减压作用。

借助出油阀的减压作用可以控制高压油管中的残留压力，由此影响喷油特性。通过合理选择减压带高度h，可以消除喷油器滴油的现象，而出油阀的升程、开启压力等也影响燃油喷射过程，所以出油阀对柴油机性能也有一定影响。随着减压带高度的增加，减压容积加大，由于减压效果增加而使性能得到改善。

出油阀紧帽的高压储油容积在整个高压系统的容积中占有相当的比重，可以通过出油阀紧帽内径的改变或改变减容器尺寸，来改变出油阀紧帽的高压储油容积。高压储油容积减小，可以减小喷射过程的压力的波动，提高压力上升速度，缩短喷油延续时间，使经济性有所改善。从在供油提前角都相同的情况下的试验结果可以看出，由于出油阀高压储油容积减小，喷油延迟角也减小，因此，最佳供油提前角也减小。根据上述分析柱塞校合尺寸，柱塞偶件尺寸，联轴节如设计图纸。

当喷油泵油量控制机构（齿条或拉杆）位置不变时，每循环供油量随转速的变化特性称作喷油泵的速度特性。由于柴油机负荷变化是靠改变供油量来实现，即平均有效压力（或扭矩）大致与每循环供油量成正比，所以喷油泵的速度特性直接影响柴油机的速度特性。从喷油泵的速度特性分析可知，每循环供油量随转速升高而增加，这是由于进、回油孔的节流作用而引起的。理论上当柱塞上端关闭进、回油孔时，才开始压油，实际上当柱塞上端面还未完全关闭油孔时，由于节流作用，被柱塞排挤的油量来不及通过油孔流出致使泵油室内压力升高，出油阀提早开启。同样道理，当供油终了，柱塞的斜切槽边缘开启油孔通道还不足够大时，由于节流作用，泵油室中燃油不能立即流到低压系统中去，仍维持较高压力使出油阀延迟关闭。出油阀的早开和迟闭必然使流向高压油管的燃油量增多，而转速愈高，柱塞的压油速度就愈大，泵油室内的压力建立也愈早，压力下降也愈迟，所以，供油量随转速升高而增加。

从使用要求和充分发挥柴油机潜力来看，都需要设法改变喷油泵的速度特性。目前常用的校正方法有出油阀校正和弹簧校正两种，针对前面对于喷油泵出油阀压力特性的描述，现在本文中仅对出油阀校正进行介绍。