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题目学院机电与汽车工程专业热能与动力工程（内燃机）学生学号指导教师王春发一、选题目的与意义目的：本设计题目旨在使内燃机专业学生结合内燃机设计、内燃机构造等方面的知识，对柴油机喷油器进行设计计算，训练学生机械设计、结构强度分析及机械制图等方面的综合能力，为今后的工作奠定基础。意义：喷油器是内燃机的重要组成部分，其设计的合理性直接关系到内燃机的动力性、经济性和排放性能。随着内燃机高功率、高速化，人们对喷油器的性能指标（贯穿距离、喷雾锥度、喷雾质量等）的要求越来越高。好的喷油器设计可以使发动机具有低油耗、低排放和高动力性等特点，全面提高发动机的性能水平。喷油器泄露故障一般分为内部泄漏和外部泄露两种情况。喷油器内部泄露的原因多是其在使用中早期磨损，造成其在系统压力的作用下，不断向进气歧管内泄露燃油。喷油器外部泄露多发生在喷油器和油轨连接处，多是密封面密封不言。若汽油泄漏在进气歧管外部，油滴在气缸体上，遇热后会在发动机舱内蒸发，一旦出现电火花，随时都会引起火灾，后果很严重。当喷油器发生内部泄漏后，会造成喷油器喷射出的燃油雾化不好，引起发动机运转不平稳，混合气燃烧不完全，排气管冒黑烟的现象，并会导致车辆的燃油消耗量明显增加。当喷油器发生外部泄漏故障后，会导致发动机起动困难、怠速熄火、动力性下降、耗油量增加、运转喘振和加速不良等故障的发生。另外，当喷油器与进气管连接处的密封面破损后，还会导致进气系统泄漏，致使额外的空气进入发动机燃烧室，造成混合气偏稀，引发发动机运转异常。如何能解决此类问题将是一大进步。二、国内外研究现状喷油器是电控燃油喷射系统的一个关键的执行器。它的作用是将电动燃油泵提供的压力油定时定量地喷入进气管中，与进气形成符合发动机运行工况要求的合适浓度的可燃混合气。喷油器是电喷系统中一个非常重要的执行器。通过控制喷油器可以实现对喷油量和喷油正时的控制。在国外柴油机的发展已有一百年多的历史,其技术发展可分为三个阶段。第一阶段:20世纪20年代中期以德国Bosch公司为代表的机械式喷油系统代替了蓄压式供油系统,这样柴油机在车辆上的应用就产生了。第二阶段:50年代初废气涡轮增压技术,奠定了它在该行业中的动力装置的基础。第三个阶段:80年代至今,现代微机作为电控单元的电控技术在柴油机上的应用,就有了现代先进汽车柴油机电控系统的产生和发展,使柴油机在动力性、经济性、排放及噪声指标等具有了强有力的竞争能力,柴油机技术的发展因而进入了一个新的历史阶段。仅1993年统计,德国Bosch公司的电控分配泵和电控直列泵在市场上已超25万台,美国底特律柴油机公司DDEC电控泵喷嘴系统生产了10万多台,还有日本一些公司生产的可变预行程的TICS直列泵已达2万多台,其中绝大部分是电控的。另外如美国Caterpillar公司、日本Nippon公司、德国Denso公司都进行了共轨电控燃油喷射系[1]统研究,并相继投入到生产中。到目前为止,各国已研制并生产各种柴油机电子控制系统,有力的缓解了当前的世界性能源危机和汽车污染。一些汽车工业发达国家的柴油机电控技术水平目前已相当发达。目前欧美国家中100％重型车、90%轻型车采用柴油机,欧洲的柴油轿车在轿车保有量中比例超过40%,新车产量比例超过50%。博世公司对中国市场的保守预测是,到2015年,柴油车所占比例能达[2]到25％,而同样到2015年据有些文章介绍在美国轻型车辆和轿车领域,柴油车的市场份额将提高到大约15%。目前国内的柴油机电控燃油喷射技术比国外又落后很多,我国汽车工业与国际水平还存在相当大的差距,对电控柴油机技术的应用还是不完善。我国的柴油机电控技术起步较晚,自20世纪80年代中期以后,许多科研单位和院校进行了该项技术的研究,并有了一定成果。在位置控制系统方而,国内研究的是比较多的。如长春汽车研究所对直列泵的可变预行程控制进行了研究,实现了CA6110系列柴油机的调速控制;北京理工大学用电磁阀通过液压伺服机构来驱动齿条实现了直列泵的喷油量控制;东汽公司在CUMMINS6BT上进行的基于调节齿杆位置控制油量的调速器系统也取得了一定成效[3]。在开发高压共轨系统及其与柴油机匹配技术方面目前正处于研制开发阶段,目前主要研究工作是柴油机电控喷射系统的研究与开发。国内这方面研究的重点大学如吉林工业大学等以及长春和无锡的等70个研究所分别在循环供(喷)油量和供(喷)正时的“位置控制”、“时间控制”和“共轨式系统"等各个方面进行了开发和试验研究工作,并取得了显著成果。国内既积极引进国外先进技术又努力自主开发,04年底威孚集团和Bosch公司联合组建了博世汽车柴油系统股份有限公司,该公司以Bosch公司技术为依托在无锡生产高压共轨系统。Bosch公司满足欧Ⅲ排放 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的高压共轨系统已投入使用国内市场。国内在一些关键技术问题如高速电磁阀的研究、泵油量的控制、执行机构的开发、泄漏问题、各学科分工合作等还不怎么成熟和完善。目前相关企业正在致力于做一些共轨电控及其标定系统研制开发、零部件的优化调整、燃油特性分析和燃油系统的模拟计算等方面工作。喷油器实际上是一个电磁阀，主要由针阀、衔铁和电磁线圈组成。当电控单元发出喷油脉冲信号使电磁线圈通电时，电磁线圈产生的电磁力将衔铁和针阀吸起，阀门打开，燃油便通过喷油器喷出，与进气歧管内的空气混合后进入气缸。当电源被切断后，针阀便在回位弹簧的作用下关闭，停止喷油。喷油量与喷油器喷油的时间(即针阀打开的时间)成正比，而针阀打开的时间又由MCU输出的电脉冲宽度控制。喷油器是一种加工精度非常高的精密器件，因此要求它的动态流量范围大、抗堵塞、抗污染能力强以及雾化性能好。为了满足这些性能要求，有各种不同结构型式的电控喷油器，我们一般常见的有轴针式、球阀式等。现代轿车发动机具有较低的燃油消耗率和较高的功率，各种型号发动机的进气空气流量范围扩大，因此喷油器的动态流量范围必须随之增大。减轻针阀质量并提高弹簧预紧力，对获得宽广的动态流量范围十分有效。同时用球阀简化计量部分的结构，有助于提高喷油量的精度。此外，喷油器体和[4]盖用高导磁不锈钢制成，提高了耐腐性。近年来,日趋苛刻的排放法规使降低发动机有害排放量成为内燃机行业关注的焦点。发动机制造厂商提供的产品既要满足排放法规的要求,又要满足用户对经济性、可靠性的要求。柴油机燃油喷射系统即可满足上述要求。为了满足欧洲Ⅲ和美国1998年排放法规,未来的燃油喷射系统将具备如下[5]特性:(1)较高的、灵活可调的平均有效喷射压力pjm;(2)低的初期喷油速率或预喷射功能;(3)快速停油功能;(4)灵活的喷油定时控制;(5)完善的柴油机电控功能。高的平均有效喷射压力对于同时降低NOx和微粒排放是十分有效的。灵活可调的pjm、喷油规律可控及喷油定时的灵活控制能使燃油喷射过程在所有工况范围内满足燃烧的需求。在燃油喷射技术[6,7][8]中,预喷射对优化发动机性能的显著作用已为众多的研究所证实。Shimada等人的研究表明:为了避免预喷射对碳烟排放的不利影响,采用小喷孔、精确控制预喷射量及预喷射相位是十分关键的。[9～12]1994年有许多这方面的研究报导,其结论是:最佳的喷油规律是在喷油初期采用较低的喷油速率或少量的预喷射,以控制NOx的排放,在喷油中期采用较高的喷油速率以控制微粒的排放。众多研究已形成一致的观点:采用共轨式燃油喷射系统是实现喷油定时、pjm、预喷射及喷油速率灵活控制的有效途径。BKM公司的Ser-vojet电控单体喷油器是一种中压蓄压式共轨燃油喷射[13]系统。与增压式燃油喷射系统相比,该系统具有蓄压式燃油喷射系统的所有优点,包括较小的供油泵尺寸和流量,简单的喷油器结构和良好的可靠性。然而受其内部工作原理的限制,该系统的pjm较低,其供油规律先急后缓并且停油不干脆。三、主要研究内容1、喷油器的作用与要求喷油器的作用是将喷油泵在一定时刻所供给的高压燃油雾化成细微的燃油颗粒喷入气缸,并分布到整个燃烧室中,使燃油的颗粒与空气进行良好的混合而形成可燃混合气体。当喷油器工作不良时,会使柴油机起动困难,运转时冒黑烟,功率和经济性下降,转速不稳。出现噪音、“敲缸”、甚至灭火停[14]车等现象。2、喷油器故障分析喷油器位于燃烧室顶部,直接暴露在高温高压可燃混合气体中,工作温度高,工作条件差。热负荷和机械负荷常常会引起针阀偶件密封不良、燃气回窜,甚至停止工作,此外,喷油器工作状况的好坏,直接影响柴油机的经济性、动力性、排放、可靠性等。因此,对喷油器常见故障进行分析及排除是十分必要的。喷油嘴主要损坏形式是磨损。首先主要发生在针阀锥面和针阀体座面、针阀偶件圆柱配合面上;其次是针阀体端面腐蚀和喷孔的孔径扩大和失圆。这对精密偶件出现的问题较多,喷油器经常发生磨[15]损的部位有密封锥面、喷孔、针阀与针阀孔导向面。(1)针阀锥面和针阀体座面的磨损是由于喷油器弹簧的冲击与柴油中杂质的冲刷所致。密封锥面磨损后会使锥面密封环带接触面加宽、锥面变形,光洁度降低。其结果造成喷油嘴滴油,喷孔附近形成积炭,甚至堵塞喷孔。滴油严重的喷油嘴,在工作中还会出现断续的敲击声,导致柴油机工作不均匀,排气冒黑烟等。(2)针阀偶件圆柱配合面是由于柴油中含有杂质所致。磨损大部分发生在导向部分的下端,使针阀导向部分表面呈细微的轴向划痕。其结果使喷油嘴的回油量增多,喷油量减少,喷油压力降低,喷油时间延迟,喷油雾化不良和滴油,并造成积炭。这种状态下,柴油机既不能全负荷工作,也会造成起动困难。(3)针阀体端面喷油嘴喷孔的直径一般在0．12mm～0．8mm,喷孔直径扩大是由于高压柴油夹带的杂质长期冲刷的结果。喷孔磨损后孔壁上出现细密的轴向沟痕,喷孔加大和失圆,导致喷油压力下降,喷射距离缩短,柴油雾化不良,缸内积碳增多。针阀体喷孔周围有时会产生积炭,不仅影响燃油雾化,也会使针阀体过热而损坏。随着对环保的逐渐重视和排放法规的日益严格，加强发动机电子控制、进供油系统的性能，已经成为汽车研究领域的一个重要研究方向。电控喷油系统的运用，使发动机具有低油耗、低排放和高动力性等特点，全面提高了汽车发动机的性能水平，其主要原因在于电喷技术的应用使得发动机燃油喷射更精准，雾化更均匀，燃烧控制更精确。电控喷油器作为电控喷射系统的最终执行部件，其动态响应特性显得极为关键。改进喷油器的内部结构，能够进一步提高喷油器的响应速度，最终提高发动机的整体性能。目前国内对于柴油喷油器的设计改进已经得到重视，汽油喷油器的改进设计也在逐步开展中。其主要着重于汽油喷油器机械运动件的结构改进研究，基于电磁阀动力学模型，分析了影响喷油器电磁响应特性的关键因素，依据分析结果对喷油器结构进行了改进设计，并通过有限元分析软件对改进后喷油器的疲劳强度进行了校核，通过对比实验，验证了结构改进前后对喷油器动态响应特性的影响。四、研究方法与实施方案1.分析喷油器的工作原理及建立其数学模型。2.根据喷油器数学模型分析进行喷油器结构优化。（1）喷雾作用（2）定时作用（3）压力控制（4）计量作用（5）喷油器与燃烧室的匹配3.结构改进后喷油器的强度须对其进行强度验证。（1）应力校核（2）材料的选择与热处理4.改进性能对比验证。实施方案：第1.2周收集、整理资料、外文翻译第3.4周针对锡柴4DW93-84E4喷油器进行总体设计第5.6.7周对所设计的喷油器进行计算分析（喷油油压、喷油量、与燃烧室匹配）第8.9周熟练工程绘图软件第10.11周绘制喷油器总成装配图及零部件图第12.13周撰写毕业论文、绘制图纸第14周修改、打印、装订第15周毕业答辩五、主要参考文献[1]陈亮.高献坤.王导南.柴油机电子燃油喷射系统的发展及研究现状[J].内燃机,2008(2):1-4.[2]冒晓建.GD-1高压共轨喷油系统电子控制的研究与电控供油泵的开发[D].上海:上海交通大学,2002:3-15.[3]蒋德明.内燃机原理[M].西安:西安交通大学出版,1986.[4]王俊席.杨林GD-1高压共轨燃油喷射系统的应用研究.[期刊论文]-柴油机2004(zk)[5]胡林峰.柴油喷射系统的发展现状及潜力(上).[期刊论文]-现代车用动力2004(08)[6]MasahiroIshida,etal.TheEffectofPilotInjectiononCombustioninaTurbochargedDIDieselEngine.SAEPaper941692.[7]DurnholzM,EngdersH,FrisseP.Preinjection—AMeasuretoOptimizetheEmissionBehaviourofDIDieselEngine.SAEPaper940674.[8]ShimadaT,ShojiT,TadakaY.TheEffectofFuelInjectionPressureonDieselEnginePerformance.SAEPaper891900.[9]YoshihisaYamaki,etal.ApplicationofCommonRailFuelSystemonaHeavyDutyDieselEngine.SAEPaper942294.[10]IsaoOsuka,etal.BenefitsofNewFuelInjectionSystemTechnologyonColdStartabilityofDieselEnginesImprovementofColdStartabilityandWhiteSmokeReductionbyMeanofMultiInjectionwithCommonRailFuelSystem(ECD-U2).SAEPaper940586.[11]HowerMJ,MuellerRA,etal.TheNewNavistarT444EDirect-InjectionTurbochargedDieselEngine.SAEPaper930296.[12]StockerAR,etal.DevelopmentoftheHEUIFuelSystem-IntegrationofDesign,Simulation,Test,andManufacturing.SAEPaper930071.[13]BeckNJohn,ChenSK.InjectionRateShapingandHighSpeedCombustionAnalysis—NewToolsforDieselEngineCombustionDevelopment.SAEPaper900639.[14]吕风明.动力设备拆装与操作[M].大连海事大学出版社.[15]杜荣铭.船舶柴油机[M].大连海事大学出版社.[16]梁亮．汽车发动机电控喷油器性能的研究［D］．北京:中国科学院研究生院，2006．[17]《机械工程材料性能数据手册》编委会．机械工程材料性能数据手册［M］．北京:机械工业出版社，1994．六、指导教师意见指导教师：时间：七、学院毕业设计（论文）指导小组意见负责人：时间：