利用二次回归正交试验诊断柴油机的供油特性Word文档下载推荐.docx
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然后总结出柴油机工作部件的磨损
规律以及各工作部件的磨损对于供油系统工作参数的影响，在此基础＿匕才能够
通过发动机故障的表象，分析产生故障的原因，找到发生故障的部位并排除故障，
最终实现发动机故障的不拆卸诊断。
１．１对柴油机燃油系性能的要求
１．１．１
柴油机燃油系的组成以及作用
柴油机燃油系主要由柴油箱、柴油滤清器、输油泵、高压油泵、喷油器、低
压油管、高压油管和回油管组成。
主要组成部分的作用如下：
（１）喷油泵。
喷油泵的作用是定时、定量地向喷油器输送高压燃油。
在多
缸柴油机中喷油泵应保证：
①各缸的供油次序符合所要求的发动机工作次序：
②
各缸供油量均匀，不均匀度在标定工况不大于３％一４％；
③各缸供油提前角一致，
相差不大于０．５度。
为避免喷油滴漏现象，喷油泵还必须保证供油停止迅速。
（２）调速器．调速器是一种自动调节喷油泵供油量的装置。
它能根据柴油
机负荷的变化自动作相应的调节，使柴油机能以稳定的转速运转，从而保证柴油
机既不会产生超速也不会在怠速时造成熄火。
（３）喷油器。
喷油器可把喷油泵送来的高压燃油雾化成较细的颗粒，并以
一定的设计角度往发动机燃烧室内喷射。
１．１．２对燃油系的性能要求
柴油机燃油系作为发动机的重要组成部分，主要应满足下列的性能要求：
（１）要能随时精确测量出发动机负荷的变化，且能使供油量自动灵敏地进
行自适应调节，并往各缸做均匀的喷射。
（２）应能根据转速或负荷的变化自动地改变喷油定时（即自动调节喷汕的
提前时间）
（３）喷射的燃油必须获得充分的雾化，并能以最佳状态引起燃烧。
（４）结果设计合理，要能耐冲击、抗疲劳，零部件互换性强，且价格尽可
能低廉。
１．１．３对燃油系各工作部件的要求
根据柴油机可燃混合气形成的特点和燃烧过程的需要，喷油泵应满足以下
要求：
（１）匹配而均匀的供油率。
额定供油率的调节是与发动机的额定功率和额
定转速相匹配的．为使运转平稳，对各缸的供油率要均匀，这就需要与之相适应
的柱塞直径、柱塞行程和方便的供油调节机构。
（２）准确的供油提前角。
喷油泵的供油提前角一方面要求与发动机的曲轴
转速相同步（即第一缸喷油起始时间要对得上发动机曲轴转角零位标记），另一
方面还要求对各缸供油的间隔时间要一致，其误差应控制在０．５“以内。
为了防
止喷油时间过长而造成燃烧不良，喷油泵还必须能在短促喷油之后迅速地暂停供
油，这主要通过出油阀及喷油器结构的合理设计来达到。
（３）燃油雾化良好。
柴油的挥发性能差，为了能在极短的时间内形成混合
气，有利于燃烧，要求喷出的油束雾化良好、油粒细小均匀、方向和形状与燃烧
室的形状相适应，并且要求喷射干脆，不允许喷油滴漏。
为了使燃油获得良好的
雾化．要求喷油泵能够提供相当高的供油压力。
经喷油器调定后，喷射压力将控
制在１０＾２１ＭＰａ。
当某些喷油嘴针阀卡死造成高压油路堵塞时，被近似封闭的
燃油的压力经柱塞压缩后，其峰值压力可高达６０Ｍｐａ以上，这就对柱塞、出油
阀偶件和泵体柱塞座孔肩脚面的强度及加工精度提出了相当高的要求ｆｌｊｆ２１ｉ３ｊ［４）
柴油机属于压燃式内燃机，为了适应发动机高速运转的需要，从喷油嘴喷往
气缸的燃油必须尽快着火，并在最佳时刻迅速燃烧完毕，以便将燃油的化学能最
大限度的转化为推动发动机运行的机械能。
要达到此目的，喷油器应满足以下要
求：
（１）喷油器应具有一定的喷油压力和喷注贯穿距离。
气缸中的空气经压缩
后，温度和压强都大大提高，喷油器的喷油压力若不能超过这一高压就根本无法
进行燃油的喷射。
喷油器的喷汕压力是由喷油泵提供并经自身的调节弹簧调定
的。
而喷注贯穿距离不仅与喷油压力有关，也与喷油器的结构和喷油嘴的喷油直
广西大学硕士学位论文
径、针阀型式有关。
（２）要与燃烧室形状相匹配的合适的喷射方向和喷雾锥角。
山于不同的设
计需要．发动机燃烧室除了具有预燃烧室式、涡流式和直接喷射式等多种形式外，
火塞顶部形状还有平顶型、中心凹弧形、中心凹孔型、。
型和非对称型等各式各
样的变化，这就要求喷油器的喷射方向和喷雾锥角要与之相匹配，使喷出的燃油
能与燃烧室的构造特点及燃烧室气流运动的特点相适应，已达到使燃油能迅速与
空气充分均匀混合，从而提高燃烧效率的目的。
（３）要有良好的雾化性能，这是保证喷射的燃油能迅速与空气均匀混合而
获得充分燃烧的重要条件．雾化的好坏与喷射压力的大小、喷油器内部的装配质
量和喷油嘴的磨损程度有关。
雾化性能的测量要在喷油器试验器上进行。
磨损严
重，雾化不良且难以修复的喷油嘴应坚决更换．
（４）在暂停喷油时刻，喷油器应能迅速完全的切断燃油供给，不允许发生
异常喷油现象。
喷油嘴的针阀与针阀座而之间的密封不良会导致异常喷油。
在气
缸压力与气体温度因活塞下行而迅速下降后，异常喷油所引起的燃烧只会造成燃
烧不良、积炭增多、油耗增加和排气异常。
要保持喷油嘴的密封性，除了从设计
上设法适当减小密封面的接触面积，以使接触压力增大外，经常对喷油器进行维
护保养也是十分重要的。
（Ｓ）应能经受高温、高压的严酷条件并长期安全的使用。
由于喷油嘴暴露
在高温、高压的燃气中，温度和压力的反复骤变，使工作条件十分恶劣，加上运
动疲劳磨损、燃油杂质磨损、高速油流冲刷磨损和燃烧中产生的腐蚀性气体（如
三氧化硫）的腐蚀磨损，使喷油嘴成为柴油机发动机的易损件之一。
因此，要使
喷油器经常保持良好的工作状态，必须选择优良的制造材料、合理的制造工艺，
并在注意维护保养喷油器本身的同时，注意加强对发动机、高压油泵的定期保养
与维护，以求尽量改善喷油器运行的外部环境１４１［５１［６１
１．２柴油机供油系统的结构对发动机工作性能的影响
柴油机的供油系统是柴油机的重要组成部分。
其作用是将一定数量的清洁燃
油，以足够高的压力，在准确的时ｆｎｉ内喷入气缸，与压缩空气混合，以保证气缸
内燃烧的进行。
因此，供油系统的好坏，必然会影响到气缸内燃油的燃烧质量，
同时也将影响柴油机的性能和可靠性。
柱塞式喷油泵的泵油机构主要由柱塞偶件和出油阀偶件组成。
柱塞在柱塞套
筒内做往复运动，将一定数量的燃油压缩到一定的压力，出油阀相当于一个单向
残余压力。
柱塞从上止点到下止点所经过的实际行程取决于驱动凸轮的高度，该行程是
不变的，但是循环喷油量却取决于它的有效行程—柱塞的上端面完全遮住套筒
的油孔到柱塞下斜面刚刚露出油孔这一段柱塞所上行的行程。
在柴油机工作过程
中，如果使柱塞相对于套筒转动一个角度，则改变了柱塞的有效行程，也就相应
地改变了循环喷油量，从而达到了调节柴油机工作状况的目的。
出油阀偶件设在柱塞偶件与高压油管之间，出油阀在开启时先上升一个距
离，使高压油管压力预先接近喷油器启喷压力，结果使喷油器喷油及时迅速；
在
喷油之后，出油阀又下降一个距离，使高压油管残余压力远远低于喷油器的启喷
压力，结果使喷油器停喷千脆彻底。
柴油机燃烧质量的好坏与喷油器的结构有着很大的关系。
喷油器中最重要的
精密副是针阀偶件，当高压油管中的高压燃油进入喷油器体和针阀体内的油道进
入针阀中部承受锥面处的压力腔内。
当高压油管内压力升高，并反映到压力腔时，
承受锥面在油压的作用下推动针阀上升。
针阀通过顶杆在克服弹簧张力上升的同
时，针阀下端与针阀体配合的密封锥面被打开，燃油通过此处经喷油孔喷入燃烧
室；
当高压油管内的压力下降时，针阀承受锥面的受力减小，调节弹簧通过顶杆
迫使针阀下落，并立刻关闭密封锥面，使燃油停止喷射ｍ１２１１３１
当针阀刚刚上升时，由于喷孔内的轴针为柱形，喷孔通道面积也较小，所以
喷油较少，而且扩散锥角较小：
针阀继续上升，喷孔通道面积增大，喷油量增多，
同时，倒锥形的节流式轴针前端使喷注的扩散锥角增大。
这样，一方而限制了滞
燃期内形成始燃量过多，使速燃期压力升高率和燃烧最高压力较低，柴油机工作
柔和平稳：
另一方面使大量的燃油集中在缓燃期内燃烧，减少了后燃量和排污。
在喷油泵中，喷油泵凸轮型线和喷油泵柱塞决定着循环
时，在压缩过程中燃烧的燃油数量过多，这不仅增加压缩负功使油耗增高，功率
下降，而且由于着火延迟较长，压力增加率和最高爆发压力迅速升高，工作粗暴，
怠速不良，难于启动；
供油提前角过小时，则燃油不能在上止点附近迅速燃烧，
后燃增加，虽然最高爆发压力较低，但燃油消耗率及排温增高，发动机过热。
所
以对于每一工况，有一最佳供油提前角，此时的燃油消耗率最低。
喷油泵凸轮廓线决定了柱塞的运动规律，而柱塞的速度变化规律决定油泵的
供油规律，从而影响喷油规律。
在柱塞有效行程和供油始点相同的情况下，凸轮
外形陡，即供油速度大，喷油持续时间缩短：
而凸轮外形平，喷油持续时间和喷
油延迟时间都较长。
在高速柴油机中，山于燃油高压系统中有压力波动现象，使
得很难从供油规律控制喷油规律，所以油泵凸轮的廓线一般不是根据理想的供油
规律设计的，而是从加工难易的角度考虑，一般都选用切线凸轮或圆弧凸轮。
升程、基圆和滚轮等都相同的情况下，切线凸轮的柱塞速度增加较快。
对于一定
的供油量，柱塞速度提高，则供油持续时间可以缩短，一般说来，柴油机转速较
高时，采用切线凸轮，对改善经济性有好处，但是供油速度过高，在着火延迟期
里喷入气缸的燃油较多，可能引起燃烧粗暴，最高爆发压力过高。
在某些大功率
中速柴油机中还应用凹弧凸轮以增大供油速率，减少燃油持续角，但过大的供油
速率，往往导致凸轮和滚轮之间接触应力过大，引起点蚀。
不同的柱塞直径对喷油规律也有影响。
当柱塞直径增大时，喷油延迟角及喷
油持续角都减小，但供油速度变大，使初期喷油速率也变大，喷油规律曲线变高。
所以一般说来，柱塞直径加大能使经济性变好，但运转粗暴。
当柴油机强化时，
因每循环供油量加大，就要考虑加大柱塞直径来维持合适的喷油延续时间，以保
证柴油机的经济性１２１１７１１‘１。
虽然上述各种工作部件对柴油机的燃油喷射和燃烧过程都有影响，但是相比
较而言，柱塞、出油阀和针阀偶件的影响要大一些，因此，在本试验中将重点研
究这三大精密偶件对柴油机性能的影响。
１．３现有柴油机供油规律的测量方法
柴油机供油系统引起的故障约占柴油机周期故障的７０％，而这些故障大都发
生在三大精密偶件上，因此，对供油系统进行检测的目的主要是确定三大精密偶
件的技术性能指标。
目前柴油机供油系检测普遍采用停机、机械式油压表等方法
为标志）到活塞行至上止点时所转过的曲轴转角。
供油提前角对柴油机的影响很
大，主要是影响柴油机的经济性，压力增长率和最高爆发压力。
供油提前角过大
值的变化，通过波形分析、特征值识别，可以确定当前波形所对应的工作状态与
故障出现的部位，为柴油机供油系工作部件的更换、修理及参数调整提供可靠的
依据。
目前，对供油系统进行不解体故障诊断的最主要依据是供油系统的供油压力
波形。
虽然国内外对此项课题的研究己取得一定的进展，研制出了测试供油压力
的外夹式树脂粘贴式传感器及嵌入式三通传感器，探索出了用于供油系统故障诊
断的数学模型，但此项研究远远不能达到现场应用。
其主要原因是对影响供油压
力波形的因素了解得不够深刻，由供油压力波形直接提取的诊断参数与偶件状态
之间无明显的规律１。
本试验针对柴油机供油系统精密偶件磨损后的油压波形变化，通过自行设计
的微机化柴油机动态性能测试系统，对磨损状态下的柱塞偶件、出油阀偶件和喷
油嘴针阀偶件分别试验，测取工作油压波形并分析其所反映的偶件的磨损状况。
在分析三大偶件的密封性与柴油机供油量的关系时，摒弃传统的比较抽象的定性
分析的方法，建立三大偶件的密封性与柴油机供油量之间的定量关系。
最终实现
在不拆卸喷油泵的情况下，通过测量喷油泵的供油量和供油压力诊断柴油机的故
障所在。
第二章柴油机精密偶件的磨损与检验
人们常称喷油泵是柴油机的心脏，它的性能和状态的好坏，对柴油机的工作
有着十分重大的影响，而其中柱塞偶件、出油阀偶件和针阀偶件又是它的三个关
键部件，因其精度很高，磨损后必须成对更换，故称为“偶件”。
三大精密偶件
能否长期正常稳定地工作，对于柴油机的燃油喷油质量、混合气的形成和燃烧过
程的完善程度都有着直接重要的影响，进而对柴油机的各项综合性能（经济性、
动力性、排气雾燃和噪声等）以及使用寿命都是至关重要的。
尽管精密偶件都是采用优质材料，经过精密加工、严格的热处理，配对研磨
而成。
但是，由于偶件的配合间隙极小，而且相对运动速度很高，因此燃油中很
小的机械杂质和偶件的微小变形：
以及高压、高速燃油引起的冲刷、穴蚀等均会
导致精密偶件工作表面的严重磨损和腐蚀，从而影响燃料供给系和整个柴油机的
正常工作。
２．１精密偶件的磨损机理和特征
导致精密偶件磨损的因素很多，其中最主要的原因有以下四个方面：
１．机械磨损
由于燃油过滤或沉淀的不够充分，以及在使用中因冲击、振动和磨损等原因，
使燃油中混入了机械杂质。
这些机械杂质随燃油进入精密偶件的配合表面，造成
其表面的擦伤而形成纵向的拉痕。
２．液体磨损
山于高压、高速的燃油集中、反复的冲刷精密偶件的某些通道狭小的区域，
长期作用的结果会使这些金属表面出现微细的伤痕。
这种磨损现象往往在机械磨
损出现一定的伤痕之后，而互相促进加速磨损。
３．穴蚀
由于高压燃油的高速流动和强烈的压力波动等原因，会在高压油路的某些局
部区域出现瞬时的低压区，并在燃油中形成极微小的空穴气泡（燃油的低压蒸汽
或分离出的空气）。
当该处油压回升时，气泡又瞬时破裂，同时产生强烈的高频
冲击波，其局部能量非常大１
２１。
这些气泡在金属表面附近高频交替的形成和破
裂，使该处的金属受到反复强烈的冲击而产生疲劳破坏现象。
以至于使金属表面
出现极小的金属颗粒被冲击剥落，甚至出现蜂窝状的“腐蚀”洞穴，当洞穴的面
积和深度发展到一定程度时，便会使零件失去其工作效能。
４．表面腐蚀和结胶
由于燃油中含有微量的酸性物质，或者在装配和保养精密偶件时用带汗的手
直接触摸工作表面，都容易引起锈蚀现象。
尽管这些锈蚀斑痕往往用肉ｎ良很难看
清，但是在其长期停放后再使用时，往往会出现卡滞或咬结现象。
另外，燃气中
也存在着一定量的腐蚀性气休，特别是这些气体与水蒸气溶为一体时，所引起的
湿性腐蚀危害更大。
这些腐蚀物如果从喷油嘴下端的喷孔进入针阀偶件时，往往
会引起对喷油孔和密封锥面的腐蚀。
甚至一些胶性物质和积炭可以在喷孔处结
胶，而使喷油孔被堵塞。
２．１．１柱塞偶件的磨损
机械磨损、液体磨损和穴蚀等现象在柱塞偶件的工作中都会出现，其中机械
磨损是使其失去工作能力的主要因素。
柱塞在往复运动时，由于柱塞头部上下的
油压不平衡，会使直径小于或等于偶件配合间隙的磨粒随燃油进入其配合表面，
并在柱塞往复运动的带动下被来回拖拽滚动。
他们的尖锐棱角便“刮削”着配合
表面的金属。
而一些直径大于偶件配合间隙的磨粒，在柱塞运动时，被卡入间隙
或夹在柱塞套的进、出油孔处，造成对磨粒的挤压和剪切作用，而磨粒则以其本
身的尖锐棱角“刨削”柱塞和套简配合表面的金属。
这些磨粒随着柱塞的上行其尖锐棱角被磨钝或被粉碎，逐渐失去了对金属表
面的磨削能力．因此，柱塞偶件的自然磨损规律应该是越靠近柱塞顶部磨损的越
严重，也就是说，越接近高压燃油，磨粒进入配合表面的机会越多，并目二这时磨
粒的尖锐棱角越锋利，因此对金属表面的磨损也就越严重。
反之，柱塞的磨损量
越远离其顶部也就越轻。
这样在柱塞和套筒内孔的轴向便形成了具有一定“锥度”
的磨损表而。
当然，这个锥度用肉眼是看不出来的，只能在仔细观察时才发现磨
损部位有微浅的拉痕，然而这种微量的磨损对于精密偶件来讲是相当可观的。
柱塞磨损主要集中在从怠速供油量位置到标定供油量位置的柱塞工作表面
上，最大的磨损部位是柱塞在最常用的油量位置时与油孔相对的顶部及相应的螺
的主要磨损部位在其密封锥面、减压环带和导向部分。
出油阀密封锥面的磨损，主要是由于出油阀落座时，在弹簧压力和出油阀上
下燃油压力差的作用下产生冲击磨损而引起的。
另外，当出油阀刚刚开启和完全
落座之前，该处的环形通道面积很小，而高压燃油的流速很高，必然在此处产生
液体磨损（冲刷），甚至也有可能出现穴蚀现象。
其结果使是密封锥面的密封环
带加宽和凹陷，阀体下沉量增加，密封性受到破坏。
出油阀减压环带处是磨损最严重的部位之一。
当出油阀下行，密封锥面落座
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