柴油机调速器分类及工作原理

调速器是指随柴油机负荷与转速的变化,自动调节喷油泵供油量,以限制或稳定转速的装置。

柴油机不同于汽油机,其转矩特性曲线(油量调节机构位置一定时,柴油机的转矩随转速而变化的关系)比较平坦(图6-26),导致其工作稳定性差。只要外界负荷有较小变化ΔM,柴油机转速就会产生较大的转速波动Δn。尤其是柴油机高速工作突卸负荷时极易产生“飞车”,此时,柴油机转速急剧升高而无法控制,导致曲轴、连杆、气缸和活塞的严重损坏。

柴油机“飞车”的产生还与柱塞式喷油泵的速度特性有关。喷油泵的速度特性是指喷油泵的供油调节拉杆位置一定时,每循环的供油量随油泵凸轮轴转速而变化的关系。随着柴油机转速升高,柱塞运动速度加快,由于进回油孔的节流阻力增大,出油阀早开迟关的效应增强,从而使循环供油量随转速的上升而加大,供油量加大又反过来使发动机转速升高,如此循环,最终造成“飞车”。车用柴油机还常在怠速下运转,由于其转速波动大,造成怠速不稳,容易熄火,所以柴油机都必须安装有调速器。

图6-26　柴油机转矩特性曲线

车用柴油机调速器根据其不同的工作原理,可分为气动式、液压式、机械式、机械气动复合式、机械液压复合式和电子式。目前车用柴油机上应用最广泛的是机械离心式调速器。按其起作用的不同转速范围可分为两极式调速器和全速调速器。

(1)两极式调速器。两极式调速器是稳定柴油机的怠速和限制最高转速的调速器,中间转速调速器不起自动调速作用。下面以常用的安装于柱塞式喷油泵的RAD型调速器为例介绍其工作原理。

如图6-27所示,拉力杆1、导动杆3和速度调定杆19的上端与装在调速器壳上的销轴相连,并可绕其摆动。拉力杆的下端受齿杆行程调整螺钉10的限制,导动杆3的下端与调速滑套11铰接。在导动杆的中部位置安装有轴销B,其两端分别与上、下浮动杠杆4连接。上浮动杠杆通过连接杆17与供油调节齿杆16相连;下浮动杠杆的下端有一销轴C插在拨叉杠杆8下端的凹槽内。在喷油泵凸轮轴14的尾端有飞锤12,飞锤臂上的滚轮13紧靠在调速滑套11的端面上。当飞锤向外张开时,推动调速滑套向右移动。通过一个曲柄把操纵手柄6与拨叉杠杆相连,在工作中由驾驶员来控制操纵手柄6。启动弹簧18的一端装在上浮动杆的顶部,另一端固定在调速器壳体上。调速弹簧15的一端与拉力杆1相连另一端与速度调定杆19相接,速度调定杆的另一端和速度调整螺栓2接触,使调速弹簧保持拉伸状态。怠速弹簧9装在拉力杆1下部。在正常工作范围内,由于调速弹簧15的作用,拉力杆1始终靠在齿杆行程调整螺钉10上,在拉力杆1的中部有销轴D,它插在拨叉杆8上端的凹槽内。

图6-27　RAD型调速器基本结构

(a)示意图;(b)结构图
1—拉力杆;2—速度调整螺栓;3—导动杆;4—浮动杠杆;5—高速限止螺钉;6—操纵手柄;7—怠速螺钉;8—拨叉杠杆;9—怠速弹簧;10—齿杆行程调整螺钉;11—调速滑套;12—飞锤;13—滚轮;14—凸轮轴;15—调速弹簧;16—供油调节齿杆;17—连接杆;18—启动弹簧;19—速度调定杆;20—稳速弹簧

工作原理:启动加浓(图6-27)。启动时,将操纵手柄6与高速限止螺钉5接触,带动浮动杠杆4绕B点逆时针方向转动,同时拨叉杠杆8绕D点逆时针方向转动,连接杆17便推动供油调节齿杆16向供油量增加方向移动。在启动弹簧18对浮动杠杆4拉力的作用下,浮动杠杆绕C点逆时针摆动,带动A点和B点向左移动,直到飞锤12完全合拢为止。同时供油调节齿杆向增加供油方向移动一定距离,到达启动加浓供油位置。此时调速滑套11的右端与怠速弹簧9之间留有间隙。

发动机启动后达到一定转速时,调速滑套11在飞锤的离心力的作用下,克服启动弹簧18的拉力而右移。浮动杆的上端则带动供油调节齿杆向减少供油方向移动,这时应将操纵手柄6和怠速螺钉7接触,拨叉杠杆8和浮动杠杆4分别绕D点和B点顺时针转动,并通过连接杆17拉动供油调节齿杆16向减少油量方向移动,使发动机怠速运转。

图6-28　RAD型调速器怠速调节(图中各代号的含义同图6-27)

怠速调节(图6-28),怠速时将操纵手柄6和怠速螺钉7接触,这时飞锤的离心力与怠速弹簧9相平衡,发动机在怠速工况下稳定工作。

当发动机运转阻力减小时,转速会升高,飞锤离心力增加、通过调速滑套压缩怠速弹簧9。与此同时,导动杆3下端A点右移,带动浮动杠杆4绕C点顺时针转动,使供油调节齿杆减少供油,限制了发动机转速的上升;反之,当发动机运转阻力增大时,发动机转速下降,调速器通过与上述相反的调节作用,使供油调节齿杆增加供油,防止发动机熄火。

中速工作(图6-29),操纵手柄6置于高速限止螺钉5与怠速螺钉7之间的任意位置,经浮动杠杆4、拨叉杠杆8等杆件的作用,使供油调节齿杆16处于相应供油量位置,发动机在相应转速下工作。此时怠速弹簧9已全部压缩,不起作用。而调速弹簧刚度较大,尚未起作用。所以外界负荷变化时,调速器并不自动调节油量,而要靠驾驶员直接操纵。

图6-29　RAD型调速器中速工作(图中各代号的含义同图6-27)

图6-30　RAD型调速器最高转速限制(图中各代号的含义同图6-27)

最高转速限制(图6-30),操纵手柄6和高速限止螺钉5接触,发动机在标定工况工作,供油调节齿杆16处于标定供油位置,发动机在标定转速下稳定工作(如图6-30实线所示)。

当发动机负荷减小时,发动机转速升高,飞锤离心力加大,克服调速弹簧15的拉力,推动调速滑套11及拉力杆1右移(图6-30中虚线位置)。这时导动杆3的中间支点B移到B＇位置,拉力杆1的支点D移到D＇位置,使得供油调节齿杆16向减少供油方向移动,限制了发动机的最高转速,防止“飞车”。

相反,若发动机负荷增加,发动机转速便下降,通过调速器调节,使得供油调节齿杆16向增加供油方向移动,以保持转速稳定。

调速器控制的最高工作转速可由调速弹簧15的预紧力的大小来调节。当速度调整螺栓2向里旋进时,调速弹簧预紧力加大,发动机的最高工作转速升高。

RAD调速器根据工作需要,也可以增加附属装置(校正装置、增压补偿装置等),其基本原理与VE型分配泵的相应附属装置相似。

(2)全速调速器。

1)VE型分配泵调速器结构。VE型分配泵调速器是机械杠杆式调速器,如图6-31所示,飞锤支架套装在调速器轴上,调速器轴由传动齿轮1驱动。飞锤支架上装有四个飞锤3,飞锤通过止推垫圈推动调速套筒4。调速器杠杆系统由张力杠杆12、启动杠杆15和导杆16组成。这三个杠杆可分别绕销轴N摆动。M是导杆16的支承销轴,导杆通过M固定在泵体上。启动杠杆15的下端的球头销与供油量调速套筒21的凹槽相连,当启动杠杆摆动时,球头销将拨动供油量调节套筒,使分配柱塞19上的泄油孔20的相对位置发生变化,从而改变分配柱塞的有效行程。调速弹簧8挂在张力杠杆上端与调速手柄下端的小轴之间,在张力杠杆和弹簧座之间装有怠速弹簧10。导杆16的下端受回位弹簧17的推压,使其上端靠在最大供油量调节螺钉11上。另外,在VE型分配泵调速器上还装有一些附加装置,诸如增压补偿器和转矩校正装置等。

图6-31　VE型分配泵调速器结构示意图(www.xing528.com)

1—调速器传动齿轮;2—飞锤支架;3—飞锤;4—调速套筒;5—调速手柄;6—怠速调节螺钉;7—最高速限止螺钉;8—调速弹簧;9—停车手柄;10—怠速弹簧;11—最大供油量调节螺钉;12—张力杠杆;13—启动弹簧;14—张力杠杆挡销;15—启动杠杆;16—导杆;17—回位弹簧;18—柱塞套;19—分配柱塞;20—泄孔油;21—供油量调节套筒;M—导杆支承销轴(固定);N—启动杠杆、张力杠杆及导杆支承销轴(可动)

2)VE型分配泵调速器工作原理。全速调速器工作时,分配泵的传动轴使调速器传动齿轮转速发生变化,使得飞锤所产生的离心力的大小也随之发生变化,离心力与调速弹簧力相互作用,使得调速套筒左右移动。它的移动通过杠杆系统,使油量调节套筒的位置发生变化,于是供油量的大小就发生变化,从而适应柴油机运行工况变化的需要。

图6-32　VE型分配泵调速器工作原理示意图

(a)启动工况;(b)怠速工况;(c)中速和最高速工况
1—调速器传动齿轮;2—飞锤支架;3—飞锤;4—调速套筒;5—调速手柄;6—怠速调节螺钉;7—最高速限止螺钉;8—调速弹簧;10—怠速弹簧;11—最大供油量调节螺钉;12—张力杠杆;13—启动弹簧;14—张力杠杆挡销;15—启动杠杆;16—导杆;17—回位弹簧;19—分配柱塞;20—泄孔油;21—供油量调节套筒;A—启动弹簧压缩量;B—怠速弹簧压缩量;C—启动加浓供油位置;D—怠速供油位置;E—部分负荷最高转速供油位置;M—导杆支承销轴(固定);N—启动杠杆、张力杠杆及导杆支承销轴(可动)

a.启动工况。如图6-32(a)所示,启动时,将调速手柄5转至高速限止螺钉7上。这时调速弹簧8被拉伸,拉动张力杠杆12绕销轴N逆时针转动,在启动弹簧13的作用下,启动杠杆15使调速套筒4向左移动,使静止的飞锤3处于合拢状态。此时,启动杠杆下端的球头销将供油量调节套筒21向右拨到启动加浓供油位置C处,供油量最大。启动后,飞锤离心力克服启动弹簧的弹力,使启动杠杆绕销轴N顺时针摆动,直到和张力杠杆挡销14接触为止。此时,启动杠杆下端的球头销使供油量调节套筒向左移动,供油量减少。

b.怠速工况。如图6-32(b)所示,此时,调速手柄与怠速调节螺钉6接触。调速弹簧的张力很小几乎为0,尽管调速器传动轴的转速很低,飞锤仍向外张开,其离心力的轴向力压缩怠速弹簧10和缓冲弹簧,使启动杠杆和张力杠杆绕销轴N向右摆动,并使怠速弹簧10受到压缩。此刻,飞锤离心力对调速套筒的作用力与怠速弹簧及启动弹簧对调速套筒的作用力平衡,供油量调节套筒停留在怠速供油位置D处,柴油机在怠速下平稳运转。

如果柴油机转速此时发生变化(转速升高),飞锤离心力势必增大,上述平衡就被打破,调速套筒在飞锤推动下,使得启动杠杆和张力杠杆进一步压缩怠速弹簧而向顺时针摆动。这时支承销N另一端就拨动供油量调节套筒向左移动,使供油量减少,转速又恢复到原值。若柴油机转速降低,飞锤离心力减小,怠速弹簧推动张力杠杆和启动杠杆逆时针摆动,支承销N另一端拨动供油量调节套筒向右移,供油量增加,使转速上升。

c.中速和最高速工况。如图6-32(c)所示,该工况是柴油机工作在怠速和最高转速之间。调速手柄在怠速调节螺钉与最高速限制螺钉之间任一位置。此时,调速弹簧因受到拉力的作用而伸长(相对于怠速而言),同时拉动启动杠杆和张力杠杆绕销轴N逆时针转动,供油量调节套筒向右移动,供油量增加,柴油机处于中速状态。随着转速的增加,飞锤离心力的轴向分力增加,与调速弹簧的拉力达到新的平衡时,供油量调节套筒便稳定在某一供油量位置,柴油机就在某一中等转速下稳定运转。

当把调速手柄与最高速限制螺钉相接触时,调速弹簧的张力达到最大值,供油量调节套筒也达到最大供油量位置,柴油机也将在最高转速或标定转速下运转。

当负荷偶尔发生变化而引起转速变化时,就打破了飞锤离心力与调速弹簧力之间的平衡,调速器将使柴油机达到新的平衡。在此过程中,供油量调节套筒左右移动,增减供油量,使柴油机转速稳定。一旦柴油机负荷全部卸载,调速器把供油量调到最小,以防柴油机“飞车”。其调速过程与稳定怠速的过程相同。

d.最大供油量的调节。如图6-32(a)所示,当拧入最大供油量调节螺钉11时,导杆16就以M为轴心向左摆动,调速套筒21向右移动,供油量增加。反之供油量减少。改变最大供油量,可以改变柴油机的最大输出功率及最高转速或标定转速。

(3)增压补偿器。增压补偿器的作用是根据增压压力的大小,自动增减各缸的供油量,以提高柴油机机的功率和燃油经济性,减少有害气体的排放。

如图6-33所示,在补偿器盖4和补偿器下体6之间装有橡胶膜片5,橡胶膜片把补偿器分成上、下两腔。下腔通过通气孔8与大气相通,膜片下方装有弹簧9,它的弹力作用在支承板7上。上腔与进气管相通,它的压力是由废气涡轮增压器所形成的空气压力。橡胶膜片5与补偿器阀杆10相连接,并与膜片同时运动。补偿器阀阀芯下部加工成上细下粗的锥形体,补偿杠杆可绕销轴1转动,补偿杠杆2上端与锥形体相靠,补偿杠杆下端靠在张力杠杆11上。

图6-33　增压补偿器

1—销轴;2—补偿杠杆;3—膜片上支承板;4—补偿器盖;5—橡胶膜片;6—补偿器下体;7—膜片下支承板;8—通气孔;9—弹簧;10—补偿器阀芯;11—张力杠杆;12—油量控制套筒;13—调速弹簧

当进气管中增压压力增大时,补偿器上腔压力大于弹簧9的弹力,膜片5带动补偿器阀杆向下运动,与阀芯锥形体相接触的补偿杠杆2绕销轴1顺时针转动,张力杠杆在调速弹簧13的作用下绕销轴N逆时针方向摆动,油量控制套筒12右移,使供油量增加,发动机功率加大;反之,发动机功率相应减小。增压补偿器的油量补偿过程视进气管中增压压力的大小而定。它有效地克服了柴油机低速时,因增压不足,空气量小而造成的燃烧不充分、燃料经济性下降及产生有害排放物的缺陷。发动机在高速运转时亦可获得较大功率。

根据需要还可在VE型分配泵上装备正转矩校正装置或负转矩校正装置。

正转矩校正装置可以改善柴油机高速范围内的转矩特性。正转矩校正装置如图6-34所示,校正杠杆6的上端支承在销轴S上,销轴S固定在启动杠杆1上端的凸耳上,校正杠杆6抵靠在张力杠杆4的挡销5上,校正销7装在启动杠杆1中部的孔内,校正弹簧2迫使校正销7向右移动,推动校正杠杆6逆时针方向转动,直至校正杠杆6中部抵靠在张力杠杆4的挡销5上。

当转速达到校正转速时,随着转速的升高,飞锤离心力的轴向分力作用在启动杠杆上,该力对销轴N的力矩渐渐大于校正弹簧的预紧力对挡销5的力矩。此时,启动杠杆1和销轴S绕销轴N顺时针摆动,校正杠杆6绕挡销5逆时针摆动,它的下端通过校正销7压缩校正弹簧,直到校正销大端和启动杠杆接触为止。与此同时,启动杠杆的下端的球头销向左拨动供油量调节套筒,供油量减少;反之,供油量增加。校正过程即告结束。

负转矩校正装置可以防止柴油机低速时冒黑烟。如图6-35所示,调速套筒的轴向力F具有使校正杠杆6绕张力杠杆4上的挡销5逆时针转动的趋势,校正杠杆6的下端将压缩校正弹簧2。

图6-34　正转矩校正

1—启动杠杆;2—校正弹簧;3—调速弹簧;4—张力杠杆;5—挡销;6—校正杠杆;7—校正销;8—供油量调节套筒;N—销轴

图6-35　负转矩校正

1—启动杠杆;2—校正弹簧;3—调速弹簧;4—张力杠杆;5—挡销;6—校正杠杆;7—校正销;8—供油量调节套筒;9—启动弹簧;10—校正销大端;11—停驻点;N—销轴

当柴油机转速升高时,调速套筒的轴向力F对张力杠杆4上的挡销5的力矩大于校正弹簧2的弹力对挡销5的力矩,使得校正杠杆6绕张力杠杆4上的挡销5逆时针转动,通过销轴S带动启动杠杆1绕N轴逆时针方向转动,供油量调节套筒8右移,有效压油行程增加,供油量增加。直至校正杠杆6的下端靠上校正销7的大端10,负校正结束。