李杰，于洪濤

濰柴重機股份有限公司，山東 濰坊 261108

0 引言

柱塞泵式噴射系統(tǒng)是現代船用柴油機最基本的一種噴射系統(tǒng)，一般由高壓噴油泵、噴油器及高壓油管組成。噴油器是柴油機燃油系統(tǒng)的核心部件之一，能夠將噴油泵排出的高壓燃油以一定的噴油壓力、噴霧細度、噴油規(guī)律、射程和噴霧錐角噴入燃燒室，使柴油在燃燒室內與空氣均勻混合燃燒，是柴油機燃油系統(tǒng)中的精密偶件[1]。

噴油器為柴油機的核心零部件，噴油器回油管的安裝和密封要求較高，其泄漏失效大多為噴油器針閥與閥座密封失效導致?；赜凸苄孤r，滴漏在氣缸體上的柴油，遇熱后在發(fā)動機艙內蒸發(fā)，如果出現電火花，可能會引發(fā)火災等嚴重后果。

本文中根據噴油器及回油管密封的原理，利用仿真方法查找柴油機回油管密封失效的原因，并提出改進措施。

1 噴油器結構及回油管密封原理

1.1 噴油器結構

噴油器可分為開式和閉式2類，閉式噴油器分為多孔式噴油器和軸針式噴油器。軸針式噴油器內部有一圓柱形針閥，它與針閥體內的孔配合，只有一個噴孔，噴孔直徑為1～3 mm，主要適用于噴油壓力要求較低的燃燒室。多孔式噴油器的針閥末端為錐形，與針閥錐面配合，不伸出針閥體，噴孔直徑為0.2～0.8 mm，噴射壓力較高，霧化效果較好，適用于對噴油壓力要求較高的燃燒室。

目前，船用柴油機噴油器多采用閉式結構。根據回油管與噴油器的連接方式，回油方式可以分為2類：1)多孔式噴油器，回油管直接與噴油器連接，噴油器結構如圖1所示；2)回油管連接在缸蓋上，通過噴油器以及缸蓋內的油道回油，結構如圖2所示；2種密封方式均為回油管和噴油器的接觸密封。

1.2 密封原理

回油管與噴油器之前的密封方式為球頭-錐面密封，密封性好、拆卸方便。圖3為密封結構的示意圖。球頭和喇叭口錐面在擰緊之前為線接觸，當施加擰緊力矩后，球頭和錐面發(fā)生塑性變形，在球頭和錐面之間形成密封面[2]。

圖1 多孔式噴油器 圖2 回油管與缸蓋連接 圖3 球頭-錐面密封結構示意圖

2 失效形式及原因分析

2.1 失效形式

柴油機噴油器回油管滲油發(fā)生在噴油器與回油管連接位置，燃油通過連接套后在回油短管處滲油，回油管滲油位置如圖4所示。

圖4 噴油器回油管滲油位置

2.2 原因分析

分析滲油位置可知,回油管與噴油器接觸的密封錐面密封失效。主要原因為噴油器回油管懸臂較長,與噴油器連接套上下無壓塊約束,造成發(fā)動機振動過程中回油管擺動[3]。

3 結構仿真分析

噴油器的泄漏分析一般有理論研究、有限元分析和試驗驗證[4-7]。本文中采用動力學仿真分析軟件Abacus和網格劃分工具Hypermesh對噴油器回油結構進行動力學分析。

3.1 仿真計算模型

柴油機的相關參數為：柴油機額定轉速為1500 r/min，額定功率為601 kW。

圖5 噴油器回油結構模型 圖6 網格裝配模型

噴油器回油結構三維模型如圖5所示，網格裝配模型如圖6所示。使用Hypermesh網格劃分工具，網格類型采用C3D10m四面體網格對噴油器體、噴油器連接套、回油短管等部件進行網格劃分，完成后導出inp文件格式作為Abaqus仿真計算軟件的輸入文件。

3.2 材料參數和計算載荷邊界

主要部件材料參數如表1所示。

表1 材料參數表

計算模型邊界為噴油器體下表面6個方向自由度全約束，計算載荷步為：螺栓預緊；施加15g(g為重力加速度)的動力載荷，模擬發(fā)動機垂直方向振動載荷。強度計算中，螺栓加載最大預緊力[8-9]。

3.3 面壓計算結果

通過施加垂直方向15g動力載荷，計算噴油器回油管密封位置面壓變化，判斷密封在發(fā)動機振動過程中是否失效。

使用Abaqus結構仿真計算軟件[10]，以預緊力為50 N和垂直方向15g的加速度分別作為計算載荷，計算結果如圖7、8所示(圖中單位為MPa)。由圖7、8可知，僅在螺栓預緊力50 N的載荷工況下，密封接觸位置的最小面壓為155 MPa；當增加垂直方向15g的加速度時，密封接觸線下部接觸位置的面壓出現了壓力為0的貫穿區(qū)，密封失效，導致漏油故障。

綜上可知，回油管密封失效的原因為：1)回油管與噴油器回油錐孔之間為線密封，接觸密封面積較小，壓強很大，前期階段的彈性變形對密封有利，但由于壓強過大，后期容易造成材料塑性變形，使密封失效[11]；2)回油管擺動時，使密封環(huán)線一部分翹起，密封失效。

a)網格模型 b)計算結果 圖7 僅加載螺栓預緊力面壓云圖

a)網格模型 b)計算結果 圖8 加載15g動力載荷后面壓云圖

4 結構改進措施

根據仿真分析，原設計方案中噴油器回油管的密封方式不合理，柴油機上下振動時，密封環(huán)線失效，因此需要對回油管結構進行改進。

1)改進回油短管接頭結構，將線接觸改為球面接觸，增大接觸面積，降低密封失效風險[12-14]，原回油管密封形式如圖9所示，改進前、后回油短管結構如圖10所示。

a) 噴油器截面圖 b)密封局部圖 a)改進前 b)改進后 圖9 原回油管密封形式 圖10 改進前后回油短管結構

2)改進噴油器與回油管的連接套結構，連接套內徑由27.5 mm改為27.0 mm，厚度由16 mm增加為22 mm，加強連接套的緊固作用[15-16]，如圖11所示。

3)將現有的壓緊錐面密封更改為過油螺栓加復合式密封墊圈的密封結構，降低回油管的慣性振動，如圖12所示。

a)改進前 b)改進后 圖11 改進前后噴油器連接套結構 圖12 一種噴油器回油密封結構

對改進后的回油管進行500 h耐久試驗，由于回油管密封方式由線接觸改為面接觸，同時加強了噴油器與回油管的緊固，未出現漏油現象，改進措施有效。

5 結語

針對實際使用過程中出現的噴油器回油管漏油問題，根據噴油器回油管的密封原理，分析密封失效原因并進行CAE仿真計算驗證；改進回油管結構，分別對回油管接頭結構、噴油器與回油管的連接套結構及密封結構進行優(yōu)化；對改進后的回油管進行500 h耐久試驗，沒有發(fā)生燃油泄漏，該改進方案可以為柴油機燃油系統(tǒng)設計提供借鑒。