喷油泵.docx

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第三节喷油设备

船舶柴油机使用的喷射系统大多属于柱塞泵式直接喷射系统。

其主要组成部件是喷油泵与喷油器。

一、喷油泵

喷油泵为柱塞泵，它是喷射系统的核心部件。

它的作用除了产生喷射高压外，还有对供油量的定时与定量。

其定时供油由凸轮轴上的凸轮安装位置控制，凸轮轴与柴油机曲轴的传动相位确定了整机各喷油泵的供油定时；喷油泵的定量供油取决于柱塞上行时有效供油行程的大小。

此有效行程的大小可在柱塞的上行行程中借助于调节机构使一部分燃油回油，流回低压空间加以调节。

此种油量调节原理可有三种调节方案：

始点调节（调节供油始点而终点不变）；终点调节（供油始点不变而供油终点可调）；始终点调节（始终点均可调节）。

柱塞式喷油泵的基本组成部分有柱塞与套筒（称柱塞偶件）、凸轮与滚轮、进油阀和出油阀以及调节机构等。

根据调节机构的特点可分为回油孔调节式与回油阀调节式两种喷油泵。

1.回油孔调节式喷油泵

回油孔式喷油泵又称斜槽式喷油泵或Bosch喷油泵。

1）结构特点

回油孔式喷油泵按各缸喷油泵单元组合方式可分为单体式和组合式两种，

图3—7回油孔式喷油泵基本结构图

1-柱塞；2-套筒；3-出油阀；4-出油阀弹簧；R-齿条；S-齿圈；B-回油孔；a-直槽；b-斜槽；c-环形槽；d-横销

两者的基本结构相同。

图3—7是回油孔式喷油泵基本结构图。

回油孔式喷油泵的主要部件是柱塞1与套筒2、调油机构（齿条R与齿圈S）、出油阀3及出油阀弹簧4。

柱塞头部有直槽a、斜槽b、环形槽c，柱塞下方有横销d，套筒上部有回油孔B。

拉动齿条可通过齿圈使柱塞转动。

2）工作原理

图3—8柱塞泵工作原理图

柱塞与套筒组成一对偶件。

柱塞在套筒内由凸轮顶动上下往复运动。

当柱塞位于凸轮基圆时位置最低，此时套筒上部进（回）油孔开启，燃油进入泵腔，见图3—6（a）。

柱塞由凸轮顶动上行，在柱塞顶端未关闭回油孔时，泵腔内燃油经回油孔流回进油空间直到柱塞上部端面刚好关闭回油孔时，泵腔燃油开始受压缩，此即为几何供油始点，如图3—6（b）所示。

图3—9三种油量调节方式及柱塞头部结构

柱塞继续上行，当柱塞头部的斜槽打开回油孔时，柱塞上方的高压燃油经柱塞头部的直槽和环形槽与回油孔相通而流回进油空间，此即为几何供油终点，如图3—6（c）所示。

从供油始点到供油终点柱塞上行的供油行程称为柱塞的有效行程。

此后柱塞继续上行至最高位置，燃油一直流回进油空间。

柱塞下行时泵腔经回油孔充油。

若在柱塞的往复运动中通过调节机构逆时针转动柱塞，则供油始点不变，而供油终点延后，即柱塞有效行程增大，供油量增加，为终点调节式。

反之，顺时针转动柱塞，则柱塞有效行程减小。

当柱塞头部的直槽对准回油孔时，泵腔中的燃油在柱塞的全部上行行程中都经回油孔流回进油空间，此即为停油位置，即停车位置。

图3—9为三种油量调节方式及柱塞头部结构。

图3—9（a）为终点调节式，此种柱塞头部上断面为平面，斜槽在下部，在转动柱塞调节油量时，供油始点不变而终点变化。

图3

—9（b）为始点调节式，柱塞头部斜槽在上部，下断面为平面，在转动柱塞调节供油量时，其供油始点变化而终点不变（为柱塞头下部断面环形槽处）。

若在柱塞头部上、下均有斜槽如图3—9（c）所示，则为始终点调节式。

图中A、A1、A2、A3为供油始点；B、B1、B2、B3为供油终点；S1、S2、S3为柱塞有效行程；β、β1、β2、β3为几何供油

提前角。

3）典型结构介绍

回油孔式喷油泵在其结构特点和工作原理相同的前提下，种类繁多。

图3—10为Wärtsilä32型柴油机喷油泵。

喷油泵的主要零件是由柱塞4和套

筒5所构成的偶件。

柱塞上设有直槽、斜槽和环槽，套筒上开有两个圆孔。

柱塞中部与调节齿圈7用键连接，齿圈与齿条6啮合，拉动齿条可转动柱塞以调整柴油机的循环供油量。

柱塞下端接上下弹簧盘8，10及柱塞弹簧9。

喷油泵供油通过凸轮顶

头顶动柱塞4上行完成，而柱塞的吸油动作则靠弹簧使柱塞下行来完成。

套筒上端与上端盖1紧密结合，在上端盖上设有两个出油阀2、3，当供油初期，少量燃油通过引喷出油阀使少量进入喷油器，而在主喷射阶段则通过主出油阀使大量燃油迅速喷入气缸，这样即可以使燃烧初期工作比较柔又可以控制整个喷射和燃烧过程不至太长。

调节齿条6上有刻线，指示喷油泵供油量。

在多缸柴油机中各缸喷油泵齿条6通过某种联结方式与油门拉杆相接，通过燃油手柄（或调速器）拉动油门拉杆可实现对供油量的总调；在油门手柄不动时，调节油泵齿条6与油门拉杆的连接位置可实现对喷油泵供油量的单调整。



图3—10Wärtsilä32型柴油机喷油泵

1-上端盖；2-引喷出油阀；3-主出油阀；4-柱塞；5-套筒；6-齿条；

7-调节齿圈；8-上弹簧；9-弹簧；10-下弹簧盘；11-泵体；12-顶头；A-高压油管接；B-高压腔；C-低压腔

图3-11为S-MC-C型柴油机的高压油泵，其上部为吸油阀和空气剌破阀的组合阀，当柱塞下行时，燃油通过该阀进入泵腔；若此阀通入压缩空气，则可放掉高压油泵中的燃油，使发动机紧急停车。

在高压油泵设有进回油孔，在使用和停车状态下，都可以使高压燃油在油泵循环，柴油机停车和机动航行时都不需换油。

4）出油阀和阀座

图3-11MANB&WS-MC-C型柴油机喷油泵

多数喷油泵在其出口处均装有出油阀，出油阀与阀座是喷油泵中的第二对精密偶件。

出油阀偶件有蓄压、止回和减压（卸载）作用。

蓄压作用指在柱塞供油行程中使供油压力逐渐累进。

止回作用指柱塞吸油行程中出油阀自动落座，可防止高压油管内燃油倒流，缩短喷射延迟阶段，也有利于排除系统中的空气。

减压

作用指通过出油阀的卸载容积可有效地控制喷射结束后高压油管中的剩余压力，有助于消除因高压油管剩余压力过高而引起的重复喷射现象。

按出油阀卸载方式可分为等容卸载式和等压卸载式两种。

（1）等容卸载式出油阀

该阀偶件结构如图3—12（a）所示。

图中h为出油阀的卸载行程，阀在落座前h距离时

已把高压油管与油泵的工作空间隔断。

因阀在

落座前又下行h距离，高压油管中的容积增大，使管中燃油压力因容积增大而迅速降低，从而能缩短燃油喷射过程的尾喷阶段。

等容卸载式

图3—12出油阀偶件

（a）等容卸载 （b）等压卸载

1卸载弹簧2卸载阀3出油阀

出油阀的结构简单，可以通过选择适应的结构形式和参数来修正供油特性以适应柴油机工作的需要，因此得到广泛应用。

其缺点是由于卸载容积一定，高压管中的剩余压力随柴油机工况而变化。

尤其当在低负荷运转时容易因卸载过度，而引起空泡和穴蚀。

（2）等压卸载式出油阀

图3—12（b）为等压卸载式出油阀。

在出油阀上无减压环带，但在其内部设有一个由卸载弹簧1控制的锥形卸载阀2。

当出油阀关闭后，如果高压油管中的油压高于卸载阀的开启压力，卸载阀就开启，燃油便倒流入喷油泵的工作空间，直到同卸载阀的关闭压力相等时为止。

高压油管中燃油的回流速度可由卸载弹簧的张力和卸载阀的尺寸来控制。

等压卸载式出油阀不存在卸载容积，而是利用卸载阀对高压油管中的燃油起着降压作用，使高压油管中压力波的幅值减小。

如卸载阀开启压力调节适当，既可避免重复喷射又可避免穴蚀的发生。

某些大型柴油机（如B＆W型）的喷油泵出口处未装出油阀偶件，而在泵腔顶部装进油阀。

显然，此种结构在供油结束时高压油管中的压力可迅速降低，避免重复喷射的发生，而且借助于较高的进油压力（约0.7MPa）保证泵腔及高压油管始终充满燃油，并可实现对喷油器的循环冷却。

但此种结构在柱塞回油时，将使进油空间产生较强烈的压力波动。

为了缓和此压力波动，可在泵体进油空间处装设弹簧缓冲器。

回油孔式喷油泵结构简单，工作可靠，价格低廉，因而广泛用于大、中、小型柴油机中。

但此种油泵柱塞因有斜槽、直槽，故密封性差，而且在直槽和斜槽中的压力油对柱塞产生一侧推力，使柱塞发生单面磨损。

为避免此单面磨损，可采用具有两条对称布置斜槽的柱塞，以使侧推力互相抵消。

2.回油阀调节式喷油泵

1）结构特点

图3—13回油阀调节式喷油泵结构简图

1凸轮；2滚轮；3柱塞；4弹簧；5泵体；6出油阀；7进、回油阀；8顶杆；9调节螺钉；

10摆杆；11偏心轮

图3—13回油阀调节式喷油泵结构简图。

从图中可以看出，回油阀调节式喷油泵的柱塞3上不设直槽、斜槽与环槽，在泵体中设有进、回油阀7以调节柱塞的有效行程。

进、回油阀由柱塞通过摆杆10驱动。

2）工作原理

图3—13（c）为始终点调节式。

其回、进油阀分列在偏心轴11（支点）左右两侧，由柱塞通过摆杆10和顶杆8顶动。

柱塞位于凸轮1基圆时，右侧进油阀被顶杆8顶开，而左侧回油阀关闭，泵腔经进油阀进油。

柱塞上行初期泵腔内燃油经开启的进油阀回油，出油阀6不开，无供油排出。

当柱塞上行到进油阀落座时刻（此时回油阀尚未打开）即为泵油始点，出油阀开启对外供油。

当柱塞上行至回油阀开启时刻，泵腔内燃油经回油阀回油，为泵油终点。

此期间内柱塞上行的行程为柱塞的有效泵油行程。

此后，柱塞上行至最高位置，泵腔内燃油经回油阀回油。

柱塞下行，泵腔经进、回油阀充油直至柱塞最低位置（凸轮基圆。

）转动偏心轴11可同时改变进油阀关闭时刻与回油阀开启时刻，即同时改变了供油始点与终点，故此种喷油泵为始终点调节式。

若去掉偏心轴11左侧的回油阀，保留右侧的进油阀，如图3—13（a），则当转动偏心轴时供油始点变化而供油终点（柱塞最高位置）不变，即为始点调节式。

同理，若保留回油阀而去掉右侧的进油阀，如图3—13（b）所示，则为终点调节式。

若把各泵的偏心轴11用一拉杆与油门手柄连接，则拉动油门手柄可同时调节各缸的供

油量，此为总调；在油门手柄固定不动的情况下，调整调节螺钉9的高度即改变顶杆8与进、回阀之间的间隙可改变供油始点或终点，即改变单缸供油量，此为单调。

若转动偏心轴使进、回油阀在柱塞的上行行程中均不能同时关闭，则为停车位置。

回油阀调节式喷油泵柱塞偶件密封性好，磨损小，但结构复杂，管理麻烦。

通常用于大型低速柴油机上。

如Sulzer低速柴油机多使用此种喷油泵。

3）三种调节方法的比较与应用

图3—9分别示出了三种调节方式的供油始点A、A1、A2、A3、供油终点B、B1、B2、B3、有效行程S、S1、S2、S3及供油提前角β、β1、β2、β3的变化特点；图3—9分别示出了三种调节方式下供油速度V及有效行程S1、S2、S3的变化特点。

可知，始点调节式供油始点可调，供油速度较高，终点不可调，供油速度低；终点调节式，供油始点不可调，供油速度较低，终点可调，速度较高；始终点调节式，供油始终点均可调，速度均较高，喷油压力较高。

根据燃烧理论，供油提前角对柴油机的燃烧质量有显著影响，而且最佳供油提前角应随柴油机转速增高而相应加大，以保证燃烧前有足够准备时间。

由此，对船用发电柴油机因其负荷变化而转速基本不变，故应采用终点调节式喷油泵较合理。

此时当负荷增加时，转速不变，供油定时不变，供油终点延后，供油量增加。

而对于变速变负荷的船用主机，则应采用始点调节式或始终点调节式。

此时负荷增加，转速升高，供油始点提前（或终点延后，）供油量增加，既满足负荷对供油量的要求又满足了转速对供油定时的要求。

当船用柴油主机采用高增压后，通常均采用减小供油提前角的调整措施。

此时在标定负荷时供油提前角已经很小，如仍采用始点调节式喷油泵，则在低负荷时供油提前角的变化无法保证柴油机仍然有一个正常的燃烧过程。

由此，应采用始终点调节式较为合理。

如SulzerRND、RND—M型均采用始终点调节式喷油泵。

但在使用中发现，如固定始点（即不与油门手柄连接）仅使用终点调节更好，由此现代高增压船用主机以采用终点调节式居多。

3.可变喷油定时机构

当代新型船用柴油机进十多年来，在提高经济性方面取得了巨大的成效，发展了多种节能措施。

在这些措施中，最重要的是提高最高爆发压力。

一般地说，爆压pmax与燃油消耗率be密切相关，pmax上升则be下降。

目前pmax已增大至13~15MPa，甚至18MPa。

通常这么高的爆发压力只有在标定荷时才能达到，而在部分负荷时，由于供油量减少，最高爆发压力也随之降低，使其经济性相应下降。

而作为船舶主机，考虑到航速及功率储备，其在标定

转速下的装配功率约为80%~90%标定功率，也就是说柴油机在船上的常用续航负荷并不是额定负荷，而是部分负荷，这就意味着在续航负荷下柴油机的经济性有所下降。

为此，当代新型船用二冲程柴油机的喷油泵均配备了可变喷油定时机构（VariableInjectionTimingUnit

——VIT），保证当负荷改变时，随着喷油泵喷油量的改变能自动调整其供油提前角，使得柴油机在部分负荷时运行时仍有较高的最高爆发压力，以改善部分负荷的经济性。

同时在高负荷运转时又能控制其最高爆发压力不超过标定值。

显然，VIT机构将随着喷油泵的不同而有不同类型，但其工作规律都是相同的，即该机构受柴油机调速器输出轴的控制，在调节喷油泵供油量的同时，自动地按最高爆发压力的要求调节其供油定时。

目前，船用低速柴油机的VIT机构主要有以下三种。

1）MAN/B＆WMC/MCE柴油机使用的定时齿条机构

该机构主要由位置传感器、位置服务器和定时齿条组成。

如图3—14（a）所示。

该机型使用回油孔终点调节式喷油泵，其喷油泵调节机构有二根齿条：

其一在油泵下部为油量调节齿条，其二在油量调节齿条上方为定时调节齿条。

此二根齿条均由调速器调节轴控制。

当调速器输出调节动作时，在拉动油量调节齿条调节供油量的同时，通过杆件改变位置传感器控制空气输出压力（该控制空气由气源单独供应），该输出控制空气使位置服务器（每缸一个）中的活塞动作，从而拉动定时调节齿条动作。

定时齿条与油泵下部的齿套螺母外部啮合，齿套螺母内有梯形螺纹与喷油泵套筒下部的梯形螺纹啮合。

所以在定时齿条移动的同时，通过齿套螺母使喷油泵套筒上升或下降，从而改变了供油定时。

图3—14LMC柴油机的VIT机构

这种机构的调节特性如图3—14（b）所示。

在柴油机50%Pb（标定功率）以下时,喷油提前角θ最小，VIT机构不起作用，当负荷由50%增至78%Pb时，θ相应增大，在78%Pb时最高爆发压力pz达最大值pzmax（标定值），此时的θ亦达最大值，当负荷由78%增至100%Ｐb时，为保持最大爆发压力pzmax不变，θ逐渐减小，至100%Ｐb时，θ恢复至标定值。

2）SulzerRTA型柴油机使用的VIT凸轮机构

该机型使用始终点调节回油阀式喷油泵。

其VIT机构主要由VIT凸轮和燃油质量调定杆组成，如图3—15（a）所示。

VIT凸轮设在以喷油泵进油阀偏心轴单臂端为支点的十字

摇臂的一端。

十字摇臂的另外三个端点分别与调速器油量调节轴、喷油泵回油阀偏心轴、拉伸弹

图3—15RTA型柴油机的VIT机构及调节特性

簧相接。

VIT凸轮设有精心设计的曲线槽，凸轮的工作位置取决于调速器油量调节轴和固定在燃油质量调定折角摇臂上且控制凸轮曲线槽的导销的位置。

柴油机负荷改变时，调速器油

量调节轴带动十字摇臂转动，使喷油泵进、回油阀偏心轴同步转动，从而使供油始、终点受到叠加控制。

当由全负荷降低负荷时，在降低循环供油量的同时，通过VIT凸轮使进油阀提前关闭，即供油定时提前，且供油终点大幅度提前，保证循环供油量减少以适应负荷变化的需要。

当降低至85%负荷时，供油提前角最大。

此后负荷再降低，供油提前角相应减小。

当柴油机使用劣质燃油时，手动燃油质量调定杆，通过折角摇臂上的导销改变VIT凸轮的工作位置，以达到改变供油定时的目的。

RTA58柴油机采用VIT机构前后的性能对比见图3

—15（b）。

从中看到，随着负荷的增加，采用该机构的RTA柴油机其爆压pz上升得较快。

当Pe

＝85%Ｐb时，pz已达100%pzmax，但此后pz不再增加。

pz上升较快的原因就在于随着Pe增加而加大了喷油提前角。

提高爆压又限制爆压是改善柴油机

经济性和可靠性的重要措施。

由于RTA柴油机采用了该机构，明显地改善了部分负荷的经济性，尤其是在常用负荷的85%Pb下运行时，可获得最好的经济性。

参见图中的85%Pb负荷下对应的bemin值。

3）柱塞头部的特殊线形

在L—MC系列缸径最小的两种柴油机上（L35MC和L42MC），因结构所限，没有采用单独的VIT机构，而在柱塞头部上边缘使用特殊双斜槽，使得在转动柱塞调节供油量的同时改变供油定时，以满足VIT机构的需求，如图3—16所示。

这种VIT机构也为其它一些中、小型回油孔式喷油泵所采用。

图3—16双斜槽VIT机构