摘 要

船舶柴油机的发展已经有一百多年的历史。在当今社会的环保意识的提高和能耗增长的前提下，柴油机研究的主要课题是利用代用燃料直接代替柴油或者与柴油混合使用、新能源的应用。轻烃燃料具有排放清洁、经济性良好、动力性优良、燃烧平稳、来源广泛等等优点，轻烃作为柴油发动机的替代燃料，具有较好的兼容性，对柴油发动机的改动小，因此轻烃燃料特别适合作为柴油的替代燃料。

目前轻烃燃料在柴油发动机上使用的研究还相对较少，由于轻烃燃料的特性与柴油不同，轻烃燃料应用于柴油机时，其对供油系统的影响还不清楚。本文分析供油系统中的存在的故障环节以及柱塞偶件可能出现影响的原因，根据摩擦学原理和柱塞偶件的密封理论，研究理论上柱塞偶件的泄漏量。根据供油系统的原理以及循环供油所需满足的条件，设计了一套能维持轻烃混合燃料比例的发动机供油系统的可靠性试验的试验台架，经过120个小时的运行可靠性试验，对于采用轻烃混合燃料发动机供油系统的柱塞偶件的影响进行了分析研究。

关键词：轻烃；供油系统；柱塞偶件；磨损

Abstract

The development of marine diesel engines has a history of more than one hundred years. Under the premise of increasing environmental awareness and increasing energy consumption in today's society, the main research topic of diesel engines is to use alternative fuels directly to replace diesel or diesel fuel, and to use new energy sources. Light hydrocarbon fuels have the advantages of relatively clean discharge, good economy, good dynamic performance, stable combustion, etc. Therefore, light hydrocarbon fuels are particularly suitable as an alternative fuel for diesel fuel. As an alternative fuel for diesel engines, light hydrocarbons have little modification to diesel engines and have good compatibility. Moreover, light hydrocarbon fuels have a wide range of sources, but the impact of light hydrocarbon fuels on diesel fuel systems cannot be determined.

This paper analyzes the faults in the oil supply system and the cause of wear of the plunger. Based on the principle of friction and the seal theory of the plunger coupling, theoretically, the leakage of the plunger is studied. According to the demand of the light hydrocarbon fuel supply system and the flow of oil supply, a test bench for reliability test of an engine oil supply system capable of maintaining the proportion of light hydrocarbon fuel was designed and passed 120 hours of operational reliability test. For the use of light hydrocarbon hybrid fuel engine plunger wear has been analyzed.

Key words: Light hydrocarbon; Oil supply system ; Plunger coupler; worn

目 录

第1章 绪论 5

1.1 研究背景及意义 5

1.2 轻烃燃料国内外现状 6

1.2.1 国内现状 6

1.2.2 国外现状 6

1.3 本文研究内容 7

第2章 供油系统部件结构及泄漏机理 8

2.1 供油系统的介绍 8

2.1.1 供油系统的简介 8

2.1.2 系统故障树分析 9

2.2 喷油泵及喷油器的结构与原理 10

2.3 柱塞偶件的磨损和泄漏机理 12

2.3.1 柱塞偶件磨损原因 12

2.3.2 柱塞偶件泄漏机理 13

第3章 轻烃混合燃料可靠性试验台架设计 15

3.1可靠性试验台架设计 15

3.1.1 试验台架的整体设计 15

3.1.2 试验台架局部设计 16

3.2 设备的计算选型 19

3.3 试验的监测手段及测量方法 22

第4章 轻烃混合燃料试验与数据分析 26

4.1 试验目的 26

4.2 试验内容及试验方案 26

4.2.1 试验内容 26

4.2.2 试验方案 27

4.3 试验数据及分析 27

4.3.1 试验数据 27

4.3.2 试验数据分析 30

第5章 全文总结与展望 33

5.1 全文总结 33

5.2 工作展望 33

2. 绪论

1.1 研究背景及意义

我国正处于经济飞速发展时期，能源的消耗大幅度上升。石油匮乏问题以及环境污染问题是我国以及世界其他国家所面临的挑战。船舶柴油机的主要燃料是石油产品，而大气污染的主要污染源之一就是柴油机的排放。随着国际海事组织修改的《防止船舶造成空气污染规则》的实施，船舶柴油机的排放受到越来越严格的限制。按照MARPOL公约要求，2015年以后，在控制排放海域内船舶燃油的最大硫含量不得超过0.1％；在2020年1月1日以后，非排放控制区海域船用燃油的最大硫含量不能超过0.5％^[1]。 除了废气再循环技术、燃料脱硫处理、进气加湿和喷水技术完善柴油机的排放使其满足标准以外，采用可替代燃料成为了柴油机发展中越来越受关注的课题。

目前，我国和世界其他国家所使用的燃料是柴油、天然气、液化石油气为主。而天然气（C1、C2)、液化石油气(C3、C4)同时非常宝贵的化工原料，深加工后的附加值很高能合成甲醇、烯烃等化工原料，将其作为普通燃料烧掉是对有限资源的浪费。液态轻烃燃料就是碳、氢两种元素以不同的比例混合而成的一系列物质其中较轻的部分。近年来，我国经济高速发展对能源的紧迫需求使轻烃的利用价值再次被关注 。2003年，国家发改委 、财政部 、国家税务总局将轻烃列入《资源综合利用目录》，2005年又将轻烃列为《国家鼓励发展资源综合利用和环境保护技术》的重点工程^[2]。液态轻烃（C5-C16)主要以戊烷和己烷为主。戊烷的闪点为—40℃，属于低闪点的液体，在运输及存储过程中需特别预防其发生火灾的危险性。戊烷的自燃点为475℃，环己烷为260℃，所以在运用于柴油机时需要引燃或者气化压燃^[3]。轻烃燃料的排放较清洁、经济性良好、动力性好、燃烧平稳，因此轻烃燃料特别适合作为柴油的替代燃料。轻烃作为柴油发动机的替代燃料，具有较好的兼容性，对柴油机的改动小，而且轻烃燃料来源广泛：从天然气和油田气中凝析、炼油厂的分馏、石油炼厂的塔顶油、催化重整油以及溶剂油厂的直馏馏分^[4]，排放清洁，产生的NOx理论上较传统柴油发动机少，但轻烃燃料的爆炸极限基本接近液化石油气所以在燃料运输和存储方面需要进行防火处理。

轻烃燃料的粘度低，在没有大量研究的情况下，直接应用于柴油发动机，其对供油系统的影响还不清楚。所以轻烃混合燃料船舶发动机目前在国内还未大规模普及发展应用，轻烃混合燃料在发动机应用上还存在问题：与传统柴油机燃料相比，轻烃燃料的粘度低，应用于柴油机时对供油系统柱塞偶件、出油阀偶件可能会造成影响；轻烃的发热值比柴油高，其燃烧时对燃烧室热负荷的影响也不确定。本文通过设计轻烃混合燃料发动机供油系统可靠性试验，重点研究轻烃、柴油混合燃料在供油系统试验时对喷油器、喷油泵中的偶件影响情况，分析轻烃混合燃料在柴油发动机供油系统应用上对柱塞偶件、出油阀偶件以及针阀偶件的影响。

1.2 国内外现状

1.2.1 国内现状

国内轻烃燃料的研究一般多用于轻烃制气，通过将轻烃气化，再供给到各个用户。中国农村能源行业协会新型液体燃料及燃具专业委员会的张榕林分析出轻烃混合燃气供气系统具有投资少、建设周期短、建站灵活、占地面积小等特点。由于预混了空气、燃烧完全并提高了燃气的燃烧效率,降低了日常燃气使用费用。因此具有明显的社会效益和经济效益^[5]。轻烃混合燃气是现有城市燃气的一种补充。

在汽车应用领域，用化工副产品“ 轻烃”作为汽车绿色替代能源的技术已经开发成功，其核心技术是在原轻烃中微量添加深圳市日研科技有限公司生产的称为“油公核磁共振传递剂”的燃油添加剂。对于重组分较多的轻烃，通过添加“ 油公”后可直接供车用^[6]。

轻烃混合燃料能否在船舶发动机上应用的关键之一是发动机供油系统的可靠性，而发动机的供油系统是发动机的重要组成部分，其功能是定时将定量定压的燃油在压缩冲程末期喷入气缸。江西理工大学的陈佳对柴油机燃油系统可靠性多状态进行分析，利用马尔科夫模型对柴油机供油系统进行建模，获取了系统处于各个状态的概率函数，通过建立负效用函数和维修费表达式，获取系统的最佳维修周期时间^[7]。

太原理工大学的郭增杰对双燃料在柴油机供油系统上进行实验，总结柱塞偶件的磨损对柴油机供油系统的影响：柱塞偶件磨损后会使柱塞的密封性大大下降，柱塞偶件径向漏油增加，循环供油量的减小，喷油压力的降低，喷油始点延迟和喷油持续期的缩短，从而使柴油机怠速稳定性下降，启动困难并且燃烧恶化功率下降^[8]。

1.2.2 国外现状

因为目前大多数能源资源都依赖于矿物燃料，而这些燃料的可用性是有限的。尽管传统液体石油燃料仍将主导未来50年的运输燃料，但能源安全和减少温室气体排放的担忧导致了其他新型能源的使用量增加^[9]。

国外学者对替代燃料进行了分析，韩国理工大学机械工程系的Choongsik Bae、Jaeheun Kim对氢气、液化石油气、液化天然气、生物柴油、二甲醚以及石脑油等每一种替代燃料的生产、存储供应链进行了简要总结。通过实验指出石脑油的十六烷值在31和41之间。与柴油相比，石脑油燃料的烟雾水平较低，因为其长期的点火延迟导致了较好的混合形成，NOx可以通过降低吸入O2浓度和适量的废气再循环来控制^[9]。

英国诺丁汉大学机械工程系的Abdelrahman Hegab,Antonino La Roccaa ，Paul Shayler对天然气 -柴油双燃料发动机的进展和近期趋势进行了分析，重点是不同参数对发动机燃烧和排放的影响。就污染物排放而言，他们发现双燃料的使用对NOx排放有积极影响，双燃料燃烧下的NOx的浓度低于传统柴油的浓度。另一方面，在低载荷的情况下，产生的CO与传统柴油相比，HC的排放量要高得多。因为双燃料较低的着火温度和燃料-空气比，导致较慢的燃烧以及燃气的大量泄露。在高负荷情况下，燃料利用率的提高和燃烧后的燃气温度的增加会改善氧化，基本上是在发动机转速较低的情况下，燃烧的时间更长，但CO和HC的排放仍然比传统柴油高得多^[10]。

从外文文献的查找中发现，国外替代燃料的研究广泛但轻烃混合燃料在发动机上的研究还是相对较少。

1.3 本文研究内容

（1）参考柴油机的燃油供油系统整体结构，绘制轻烃混合燃料发动机供油系统实验的原理图。

（2）根据轻烃混合燃料供油系统的需要满足的条件，设计了一套能维持轻烃混合燃料比例的发动机供油系统的可靠性试验台架，在轻烃混合燃料长时间可靠性试验中，减弱轻烃混合燃料轻烃轻质成分的挥发问题。

（3）设计轻烃混合燃料发动机供油系统可靠性试验，搭建试验台架，进行长时间的可靠性试验。对利用轻烃混合燃料发动机的供油系统，在其运行过程中柱塞偶件、出油阀偶件、针阀偶件的影响情况进行分析。

根据可靠性设计与分析的流程，对供油系统故障环节进行分析与识别，根据机械密封理论分析柱塞偶件的泄漏率，对可靠性试验设备进行选型，最后进行轻烃混合燃料发动机供油系统的可靠性实验，根据试验数据进行评估。

第2章 供油系统部件结构及泄漏机理

根据英国柴油机工程师和用户协会的资料显示(表2-1)，造成柴油机故障停机的后果中，供油系统故障所占比例为27％，所占比例最大，然而发动机的供油系统出现故障将带来其动力性、燃料的经济性、燃烧效率降低以及排放污染的影响，因此在发动机中对于供油系统的可靠性研究具有重大的意义^[11]。

表2.1 柴油机主要故障分类和出现机率

2.1 供油系统的介绍

2.1.1 供油系统的简介

发动机的供油系统是发动机的重要组成部分，其功能是在规定时间内将定量定压的燃油在压缩冲程末期喷入气缸。发动机供油系统的基本要求是喷油器的喷油压力能达到规定值，燃料的雾化质量良好以及燃气和空气混合均匀，除此之外，供油系统工作状态稳定可靠，以及管理便捷等也是需要重视的指标。随着发动机经过长时间的发展，研究人员设计了不同的供油系统。目前还在大量使用的是传统的泵-管-嘴系统，基本组成是喷油泵、高压油管、喷油泵，本试验采用的系统即为这一套泵-管-嘴系统，其特点是由于高压油管的存在使得发动机的布置拆装方面更加灵活；还有一种是正在大力发展的电控共轨供油系统，这种系统的特点是运转的适应能力强，能够自由选择喷射压力，精准控制喷油量，消除高压油管中压力波对燃烧的影响。

图2-1为泵-管-嘴系统图：燃油从4油孔进入喷油泵，当柱塞上部油腔压力积累升高顶起出油阀弹簧时，燃油进入高压油管，高压油管中的燃油的压力超过针阀弹簧的预紧力，燃油就从喷油器喷射入燃烧室内。

图2.1 泵-管-嘴系统图

1凸轮 2 挺柱 3柱塞 4 进油孔 5泵腔 6 出油阀 7 出油阀腔 8 出油阀弹簧

9、11压力传感器 10 高压油管 12针阀弹簧 13喷油器 14针阀 15油槽 16 喷孔

2.1.2 系统故障树分析

FTA故障树分析法是可靠性理论分析的其中一种方法。故障树分析原理是基于逻辑关系将各个事件从逻辑图中表现出来，从上到下寻找顶事件与中间事件最终找出故障的基本事件。FreeFta是故障树绘制与分析的一款软件，其基本的程序为熟悉系统了解系统的组成及其工作状态，调查事故和设想可能发生的事故，确定顶事件然后绘制故障树，通过这些对系统进行定性以及定量分析，最终确定重要度制定预防措施^[12]。

根据发动机供油系统可能出现的故障，绘制了供油系统的故障树，如图2-2供油系统故障图所示,矩形框表示顶上事件或者中间事件，圆形框表示基本事件，拱门里面带有加号的为或门。

研究显示传统柴油供油系统的故障多发生在高压油路。高压油路中的喷油泵以及喷油器三大偶件（柱塞偶件、出油阀偶件和喷油器针阀偶件）在整个供油系统是关键部件，而且工作的环境较为恶劣，三大偶件的运行状态的情况将影响供油系统的工作性能，进而影响发动机的燃烧效率。

图2.2 供油系统故障树分析图

2.2 喷油泵及喷油器的结构与原理

1. 喷油泵结构及工作原理

本试验采用的是南通通力油泵有限公司生产的型号为BH2B100YS39A的喷油泵（结构简图如下）。

当柱塞4处于凸轮基圆最低处，凸轮轴的凸轮从下止点向上止点转动，转动过程的前一段部分，进油孔3在开启状态，燃油不断进入柱塞上部的泵腔。当柱塞被凸轮顶起时，柱塞顶端持续上升，直至柱塞顶端将回油孔2堵住，柱塞顶端泵腔的燃油压力不断上升。随着柱塞的上升，泵腔的燃油压力迅速升高，顶起出油阀弹簧，当柱塞结束出油阀的减压行程后，高压燃油便经出油阀进入高压油管，当高压油管压力足够时，喷油器针阀开启，燃油喷射入燃烧室。柱塞继续上行，当柱塞斜槽与回油孔2相通时，柱塞顶部的高压燃油通过柱塞头部的直槽和斜槽流回低压油腔。柱塞上部油腔压力马上降低，出油阀关闭，供油结束，此刻为供油终点。之后，柱塞继续上行到达上止点并且在套筒外的弹簧的作用下柱塞下行^[13]。

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