柴油機燃用水煤漿的設計
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摘 要
本文首先介紹了柴油機的燃料供給系統(tǒng)，重點分析了柴油機噴油泵的結構和性能，及其對代用燃料的要求，進而引進一種新型清潔燃料—水煤漿，對水煤漿的物理化學特性進行了分析，介紹了水煤漿技術目前的發(fā)展概況，總結其在柴油機上的發(fā)展概況和實驗研究,敘述了水煤漿的基本物理化學性質及其在發(fā)動機上應用時對發(fā)動機的影響。 在此基礎上進行了水煤漿在典型國產柴油機上應用方案設計。并針對水煤漿的特性對發(fā)動機供油系統(tǒng)有關零部件作了重新調整和改動，通過從精細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)，為實現(xiàn)水煤漿在柴油機上應用提供了可行方案。設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。柴油機上使用新設計的噴油泵的較好克服了煤漿顆粒進入針閥﹑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。為實現(xiàn)水煤漿在柴油機上應用提供了可行方案。并對其經濟性進行了進一步的分析和論證。本文運用高壓油膜潤滑原理，設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 柴油機燃油供給系統(tǒng) 2
2.1 供給系統(tǒng)概述 2
2.2 柴油機對燃油供給系統(tǒng)的要求 2
2.3 柴油機高壓油泵 3
2.4 柴油機對代用燃料的要求 6
第3章 水煤漿特性分析 7
3.1水煤漿概述 8
3.1.1 水煤漿的物理化學性質 8
3.1.2 水煤漿的重要指標 9
3.2 水煤漿作為代用燃料的優(yōu)點 10
3.3 水煤漿作為代用燃料的缺點 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 凸輪最大升程和預行程的確定 17
4.4 噴油泵設計 18
4.5 潤滑系統(tǒng)設計 20
4.6 改造后的供給系統(tǒng)與發(fā)動機的連接 21
第5章 技術經濟性分析 23
第6章 結論 25
致謝 26
參考文獻 27
第1章 緒論
在世界工業(yè)發(fā)展史上，柴油機憑借其體積小、重量輕、熱效率高、功率和轉速范圍寬、啟動停止迅速、配套簡便等優(yōu)點，是一種難以取代的性能優(yōu)良的動力設備。 近年來柴油發(fā)動機的整體發(fā)展趨勢是：環(huán)保、節(jié)能、高科技廣泛應用。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的發(fā)展與普及，柴油機在環(huán)保方面可以達到預定標準，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峻。因為柴油機燃料具有不可再生的特點，面對嚴重的能源問題, 研究人員一方面著眼于改進現(xiàn)有的發(fā)動機，提高熱效率，并設法燃用劣質的石油制品燃料，提高石油的利用率，以節(jié)約石油資源；另一方面進行內燃機代用燃料的研究，尋求適合內燃機的各種非石油制品燃料來代替石油，以擺脫對石油的依賴，為內燃機開辟新能源渠道。
世界能源界自上世紀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)這一項目的國家，“水煤漿制備與燃燒技術”從“六五”到“八五”都列為國家重點科技攻關項目。八十年代初，我國在這一技術上就取得了成功，走在世界的前列，多次獲得國家科技進步獎和國家專利。但在用水煤漿代替柴油實現(xiàn)在內燃機上的燃燒方面的研究卻進展緩慢。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。為了實現(xiàn)柴油在柴油機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，于汽缸的空氣實現(xiàn)均勻混合，提高燃燒效率和燃燒速度。柴油機燃燒精細油水煤漿時，精細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入柱塞偶件和針閥偶進的配合間隙中，造成柱塞偶件和針閥偶件的磨損、卡死，是柴油機的燃料供給系統(tǒng)不能正常工作。要實現(xiàn)精細油水煤漿在柴油機上穩(wěn)定燃燒，使柴油機燃料供給系統(tǒng)適于泵送漿體燃料是關鍵，為此對柴油機的燃料供給系統(tǒng)進行改造，本文主要針對柱塞泵進行改造。
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大學應用技術學院畢業(yè)設計（論文）
第2章 柴油機燃油供給系統(tǒng)
2.1 供給系統(tǒng)概述
柴油機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供油提前角自動調節(jié)器；4噴油泵；5手油泵；6輸油泵；7調速器；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內將柴油吸出，經燃油粗濾清器1濾去較大顆粒的雜質，再經柴油細濾清器13濾去細微雜質后進入噴油泵4。噴油泵將低壓柴油增壓后，經高壓油管10、噴油器9以一定的壓力和一定的霧化質量噴入燃燒室，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回油管流回油箱。
2.2 柴油機對燃油供給系統(tǒng)的要求
燃油供給系統(tǒng)應按柴油機工作需要，將適量的燃油在適當?shù)臅r刻內，以適當?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行，從而使柴油機獲得良好的經濟性，動力性，穩(wěn)定性及排污、噪聲等指標。
燃油供給系統(tǒng)應滿足下列條件：
1）應正確地供給與柴油機負荷相適應的油量，并保證各缸供油量的均勻性。
2）應能自動改變噴油定時，以適應柴油機轉速或負荷變化的需要。
3）當柴油機轉速和負荷變化時，燃油供給系統(tǒng)應有足夠的響應速度，提供所要求的供油量。
4）噴霧特性應與燃燒室有良好配合，應使柴油機能獲得最佳的燃燒過程。
5）可靠耐用，結構簡單，制造容易，維修方便。
2.3 柴油機高壓油泵
高壓油泵是柴油機燃油系統(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相同。如果噴油量過多則不能完全燃燒，柴油機將冒黑煙，經濟性下降；供油量太小，又會引起功率不足。如果供油時間不恰當同時影響柴油機的經濟性和動力性及其他排放指標。若各缸供油量的不均勻度超差，則個別氣缸可能超負荷，而有的氣缸則不能充分發(fā)揮，這樣既影響柴油機工作穩(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，柴油機才能正常地工作，為此人們常把高壓油泵稱作柴油機的心臟。
高壓油泵的結構形式很多。按照工作原理的不同，高壓油泵可分為柱塞式噴油泵、泵-噴油器和轉子分配式噴油泵這三大類。
現(xiàn)在的汽車柴油機上，高壓油泵總成通常是由高壓油泵、調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工作失常。高壓油泵的關鍵在于一個“泵”字。泵油的數(shù)量、壓力和時間都要非常精確，并且按照負荷自動調節(jié)。高壓油泵是一個加工精細，制造工藝復雜的部件，目前國內外一般汽車柴油機的高壓油泵都是由世界上少數(shù)幾個專業(yè)廠生產的。
本文設計的是柱塞式噴油泵，以下僅詳細介紹柱塞式噴油泵。
柱塞式噴油泵是通過柱塞往復運動來泵油的，其主要包括：泵體、分泵、驅動機構、油量調節(jié)機構及出油閥等。這種噴油泵的結構簡單，便于維修，可靠性好，供油量調節(jié)較為準確，故應用最為廣泛。
泵體是噴油泵的基礎零件，分泵、油量調節(jié)機構、出油閥及驅動機構均安裝其內。泵體一般安裝在柴油機一側的支架上，多采用鋁合金或鑄鐵制造。
按其結構形式的不同，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或多缸大中型柴油機上。合成泵通常是將各缸的泵油機構及調速器合為一體，用于多缸高速柴油機上。
合成泵中每一缸的供油機構稱為分泵，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。
驅動機構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。當噴油泵凸輪軸轉動時，凸輪通過滾輪體推動柱塞向上運動，當凸輪到最大升程后，柱塞在柱塞彈簧的作用下向下運動而復位。
油量調節(jié)機構用于調節(jié)供油量的大小，其主要由油量調節(jié)齒圈、油量調節(jié)齒桿和油量調節(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。柱塞由凸輪驅動，在柱塞套內作往復直線運動，此外它還可以繞本身軸線在一定角度范圍內轉動。
1) 吸油過程 當柱塞下移，燃油自低壓油腔經進油孔被吸入并充滿泵腔。
2) 壓油過程 在柱塞自下止點上移的過程中，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 當柱塞繼續(xù)上移到，斜槽與油孔開始接通，于是泵腔內油壓迅速下降，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，直到凸輪達到最高升程為止，但不再泵油。
由上述泵油過程可知，由驅動凸輪輪廊曲線的最大矢徑決定的柱塞行程h(即柱塞的上、下止點間的距離)是一定的，但并非在整個柱塞上移行程hg內都供油，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現(xiàn)，將柱塞轉向的方向，有效行程的供油量即增加;反之則減少。
4) 停止供油狀態(tài)當柱塞轉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)。
出油閥的結構與減壓作用：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。
目前應用得較為廣泛的是等容式出油閥，其工作原理是當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?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)值應當通過與柴油機的仔細配試來確定。
等容式出油閥的優(yōu)點是結構簡單，缺點是 對變工況適當性差。因為柴油機在高速大負荷時，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，在高速大負荷時，可能會因減壓不夠產生二次噴射現(xiàn)象，而在低速小負荷時，又?？赡芤驕p壓過度，產生負壓（真空），形成氣泡而引起“氣穴”現(xiàn)象，從而造成機器運轉的不穩(wěn)，甚至引起零件的穴蝕損壞。
為了克服上述的缺點，研制了一種阻尼閥結構，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，既防止高速大負荷時的二次噴射，又避免了低速小負荷時噴油不穩(wěn)定的現(xiàn)象的出現(xiàn)。
隨著柴油機噴油壓力的不斷提高，等容式出油閥已逐漸不能適應，因此需要采用等壓式出油閥：鋼球在彈簧的作用下，關閉節(jié)流孔，從而在出油閥上構成一個小的單向閥，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，調試也比較困難，但隨著技術的進步，今后的應用范圍越來越廣。
2.4 柴油機對代用燃料的要求
柴油機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），才能直接作為內燃機的燃料。
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如此，對環(huán)境污染的程度要少。
5) 必須易于運輸、貯存和使用。
6) 價格適中。
第3章 水煤漿特性分析
水煤漿技術是20世紀70年代世界范圍內的石油危機中產生的一種以煤代油的煤炭利用新方式。其主要技術特點是將煤炭、水、部分添加劑加入磨機中，經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。
洗精煤經破碎成為<6mm的煤粒進入球磨機，并加入水和分散劑在球磨機中一同磨碎成為漿體。經泵送至濾漿器除去未磨碎的粗顆粒和雜質進入調漿罐，經加入穩(wěn)定劑并調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約分為6種，如表1，水煤漿的質量濃度一般為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
精細水煤漿
超低灰精煤，
灰分：1%～2%
濃度：50%～55% 粘度：＜300 cp 細度：＜10μm
作為內燃機、燃氣透平燃料
經濟型水煤漿
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，可以像石油產品一樣儲存、運輸，并且具有不易燃、不污染的優(yōu)良特性，是目前比較經濟和實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生量。另外水煤漿自煤炭進入磨機后即可以采用管道、罐車輸送。不會產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品的企業(yè)不堪重負，因此紛紛將眼光轉向其他可以代油的燃料。由于水煤漿的性質像油，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，充分攪拌制成的漿體。不同的煤漿產品是根據(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 水煤漿的物理化學性質
水煤漿是一種以煤代油的新型煤基清潔燃料。水煤漿技術是潔凈技術的一個重要部分。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)為在靜止狀態(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，處于靜止狀態(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
1) 水煤漿濃度
指煤漿中所含固體煤的質量百分數(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，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
煤炭的粒徑分布關系到水煤漿的濃度，合理的粒徑分布可以達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的含量應不少于75％。
3) 水煤漿的流變性
精細油水煤漿的黏度影響柴油機霧化穩(wěn)定性和霧化質量，進而影響柴油機工作的穩(wěn)定性和燃燒效率。精細油煤漿是油、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，其梯度與剪切應力之間的函數(shù)關系比較復雜，在多相混合物中，剪切應力產生的速度梯度受到流體內部物理結構變化的影響，反過來物理結構又會因剪切作用而產生變化；顆粒之間的物理化學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構。煤漿或多或少都具有這些特征，這樣其流邊方程或本構方程可表示為：
式中：
分別為大分子、顆粒群或團塊在剪切開始以后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
這是表征水煤漿質量的一個重要指標。水煤漿是固、液兩相流體，且屬于粗分散體，產生固、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均勻態(tài)的沉淀，而軟沉淀是指可以通過攪拌，煤漿恢復均勻態(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。
3.2 水煤漿作為代用燃料的優(yōu)點
水煤漿是一種具有經濟性和清潔性的柴油機的代用燃料，與其本身的特點和性質有直接關系。
發(fā)動機排放尾氣中的有害物質，是造成污染環(huán)境重要原因。從發(fā)動機污染物產生機理上看，氮氧化物的產生，主要受氣缸中氣體的燃燒溫度的影響。溫度越高產生氮氧化物濃度越高。一氧化碳的產生，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，氧化反應越弱，產生的一氧化碳越高。二氧化硫的產生，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，燃燒的量越多，則產生的二氧化硫越多。碳氫化合物的生成是一個非常復雜的過程，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。通過試驗表明柴油機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、碳氫化合物的排放濃度相當，對所測取得點的最大排放濃度也符合國家標準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，著火點較高、粘度較高。油水煤漿綜合了水煤漿和油煤漿的特點，具有熱值較高、粘度較低、燃燒速度較快等優(yōu)點。
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燃燒系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)不做較大改動的條件下，發(fā)動機動力性降低較少，具有較高的實用推廣價值。
2) 油水煤漿的粘度較低，不需要對發(fā)動機燃料供給系統(tǒng)進行大的改造，即可實現(xiàn)較好的霧化，降低發(fā)動機的改造成本。
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
水煤漿作為柴油機代用燃料有著實際應用的巨大潛力?？墒?，從水煤漿的特性可以看出，對發(fā)動機性能有不利的影響。如：
1) 水煤漿在常溫下為液體，高的燃點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%，為了達到原柴油機的動力水平，則必須增大水煤漿的每循環(huán)供油量（達到柴油供油量的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)動機的每循環(huán)供油量的方法，以期達到發(fā)動機原有動力性。
水煤漿在物化性質上和柴油的差異，決定了現(xiàn)有的柴油機設備不得不重新改進以適應燃用水煤漿的需要。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。從熱值上講，使用水煤漿時并不影響發(fā)動機的效率，但問題的關鍵在于，使用水煤漿時必須增加燃料的供油量。因此，柴油機上使用高比例的水煤漿時，應對發(fā)動機供油系統(tǒng)進行改進。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。這就使燃油潤滑效果較差，柴油機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動的精密偶件容易因為潤滑不良而產生嚴重磨損。因此，為了保證柴油機運轉的可靠性和耐久性，設計一種新型噴油泵和噴油器來實現(xiàn)水煤漿燃料在柴油機上穩(wěn)定燃燒。
第4章 供給系統(tǒng)的改造
如前所述，原柴油機的燃料供給系統(tǒng)，是為柴油的供給與霧化而設計的，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。為了實現(xiàn)柴油在柴油機上快速、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，與汽缸中的空氣實現(xiàn)均勻混合，提高燃燒效率和燃燒速度。柴油機燃燒精細油煤漿時，精細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，時柴油機的燃料供給系統(tǒng)不能正常工作。要實現(xiàn)精細油煤漿在柴油機上穩(wěn)定燃燒，使柴油機燃料供給系統(tǒng)適于泵送漿體燃料是關鍵，為此對柴油機的燃料供給系統(tǒng)進行了改造。
為了使柴油機上能燃用水煤漿達到原有的動力性能，同時改善其經濟性和排放指標，則必須局部地改善和調整原柴油機的有關部件。主要包括噴油泵、噴油器和潤滑系統(tǒng)的改進設計,本文主要針對噴油泵和潤滑系統(tǒng)進行改造。
4.1 供給系統(tǒng)故障原因分析
精細水煤漿和柴油相比的區(qū)別是：精細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）水煤漿內存在顆粒，而柴油沒有；
2）精細水煤漿黏度較高，而柴油黏度很低。
發(fā)動機在燃燒煤漿時,燃料泵的柱塞偶件、噴嘴的針閥偶件間的相對運動速度較高（柱塞約0.26m/s），并且承受較高的壓力（約18Mpa）,精細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，易使精細油水煤漿中的一些顆粒進入精密偶件的相互運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微的煤粒，隨著這些溝槽逐漸積累增多，煤粒的積累亦相應增多，一段時間后，造成精密偶件間的卡死，從而使柴油機的燃料泵送系統(tǒng)不能正常工作. 圖3-1為用掃描電鏡拍攝的精細油水煤漿在柴油機上燃燒較短時間內（約10分鐘）,噴嘴中的針閥偶件縫隙中進入煤粒的電子掃描照片，圖中白點為煤漿中煤的顆粒，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入，對其表面產生的磨損痕跡，從照片上的比例尺可以看出，這些調痕的寬度在10以下。
4.2 解決方案
噴油泵是柴油機的重要組成部分，它在柴油機上的作用是按照柴油機的工作順序，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燃燒作功，并能根據(jù)操作人員的要求及柴油機工作負荷的變化，自動控制和調整噴油泵供油量。因此，柴油機工作性能的好壞，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的替代燃料，目前在國內還只處在實驗階段，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，實現(xiàn)煤漿在柴油機上的穩(wěn)定燃燒，主要問題是要解決柴油機燃料供給系由于煤漿顆粒的進入而產生的精密偶件間的磨損與卡死問題。關鍵是要防止煤漿進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行潤滑以避免煤顆粒的進入。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)縫隙流計算與實驗可知，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，避免煤漿顆粒的進入。柴油機采用的是燃料泵、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)供漿量的調節(jié)也難以保證。煤漿進入自由柱塞前端的煤漿腔，需通過單向閥，要保證煤漿的進入，需要另外附加低壓泵，使系統(tǒng)趨于復雜。
噴油泵改進的目標：
1) 潤滑油的功能為驅趕微細煤粒和潤滑運轉偶件。
2) 潤滑系統(tǒng)必須自身附帶，不應外加其他設備，盡量簡化系統(tǒng)。
3) 使與原發(fā)動機的配合性要好，盡量避免改變原發(fā)動機的幾何尺寸。
為了適應這些改進要求，把燃料泵設計成二級聯(lián)動泵的形式。上部泵漿，為發(fā)動機提供燃料；下部泵潤滑油，為其本身潤滑和噴漿器提供密封潤滑油。燃料泵靠原柴油機凸輪驅動， 避免對原柴油機做大的改動。在原噴漿器上開設高壓潤滑油通道，以使高壓潤滑油進入針閥偶件表面，對針閥偶件配合表面進行潤滑清洗。供漿系統(tǒng)改造采用的技術方案如下：
1) 設計泵體，在泵體上加工低壓潤滑油進油通道、低壓潤滑油腔、高壓潤滑油出油通道。
2) 設計二級高壓腔柱塞偶件，包括高壓泵煤漿腔、高壓泵油腔的設計與加工。
3) 設計噴油泵的其他零件，包括出油閥座、進油螺栓、出油閥彈簧、出油閥體、調節(jié)臂、柱塞彈簧、進油螺栓、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計。
雙功能泵與雙功能噴嘴再加上高壓管路構成雙功能供給系統(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)動機參數(shù)
考慮到實驗容易進行和配套部件的方便更換， 同時為了節(jié)省實驗費用和柴油機的應用廣泛，采用S195 型柴油機。
1 ) 型號： S195
2 ) 型式： 臥式、單缸、四沖程、自然吸氣、強制水冷、渦流式柴油機
3) 汽缸直徑×活塞行程：95mm×115mm
4 ) 活塞排量： 0.815L
5 ) 標定功率： 8.8 kw
6 ) 標定轉速： 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{
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)柴油機標定工況點燃油消耗率和功率算出柴油機所需的每循環(huán)噴油量（mm3/循環(huán)）
（3-1）
式中，pe—柴油機標定功率（kw）；
be—標定功率點燃油消耗率[g/(kw·h)]；
n—柴油機轉速（r/min）；
i—柴油機氣缸數(shù)；
ρf—燃料油密度（g/cm3）；
τ—柴油機的行程數(shù)。
噴油泵柱塞在有效行程he內的幾何供油量Vp應大于Vb，即有
（3-2）
式中，△V1—為高壓油路內，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）；
—是高壓油路總容積（對于采用泵-管-嘴系統(tǒng)的中小功率柴油機，）；
—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（要適當小于），并根據(jù)柴油機的特點，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)，其值主要與進回油孔的節(jié)流作用有關，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，柴油機運轉粗暴，此外凸輪承受接觸應力也增大。
4.3.3 凸輪最大升程和預行程的確定
凸輪的升程與幾何形狀（型線）對柱塞的運動規(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，在中小功率柴油機領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，由于它兩個側面均為對稱布置的切線，故可以實現(xiàn)雙響旋轉。
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用基準速度C表示，它是噴油泵轉速為1000r/min時的速度值，這樣對應任一柴油機轉速均可方便地求得柱塞供油速度為。對中、小功率柴油機的噴油泵，C的最大值一般應控制在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；
—為預行程；
—為剩余行程。
取與之比為，即。對于自然吸氣柴油機，對于增壓柴油機，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)以上關系確定
（3-8）
至于預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調整在離最大速度點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角范圍（在高速柴油機中，通常小于）內又防止了挺柱與凸輪頂部圓弧接觸，造成表面接觸應力過大（最大允許值為）。在實際噴油泵上預行程的大小可通過改變挺柱體的高度來加以調節(jié)。
4.4 噴油泵設計
圖4.6為設計的噴漿泵總裝圖。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的結構與工作原理相似。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)，在柱塞向上運動時，由于高壓密封潤滑油腔的體積減小，壓力隨之升高，調整出油口2的出油閥彈簧的旋進長度（出油閥彈簧的預緊力），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。柱塞通過凸輪驅動，在柱塞套內作往復運動。當柱塞運動到如圖4.7a所示的位置時，煤漿經低壓腔油孔吸進高壓腔。隨著凸輪的旋轉，柱塞表面上移，進漿孔被封住。隨著柱塞的繼續(xù)上移，高壓腔的容積開始減小，高壓腔內的煤漿的壓力開始升高。當凸輪旋轉到圖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。當凸輪旋轉到圖4.7c位置時斜槽與漿孔開始接通，高壓腔的煤漿便經柱塞中央的圓孔、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。當凸輪旋轉倒圖4.7d位置時，柱塞達到上止點。隨著凸輪的繼續(xù)旋轉，柱塞在柱塞彈簧的作用下開始下行，進行下一次供油過程。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左右移動就完成煤漿和柴油的進入和排出， 如圖4.10 所示。
圖4.8 噴油泵柱塞設計圖
圖4.9 柱塞套設計圖 圖4.10 噴油泵裝配圖
4.5 潤滑系統(tǒng)設計
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,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，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)動機的連接
將新設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)動機燃料供給系統(tǒng)在柴油機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生的縫隙流
圖4.13為發(fā)動機燃料供給系統(tǒng)在柴油機上的安裝圖，改造后的燃油供給系統(tǒng)，和原發(fā)動機的較為適配。只需把原發(fā)動機的燃油濾清器拆下，即可裝在發(fā)動機上。
第5章 技術經濟性分析
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重，成為主要污染源,內燃機的發(fā)展面臨著巨大挑戰(zhàn)。另外,據(jù)有關專家預測,世界石油資源也將于21 世紀趨向枯竭,石油資源的限制和大氣環(huán)境的惡化已成為影響國家經濟發(fā)展和人們生活質量的重大問題。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，柴油機燃用水煤漿所產生的排放特別是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)煤炭產品。水煤漿技術包括水煤漿制備、儲運、燃燒等關鍵技術。水煤漿由70%左右的煤, 30%水及少量化學添加劑制成,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 熱值相當于燃料油的一半。發(fā)展水煤漿技術,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,水煤漿是經濟的。目前,國內水煤漿的價格為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，為內燃機對石油燃料的依賴和解決日益嚴重的大氣污染，開辟了一條新的途徑。
水煤漿是20世紀70年代石油危機中發(fā)展起來的一種新型煤基流體代油燃料。20 世紀 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、底特律柴油機公司及西南研究所對柴油機燃用煤基代用燃料進行了大量的試驗研究，其中包括固定式柴油機、機用中速柴油機以及卡車用高速柴油機。試驗結果表明，中速和高速柴油機燃用煤基代用燃料是可行的。
從中國能源結構看，中國與以石油、天然氣、核電為主要一次能源的發(fā)達國家有著極大差異。以煤為主要構成（占總能源的70%），石油資源相對短缺，在今后相當長的時間內不會改變。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。國際能源機構預言，到2015年中國進口石油將從現(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，如不采取切實可行的措施，將嚴重影響中國的國民經濟建設進程。精細油水煤漿技術正是在這一嚴峻的環(huán)境下提出的。它是柴油的理想替代品，可以實現(xiàn)在小型高速柴油機上燃燒。這一技術對改變中國能源結構，提高中國能源安全具有十分重要的意義。
我國從“六五”開始對水煤漿技術進行研究。十多年來，在水煤漿的燃燒機理、流動特性、火炬燃燒、低污染燃燒、汽化以及強化水煤漿著火技術方面做了大量工作， 實現(xiàn)了水煤漿燃燒技術的在鍋爐上的應用。但在用水煤漿代替柴油實現(xiàn)在內燃機上的燃燒方面的研究卻進展緩慢。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入針閥偶件的縫隙之中,在煤漿進入高壓煤漿腔的同時,高壓密封潤滑進入高壓油密封環(huán)槽,在針閥,針閥座的配合表面上形成承載的潤滑油膜,同時產生縫隙流,清洗針閥、針閥座的配合表面。實際使用證明,改造后的噴漿器較好的克服了煤漿顆粒進入針閥、針閥座的配合縫隙的問題,可以穩(wěn)定工作。新設計的噴油泵較好克服了煤漿顆粒進入柱塞﹑柱塞套的配合縫隙問題。為實現(xiàn)水煤漿在柴油機上應用提供了可行方案。
細長的柱塞給加工帶來不便，細長軸加工特點是：剛性差，在切削力和重力作用下，產生彎曲變形，而且產生震動，影響加工精度和表面質量；熱變形身長量大，易使工件彎曲變形，產生離心力，加速彎曲變形；在高速進給精車時，刀具易磨損，從而影響加工精度和表面質量。通常采用以下措施：改進工件夾緊方法，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；改變刀具的進給方向，變壓力為拉；改進刀具的進給參數(shù)，如增大主偏角，采用負的刃傾角等。減小切削量；充分進行冷卻潤滑。
新設計的噴油泵結構簡單、工作穩(wěn)定、質量可靠、維修方便，無需對原發(fā)動機進行大的改造就可以直接應用。但也有不足之處，為了滿足強度要求設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)動機經過長時間的運轉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,具有巨大的經濟效益和社會效益。
第6章 結論
本文運用高壓油膜潤滑原理，設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。柴油機上使用新設計的噴油泵的較好克服了煤漿顆粒進入針閥﹑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。為實現(xiàn)水煤漿在柴油機上應用提供了可行方案。通過總結得出以下結論：
1) 在柴油機上燃用水煤漿是完全可行的,尤其是在小型中高速柴油機上使用水煤漿是可行的。如果大量的柴油機改為用水煤漿作燃料,無疑會節(jié)省大量的柴油,具有巨大的經濟效益和社會效益。
2) 在柴油機燃用水煤漿完全可以達到國家的排放要求,起到環(huán)保的作用。
3) 柴油機改用水煤漿作燃料,還需要作大量的技術改造工作,其關鍵是高壓漿泵和噴嘴的設計及制造。
4) 應加強對柴油機燃用水煤漿技術的進一步研究,特別是燃燒特性研究,以找到降低水煤漿制作成本的途徑。
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