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柴油发电机喷油提前角的原理及计算方程式 |
摘要：喷油提前角过早或过迟将直接影响到柴油发电机的输出功率，增加燃油消耗，导致爆燃、燃烧温度过高和运转不稳。当负荷过高时会出现拉缸、敲缸、断活塞环、启动时倒转、加速缸套汽蚀等一系列不良后果，应立即停机进行调整，而喷油提前角的调整不但技术要求高而且工艺复杂，康明斯公司在本文中介绍一种经过长期摸索出的一条成功经验，既简单又可靠的方法。
一、喷油提前角的原理
喷油提前角就是从燃油通过喷油嘴开始进入燃烧室的时刻到活塞到达上止点之间曲轴所转过的角度，如图1所示。喷油提前角对发动机的排放水平、油耗和工作噪声具有决定性的影响。喷油提前角过大会导致柴油在压缩冲程结束之前很长一段时间内就开始燃烧，缸内压力急剧上升，阻碍活塞继续上升。
柴油在燃烧室中的燃烧是一个非常复杂的物理化学过程，从燃烧开始到产生最高爆炸压力又分几个阶段，要求活塞在压缩冲程的上止点时要开始燃烧，在上止点后10℃A~15℃A时产生最大爆发压力，所以要求柴油发电机一定要有一个合适的喷油提前角。在调整过程中，必须找到压缩行程的上止点和喷油器针阀开启时刻的凸轮轴齿轮位置。按照惯例，康明斯系列柴油发电机针阀开启的时刻选在喷油泵和喷油器上弹簧座被压至与壳体间的距离，且要求此时压缩行程在上止点前2℃A~4℃A范围内，这一参数需要反复调整才使柴油发电机达到最佳工况，提前角由设计人员、反复实验得出。
在不同静态提前角下，发动机的标定功率必然会产生变化，因此，性能开发必须要保证标定功率达到设计指标。所以，在不同静态提前角下，通过调整机械VE泵的高速螺钉来保证标定功率符合设计指标，其变化曲线图如图2所示。
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图1 柴油机提前角原理图 |
图2 不同喷油提前角所对应的缸内压力变化曲线 |
二、正时齿轮的传动模式
按照曲轴与凸轮轴之间的传动方式的不同，也可以分为三种传递方式：齿轮传动，链条传动，齿型皮带传动。
圆柱齿轮传动，采用圆柱形正时齿轮传动，曲轴齿轮经过中间齿轮与凸轮轴啮合来传递动力。在大部分柴油发动机中，曲轴和凸轮轴之间动力传动都是通过圆柱齿轮传动的。正时齿轮传动的优点是配气相位准确，工作性可靠，耐久性好；缺点是噪音和磨损都较大，空间布置困难，一般齿轮可以用斜齿，来提高工作的稳定性能。
正时齿轮传动模式见图1，按照惯例其调整方法是调整曲轴齿轮与凸轮轴齿轮的相对位置，然而从曲轴齿轮与凸轮轴齿轮中间有一系列的中间齿轮，调整起来非常繁琐且难以达到要求。实际上我们不难发现弹性齿轮大齿圈与小齿圈的齿数比为64﹕31，刚好与曲轴齿轮与凸轮轴齿轮的齿数比相符，因而我们在调整点火正时齿轮时，只需脱开中间惰轮，将曲轴齿轮置于所需的位置，然后调整弹性齿轮大齿圈与小齿圈的相对位置便可。
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图3 正时齿轮模式图 |
三、提前角的计算方程式
在转动弹性齿轮时，两齿圈同时旋转且角速度相同，转动的齿数比为64：31=2.064516129，实际上转动齿数应为整数比2才能装入，所以2后面的小数便成了喷油提前角的计算系数。假设旋转小齿圈的齿数为n根，那么大齿圈旋转的齿数则为2n，喷淌提前角为a℃A，于是便有如下公式：
360/31×n+a=360/64×2n即a=0.362903226n
根据这一关系式计算出所需转动的齿数(表1)。
表1 调整喷油提前角弹性齿轮所需转动的齿数
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弹性齿轮大齿圈转动的齿数
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弹性齿轮小齿轮转动的齿数
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改变的相位角
°CA
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弹性齿轮大齿圈转动的齿数
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弹性齿轮小齿轮转动的齿数
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改变的相位角
°CA
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2
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1
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0.36
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14
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7
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2.54
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4
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2
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0.73
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16
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8
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2.90
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6
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3
|
1.09
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18
|
9
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3.27
|
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8
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4
|
1.45
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20
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10
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3.63
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10
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5
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1.82
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22
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11
|
3.99
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12
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6
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2.81
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21
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12
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4.35
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四、喷油提前角的调整
1、拆下第1缸的高压油管，转动曲轴使第1缸活塞处于膨胀冲程始点，此时飞轮壳上的指针对准飞轮上的“0”度线。然后反转柴油发电机曲轴，使检视窗上的指针对准飞轮上相当于喷油提前角规定的角度，然后松开喷油泵传动轴节和盘上的两个固紧螺钉，按喷油泵的转动方向，缓慢而均匀地转动喷油泵凸轮轴至第1缸出油口油面刚刚发生波动的瞬时为止并拧紧结合盘上的两个螺钉。
2、拆下第1缸高压油管，转动曲轴使第1缸活塞处于压缩终点位置前40°左右，然后按柴油发电机旋转方向缓慢而均匀地转动曲轴，同时密切注意喷油泵第1缸出油口的油面情况。当油面刚刚发生波动的瞬时，即表示第1缸喷油开始，此时检视窗上指针所对准的飞轮上刻度值就是喷油提前角度数。如这个角度与规定范围不符，可松开接合盘上的两个固定螺钉，将喷油泵凸轮轴转过所需调整的角度（传动轴接盘上的刻度，每个相当于曲轴转角3°），提前角过小，凸轮轴按运转方向转动；提前角太大，则按运转的反方向转动，然后拧紧接合盘上的两个螺钉，再重复核对一次，直至符合规定范围为止。
有时，检查喷油提前角与规定值相差甚微，可不必松开接合盘转动喷油泵凸轮轴，而只要将喷油泵的四只安装螺钉稍为放松，使喷油泵体作微小的转动来调整，它的转动方向应与第二种方法相反，调整好后将螺钉拧紧。
总结：
发动机在不同提前角下，排放影响较大的量为NOx,对其他气体和颗粒物的影响较小。 随着静态提前角的减小，发动机的排温逐渐上升，在2°提前角下已达到700度以上，所以应选择最优角度，控制排温。 提前角的减小有利于发动机爆发压力的降低，可以使发动机运行更加稳定。
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