第五章普通柴油机燃油供给系统.docx

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第五章柴油机燃油供给系统
第一节概述
一、柴油
二、柴油机燃油系的组成与工作原理
三、可燃混合气的形成与燃烧室
第二节柴油机燃油供给系主要部件
一、输油泵
二、柱塞式喷油泵
(一)A型喷油泵
(二)P型喷油泵结构特点
三、分配式喷油泵
四、调速器
(一)两速调速器
(二)全速调速器
五、喷油器
第三节柴油机燃油供给系故障诊断
一、发动机起动困难
二、怠速不稳
三、动力不足
四、发动机运转不稳并伴有敲击声
五、发动机“飞车”
六、柴油发动机“游车”
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第五章柴油机燃油供给系统
学****目标:
能正确叙述柴油机燃油供给系统的组成与工作原理。
清楚主要部件的结构原理。
清楚主要部件的检查与调整方法。
能排除柴油机燃油供给系统常见故障。
考核标准:
柴油机燃油供给系统的结构与工作原理。
主要部件的结构原理。
各部件的安装位置。
主要部件的拆装与更换。
常见故障的诊断与排除。
第一节概述
一、柴油
柴油是在533~625K的温度范围内由石油中提炼出来的碳氢化合物。柴油按其所含重馏分的多少分为轻柴油和重柴油。轻柴油用于高速柴油机,重柴油用于中、低速柴油机。汽车用柴油机都是高转速的,因此,应采用轻柴油。
柴油的使用性能指标主要是发火性、蒸发性、粘度和凝点。
发火性是指柴油的自燃能力。柴油的发火性用十六烷值表示,十六烷值越高,发火性越好。但十六烷值过高的柴油喷入燃烧室后,还来不及与空气充分混合就着火,使柴油在高温下裂解分离出大量的游离碳,造成油耗、烟度上升。因此,一般汽车用柴油的十六烷值应在40~50范围内。
蒸发性是指柴油蒸发汽化的能力,用柴油馏出某一百分比的温度范围即馏程和闪点表示。需要测量馏程为50%、90%及95%馏出温度。比如,50%馏出温度即柴油馏出50%的温度,此温度越低,柴油的蒸发性越好,越有利于起动,但同时也会使柴油机工作粗暴。国家标准规定此温度不得高于300℃,但没有规定最低温度限。90%及95%馏出温度越低,表明柴油中重馏分含量少,可燃混合气燃烧完全,油耗降低。
为了控制柴油的蒸发性不致过强,标准中规定了闪点的最低数值。柴油的闪点指在一定的试验条件下,当柴油蒸气与周围空气形成的混合气接近火焰时,开始出现闪火的温度。闪点低,蒸发性好。
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粘度是评价柴油稀稠度的一项指标,决定柴油的流动性。粘度随温度而变化,当温度升高时,粘度减小,流动性增强;反之,当温度降低时,粘度增大,流动性减弱。粘度过大的柴油,流动阻力也过大,难以沉淀、滤清,影响喷雾质量;反之,粘度过小的柴油,将增加精密偶件工作表面间的柴油漏失量,并加剧这些表面的磨损。因此应选用粘度合适的柴油。
凝点是表示柴油冷却到开始失去流动性的温度。柴油的凝点应比柴油机最低工作温度低3~5℃以上。凝点过高将造成油路堵塞。轻柴油的牌号即根据凝点编定的,如10号、0号和-35号轻柴油的凝点分别为10℃、0℃和-35℃。
GB/T252—2000(表5-1)中规定的实际胶质、10%蒸余物残炭和氧化安定性,总不溶物等三项指标,是柴油安定性的评定指标。柴油的防腐性则用硫含量、硫醇硫含量、酸度、铜片腐蚀及水溶性酸或碱等指标来评定。柴油中的灰分、水分和机械杂质,是评定柴油清洁性的指标。
汽车柴油机应使用各项指标均符合国家标准的柴油。
表5-1我国轻柴油国家标准(GB/T252—2000)
二、柴油机燃油系的组成与工作原理
差油机使用的燃料是柴油,由于柴油比汽油粘度大,蒸发性差,所以在柴油机工作时,必须采用高压喷射的方法在压缩行程接近上止点时,将柴油以雾状喷入燃烧室,直接在气缸内部形成可燃混合气,并借助气缸内空气的高温自行发火燃烧。
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柴油机燃料供给系一般由柴油箱、柴油粗滤器、输油泵、喷油泵、调速器、喷油器及油管等部件组成。其中喷油泵是柴油机燃料供给系中的关键部件。目前,柱塞式喷油泵和分配式喷油泵是柴油机燃料供给系中广泛应用的两种型式的喷油泵。
。发动机工作时,在输油泵5的作用下,柴油从柴油箱8中被吸出,经过油水分离器7分离掉柴油中的水分,再压向柴油滤清器2滤除柴油中的杂质,然后送往喷油泵3。在喷油泵内柴油经过增压和计量之后,经高压油管9供入喷油器1,最后通过喷油器将柴油喷入燃烧室。输油泵供给的多余柴油及喷油器顶部的回油均经回油管11返回柴油箱。直列柱塞式喷油泵一般由柴油机曲轴的定时齿轮驱动,固定在喷油泵壳体上的活塞式输油泵由喷油泵凸轮轴上的偏心轮驱动。喷油泵前端装有供油提前器4,后端与调速器6组成一体。

1-喷油器;2-柴油滤清器;3-柱塞式喷油泵;4-供油提前器;5-输油泵;6-调速器;7-油水分离器;8-柴油箱;9-高压油管;10-低压油管;11-回油管
(也称VE泵)的柴油机燃料供给系统示意图。一级输油泵3将燃柴油从柴油箱内吸出后产生一定的压力,经油水分离器2及柴油滤清器5,滤掉水分和杂质后输送到二级输油泵4,再由二级输油泵将压力提高后输送到分配式喷油泵体9内,由分配式喷油泵12增压计量后按发动机工作顺序将高压油送到各个气缸的喷油器10喷入燃烧室,多余的柴油流回柴油箱。
一级输油泵为膜片式泵,由配气机构的凸轮轴驱动。二级输油泵为滑片式泵,装在分配式喷油泵体内,并由分配式喷油泵的传动轴驱动。滑片式输油泵出口油压随转速的升高而增加,为控制喷油泵体内腔油压保持稳定,在二级输油泵出口处设有调压阀6。当喷油泵体内腔油压超过规定值时,将有部分柴油经调压阀返回输油泵入口。~
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MPa。

1-柴油箱;2-油水分离器;3-一级输油泵;4-二级输油泵;5-柴油滤清器;6-调压阀;7-分配式喷油泵传动轴;8-调速手柄;9-分配式喷油泵体;10-喷油泵;11-回油管;12-分配式喷油泵;13-喷油提前器;14-调速器传动齿轮
除上述燃油供给装置外,柴油机燃料供给系还包括空气供给装置、混合气形成装置及废气排出装置。空气供给装置由空气滤清器、进气管和进气道组成,有的还装有空气增压器及中冷器;混合气形成装置为燃烧室;废气排出装置由排气道、排气管和排气消声器组成。
三、可燃混合气的形成与燃烧室

与汽油机相比,柴油机可燃混合气的形成与燃烧条件要差得多。在柴油机工作中,进气行程进入气缸的是纯空气,只是在压缩行程接近终了时刻,才将高压柴油喷入燃烧室。喷油持续时间只占15°~35°曲轴转角,所形成的可燃混合气很不均匀,在燃烧室的不同区域以及不同时期,可燃混合气的浓度相差都很大。
目前柴油机可燃混合气的形成方法基本上有两种:空间雾化混合和油膜蒸发混合。
空间雾化混合是将高压柴油喷向燃烧室空间,形成雾状,与空气进行混合。为了使混合均匀,要求喷出的燃油与燃烧室形状相配合,并充分利用燃烧室中空气的运动。
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油膜蒸发混合是将大部分柴油喷射到燃烧室壁面上,形成一层油膜,受热蒸发,在燃烧室中强烈的旋转气流作用下,燃料蒸气与空气形成均匀的可燃混合气。
在柴油实际喷射中,很难保证燃料完全喷到燃烧室空间或燃烧室壁面,所以两种混合方式都兼而有之,只是多少、主次有所不同。
为了促进柴油与空气更好混合,一般都要组织适当的空气涡流,常见的有以下3种:
(1)进气涡流。进气涡流是指在进气行程中,使进入气缸的空气形成绕气缸中心高速旋转的气流。它一直持续到燃烧膨胀过程。
产生进气涡流的方法一般是将进气道设计成螺旋气道或切向气道,。切向气道是在气门座前强烈收缩,引导气流以单边切线方向进入气缸,造成进气涡流。螺旋气道是在气门座上方的气门腔里制成螺旋形,使气流在螺旋气道内就形成一定强度的旋转,造成较强的进气涡流,涡流速度可以达到曲轴转速的6~10倍。

切向进气道;b)螺旋进气道
(2)挤压涡流。挤压涡流(挤流)是指在压缩过程中形成的空气运动。当活塞接近压缩上止点时,活塞顶上部的环形空间中的气体被挤入活塞顶部的凹坑内(),形成了气体的运动。当活塞下行时,活塞顶部凹坑内的气体向外流到环形空间(),称为逆挤流。挤压涡流的产生与活塞顶凹坑(燃烧室)设计有很大关系,柴油机活塞顶凹坑形形色色,目的就是促进燃油与空气的混合与燃烧。

a)挤流;b)逆挤流
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(3)燃烧涡紊流。燃烧涡紊流是指利用柴油燃烧的能量,冲击未燃的混合气,造成混合气涡流或紊流。其目的也是进一步促进燃油与空气的混合与燃烧。燃烧涡紊流的程度与柴油机燃烧室的形状密切相关。
根据气缸中压力和温度的变化特点,可将混合气的形成与燃烧过程按曲轴转角划分为四个阶段,。
备燃期Ⅰ是指喷油器喷油始点A到燃烧始点B之间的曲轴转角。这一期间进行着燃烧前的物理和化学准备过程。
速燃期Ⅱ是指从燃烧始点B到气缸内压力达最高的C点之间的曲轴转角。火焰自火源迅速向四周推进,上一时期积存的柴油以及在此期间陆续喷入的柴油,在已燃气体的高温作用下,迅速蒸发、混合和燃烧,使气缸内压力和温度急剧上升,最高压力可达6~9MPa,一般出现在上止点后6°~15°曲轴转角处。这一时期的放热量为每循环放热量的30%左右。
缓燃期Ⅲ是指从最高压力点C到最高温度点D之间的曲轴转角。在此期间,燃烧以很快的速度继续进行,后期由于氧气缺少,废气增加,燃烧速度越来越慢。此期间的压力逐渐下降,但燃气温度还在继续升高,最高温度可达1973~2273K,一般出现在上止点后20°~35°曲轴转角处。喷油是在D点以前结束的,缓燃期内的放热量为每循环放热量的70%左右。
后燃期Ⅳ从最高温度点D到柴油已基本上完全燃烧的E点之间的曲轴转角。燃烧是在逐渐恶化的条件下缓慢进行直到停止。在此期间,压力和温度均下降。为防止柴油机过热,应尽量缩短后燃期。加强燃烧室内气体的运动,改善混合气的形成条件,是缩短后燃期的有效措施。
综上所述,柴油机的工作特点是工作粗暴、排气冒烟、噪声大。从喷油开始到燃烧结束,仅占50°~60°的曲轴转角,可燃混合气形成的时间极短、空间极小。因此,在这段时间里,提高燃料的雾化程度、加强气流的运动强度、改善燃烧后期的燃烧条件,是提高柴油机动力性和经济性的有效途径。
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Ⅰ-备燃期;Ⅱ-速燃期;Ⅲ-缓燃期;Ⅳ-后燃期

由于柴油机可燃混合气的形成和燃烧主要是在燃烧室内进行的,所以燃烧室的形状对可燃混合气的形成和燃烧有着直接的影响。
柴油机燃烧室按结构形式分为两大类:统一式燃烧室和分隔式燃烧室()。

统一式燃烧室;b)分隔式燃烧室
1-喷油器;2-副燃烧室;3-连接通道;4-活塞;5-双涡流凹坑;6-ω形凹坑
(1)统一式燃烧室。统一式燃烧室的结构特点是只有一个燃烧室,位于活塞顶面和气缸盖底平面之间,燃料直接喷入该燃烧室中与空气进行混合燃烧。
统一式燃烧室的活塞顶设计极具独创性,。不同的涡流凹坑,产生不同的气体运动,混合气形成也不同,导致发动机性能的差异。图中b)、c)所示的ω形燃烧室和球形燃烧室比较常用。
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a)浅盆形燃烧室;b)浅ω形燃烧室;c)球形燃烧室;d)U形燃烧室;e)四角形燃烧室;f)八角形燃烧室;g)花瓣形燃烧室
ω形燃烧室的活塞顶部凹坑的纵剖面为ω形,喷入的柴油绝大多数分布在燃烧室的空间,极少部分喷到燃烧室壁面上形成油膜。所以混合气的形成以空间雾化混合为主。这种燃烧室结构简单、紧凑,由于空间小,传热损坏少,发动机的动力性、经济性及起动性都较好。但对喷油系统要求高,需要较高的喷油压力,要配以多孔式喷油器,工作起来也比较粗暴。
球形燃烧室位于活塞顶部中央,形状大于半个球。与喷油器相对应的位置,开有缺口与球面相切,柴油从这里顺气流方向喷射到燃烧室壁面上形成油膜。在柴油喷射贯穿空气时或碰到燃烧室壁反射时,必然有少量油粒(约5%)脱离油束,呈雾状散布在燃烧室空间。这部分柴油在炽热的空气中首先完成着火准备,形成火源,然后靠此火源点燃从燃烧室壁上已蒸发的燃油形成的可燃混合气,所以混合气的形成方式以油膜蒸发混合为主。这种混合气形成方式使发动机工作平稳、柔和、燃烧彻底。它的缺点是起动性能较差;低速、低负荷工作时,混合气质量差,排烟较重以及变工况的适应性差等。
(2)分隔式燃烧室。分隔式燃烧室由两部分组成,即主燃烧室和副燃烧室。主燃烧室位于活塞顶与气缸盖底面之间,副燃烧室位于气缸盖内。主、副燃烧室之间用一个或几个直径较小的通道相连。燃油则是喷入到副燃烧室内的。分隔式燃烧室常见的结构型式有涡流室式和预燃室式两种,见图5.
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8。

a)涡流室式;b)预燃室式
1-电热塞;2-喷油器;3-燃油喷注;4-通道;5-主燃烧室;6-涡流室;7-预燃室
涡流室式燃烧室的副燃烧室多为球形,也有圆柱形。涡流室与主燃烧室用一个或数个通道连通,通道方向与活塞顶成一定角度并与涡流室相切。这样,在压缩行程中,空气从气缸内被挤入涡流室时,形成强烈的有规则的涡流运动,喷入涡流室内的燃油,在强烈的空气涡流作用下迅速与空气混合形成可燃混合气,混合气的形成属空间混合。着火后大部分柴油在涡流室内燃烧,未来得及燃烧的部分燃油在做功行程初期与高压燃气一起通过切向通道喷入主燃烧室,形成二次涡流,使之进一步与空气混合燃烧。
由于在涡流室内及气缸内均能形成强烈的涡流运动,可以降低对柴油喷雾质量的要求,因此可以采用喷油压力较低的轴针式喷油器,可以在较小的过量空气系数(а=~)下工作,平均有效压力较高;由于大部分柴油是在涡流室内燃烧的,再加上通道面积较小,对气体流动产生一定的节流作用,使主燃烧室内气体压力升高较平缓,发动机运转平稳,燃烧噪声小,排气污染少。但由于燃烧室的散热面积大和通道的节流作用,使散热损失和流动损失增加,所以经济性较差;此外,由于喷油压力低,油雾颗粒较大、蒸发慢,所以起动性能也较差。为了保证冷机起动,一般设置电热塞等起动辅助装置。
预燃室式燃烧室的副燃烧室多是长体结构,一般用耐热钢单独制造,再镶入气缸盖内。在压缩行程中,气缸内的空气被挤入预燃室内形成强烈的无规则的紊流运动,喷入到预燃室内的柴油受空气紊流的扰动,与空气初步混合,形成可燃混合气,混合气的形成属空间混合。少部分的柴油在预燃室内着火燃烧后,预燃室内温度、压力急剧升高,未燃烧的大部分柴油及燃气高速喷入主燃烧室。由于窄小孔道的节流作用再次产生紊流,促使柴油进一步蒸发与空气混合而完全燃烧。