柴油機(jī)燃用水煤漿的設(shè)計,柴油機(jī),燃用水煤漿,設(shè)計 摘 要 本文首先介紹了柴油機(jī)的燃料供給系統(tǒng)，重點(diǎn)分析了柴油機(jī)噴油泵的結(jié)構(gòu)和性能，及其對代用燃料的要求，進(jìn)而引進(jìn)一種新型清潔燃料—水煤漿，對水煤漿的物理化學(xué)特性進(jìn)行了分析，介紹了水煤漿技術(shù)目前的發(fā)展概況，總結(jié)其在柴油機(jī)上的發(fā)展概況和實(shí)驗(yàn)研究,敘述了水煤漿的基本物理化學(xué)性質(zhì)及其在發(fā)動機(jī)上應(yīng)用時對發(fā)動機(jī)的影響。 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了水煤漿在典型國產(chǎn)柴油機(jī)上應(yīng)用方案設(shè)計。并針對水煤漿的特性對發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)有關(guān)零部件作了重新調(diào)整和改動，通過從精細(xì)水煤漿特性入手分析了原供給系統(tǒng)存在的問題，提出了解決方案——雙功能供給系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)水煤漿在柴油機(jī)上應(yīng)用提供了可行方案。設(shè)計了新的適用于水煤漿的噴油泵。在泵送時高壓潤滑油通過柱塞偶件、針閥偶件的配合表面，建立了高壓潤滑油膜。柴油機(jī)上使用新設(shè)計的噴油泵的較好克服了煤漿顆粒進(jìn)入針閥﹑針閥座的配合間隙問題。該系統(tǒng)未出現(xiàn)柱塞偶件、針閥偶件卡死、磨損現(xiàn)象，并且系統(tǒng)穩(wěn)定工作。為實(shí)現(xiàn)水煤漿在柴油機(jī)上應(yīng)用提供了可行方案。并對其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了進(jìn)一步的分析和論證。本文運(yùn)用高壓油膜潤滑原理，設(shè)計用于泵送水煤漿燃料供給系統(tǒng)。用AutoCAD繪制了裝配圖及零件圖。 關(guān)鍵詞：柴油；水煤漿；供給系統(tǒng)；卡死；雙功能泵 目 錄 第1章 緒論 1 第2章 柴油機(jī)燃油供給系統(tǒng) 2 2.1 供給系統(tǒng)概述 2 2.2 柴油機(jī)對燃油供給系統(tǒng)的要求 2 2.3 柴油機(jī)高壓油泵 3 2.4 柴油機(jī)對代用燃料的要求 6 第3章 水煤漿特性分析 7 3.1水煤漿概述 8 3.1.1 水煤漿的物理化學(xué)性質(zhì) 8 3.1.2 水煤漿的重要指標(biāo) 9 3.2 水煤漿作為代用燃料的優(yōu)點(diǎn) 10 3.3 水煤漿作為代用燃料的缺點(diǎn) 10 第4章 供給系統(tǒng)的改造 12 4.1 供給系統(tǒng)故障原因分析 12 4.2 解決方案 13 4.3 參數(shù)確定 15 4.3.1 原發(fā)動機(jī)參數(shù) 15 4.3.2 柱塞直徑dp效供油行程 16 4.3.3 凸輪最大升程和預(yù)行程的確定 17 4.4 噴油泵設(shè)計 18 4.5 潤滑系統(tǒng)設(shè)計 20 4.6 改造后的供給系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)的連接 21 第5章 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析 23 第6章 結(jié)論 25 致謝 26 參考文獻(xiàn) 27 第1章 緒論 在世界工業(yè)發(fā)展史上，柴油機(jī)憑借其體積小、重量輕、熱效率高、功率和轉(zhuǎn)速范圍寬、啟動停止迅速、配套簡便等優(yōu)點(diǎn)，是一種難以取代的性能優(yōu)良的動力設(shè)備。 近年來柴油發(fā)動機(jī)的整體發(fā)展趨勢是：環(huán)保、節(jié)能、高科技廣泛應(yīng)用。由于近年來環(huán)保工作取得了很多成果, 隨著低污染排放技術(shù)的發(fā)展與普及，柴油機(jī)在環(huán)保方面可以達(dá)到預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)，并可為人們所接受。而能源問題，則將隨著時間的推移而更加嚴(yán)峻。因?yàn)椴裼蜋C(jī)燃料具有不可再生的特點(diǎn)，面對嚴(yán)重的能源問題, 研究人員一方面著眼于改進(jìn)現(xiàn)有的發(fā)動機(jī)，提高熱效率，并設(shè)法燃用劣質(zhì)的石油制品燃料，提高石油的利用率，以節(jié)約石油資源；另一方面進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)代用燃料的研究，尋求適合內(nèi)燃機(jī)的各種非石油制品燃料來代替石油，以擺脫對石油的依賴，為內(nèi)燃機(jī)開辟新能源渠道。 世界能源界自上世紀(jì)七十年代就開始了對水煤漿的研究，我國是世界上較早開發(fā)這一項(xiàng)目的國家，“水煤漿制備與燃燒技術(shù)”從“六五”到“八五”都列為國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目。八十年代初，我國在這一技術(shù)上就取得了成功，走在世界的前列，多次獲得國家科技進(jìn)步獎和國家專利。但在用水煤漿代替柴油實(shí)現(xiàn)在內(nèi)燃機(jī)上的燃燒方面的研究卻進(jìn)展緩慢。主要是在供漿系統(tǒng)出現(xiàn)柱塞偶件、針閥偶件卡死、磨損現(xiàn)象。為了實(shí)現(xiàn)柴油在柴油機(jī)上快速高效率的燃燒，要求柱塞件和針閥偶件在高速下高速遠(yuǎn)動，以使柴油得到良好的霧化，保證柴油在噴入汽缸后，于汽缸的空氣實(shí)現(xiàn)均勻混合，提高燃燒效率和燃燒速度。柴油機(jī)燃燒精細(xì)油水煤漿時，精細(xì)油水煤漿中包含煤的顆粒。這些顆粒在泵送、噴射過程中很容易進(jìn)入柱塞偶件和針閥偶進(jìn)的配合間隙中，造成柱塞偶件和針閥偶件的磨損、卡死，是柴油機(jī)的燃料供給系統(tǒng)不能正常工作。要實(shí)現(xiàn)精細(xì)油水煤漿在柴油機(jī)上穩(wěn)定燃燒，使柴油機(jī)燃料供給系統(tǒng)適于泵送漿體燃料是關(guān)鍵，為此對柴油機(jī)的燃料供給系統(tǒng)進(jìn)行改造，本文主要針對柱塞泵進(jìn)行改造。 27 大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第2章 柴油機(jī)燃油供給系統(tǒng) 2.1 供給系統(tǒng)概述 柴油機(jī)燃油供給系主要由燃油箱、濾清器、輸油泵、噴油泵、噴油器、油管等組成，如下圖所示。 圖2.1柴油機(jī)燃料供給系統(tǒng) 1柴油粗濾清器；2燃油箱；3供油提前角自動調(diào)節(jié)器；4噴油泵；5手油泵；6輸油泵；7調(diào)速器；8回油管；9噴油器；10高壓油管；11溢油閥；12低壓油管；13柴油細(xì)濾器；14聯(lián)軸節(jié) 燃料供給系統(tǒng)可分為低壓與高壓兩個油路。所謂低壓是指從燃油箱到噴油泵人口的這段油路中的油壓，因它是由輸油泵建立的，而輸油泵的出油壓力一般為0．15-0．3MPa，故這段油路稱為低壓油路。高壓油路是指從噴油泵到噴油器的這段油路，該油路中的油壓是由噴油泵建立的，一般在10MPa以上。 　　 在低壓油路中，輸油泵6從燃油箱2內(nèi)將柴油吸出，經(jīng)燃油粗濾清器1濾去較大顆粒的雜質(zhì)，再經(jīng)柴油細(xì)濾清器13濾去細(xì)微雜質(zhì)后進(jìn)入噴油泵4。噴油泵將低壓柴油增壓后，經(jīng)高壓油管10、噴油器9以一定的壓力和一定的霧化質(zhì)量噴入燃燒室，形成可燃混合氣。輸油泵輸送給噴油泵的多余柴油和噴油器泄漏的柴油經(jīng)回油管流回油箱。 2.2 柴油機(jī)對燃油供給系統(tǒng)的要求 燃油供給系統(tǒng)應(yīng)按柴油機(jī)工作需要，將適量的燃油在適當(dāng)?shù)臅r刻內(nèi)，以適當(dāng)?shù)目臻g狀態(tài)噴入燃燒室，以保證混合氣的形成及燃燒過程能在最有利的條件下進(jìn)行，從而使柴油機(jī)獲得良好的經(jīng)濟(jì)性，動力性，穩(wěn)定性及排污、噪聲等指標(biāo)。 燃油供給系統(tǒng)應(yīng)滿足下列條件： 1）應(yīng)正確地供給與柴油機(jī)負(fù)荷相適應(yīng)的油量，并保證各缸供油量的均勻性。 2）應(yīng)能自動改變噴油定時，以適應(yīng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速或負(fù)荷變化的需要。 3）當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化時，燃油供給系統(tǒng)應(yīng)有足夠的響應(yīng)速度，提供所要求的供油量。 4）噴霧特性應(yīng)與燃燒室有良好配合，應(yīng)使柴油機(jī)能獲得最佳的燃燒過程。 5）可靠耐用，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，維修方便。 2.3 柴油機(jī)高壓油泵 高壓油泵是柴油機(jī)燃油系統(tǒng)中最重要的組成部分，它的作用是把燃油由低壓變成高壓，然后按各缸發(fā)火次序定時、定量、均勻地通過噴油器，把霧狀的燃油噴入燃燒室內(nèi)燃燒作功，并保證供油正時，斷油迅速。同時，為了保證各缸工作一致，各缸的供油量、供油壓力和供油提前角均應(yīng)相同。如果噴油量過多則不能完全燃燒，柴油機(jī)將冒黑煙，經(jīng)濟(jì)性下降；供油量太小，又會引起功率不足。如果供油時間不恰當(dāng)同時影響柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動力性及其他排放指標(biāo)。若各缸供油量的不均勻度超差，則個別氣缸可能超負(fù)荷，而有的氣缸則不能充分發(fā)揮，這樣既影響柴油機(jī)工作穩(wěn)定性，亦影響其他性能。可見只有在高壓油泵正常的供油條件下，柴油機(jī)才能正常地工作，為此人們常把高壓油泵稱作柴油機(jī)的心臟。 高壓油泵的結(jié)構(gòu)形式很多。按照工作原理的不同，高壓油泵可分為柱塞式噴油泵、泵-噴油器和轉(zhuǎn)子分配式噴油泵這三大類。 現(xiàn)在的汽車柴油機(jī)上，高壓油泵總成通常是由高壓油泵、調(diào)速器等部件安裝在一起組成的一個整體。其中，高壓油泵（又稱為噴油泵）是柴油機(jī)的心臟，燃料供給系統(tǒng)最重要的一個部件。它一旦出問題會使整個柴油機(jī)工作失常。高壓油泵的關(guān)鍵在于一個“泵”字。泵油的數(shù)量、壓力和時間都要非常精確，并且按照負(fù)荷自動調(diào)節(jié)。高壓油泵是一個加工精細(xì)，制造工藝復(fù)雜的部件，目前國內(nèi)外一般汽車柴油機(jī)的高壓油泵都是由世界上少數(shù)幾個專業(yè)廠生產(chǎn)的。 本文設(shè)計的是柱塞式噴油泵，以下僅詳細(xì)介紹柱塞式噴油泵。 柱塞式噴油泵是通過柱塞往復(fù)運(yùn)動來泵油的，其主要包括：泵體、分泵、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及出油閥等。這種噴油泵的結(jié)構(gòu)簡單，便于維修，可靠性好，供油量調(diào)節(jié)較為準(zhǔn)確，故應(yīng)用最為廣泛。 泵體是噴油泵的基礎(chǔ)零件，分泵、油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、出油閥及驅(qū)動機(jī)構(gòu)均安裝其內(nèi)。泵體一般安裝在柴油機(jī)一側(cè)的支架上，多采用鋁合金或鑄鐵制造。 按其結(jié)構(gòu)形式的不同，柱塞式噴油泵可分為單體泵與合成泵。單體泵多用于單杠柴油機(jī)或多缸大中型柴油機(jī)上。合成泵通常是將各缸的泵油機(jī)構(gòu)及調(diào)速器合為一體，用于多缸高速柴油機(jī)上。 合成泵中每一缸的供油機(jī)構(gòu)稱為分泵，它是噴油泵的核心部分。分泵的主要零件是柱塞偶件，即柱塞和柱塞套。 驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要由上柱塞彈簧座、柱塞彈簧、下柱塞彈簧座、滾輪體及凸輪等組成。當(dāng)噴油泵凸輪軸轉(zhuǎn)動時，凸輪通過滾輪體推動柱塞向上運(yùn)動，當(dāng)凸輪到最大升程后，柱塞在柱塞彈簧的作用下向下運(yùn)動而復(fù)位。 油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)供油量的大小，其主要由油量調(diào)節(jié)齒圈、油量調(diào)節(jié)齒桿和油量調(diào)節(jié)套筒組成。 出油閥位于噴油泵的出口處，與出油閥座是一對精密偶件需成對使用。密封錐面被出油閥彈簧緊壓在出油閥座上，使柱塞上部油腔與高壓油管隔開，起密封作用。密封錐面下部有一圓柱形的減壓環(huán)帶，其與出油閥座的內(nèi)孔精密配合，也具有密封作用。減壓環(huán)帶下面還切有四個直切槽，其為高壓柴油的通道。 柱塞式油泵的泵油原理:柱塞的圓柱表面上銑有直線型(或螺旋型)斜槽，斜槽內(nèi)腔和柱塞上面的泵腔用孔道連通。柱塞套上有兩個圓孔都與噴油泵體上的低壓油腔相通。柱塞由凸輪驅(qū)動，在柱塞套內(nèi)作往復(fù)直線運(yùn)動，此外它還可以繞本身軸線在一定角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。 1) 吸油過程 當(dāng)柱塞下移，燃油自低壓油腔經(jīng)進(jìn)油孔被吸入并充滿泵腔。 2) 壓油過程 在柱塞自下止點(diǎn)上移的過程中，起初有一部分燃油被從泵腔擠回低壓油腔，直到柱塞上部的圓柱面將兩個油孔完全封閉時為止。此后柱塞繼續(xù)上升，柱塞上部的燃油壓力迅速增高到足以克服出油閥彈簧的作用力，出油閥即開始上升。當(dāng)出油閥的圓柱環(huán)形帶離開出油閥座時，高壓燃油便自泵腔通過高壓油管流向噴油器。當(dāng)燃油壓力高出噴油器的噴油壓力時，噴油器則開始噴油。 3) 回油過程 當(dāng)柱塞繼續(xù)上移到，斜槽與油孔開始接通，于是泵腔內(nèi)油壓迅速下降，出油閥在彈簧壓力作用下立即回位，噴油泵停止供油。此后柱塞仍繼續(xù)上行，直到凸輪達(dá)到最高升程為止，但不再泵油。 由上述泵油過程可知，由驅(qū)動凸輪輪廊曲線的最大矢徑?jīng)Q定的柱塞行程h(即柱塞的上、下止點(diǎn)間的距離)是一定的，但并非在整個柱塞上移行程hg內(nèi)都供油，噴油泵只在柱塞完全封閉油孔之后到柱塞斜槽和油孔開始接通之前的這一部分柱塞行程hg內(nèi)才泵泊。hg稱為柱塞有效行程。顯然，噴油泵每次泵出的油量取決于有效行程的長短，因此欲使噴油泵能隨柴油機(jī)工況不同而改變供油量，只須改變有效行程。一般借改變柱塞斜槽與柱塞套油孔的相對位置來實(shí)現(xiàn)，將柱塞轉(zhuǎn)向的方向，有效行程的供油量即增加;反之則減少。 4) 停止供油狀態(tài)當(dāng)柱塞轉(zhuǎn)到柱塞根本不可能完全封閉油孔位置，因此有效行程為零，即噴油泵處于不泵油狀態(tài)。 出油閥的結(jié)構(gòu)與減壓作用：出油閥偶件也是噴油泵重要的精密偶件之一，它對控制高壓油路的殘余壓力乃至整個系統(tǒng)的噴油過程都有重要作用。按其工作原理可以分為等容式與等壓兩種。 目前應(yīng)用得較為廣泛的是等容式出油閥，其工作原理是當(dāng)柱塞向上泵油并克服了出油閥彈簧力時，出油閥開始上升，直到減壓環(huán)帶離開出油閥座后，柴油通過直切槽流入高壓油管。直到柱塞螺旋槽與回油孔接通后，高壓柴油便流回低壓油道。此時，出油閥在彈簧和高壓柴油的共同作用下迅速下落，由于出油閥上有一個直徑為的圓柱減壓帶，在它從開始進(jìn)入座孔至錐面完全落座的過程中，還要下降一段距離，這樣當(dāng)減壓帶隔斷柱塞頂部高壓腔與高壓油管以后，還給高壓油路讓出一個相當(dāng)?shù)牡葔喝莘e，從而使高壓油路中的壓力迅速下降。其中如沒有減壓環(huán)帶的減壓作用，則在出油閥落座后，高壓油管中仍會存有很高的剩余壓力，易使噴油器發(fā)生滴漏、二次噴射等異常噴射現(xiàn)象。 減壓容積的大小可以按下式估算 但最終的數(shù)值應(yīng)當(dāng)通過與柴油機(jī)的仔細(xì)配試來確定。 等容式出油閥的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，缺點(diǎn)是 對變工況適當(dāng)性差。因?yàn)椴裼蜋C(jī)在高速大負(fù)荷時，油管壓力高，為了防止二次噴射，需要較大的減壓容積，但在低速小負(fù)荷時，油管壓力低，只需要較小的減壓容積，因此固定的減壓容積很難同時兼顧兩方面的要求，若匹配不當(dāng)，在高速大負(fù)荷時，可能會因減壓不夠產(chǎn)生二次噴射現(xiàn)象，而在低速小負(fù)荷時，又?？赡芤驕p壓過度，產(chǎn)生負(fù)壓（真空），形成氣泡而引起“氣穴”現(xiàn)象，從而造成機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)，甚至引起零件的穴蝕損壞。 為了克服上述的缺點(diǎn)，研制了一種阻尼閥結(jié)構(gòu)，它是在等容式出油閥上部加裝一阻尼閥，在壓油過程中，阻尼閥在高壓油的作用下打開，阻尼孔不起作用，而在回油過程中，阻尼閥落座，用阻尼孔控制燃油的回流。通過選用合適的阻尼孔直徑dv，可以兼顧高、低速性能的要求，既防止高速大負(fù)荷時的二次噴射，又避免了低速小負(fù)荷時噴油不穩(wěn)定的現(xiàn)象的出現(xiàn)。 隨著柴油機(jī)噴油壓力的不斷提高，等容式出油閥已逐漸不能適應(yīng)，因此需要采用等壓式出油閥：鋼球在彈簧的作用下，關(guān)閉節(jié)流孔，從而在出油閥上構(gòu)成一個小的單向閥，在供油過程中它不起作用，而在回油過程中則打開并使高壓油路保持為一定的殘余壓力，若能通過細(xì)致的匹配工作，選擇合適的節(jié)流孔尺寸與等壓閥的彈簧剛度，就可以控制高壓油路中的殘余壓力大小并使其保持穩(wěn)定，從而消除了等容出油閥存在的問題，保證燃料供給系統(tǒng)在各種工況下正常工作。等壓式出油閥目前存在的問題是制造成本較高，調(diào)試也比較困難，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，今后的應(yīng)用范圍越來越廣。 2.4 柴油機(jī)對代用燃料的要求 柴油機(jī)對其燃料有如下的要求： 1) 流體燃料，即液態(tài)或氣態(tài)的燃料（常溫下），才能直接作為內(nèi)燃機(jī)的燃料。 2) 其能量密度必須足夠大。例如液體燃料的低熱值必須在18MJ/Kg以上；氣體燃料的低熱值必須在5MJ/M3以上。 3) 必須是資源豐富，能長期供應(yīng)的；或者是可再生的； 4) 必須是無毒或低毒的，包括燃燒前和燃燒后的物資均應(yīng)如此，對環(huán)境污染的程度要少。 5) 必須易于運(yùn)輸、貯存和使用。 6) 價格適中。 第3章 水煤漿特性分析 水煤漿技術(shù)是20世紀(jì)70年代世界范圍內(nèi)的石油危機(jī)中產(chǎn)生的一種以煤代油的煤炭利用新方式。其主要技術(shù)特點(diǎn)是將煤炭、水、部分添加劑加入磨機(jī)中，經(jīng)磨碎后成為一種類似石油一樣的可以流動的煤基流休燃料。 洗精煤經(jīng)破碎成為<6mm的煤粒進(jìn)入球磨機(jī)，并加入水和分散劑在球磨機(jī)中一同磨碎成為漿體。經(jīng)泵送至濾漿器除去未磨碎的粗顆粒和雜質(zhì)進(jìn)入調(diào)漿罐，經(jīng)加入穩(wěn)定劑并調(diào)整水煤漿的粘度后送入儲漿罐儲存?zhèn)溆谩?我國目前制備的水煤漿按制備水煤漿原料的性質(zhì)約分為6種，如表1，水煤漿的質(zhì)量濃度一般為65%~70%，粘度為1000±200cP，其中煤炭最大顆粒粒徑小于03mm，平均粒徑小于50μm，漿體穩(wěn)定期大于3個月不發(fā)生硬沉淀。 表1?? 水煤漿品質(zhì)特性 品種 選用原料煤 水煤漿特性 ????? 用途 精煤水煤漿 ??????????????????????????? 洗精煤，灰分：〈10% 濃度：＞65% 粘度：1000cp 穩(wěn)定性：＞3個月 發(fā)熱量：18.8-20.9 MJ/kg 作為鍋爐代油燃料 精細(xì)水煤漿 超低灰精煤， 灰分：1%～2% 濃度：50%～55% 粘度：＜300 cp 細(xì)度：＜10μm 作為內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)馔钙饺剂? 經(jīng)濟(jì)型水煤漿 原生煤泥 灰分：15%～25% 濃度：65%～68% 穩(wěn)定性：＞15天 作鏈條鍋爐燃料 浮選尾煤灰分：＞25% 濃度：50%～65% 穩(wěn)定性：3～5天 作沸騰爐或鏈條爐燃料 環(huán)保型水煤漿 制漿過程中加入 脫硫劑 濃度：＞65%， 粘度：1000cp ±200 cp 可提高脫硫率10%～20% 加入堿性有機(jī)廢液 濃度：50%～55%， 粘度：＜1200 cp， 穩(wěn)定性：30天 適合高硫煤地區(qū)鍋爐燃用，脫硫效果好 原煤水煤漿 原煤灰分：＞20%， 爐前制漿 濃度：60%左右， 穩(wěn)定性：1天 作工業(yè)窯爐燃料 水煤漿具有較好的流動性和穩(wěn)定性，可以像石油產(chǎn)品一樣儲存、運(yùn)輸，并且具有不易燃、不污染的優(yōu)良特性，是目前比較經(jīng)濟(jì)和實(shí)際的清潔煤代油燃料。由于水煤漿是采用洗精煤制備，其灰分、硫分較低(干基灰分小于10%、硫分小于05%)，在燃燒過程中，由于水分的存在降低了燃燒火焰中心溫度，抑制了氮氧化物的產(chǎn)生量。另外水煤漿自煤炭進(jìn)入磨機(jī)后即可以采用管道、罐車輸送。不會產(chǎn)生煤炭流失造成的環(huán)境污染，具有較好的環(huán)保效果。 目前國際石油價格很不穩(wěn)定，石油價格的變化讓使用石油產(chǎn)品的企業(yè)不堪重負(fù)，因此紛紛將眼光轉(zhuǎn)向其他可以代油的燃料。由于水煤漿的性質(zhì)像油，價格穩(wěn)定又具有清潔的環(huán)保特性，因此具有較大的競爭優(yōu)勢。 3.1水煤漿概述 煤漿是一種潔凈煤燃料，它是將煤進(jìn)行破碎、分選出煤粉，再按一定比例將煤粉和水、油、甲醇、添加劑等混合，充分?jǐn)嚢柚瞥傻臐{體。不同的煤漿產(chǎn)品是根據(jù)煤與不同流體的混名來命名的： 油煤漿（Coal-Oil Mixture 簡稱COM）是煤粉和油的混合物； 油水煤漿（Coal-Oil-Water Mixture 簡稱COW）是煤粉、油和水的混合物； 水煤漿（Coal-Water Slurry 簡稱CWS 或Coal-Water Fuel 簡稱CWF或Coal-Water Mixture 簡稱CWM）是煤粉和水及少量的添加劑組成的混合物； 煤—甲醇混合物（Coal-Methanol Mixture 簡稱CMM）是煤粉、甲醇或甲醇、水所組成的混合物。 此外，還有石油焦?jié){（石油焦為低灰高熱值的石油殘渣），石油焦?jié){可以分為石油焦與油混合的油焦?jié){和水與石油焦混合的水焦?jié){。 3.1.1 水煤漿的物理化學(xué)性質(zhì) 水煤漿是一種以煤代油的新型煤基清潔燃料。水煤漿技術(shù)是潔凈技術(shù)的一個重要部分。水煤漿燃料是一種固液相混合物,以煤為燃燒基,含量占65%～70%,化學(xué)添加劑占10%,其余為水分。要求煤的粒度不大于300微米,其中小于74微米的顆粒占75%以上。通常情況下，它是一種非牛頓流體,具有良好的流變性和穩(wěn)定性。即表現(xiàn)為在靜止?fàn)顟B(tài)下粘度較高,穩(wěn)定性好;在剪切作用下,粘度變低,流動性好。這些特性有利于它的儲存、管道輸送和霧化燃燒。由于水煤漿煤基顆粒度小,可以霧化燃燒,因此燃燒充分,提高了煤的燃燒效率,增加了燃燒熱量,大幅降低了煙塵排放。但對于本文研究的油水煤漿卻是具有牛頓流體流動的特性的燃料，（所謂牛頓流體，其粘度僅是溫度的單值函數(shù)，不隨剪切速率的變化而變化。）從而油水煤漿在處于流動狀態(tài)時，表現(xiàn)出低的粘度，便于泵送、霧化和燃燒，處于靜止?fàn)顟B(tài)時，又表現(xiàn)出高粘度，便于存放和防止沉淀。 3.1.2 水煤漿的重要指標(biāo) 1) 水煤漿濃度 指煤漿中所含固體煤的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。濃度直接影響到水煤漿的熱值，濃度越大，發(fā)熱量越高。但在高濃度范圍內(nèi)，水煤漿的粘度將隨濃度增大而顯著增高。 2) 水煤漿中煤的粒度分布 煤炭的粒徑分布關(guān)系到水煤漿的濃度，合理的粒徑分布可以達(dá)到較高的水煤漿濃度；同時，煤炭的粒徑分布也直接影響到煤漿的流變性、穩(wěn)定性及燃燒特性。一般情況下，粒度上限不大于30μｍ，小于74μｍ的含量應(yīng)不少于75％。 3) 水煤漿的流變性 精細(xì)油水煤漿的黏度影響柴油機(jī)霧化穩(wěn)定性和霧化質(zhì)量，進(jìn)而影響柴油機(jī)工作的穩(wěn)定性和燃燒效率。精細(xì)油煤漿是油、柴油及少量添加劑形成的多相流體混合物，對于這種混合物，其梯度與剪切應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系比較復(fù)雜，在多相混合物中，剪切應(yīng)力產(chǎn)生的速度梯度受到流體內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)變化的影響，反過來物理結(jié)構(gòu)又會因剪切作用而產(chǎn)生變化；顆粒之間的物理化學(xué)作用造成的顆粒之間的凝聚或者形成脆弱的、對剪切十分敏感的結(jié)構(gòu)。煤漿或多或少都具有這些特征，這樣其流邊方程或本構(gòu)方程可表示為： 式中： 分別為大分子、顆粒群或團(tuán)塊在剪切開始以后t時刻的濃度，平均體積，去向和形狀。 描述大分子、顆粒群或團(tuán)塊形成速率和破壞速率系數(shù)。 E 混合體系的彈性模量。 通常粘性流體的類型可分為牛頓流體和非牛頓流體。煤漿是多相流體混合物，由于煤漿的組成不同，濃度變化及添加劑不同漿呈現(xiàn)不同的流變特性。 4) 水煤漿的穩(wěn)定性 這是表征水煤漿質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。水煤漿是固、液兩相流體，且屬于粗分散體，產(chǎn)生固、液分離，生成沉淀物是不可避免的。沉淀可以分為硬沉淀與軟沉淀，所謂硬沉淀是指通過攪拌不可能使煤漿重新恢復(fù)均勻態(tài)的沉淀，而軟沉淀是指可以通過攪拌，煤漿恢復(fù)均勻態(tài)的沉淀。水煤漿穩(wěn)定性的優(yōu)劣決定于生成沉淀物的性質(zhì)。 3.2 水煤漿作為代用燃料的優(yōu)點(diǎn) 水煤漿是一種具有經(jīng)濟(jì)性和清潔性的柴油機(jī)的代用燃料，與其本身的特點(diǎn)和性質(zhì)有直接關(guān)系。 發(fā)動機(jī)排放尾氣中的有害物質(zhì)，是造成污染環(huán)境重要原因。從發(fā)動機(jī)污染物產(chǎn)生機(jī)理上看，氮氧化物的產(chǎn)生，主要受氣缸中氣體的燃燒溫度的影響。溫度越高產(chǎn)生氮氧化物濃度越高。一氧化碳的產(chǎn)生，主要是由于氣缸中局部缺氧造成的，并受氣體溫度的影響，溫度越低，氧化反應(yīng)越弱，產(chǎn)生的一氧化碳越高。二氧化硫的產(chǎn)生，主要是由于制漿原料煤中的硫氧化而生成，生成濃度與制漿原料煤的燃燒量有關(guān)，燃燒的量越多，則產(chǎn)生的二氧化硫越多。碳?xì)浠衔锏纳墒且粋€非常復(fù)雜的過程，其特征是燃油的蒸發(fā)、空氣與燃油、已燃物和未燃物之間的混合以及燃燒本身三者同時發(fā)生。通過試驗(yàn)表明柴油機(jī)燃燒油水煤漿的氮氧化物排放濃度較低，在相同工況條件下只是燃燒柴油時的10%-25%，燃燒油水煤漿與燃燒柴油相比一氧化碳、碳?xì)浠衔锏呐欧艥舛认喈?dāng)，對所測取得點(diǎn)的最大排放濃度也符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB8189—89。因此，柴油與水煤漿的混合燃料作為是一種清潔燃料，可以在替代燃料的發(fā)展進(jìn)程中占有一定的地位。 作為代油燃料，油煤漿和水煤漿能夠節(jié)約能源，且燃燒潔凈。但油煤漿粘度較高且代油效率低。水煤漿雖然代油效率較高，但適于制漿的煤種范圍較窄，熱值較低，著火點(diǎn)較高、粘度較高。油水煤漿綜合了水煤漿和油煤漿的特點(diǎn)，具有熱值較高、粘度較低、燃燒速度較快等優(yōu)點(diǎn)。 選用油水煤漿作為代油燃料主要考慮到： 1) 油水煤漿熱值較高?？梢栽趯Σ裼蜋C(jī)燃燒系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)不做較大改動的條件下，發(fā)動機(jī)動力性降低較少，具有較高的實(shí)用推廣價值。 2) 油水煤漿的粘度較低，不需要對發(fā)動機(jī)燃料供給系統(tǒng)進(jìn)行大的改造，即可實(shí)現(xiàn)較好的霧化，降低發(fā)動機(jī)的改造成本。 3) 油水煤漿燃燒速度較快，避免過后燃燒，提高燃燒效率。 3.3 水煤漿作為代用燃料的缺點(diǎn) 水煤漿作為柴油機(jī)代用燃料有著實(shí)際應(yīng)用的巨大潛力?？墒牵瑥乃簼{的特性可以看出，對發(fā)動機(jī)性能有不利的影響。如： 1) 水煤漿在常溫下為液體，高的燃點(diǎn)使其需要有柴油作為引燃，才能燃燒。 2) 水煤漿的熱值低于柴油，只有柴油的73.44%，為了達(dá)到原柴油機(jī)的動力水平，則必須增大水煤漿的每循環(huán)供油量（達(dá)到柴油供油量的1.3—1.5倍）。我們可以采用加大噴油泵中柱塞直徑和柱塞有效行程，加大噴油器中噴孔直徑等方法來提高發(fā)動機(jī)的每循環(huán)供油量的方法，以期達(dá)到發(fā)動機(jī)原有動力性。 水煤漿在物化性質(zhì)上和柴油的差異，決定了現(xiàn)有的柴油機(jī)設(shè)備不得不重新改進(jìn)以適應(yīng)燃用水煤漿的需要。目前，需要作的改動主要集中在燃油供給系統(tǒng)方面，例如：1、水煤漿的熱值比柴油低，但其燃燒時所需要理論空氣量少，其理論混合氣的熱值與柴油理論混合氣的熱值相當(dāng)。從熱值上講，使用水煤漿時并不影響發(fā)動機(jī)的效率，但問題的關(guān)鍵在于，使用水煤漿時必須增加燃料的供油量。因此，柴油機(jī)上使用高比例的水煤漿時，應(yīng)對發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。2、由于水煤漿中即存在液態(tài)水，又含有微小固體煤顆粒，具有固液兩相流的性質(zhì)。這就使燃油潤滑效果較差，柴油機(jī)上噴油泵和噴油器部件出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，特別是柱塞與柱塞套、出油閥與出油閥座、針閥與針閥體三大相對運(yùn)動的精密偶件容易因?yàn)闈櫥涣级a(chǎn)生嚴(yán)重磨損。因此，為了保證柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性和耐久性，設(shè)計一種新型噴油泵和噴油器來實(shí)現(xiàn)水煤漿燃料在柴油機(jī)上穩(wěn)定燃燒。 第4章 供給系統(tǒng)的改造 如前所述，原柴油機(jī)的燃料供給系統(tǒng)，是為柴油的供給與霧化而設(shè)計的，采用的是柱塞泵-高壓油管-噴嘴系統(tǒng)，最主要的零件是柱塞泵的柱塞偶件和噴嘴的針閥偶件。為了實(shí)現(xiàn)柴油在柴油機(jī)上快速、高效率燃燒，要求柱塞偶件和針閥偶件在高壓下高速運(yùn)動。以使柴油得到良好的霧化，保證柴油在噴入汽缸后，與汽缸中的空氣實(shí)現(xiàn)均勻混合，提高燃燒效率和燃燒速度。柴油機(jī)燃燒精細(xì)油煤漿時，精細(xì)油煤漿中包含煤的顆粒。這些顆粒在泵送、噴射過程中，很容易進(jìn)入柱塞偶件和針閥偶件的配合間隙中，造成柱塞偶件和針閥偶件的磨損、卡死，時柴油機(jī)的燃料供給系統(tǒng)不能正常工作。要實(shí)現(xiàn)精細(xì)油煤漿在柴油機(jī)上穩(wěn)定燃燒，使柴油機(jī)燃料供給系統(tǒng)適于泵送漿體燃料是關(guān)鍵，為此對柴油機(jī)的燃料供給系統(tǒng)進(jìn)行了改造。 為了使柴油機(jī)上能燃用水煤漿達(dá)到原有的動力性能，同時改善其經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo)，則必須局部地改善和調(diào)整原柴油機(jī)的有關(guān)部件。主要包括噴油泵、噴油器和潤滑系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計,本文主要針對噴油泵和潤滑系統(tǒng)進(jìn)行改造。 4.1 供給系統(tǒng)故障原因分析 精細(xì)水煤漿和柴油相比的區(qū)別是：精細(xì)水煤漿是一種固液兩相流體，而柴油是液體。兩者之間存在著一些差異： 1）水煤漿內(nèi)存在顆粒，而柴油沒有； 2）精細(xì)水煤漿黏度較高，而柴油黏度很低。 發(fā)動機(jī)在燃燒煤漿時,燃料泵的柱塞偶件、噴嘴的針閥偶件間的相對運(yùn)動速度較高（柱塞約0.26m/s），并且承受較高的壓力（約18Mpa）,精細(xì)油水煤漿在泵送的過程中,盡管供漿系統(tǒng)的精密偶件之間的間隙較?。?.025-0.003mm），由于精細(xì)油水煤漿中顆粒是連續(xù)分布的，從圖3-1可以看出25%以上的微粒小于3，易使精細(xì)油水煤漿中的一些顆粒進(jìn)入精密偶件的相互運(yùn)動配合表面形成的縫隙中,由于這些顆粒的存在，破壞了縫隙之間形成的承載油膜，在配合表面之間以及配合表面與煤顆粒之間局部形成干摩擦，使柱塞偶件表面由于干摩擦急劇發(fā)熱，加速了配合表面之間以及配合表面與煤顆粒之間的磨損。由于摩擦在表面上形成一些微觀的溝槽，這些溝槽積聚了一些細(xì)微的煤粒，隨著這些溝槽逐漸積累增多，煤粒的積累亦相應(yīng)增多，一段時間后，造成精密偶件間的卡死，從而使柴油機(jī)的燃料泵送系統(tǒng)不能正常工作. 圖3-1為用掃描電鏡拍攝的精細(xì)油水煤漿在柴油機(jī)上燃燒較短時間內(nèi)（約10分鐘）,噴嘴中的針閥偶件縫隙中進(jìn)入煤粒的電子掃描照片，圖中白點(diǎn)為煤漿中煤的顆粒，以照片中的比例尺估計，這些煤的顆粒大部分在10以下。 圖4.1柱塞偶件配合表面中進(jìn)入煤粒的電子掃描照片 圖4.2 柱塞偶件配合表面中由于煤粒的存在而引起磨損的電子掃描照片 圖4.2為由于煤粒的進(jìn)入一段時間后而引起的針閥上表面磨損情況。圖中的白色條痕為由于煤漿中煤顆粒的進(jìn)入，對其表面產(chǎn)生的磨損痕跡，從照片上的比例尺可以看出，這些調(diào)痕的寬度在10以下。 4.2 解決方案 噴油泵是柴油機(jī)的重要組成部分，它在柴油機(jī)上的作用是按照柴油機(jī)的工作順序，將低壓燃油壓縮成高壓燃油，定時、定量地通過噴油器將霧狀燃油噴入燃燒室內(nèi)燃燒作功，并能根據(jù)操作人員的要求及柴油機(jī)工作負(fù)荷的變化，自動控制和調(diào)整噴油泵供油量。因此，柴油機(jī)工作性能的好壞，在很大程度上取決于噴油泵是否在正常工作。水煤漿作為一種新柴油機(jī)的替代燃料，目前在國內(nèi)還只處在實(shí)驗(yàn)階段，由于其含有煤粉顆粒的固相和水分子液相，就要求柱塞供給泵的具有防柱塞卡死、磨損的特殊性能，更加有效的噴出水煤漿燃料。 如前所述，實(shí)現(xiàn)煤漿在柴油機(jī)上的穩(wěn)定燃燒，主要問題是要解決柴油機(jī)燃料供給系由于煤漿顆粒的進(jìn)入而產(chǎn)生的精密偶件間的磨損與卡死問題。關(guān)鍵是要防止煤漿進(jìn)入精密偶件的縫隙之中。綜合比較各種方案，擬在精密偶件的縫隙中注入高壓潤滑油來進(jìn)行潤滑以避免煤顆粒的進(jìn)入。圖4.3為柱塞偶件改造原理圖，工作原理為：工作 圖4.3供漿系統(tǒng)潤滑原理圖 時高壓潤滑油進(jìn)入柱塞與柱塞套之間的縫隙中，由于潤滑油在高壓下，始終充滿柱塞與柱塞套之間的縫隙中，在柱塞與柱塞套之間形成承載的潤滑油膜，避免柱塞與柱塞套配合面之間的干摩擦。高壓潤滑油的油壓比煤漿壓力稍高，根據(jù)縫隙流計算與實(shí)驗(yàn)可知，工作時有較少的高壓油縫隙流通過柱塞與柱塞套之間的縫隙，對柱塞與柱塞套的配合表面具有清洗作用，避免煤漿顆粒的進(jìn)入。柴油機(jī)采用的是燃料泵、高壓油管、燃料噴射器燃料供給系統(tǒng)。在燃料供給系統(tǒng)中容易產(chǎn)生磨損精密偶件，主要是燃料泵的柱塞偶件、燃料噴射器的針閥偶件。要保證柱塞偶件、針閥偶件工作可靠，關(guān)鍵是要保證柱塞表面、針閥表面有高壓潤滑油通過。 圖4.4 自由柱塞式煤漿噴射系統(tǒng) 圖4.5改造后的系統(tǒng)流程 圖4.4為資料介紹較為成功的一種自由柱塞式煤漿噴射系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高壓油來推動自由柱塞，用自由柱塞推動煤漿。為了避免自由柱塞和柱塞套之間產(chǎn)生磨損、卡死。在自由柱塞四周用高壓潤滑油密封、清洗。工作時，低壓泵給煤漿加壓，煤漿通過單向閥泵入自由柱塞前端的煤漿腔中。高壓油推動自由柱塞向下運(yùn)動，將煤漿壓向針閥前端。隨著壓力的提高，針閥被頂起，煤漿向下噴出。針閥偶件、自由柱塞表面主要靠密封油清洗潤滑。 該系統(tǒng)采用密封潤滑油的方法，解決了精密偶件間的磨損與卡死問題。但是采用高壓油來推動自由柱塞，工作時自由柱塞的運(yùn)動位置難于控制，容易造成每循環(huán)供漿量不均勻，每循環(huán)供漿量的調(diào)節(jié)也難以保證。煤漿進(jìn)入自由柱塞前端的煤漿腔，需通過單向閥，要保證煤漿的進(jìn)入，需要另外附加低壓泵，使系統(tǒng)趨于復(fù)雜。 噴油泵改進(jìn)的目標(biāo)： 1) 潤滑油的功能為驅(qū)趕微細(xì)煤粒和潤滑運(yùn)轉(zhuǎn)偶件。 2) 潤滑系統(tǒng)必須自身附帶，不應(yīng)外加其他設(shè)備，盡量簡化系統(tǒng)。 3) 使與原發(fā)動機(jī)的配合性要好，盡量避免改變原發(fā)動機(jī)的幾何尺寸。 為了適應(yīng)這些改進(jìn)要求，把燃料泵設(shè)計成二級聯(lián)動泵的形式。上部泵漿，為發(fā)動機(jī)提供燃料；下部泵潤滑油，為其本身潤滑和噴漿器提供密封潤滑油。燃料泵靠原柴油機(jī)凸輪驅(qū)動， 避免對原柴油機(jī)做大的改動。在原噴漿器上開設(shè)高壓潤滑油通道，以使高壓潤滑油進(jìn)入針閥偶件表面，對針閥偶件配合表面進(jìn)行潤滑清洗。供漿系統(tǒng)改造采用的技術(shù)方案如下： 1) 設(shè)計泵體，在泵體上加工低壓潤滑油進(jìn)油通道、低壓潤滑油腔、高壓潤滑油出油通道。 2) 設(shè)計二級高壓腔柱塞偶件，包括高壓泵煤漿腔、高壓泵油腔的設(shè)計與加工。 3) 設(shè)計噴油泵的其他零件，包括出油閥座、進(jìn)油螺栓、出油閥彈簧、出油閥體、調(diào)節(jié)臂、柱塞彈簧、進(jìn)油螺栓、防污套管、緊座、出油閥墊片、柱塞彈簧下座、出油閥密封圈、定位螺釘?shù)脑O(shè)計。 雙功能泵與雙功能噴嘴再加上高壓管路構(gòu)成雙功能供給系統(tǒng)。改造系統(tǒng)方案流程如圖4.5所示。 4.3 參數(shù)確定 3.3.1 原發(fā)動機(jī)參數(shù) 考慮到實(shí)驗(yàn)容易進(jìn)行和配套部件的方便更換， 同時為了節(jié)省實(shí)驗(yàn)費(fèi)用和柴油機(jī)的應(yīng)用廣泛，采用S195 型柴油機(jī)。 1 ) 型號： S195 2 ) 型式： 臥式、單缸、四沖程、自然吸氣、強(qiáng)制水冷、渦流式柴油機(jī) 3) 汽缸直徑×活塞行程：95mm×115mm 4 ) 活塞排量： 0.815L 5 ) 標(biāo)定功率： 8.8 kw 6 ) 標(biāo)定轉(zhuǎn)速： 2000 r/min 7 ) 壓縮比： 19 8 ) 供油提前角： 170 CA BTDC ； 燃燒水煤漿供油提前角變?yōu)榭烧{(diào) 9 ) 噴油壓力： 13 Mp.a ； 燃燒水煤漿噴油壓力為13— 20Mp.a 10) 柱塞直徑： 8 mm 11) 啟動方式： 手搖啟動 4.3.2 柱塞直徑dp效供油行程 柱塞與柱塞套是噴油泵重要的精密偶件之一，它具有建立高壓與控制供油量的重要作用，柱塞直徑和有效供油行程可按以下方法計算：首先，根據(jù)柴油機(jī)標(biāo)定工況點(diǎn)燃油消耗率和功率算出柴油機(jī)所需的每循環(huán)噴油量（mm3/循環(huán)） （3-1） 式中，pe—柴油機(jī)標(biāo)定功率（kw）； be—標(biāo)定功率點(diǎn)燃油消耗率[g/(kw·h)]； n—柴油機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）； i—柴油機(jī)氣缸數(shù)； ρf—燃料油密度（g/cm3）； τ—柴油機(jī)的行程數(shù)。 噴油泵柱塞在有效行程he內(nèi)的幾何供油量Vp應(yīng)大于Vb，即有 （3-2） 式中，△V1—為高壓油路內(nèi)，在最大泵端峰值壓力與針閥開啟壓力的壓差作用下的燃油壓縮量； △V2—為噴油泵柱塞套與高壓油管的變形量，在粗略計算中可以略去不計。 （3-3） 式中，—是最大泵端許用壓力（查表可知）（MPa）； —是噴油器針閥開啟壓力（對軸針式噴油器，開啟壓力為）； —是高壓油路總?cè)莘e（對于采用泵-管-嘴系統(tǒng)的中小功率柴油機(jī)，）； —是燃料彈性模量，。 求出Vp以后，在參照噴油泵最大循環(huán)供油量（要適當(dāng)小于），并根據(jù)柴油機(jī)的特點(diǎn)，即可在表中選擇所需要的噴油泵系列與型號，其柱塞直徑和有效行程可按下式計算： （3-4） 式中，—為噴油泵的供油系數(shù)，其值主要與進(jìn)回油孔的節(jié)流作用有關(guān)，一般，對節(jié)流作用較大時，取大值。 定義柱塞直徑與有效行程之比為，根據(jù)統(tǒng)計，將代入上式后，可得柱塞直徑為 （3-5） 對計算值圓整，最后確定柱塞直徑，再根據(jù)m1反算出有效行程。 （3-6） 柱塞直徑增大，供油速率增大，在相同供油量情況下，有效行程減小，供油和噴油持續(xù)縮短，從而縮短柴油機(jī)的燃燒期，改善性能。但加大柱塞直徑后，初期噴油量大，柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)粗暴，此外凸輪承受接觸應(yīng)力也增大。 4.3.3 凸輪最大升程和預(yù)行程的確定 凸輪的升程與幾何形狀（型線）對柱塞的運(yùn)動規(guī)律與噴油泵的供油規(guī)律有著重要的影響。凸輪型線的種類很多。目前，在中小功率柴油機(jī)領(lǐng)域使用最多的為切線凸輪。其中，單向切線凸輪的凸輪工作段為一條與基圓和定圓相切的直線，它只能用于某一固定旋轉(zhuǎn)方向，但回程比較平緩，對零部件的壽命與降低工作時的噪聲比較有利。另外一種是雙響切線凸輪，由于它兩個側(cè)面均為對稱布置的切線，故可以實(shí)現(xiàn)雙響旋轉(zhuǎn)。 在凸輪的升程、速度曲線中，為了便于比較各種凸輪型線對柱塞速度的影響，也可將速度曲線縱坐標(biāo)用基準(zhǔn)速度C表示，它是噴油泵轉(zhuǎn)速為1000r/min時的速度值，這樣對應(yīng)任一柴油機(jī)轉(zhuǎn)速均可方便地求得柱塞供油速度為。對中、小功率柴油機(jī)的噴油泵，C的最大值一般應(yīng)控制在3.0m/s以下。 凸輪全升程，即最大升程由三部分組成，即 （3-7） 式中, —為有效行程； —為預(yù)行程； —為剩余行程。 取與之比為，即。對于自然吸氣柴油機(jī)，對于增壓柴油機(jī)，增壓度愈高，較小的值。這樣，我們在計算柱塞直徑并確定了以后，也可根據(jù)以上關(guān)系確定 （3-8） 至于預(yù)行程與剩余行程在中如何分配的問題，則取決于我們對供油速率，即將有效行程的終點(diǎn)調(diào)整在離最大速度點(diǎn)0.3mm處，這時既保證了較高的供油速率，使供油持續(xù)期控制在較窄凸輪轉(zhuǎn)角范圍（在高速柴油機(jī)中，通常小于）內(nèi)又防止了挺柱與凸輪頂部圓弧接觸，造成表面接觸應(yīng)力過大（最大允許值為）。在實(shí)際噴油泵上預(yù)行程的大小可通過改變挺柱體的高度來加以調(diào)節(jié)。 4.4 噴油泵設(shè)計 圖4.6為設(shè)計的噴漿泵總裝圖。其上部為煤漿腔1，下部為潤滑油腔3。煤漿腔1與潤滑油腔3之間為柱塞偶件配合表面。 1高壓煤漿腔；2潤滑油出口；3潤滑油腔 圖4.6噴漿泵總裝圖 煤漿腔1與潤滑油腔3的結(jié)構(gòu)與工作原理相似。煤漿腔1的工作原理如圖所示。柱塞偶件下方有柱塞與柱塞套形成的一個密封腔，稱為高壓密封潤滑油腔3(見圖4.7)，在柱塞向上運(yùn)動時，由于高壓密封潤滑油腔的體積減小，壓力隨之升高，調(diào)整出油口2的出油閥彈簧的旋進(jìn)長度（出油閥彈簧的預(yù)緊力），使高壓密封潤滑油腔3中的壓力大于煤漿腔1中的壓力，則在煤漿腔1到高壓密封潤滑油腔3的柱塞與柱塞套表面的配合面上產(chǎn)生縫隙流，為柱塞、柱塞套表面提供高壓潤滑油，清洗柱塞、柱塞套表面，避免煤顆粒進(jìn)入柱塞、柱塞套表面。提供承載的潤滑油膜，避免表面之間的干摩擦。 圖4.7 供漿泵供漿原理圖 煤漿腔工作原理為：柱塞的表面銑有斜槽，使內(nèi)腔和上面的高壓煤漿腔相連。柱塞套上有圓孔，與泵體上的低壓腔相通。柱塞與柱塞套精密配合，稱為柱塞偶件。柱塞通過凸輪驅(qū)動，在柱塞套內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動。當(dāng)柱塞運(yùn)動到如圖4.7a所示的位置時，煤漿經(jīng)低壓腔油孔吸進(jìn)高壓腔。隨著凸輪的旋轉(zhuǎn)，柱塞表面上移，進(jìn)漿孔被封住。隨著柱塞的繼續(xù)上移，高壓腔的容積開始減小，高壓腔內(nèi)的煤漿的壓力開始升高。當(dāng)凸輪旋轉(zhuǎn)到圖4.7b位置時，高壓腔中的煤漿的壓力升高到足以克服出油閥彈簧的壓力，出漿閥開始上升，當(dāng)出漿閥的圓形環(huán)帶離開出漿閥座時，高壓煤漿便通過高壓管流向噴漿器。當(dāng)凸輪旋轉(zhuǎn)到圖4.7c位置時斜槽與漿孔開始接通，高壓腔的煤漿便經(jīng)柱塞中央的圓孔、斜槽、回漿孔流向低壓腔，這時高壓腔中的煤漿的壓力開始下降，出漿閥在彈簧壓力的作用下開始回落，供漿泵供漿停止。當(dāng)凸輪旋轉(zhuǎn)倒圖4.7d位置時，柱塞達(dá)到上止點(diǎn)。隨著凸輪的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，柱塞在柱塞彈簧的作用下開始下行，進(jìn)行下一次供油過程。柱塞下部的密封潤滑油油腔的供油原理，與上述的供漿腔的供漿原理相同。 二級聯(lián)動泵的主要部件是由柱塞和柱塞套，柱塞是同軸度要求極高的階梯軸，如圖4.8 所示，左端直徑較小的部分是泵漿用的，直徑大的環(huán)行面是泵潤滑油的。柱塞套是與其相對應(yīng)的偶件， 如圖4.9 所示，柱塞在凸輪和彈簧的作用下在柱塞套內(nèi)左右移動就完成煤漿和柴油的進(jìn)入和排出， 如圖4.10 所示。 圖4.8 噴油泵柱塞設(shè)計圖 圖4.9 柱塞套設(shè)計圖 圖4.10 噴油泵裝配圖 4.5 潤滑系統(tǒng)設(shè)計 圖4.11 為簡化后的供漿系統(tǒng)的簡化模型,隨著凸輪的旋轉(zhuǎn),柱塞2 上行，高壓煤漿腔1、高壓潤滑油腔3 的容積變小，高壓煤漿腔的壓力、高壓潤滑油腔3 的壓力同時上升，當(dāng)高壓煤漿腔1 的壓力升高到可以克服出油閥彈簧的彈力和噴嘴煤漿腔的壓力時，出油閥被頂起，將高壓煤漿腔的煤漿通過出口泵入噴嘴的煤漿腔,隨著煤漿的泵入,煤漿腔7 中的壓力開始升高，當(dāng)壓力升高到可以克服針閥彈簧4 的彈力時，針閥5 被頂起,噴孔被打開,煤漿噴入氣缸, 這時高壓煤漿腔的壓力也達(dá)到最大值，煤漿腔的壓力降低,針閥在針閥彈簧的作用下回落，完成一次噴射過程。同時，隨著凸輪的旋轉(zhuǎn)，柱塞開始回落到原位，高壓煤漿腔的壓力開始下降，開始下一次噴射。高壓潤滑油腔3 中的高壓潤滑的壓力油隨著柱塞的上升而升高，一方面滲入柱塞與柱塞套偶件縫隙，潤滑、清洗柱塞與柱塞套表面，另一方面當(dāng)壓力升高到足以克服出油閥彈簧k2 的彈力和潤滑油槽6 的壓力之和時，出油閥k2 被頂起，出油閥孔被打開，通過高壓油管流入噴嘴的潤滑油槽6，滲入針閥與針閥座縫隙，潤滑、清洗針閥與針閥座表面。 1 高壓煤漿腔；2 柱塞；3 高壓潤滑油腔；4 針閥彈簧；5 針閥；6 潤滑油槽；7 煤漿腔 圖4.11 供漿和潤滑系統(tǒng)原理圖 4.6 改造后的供給系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)的連接 將新設(shè)計的噴漿泵的煤漿出口和噴漿器的煤漿入口相連，噴漿泵的潤滑油出口與噴漿器潤滑油入口相連，即組成改造后的發(fā)動機(jī)燃料供給系統(tǒng)。連接如圖3-12所示。 1噴漿器高壓油入口；2噴油泵泵漿室；3柱塞泵高壓潤滑油出口； 4柱塞泵高壓油腔；5漿器煤漿入口；6滾 輪 圖4.12噴油泵與噴油器連接系統(tǒng)原理圖 1潤滑油進(jìn)口；2噴漿泵；3高壓油出口；4高壓煤漿出口；5噴漿器 圖4.13發(fā)動機(jī)燃料供給系統(tǒng)在柴油機(jī)上的安裝圖通過煤漿腔1到高壓密封潤滑油腔3的柱塞與柱塞套表面的配合面而產(chǎn)生的縫隙流 圖4.13為發(fā)動機(jī)燃料供給系統(tǒng)在柴油機(jī)上的安裝圖，改造后的燃油供給系統(tǒng)，和原發(fā)動機(jī)的較為適配。只需把原發(fā)動機(jī)的燃油濾清器拆下，即可裝在發(fā)動機(jī)上。 第5章 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析 近幾年來汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展和全世界汽車保有量的持續(xù)增多，汽車排放的有害對大氣污染日益嚴(yán)重，成為主要污染源,內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展面臨著巨大挑戰(zhàn)。另外,據(jù)有關(guān)專家預(yù)測,世界石油資源也將于21 世紀(jì)趨向枯竭,石油資源的限制和大氣環(huán)境的惡化已成為影響國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活質(zhì)量的重大問題。水煤漿（英文簡寫CWS）是一種由煤、水、添加劑組成的燃料，它在常溫下為固液混合物。由于水煤漿十六烷值與0 號柴油接近、燃料中含有水分子，柴油機(jī)燃用水煤漿所產(chǎn)生的排放特別是NOx 可大幅度降低。它既保持了煤炭原有的物理特性,又具有石油一樣的流動性和穩(wěn)定性,被稱為液態(tài)煤炭產(chǎn)品。水煤漿技術(shù)包括水煤漿制備、儲運(yùn)、燃燒等關(guān)鍵技術(shù)。水煤漿由70%左右的煤, 30%水及少量化學(xué)添加劑制成,是一種漿體燃料,可以像油一樣泵送、霧化、貯存和穩(wěn)定燃燒,其 熱值相當(dāng)于燃料油的一半。發(fā)展水煤漿技術(shù),用煤制取清潔燃料,以煤代油, 是我國能源長期穩(wěn)定發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。相對于燃油用戶而言,水煤漿是經(jīng)濟(jì)的。目前,國內(nèi)水煤漿的價格為320 ～ 350元/ t,重油的價格1500元/ t,按2 t水煤漿代替1 t重油算,其節(jié)約的費(fèi)用在800元以上。水煤漿是一種清潔的而有發(fā)展前途的代用燃料，為內(nèi)燃機(jī)對石油燃料的依賴和解決日益嚴(yán)重的大氣污染，開辟了一條新的途徑。 水煤漿是20世紀(jì)70年代石油危機(jī)中發(fā)展起來的一種新型煤基流體代油燃料。20 世紀(jì) 80 年代至 90 年代，美國通用汽車公司、通用電氣公司、Cooper 能源系統(tǒng)公司、底特律柴油機(jī)公司及西南研究所對柴油機(jī)燃用煤基代用燃料進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，其中包括固定式柴油機(jī)、機(jī)用中速柴油機(jī)以及卡車用高速柴油機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果表明，中速和高速柴油機(jī)燃用煤基代用燃料是可行的。 從中國能源結(jié)構(gòu)看，中國與以石油、天然氣、核電為主要一次能源的發(fā)達(dá)國家有著極大差異。以煤為主要構(gòu)成（占總能源的70%），石油資源相對短缺，在今后相當(dāng)長的時間內(nèi)不會改變。資料顯示由于缺少石油儲備以及隨著每年石油進(jìn)口量的增加，中國極易受到全球石油價格變化的影響。國際能源機(jī)構(gòu)預(yù)言，到2015年中國進(jìn)口石油將從現(xiàn)在的30%增加到82%，這將造成政府的財政緊張。石油供需的矛盾日益尖銳，如不采取切實(shí)可行的措施，將嚴(yán)重影響中國的國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)進(jìn)程。精細(xì)油水煤漿技術(shù)正是在這一嚴(yán)峻的環(huán)境下提出的。它是柴油的理想替代品，可以實(shí)現(xiàn)在小型高速柴油機(jī)上燃燒。這一技術(shù)對改變中國能源結(jié)構(gòu)，提高中國能源安全具有十分重要的意義。 我國從“六五”開始對水煤漿技術(shù)進(jìn)行研究。十多年來，在水煤漿的燃燒機(jī)理、流動特性、火炬燃燒、低污染燃燒、汽化以及強(qiáng)化水煤漿著火技術(shù)方面做了大量工作， 實(shí)現(xiàn)了水煤漿燃燒技術(shù)的在鍋爐上的應(yīng)用。但在用水煤漿代替柴油實(shí)現(xiàn)在內(nèi)燃機(jī)上的燃燒方面的研究卻進(jìn)展緩慢。主要是在供漿系統(tǒng)出現(xiàn)柱塞偶件、針閥偶件卡死、磨損現(xiàn)象。為了避免煤漿顆粒進(jìn)入針閥偶件的縫隙之中,在煤漿進(jìn)入高壓煤漿腔的同時,高壓密封潤滑進(jìn)入高壓油密封環(huán)槽,在針閥,針閥座的配合表面上形成承載的潤滑油膜,同時產(chǎn)生縫隙流,清洗針閥、針閥座的配合表面。實(shí)際使用證明,改造后的噴漿器較好的克服了煤漿顆粒進(jìn)入針閥、針閥座的配合縫隙的問題,可以穩(wěn)定工作。新設(shè)計的噴油泵較好克服了煤漿顆粒進(jìn)入柱塞﹑柱塞套的配合縫隙問題。為實(shí)現(xiàn)水煤漿在柴油機(jī)上應(yīng)用提供了可行方案。 細(xì)長的柱塞給加工帶來不便，細(xì)長軸加工特點(diǎn)是：剛性差，在切削力和重力作用下，產(chǎn)生彎曲變形，而且產(chǎn)生震動，影響加工精度和表面質(zhì)量；熱變形身長量大，易使工件彎曲變形，產(chǎn)生離心力，加速彎曲變形；在高速進(jìn)給精車時，刀具易磨損，從而影響加工精度和表面質(zhì)量。通常采用以下措施：改進(jìn)工件夾緊方法，如套一開口圓環(huán)，或者尾部頂尖改為彈簧自動伸縮活頂尖，或者采用3個支撐塊的跟刀架；改變刀具的進(jìn)給方向，變壓力為拉；改進(jìn)刀具的進(jìn)給參數(shù)，如增大主偏角，采用負(fù)的刃傾角等。減小切削量；充分進(jìn)行冷卻潤滑。 新設(shè)計的噴油泵結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、質(zhì)量可靠、維修方便，無需對原發(fā)動機(jī)進(jìn)行大的改造就可以直接應(yīng)用。但也有不足之處，為了滿足強(qiáng)度要求設(shè)計的噴油泵過于厚重，如果采用新的工藝新的材料可以縮小噴油泵的整體尺寸。發(fā)動機(jī)經(jīng)過長時間的運(yùn)轉(zhuǎn)噴油泵依然能正常工作，未出現(xiàn)卡死問題。如果大量的柴油機(jī)改為用水煤漿作燃料,無疑會節(jié)省大量的柴油,具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 第6章 結(jié)論 本文運(yùn)用高壓油膜潤滑原理，設(shè)計用于泵送水煤漿燃料供給系統(tǒng)。在泵送時高壓潤滑油通過柱塞偶件、針閥偶件的配合表面，建立了高壓潤滑油膜。柴油機(jī)上使用新設(shè)計的噴油泵的較好克服了煤漿顆粒進(jìn)入針閥﹑針閥座的配合間隙問題。該系統(tǒng)未出現(xiàn)柱塞偶件、針閥偶件卡死、磨損現(xiàn)象。并且系統(tǒng)穩(wěn)定工作。為實(shí)現(xiàn)水煤漿在柴油機(jī)上應(yīng)用提供了可行方案。通過總結(jié)得出以下結(jié)論： 1) 在柴油機(jī)上燃用水煤漿是完全可行的,尤其是在小型中高速柴油機(jī)上使用水煤漿是可行的。如果大量的柴油機(jī)改為用水煤漿作燃料,無疑會節(jié)省大量的柴油,具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 2) 在柴油機(jī)燃用水煤漿完全可以達(dá)到國家的排放要求,起到環(huán)保的作用。 3) 柴油機(jī)改用水煤漿作燃料,還需要作大量的技術(shù)改造工作,其關(guān)鍵是高壓漿泵和噴嘴的設(shè)計及制造。 4) 應(yīng)加強(qiáng)對柴油機(jī)燃用水煤漿技術(shù)的進(jìn)一步研究,特別是燃燒特性研究,以找到降低水煤漿制作成本的途徑。 參考文獻(xiàn) [1] 陳家瑞主編. 汽車構(gòu)造（上）[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000. 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