柴油机喷油泵工艺规程及夹具设计

1 柴油机喷油泵工艺规程及夹具设计概论喷油泵是柴油机燃料供给系中最重要的组成部分，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，因此人们常称它是柴油机的心脏。喷油泵的功用是根据柴油机不同的使用工况，按着一定的要求，将燃料通过喷油器供入各个气缸。国外生产柴油机喷油泵最早，最大的厂家是西德波许（Bosch）公司。它是从 1886 年就开始生产柴油喷射系的产品，现在仍就生产大量各种系列的多缸喷油泵，为世界许多国家的柴油机配套。英国，美国，法国和日本等国家在生产喷油泵的初期，大都首先购买西德波许公司的专利，后来才逐渐发展各自的产第一章柴油机喷油泵的设计 1 .1 对喷油泵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，喷油泵应能满足如下的要求。 1.1.1 供油量喷油泵的供油量应能满足配套柴油机在各种工况下的需要，同时还要求保证的供油要均匀。因此，它不但要有与之相适应的柱塞行程和柱塞直径，而且还要有可靠的供油量调整机构，以满足上述要求。 1.1.2 供油时间根据发动机的要求，喷油泵要准确的按规定的时间（供油提前角）向汽缸供油，且各缸的供油提前角应该一致，其误差不得大于 0，5 度凸轮轴转角。汽车用柴油机，除要求喷油泵有原始的供油提前角外，还要求供油提前角能随着转速的改变而变化。因此常采用专门的供油提前角自动调节器。为了保证柴油机的工作性能，还要求喷油泵有一定的喷油泵延续时间，这要靠选择合适的凸轮外形和相应尺寸的柱塞相互匹配。 1.2 压力根据柴油机燃烧室的型式和混合气的形成方法的不同，喷油泵必须向喷油器供给相当高压力的燃油，以保证喷雾性能良好。对于予燃室式和涡流式燃烧室的发动机，喷油的最高压力（峰值压力）约为 210——350 公斤/厘米 2 ，直接喷射式燃烧室发动机的最高喷油压力可达 300 公斤/厘米以上。为了承受这样高压力2 而不过分渗漏，设计柱塞时必须考虑变形最小，并用选配和互研等最精密的加工方法来保证柱塞付的紧密配合。第二章柴油机 P型喷油泵的设计几十年来，柱塞式喷油泵虽然有些改进和发展，但在结构上仍是大同小异，没有什么根本上的变革。近年来，由于柴油机不断的强化（增压和扩大缸径）和高速化，因而对喷油泵提出了新的要求，即在不扩大喷油泵的外形和主要安装尺寸的情况下，要求有较大的循环供油量。这样就必须使喷油泵进行强化，从而扩大对柴油机的适应范围。到了六十年代初期，国外研制成功了P型喷油泵。 P 型喷油泵基本上脱离了柱塞式喷油泵的传统结构：采用不开侧窗口的箱式封闭泵体，大大的提高了泵体的刚度，使其能承受更高的喷油压力而不至变形，以适应高速高功率柴油机的需要。其柱塞套，出油阀偶件以及出油阀紧座等用一个带法兰的钢套装在一起，成为一个整体部件，用螺钉将法兰直接固定在泵体上，形成悬挂式的结构，从而改善了柱塞套筒，出油阀偶件以及泵体的受力状态，其油量调节机构是在角钢型的拉杆上开有方槽，使之与控制套筒上的滚珠球相齿合来控制油量，供油量和供油始点时间的调整是分别从外面转动法兰套和改变法兰套下面垫片数的办法进行的而且可在喷油泵运转的情况下转动柱塞法兰套对供油量进行调整，喷油泵采用了强制式润滑系统，并与发动机润滑系统相连接。在P型泵的基础上，近几年国外又发展 FM强化型喷油泵。它除具有P型泵的特点外，在结构上又进行了改进。喷油泵的泵油部件的结构能使在维修油泵时直接将偶件，弹簧座，柱塞弹簧和挺柱体从泵体上面抽出而不必拆卸凸轮轴的缺点。此设计方案的特点是柱塞下端用特殊的嵌卡方式，上弹簧座和柱塞弹簧的定位是通过一只内弹性锁环9。出油阀设计的特点是密封带位于减压带下面，这样可使出油阀在关闭时有缓冲作用，从而能特别适应于较高的峰值压力。出油阀体法兰上平面开有一环形槽，相应的在此环形槽内装有同样形状的软件高压密封垫片，因而可以防止因出油阀垫片穴蚀而引起高压油的泄露问题。在紧靠出油阀处，柱塞套孔上都有一段加大的直径，以使柱塞和套筒间形成较大的间隙，防止柱塞发生卡住的现象。3 2.1 柱塞式喷油泵的工作原理和构造 2.1.1 喷油泵的工作原理柱塞式喷油泵是利用柱塞在柱塞套内的往复运动吸入燃油，并强制将燃油增压经喷油器喷入汽缸。为了能使燃油以很细微的雾状喷入汽缸，要求喷油泵产生相当高的喷油压力，这一高压是由柱塞的高速运动和柱塞偶件的精密配合来实现的。近代喷油泵的最高喷油压力可大1000公斤/厘米左右。柱塞式喷油泵的喷油过程如图4­7所示。柱塞1的圆柱形外表面上铉有直线型（或螺旋型）的斜槽 3，斜槽与柱塞顶面以油孔相通。柱塞套 2 上有两个钻孔 4 和8，二者皆与喷油泵泵体上的低压油腔相通。柱塞与柱塞套成极精密的配合并合称为柱塞偶件。柱塞偶件上方装有出油阀偶件（出油阀6及出油阀座5）和出油阀弹簧7。柱塞由凸轮轴驱动，在柱塞套内作直线往复运动，同时还可以绕其轴线进行转动。图4­7A表示柱塞下移至油孔 4和 8以下位置时，燃油在柱塞的真空吸力以及输油泵的压力下充满柱塞上部空腔，在柱塞从下止点向上移动的过程中，开始将有一部分燃油被柱塞从油孔4和 8挤回低压油腔，这一过程直到柱塞的上平面运动到二油孔的上边缘处为止。此时，当柱塞再继续上升，柱塞上部的燃油压力将骤然上升，并将压缩出油阀弹簧7使出油阀6开始上升。当出油阀上的圆形环带离开出油阀座5的导向孔时候，高压燃油才能经高压油管供至喷油器。柱塞继续上移到图 4­7C 所示位置时候，斜槽 3 同油孔 8 开始相通，使柱塞的上腔与低压油腔相通，此时高压油通过柱塞中心钻孔，斜槽3和油孔 8回流到泵的低压油腔。这时由于泵腔油压急剧下降，出油阀在弹簧的作用下迅速降回原位，油泵停止供油，然后柱塞继续上升，直到上升点为止，但此时并不产生供油，因柱塞的上腔与泵的低压油腔是相互连通的。在上述的整个泵油过程中，柱塞从最下位置移到最上位置时候，柱塞所移动的距离称为柱塞的全行程。全行程的大小对某种（或系列）的喷油泵来说是不变的，它完全取决于凸轮的升程。柱塞的全行程用 H 表示，它等于预行程，减压行程，有效行程，和剩余行程之和。柱塞的各种行程如图4­8所示。预行程 H1：柱塞从下止点上升到上端面将进油孔完全关闭时所移动的距离称为预行程，它是根据发动机对供油提前角的要求所决定的。因此其值可能因泵而异。减压行程 H2：从预行程结束到出油阀开启（减压环带开始离开阀座的导向4 孔时）时柱塞所上升的距离。它决定于出油阀上圆柱形环带的尺寸。有效行程 H3：从出油阀开启到柱塞斜槽的梭边打开回油孔时柱塞上升的距离叫有效行程。它决定于配套发动机的功率（即供油量）和柱塞直径的大小。剩余行程 H4：从有效行程结束到柱塞到达上止点为止，它所上升的距离。它是使柱塞，滚轮体总成等零件从做大的运动速度降低到零时所必要的过渡行程。由上可见，并不是在柱塞的全行程内都供油，而只有在有效行程中才供油。柱塞的有效行程一般是在柱塞运动速度较大的中间一段，因为只有这样才能满足发动机对供油规律的要求。一般喷油泵在标定供油量时，柱塞的全行程 h=(3~4.25)h3。喷油泵柱塞每行程泵出的油量称为循环供油量。它的大小与柱塞的有效行程有关，有效行程越大，循环供油量越大，反之，有效行程越小，循环供油量越小。因此，当需要改变喷油泵对发动机的供油量时，必须改变柱塞的有效行程。改变柱塞有效行程的方法是转动柱塞，使柱塞的斜槽与柱塞套上的回油孔 8 在相对位置上发生变化。如把柱塞按图 4­7C 中的箭头方向旋转一个角度柱塞的有效行程就增加。如果朝相反方向转动柱塞，有效行程就减小。这样便可改变柱塞循环供油量，当柱塞转到如图 4­6D 时，柱塞在任何高度位置上都不能完全关闭回油孔8，这时柱塞的有效行程为零，喷油泵处于停止供油状态。 2.1.2. 喷油泵的构造柱塞式喷油泵主要由分泵，油量调节机构，传动机构和泵体组成。 2.1.2.1分泵分泵是喷油泵的泵油机构，每台喷油泵（多缸）都由数个分泵组成，它的数目与配套发动机的缸数相同。分泵由下列零件组成：柱塞偶件（柱塞 8和柱塞7），柱塞弹簧18（参阅图4­2），弹簧下座19，出油阀偶件（出油阀12和阀座10），出油阀弹簧15，减阀器14和出油阀紧座13等。调节臂22压装在柱塞的下端，其另一端嵌入油量调节叉4的凹槽内。柱塞套 7装在喷油泵的上体座孔中。柱塞套上两个油孔与泵体上低压油腔相通。为了防止柱塞套产生转动，用定位螺钉9 使其定位。柱塞弹簧18支承在喷油泵上体27的下端面与弹簧下座19之间，而弹簧下座是支承在滚轮提3的上端面上。柱塞弹簧的作用是使柱塞和滚轮体部件始终与凸轮表面相接触，以保证柱塞能及时可靠的下行。因此柱塞弹簧在安装时需有一定的予紧力。5 出油阀偶件位于柱塞套的上方，二者的接触而要求严格密封。拧入出油阀紧座 13 后，通过高压密封垫 11 将出油阀座 10 与柱塞套压紧，同时出油阀也被弹簧紧压在阀座上。密封圈 16 用来防止低压油从出油阀紧座的螺纹处渗漏。国产系列泵大都采用如上的燃油密封结构，也有许多喷油泵只用一个密封垫圈来同时完成对高，低压燃油的密封作用。低压油的密封是靠密封圈压紧后而与泵体内孔紧密贴合来实现的。 2.2 柱塞偶件柱塞和柱塞套是喷油泵中最精密的偶件之一。它们是采用优质合金钢制造的，并通过精密的加工和选配，互研，其配合间隙控制在 0.0015~0.0025 毫米的范围内。规定的间隙能保证燃油产生高压和柱塞偶件有必要的润滑。间隙过大，易产生漏油和压力不足；间隙过小，偶件的润滑变得困难，且容易卡死。柱塞和柱塞套在选配互研组成偶件后不得互换。为了保证偶件在各种情况下都较稳重而不变形，要求在加工过程中严格的进行热处理，冷处理和时效处理。 2.2.1 柱塞柱塞的尺寸和结构型式是多种多样的，它们对喷油泵的工作性能有很大的影响，与每种柴油机配套的喷油泵，都有固定尺寸和型式的柱塞。使用中一般不容许更换。2.2.1.1柱塞直径喷油泵柱塞的直径完全取决于配套柴油机的要求。它决定于柴油机的不同功率对循环供油量的需要和不同燃烧室型式对喷油的续角的要求。为了达到一定的循环供油量，选用的柱塞直径越大，则有效行程越小。供油速度愈快，而供油延续角也愈小。在为某种型式柴油机选配喷油泵柱塞时，一般先选定凸轮的型式，然后根据柴油机对循环供油量和喷油延续角的要求。初步估算柱塞的直径。如图 4­9 为已知凸轮的升程随转角而变化的曲线，在考虑到保证柱塞有一定的供油速度后，取供油开始点为A，再根据供油延续角的要求，可决定供油终点为B，则柱塞的有效行程为 H，然后按要求的循环供油量 V 就可以按下列公式计算出柱塞的直径D。求循环供油量 0 V 最大功率按额定功率120%来计算的话，已知标定功率 e N =42KW，标定工况燃油耗率 e g =285g/kw·h6 所以，每小时标定耗油量V= e N · e g =42×285=11970g/h 则每小时最大耗油量 max V =V· 2 % 120 =17236.8g/h 即每分钟每缸为 max V /4h=71.82g/min 由于柴油机标定转速3000r/min，所以每分钟循环 1500 次/min 即供油 1500次/min, 0 V =71.82/1500=0.04788g/循环=0.0576867 3 cm /循环=57.69 3 mm /循环根据公式 0 V =1/4 2 dp hg 再查表 53 P 表 4—1（汽车柴油机染油系）得，柱塞升程 hg=7mm,凸轮升程 7mm,分泵中心距 25mm 考虑到供油延续角 gj，取柱塞有效升程为 g h =2.3mm,则柱塞直径范围 d=p hg V 0 9 =5.65mm 柱塞行程分为四行程 62 P （汽车柴油机燃油系），根据上式得，hg 有效行程为 2.3mm，总行程 h=7mm,减压行程决定于出油阀上圆柱形环带的尺寸（未确定）圆柱形环带即为减压环带 75 P 图 4—29（汽车柴油机燃油系）减压环带体积 1/4 2 dp h(d为减压环带直径)h为出油阀的减压行程凸轮（采用切线凸轮）确定凸轮的基圆半径 0 r ，最大升程 h=7mm 计算出柱塞直径后，