柴油机分配泵的结构与控制

柴油机分配泵的结构与控制 南通职业大学 毕业() 课题: 柴油机分配泵的结构与控制 系 科: 机械工程系 专 业: 汽车检测与维修 班 级: 汽检081D 姓 名: 高春华 指导教师: 周 冬 完成日期: 南通职业大学 届毕业设计(论文)任务书 汽车检测与维学生姓名 高春华 所学专业 班 级 汽检081D 修 课题名称 柴油机分配泵的结构与控制 工作内容 (应完成的 设计内容、 论文内容) 工作要求 (设计应达 到的性能、 指标，论文 质量要求) 汽车发动机燃油喷射技术 主要参考 汽车柴油机构造与使用 资料 柴油机高压共轨电控燃油喷射技术 工作进度 要求 课题组 其他成员 教研室主指导教师 周冬 任 (签名) (签名) 部门批准 签发日期 (盖章) 摘要 摘 要 人们常常形容发动机是汽车的心脏，而喷油系统则是柴油机的心脏。它的产品质量、装配调整和使用维修对柴油机的动力性能、油耗、排放和使用寿命起着决定性的作用。因此柴油机的喷油系统是现代柴油机汽车的核心系统，也是柴油机柴油机汽车维修中技术要求较高和难度较大的项目。在这里介绍了柴油机分配泵及电子控制技术的发展状况、控制原理和应用特点及高压共轨技术的工作原理、研究方向、应用前景。 关键词:喷油系统;分配泵;柴油机电控技术;高压共轨技术; I Abstract Abstract People often describe the engine is the heart, and car diesel injection system is the heart. Its products quality, assembly adjusting and use of diesel engine maintenance the dynamic performance, fuel consumption and emissions and service life plays a decisive role. So diesel fuel injection system is the core of modern diesel car engine system, also diesel vehicle maintenance and the demand is higher and the technical difficulty big projects. Here introduces diesel engine pump and electronic control technology allocated the development situation, control principle and application of high pressure common rail technology characteristics and working principle, the research direction and application foreground. Key Words: Injection system;Allocation pump;Diesel engines technology;High pressure common rail technology; II 目录 目 录 摘 要 ............................................................................................................................... I Abstract................................................................................................................................ II 1 概述 .................................................................................................................................1 2 柴油机分配泵 ..................................................................................................................2 2.1 分配泵的优势 .......................................................................................................2 2.2 分配泵的总结结构 ................................................................................................2 2.3 分配泵的总结结构 ................................................................................................3 2.3.1 传动供油部分 .............................................................................................3 2.3.2 调速控制部分 .............................................................................................3 2.3.3 滚轮座及提前器 .........................................................................................4 2.3.4 输油泵及调压阀 .........................................................................................4 2.4 工作过程 ...............................................................................................................4 3 柴油机分配泵的原理 ........................................................................................................8 3.1 调速原理和类型 ....................................................................................................8 3.1.1 调速器的工作原理 ......................................................................................8 3.1.2 喷油泵的速度特性 ......................................................................................9 3.1.3 柴油机上为什么要安装调速器 ...................................................................9 3.1.4 调速器的功用、形式 .................................................................................. 10 3.1.5 机械离心式调速器的工作原理 .................................................................. 10 3.1.6两速调速器 .................................................................................................. 10 3.2 油量调节原理 ....................................................................................................... 10 3.2.1拨叉式油量调节机构 .................................................................................. 11 3.2.2齿杆式油量调节机构 .................................................................................. 11 3.3 喷油提前调节器原理 ............................................................................................ 12 3.4 输油泵的原理 ....................................................................................................... 13 4 柴油机的控制技术 ........................................................................................................ 13 4.1 柴油机油量电子控制技术 .................................................................................. 15 4.2 柴油机喷油时刻电子控制技术 ............................................................................ 16 4.3柴油机进气切断阀控制 ......................................................................................... 17 4.4柴油机怠速运行控制 ............................................................................................. 17 4.5汽缸头部内电热塞的控制 ..................................................................................... 17 I 目录 4.6柴油机控制系统的执行机构 ................................................................................. 18 5 共轨式电控燃油喷射技术 ............................................................................................. 20 5.1定义 ........................................................................................................................ 20 5.2高压油轨(共轨管) ............................................................................................. 21 5.3意义 ........................................................................................................................ 22 6 影响柴油机的排放因素 ................................................................................................ 23 6.1喷油正时 ................................................................................................................ 23 6.2喷油系统 ................................................................................................................ 23 6.3燃烧方式和燃烧室形状 ......................................................................................... 24 6.4增压对排放的影响 ................................................................................................. 26 6.4柴油机的瞬间运转状态 ......................................................................................... 26 结 论 ............................................................................................................................. 27 参 考 文 献 ........................................................................................................................ 28 致 谢 ............................................................................................................................. 29 II 南通职业大学毕业设计(论文) 1 概述 柴油机作为汽车和各种工程机械动力装置已经在许多地方取代了汽油机，特别是在重型载货汽车、工程机械和军用车辆中，几乎已经全部以柴油机为动力，并且在中型载货汽车方面柴油机已经占了主导地位，甚至作为客运汽车相轿车的动力也在逐年增多。 柴油机和汽油机都在发展中不断地克服自身的缺点，不断地完善并提高各项性能指标。但由于效力循环中加热方式和混合、燃烧机理上的差别，柴油机的某些优点和发展潜力是汽油机无法比拟的。 二、柴油机的优点 经济性好 由于柴油机的效率高，因此柴油机最突出的优点之一就是经济 1. 性好、油耗低，这正是柴油机广泛应用和迅速发展的原因之一。在相同功率的情况下，柴油机要比汽油机节省照料20%—30%以上，在中小负荷工况下节省燃料则更为明显。 2.压缩比高 提高压缩比是提高内燃机热效率的有效途径之一。对汽油机而言，在压缩比过程中被压缩的是已经混合的可燃混合气，如果压缩比过大，会引起早燃和爆震等不正常燃烧，导致功率下降，油耗升高，甚至引起机械故障等不良后果，因此汽油机的压缩比一般只为6—10。而柴油机在压缩过程中被压缩的是纯空气，燃油是在活塞接近压缩上止点时以高压呈雾状喷入汽缸内的所以不会出现像汽油机那样的早燃和爆震等问题。只要结构强度允许，柴油机的压缩比可可以高达12—22，甚至更高。因此在提高压缩比来提高热效率时，柴油机比汽油机要优越的多。 3.低温自燃、稀燃 汽油中的化合物比较稳定，不易着火，而柴油中的化合物稳定性较差，易于着火，即柴油的自燃温度较汽油的自燃温度低。在正常的工况下柴油机的过量空气系数。比汽油机大，因此可燃混合气浓度比汽油机低，可燃混合气较稀，所以柴油机更能利用低温、稀混合气燃烧等条件，达到节约燃油的目的。 4.其他经济因素 ?柴油的密度比汽油大。 ?柴油的发挥性比汽油差，运输于储存都比较安全。 ?柴油机为压燃式内燃机，没有点火系统，因此在使用中故障较少，这样就 大大降低了柴油机在使用中的管理、维修费用。 1 南通职业大学毕业设计(论文) 2 柴油机分配泵 2.1 分配泵的优势 VE型分配泵是目前国内外中小型高速柴油机广泛使用的一种单柱塞式分配泵。它仅用一个柱塞概作往复运动又作旋转运动，往复运动起泵油作用，旋转运动起将高压燃油分配到柴油机各汽缸。它集喷油泵、调速器、输油泵和喷油提前器等机构于一身，是一个封闭整体。具有体积小、重量轻、结构紧凑、功能齐全、安装布置和维修方便等特点。且由于分配泵凸轮的升程小，有利于提高柴油机转速。 VE分配泵有以下特点 ?集输油泵、调速器、自动提前装置、高压油泵于一体，而且柴油机有多少缸，VE分配泵都只有一组供油元件，因此结构紧凑。 ?能适应高转速的柴油机，匹配柴油机的最高转速可达侧6000/min。 ?具有多种附加机构可供选择，以满足不同要求。 ?VE分配泵是一个密封整体，无泄漏。 ?采用燃油润滑，不需日常保养。 ?对燃油要求高，要求燃料不带杂质、水分。 ?零件精度高，制造困难。 2.2 分配泵的总结结构 驱动机构是由平面凸轮盘、滚轮架及滚轮组成。 图2.1为驱动机构示意图。驱动轴、端面凸轮盘各自通过凸键与联轴器连接，静止的滚轮架内孔作为联轴器的轴承孔，滚轮架上有四副滚轮通过销轴与滚轮架连接。驱动轴转动时，带动联轴器，端面凸轮盘同方向旋转，由于端面凸轮盘被柱塞复位弹簧压紧在滚轮架上，因此，端面凸轮迫使滚轮自转，并使端面凸轮盘作轴向往复直线运动。 2 南通职业大学毕业设计(论文) 1-驱动轴 2-滚动机构 3-联轴器 4-平面图轮盘 5-分配柱塞 6-柱塞弹簧 7-油 量调节套筒 8-传动销钉 9-柱塞弹簧座 10-导向槽 11-泄油孔 12-压力平衡槽 13-燃油分配槽 14-进油槽 15-滚轮 图2.1 驱动机构示意图 2.3 分配泵的总结结构 2.3.1 传动供油部分 传动轴通过十字联轴器带动平面凸轮盘旋转，再带动柱塞旋转。柱塞弹簧和弹簧座将柱塞压在凸轮盘上，使柱塞在旋转的同时又作往复运动。这样，柱塞腔中的柴油既被压缩产生高压，又通过柱塞中的出油孔分配到泵体上相应汽缸的油道，经出油阀、高压油管和喷油器喷入对应的汽缸。 2.3.2 调速控制部分 传动轴上的齿轮带动飞锤座和飞锤旋转，飞锤的离心力推动调速套筒轴向移动。经调速机构拨动柱塞上的油量控制套筒随转速变化而左右移动，改变其右侧棱边与柱塞上径向卸载孔的相对位置，从而达到随转速变化来控制供油量变化的目的。 3 南通职业大学毕业设计(论文) 2.3.3 滚轮座及提前器 滚轮座上装有四个滚轮，通过圆柱销与提前器活塞联接。当泵体内柴油压力变化时，推动提前器活塞移动，带动圆柱销使滚轮座转动，改变滚轮与平面凸轮盘凸起的相对位置，从而达到改变供油提前角的目的。 2.3.4 输油泵及调压阀 滑片式输油泵旋转时，由于转子与泵壳偏心，滑片之间的容积变化而将柴油加压到0.6~0.8MPa，进入泵体内腔，而调压阀则用来调节柴油压力。当柴油压力太高时，调压活塞打开回油口，柴油返回进油口，使压力下降。压力越高，弹簧压缩量越大，油孔开启截面积越大，回油量就越多，起到自动调节输油压力的作用。由于调压阀的作用，输油泵产生的油压随着油泵转速(即发动机转速)增加而成正比提高，从而使供油提前角随转速提高而线性加大，满足柴油机高效燃烧的要求。 2.4 工作过程 ?进油过程:滚轮1由平面凸轮2的凸起部分移到最低位置，柱塞弹簧，将柱塞弹簧3由右向左推移。在柱塞接近终点位置时，柱塞上部的进油槽7与柱塞套筒上的进油孔8相通，柴油经电磁阀9下部的油道流入柱塞右端的压油腔6内。(如图2.4.1所示) 1-滚轮 2-平面凸轮 3-柱塞 4-出油阀 5-喷油器 6-压油腔 7-进油槽 8-进油 孔 9-电磁阀 图2.4.1 进油过程示意图 4 南通职业大学毕业设计(论文) ?泵油与配油过程:随着滚轮由平面凸轮的最低处向凸起部分移动，柱塞在旋转的同时，也自左向右移动。当进油孔关闭后，柱塞即开始压缩油腔内的燃油使其压力升高。此时，柱塞上的配油孔与柱塞套上的出油孔之一相通，高压柴油即经出油孔和出油阀流向喷油器，喷入燃烧室。(如图2.4.2所示) 1-滚轮 2-平面凸轮 3-配油槽 4-分配油路 5-喷油器 6-柱塞 图2.4.2 进油过程示意图 配油:由于柱塞1回转，柱塞上的配油孔5与分配油路2对口位置不断变化，进行燃油分配。(如图2.4.3所示) 1-柱塞 2-分配油路 3-进油道 4-进油槽 5-配油槽 6-泄油孔 图2.4.3 配油过程示意图 5 南通职业大学毕业设计(论文) ?柱塞在平面凸轮的推动下继续右移，柱塞左端的泄油孔3与分配泵内腔相通时，柱塞内的高压油立即经泄油孔流入泵内腔中，柴油压力立即下降，供油停止。(如图2.4.4所示) 1-滚轮 2-平面凸轮 3-泄油孔 4-柱塞 5-控制套筒 图2.4.4 供油结束示意图 ?供油量的调节:柱塞上的泄油孔什么时候与泵内腔相通，靠控制套筒1的位置来控制，当移动控制套筒时，柱塞上的泄油孔与泵内腔相通的时刻改变，使供油有效行程h改变，即结束供油的时刻改变。向左移动控制套筒，有效行程h减小，供油量减少;向右移动控制套筒，有效行程h增大供油量增加。(如图2.4.5所示) 6 南通职业大学毕业设计(论文) 1-控制套筒 2-柱塞 图2.4.5 供油结束示意图 ?压力平衡过程:供油结束后，柱塞继续旋转，当柱塞上的压力平衡槽1与分配油路相通时，分配油路中的柴油压力与分配泵内腔油压相同。这样，可使各个分配油路内的柴油压力在喷射趋于均匀，可使各缸喷油均匀。((如图2.4.6所示) 1-压力平衡槽 2-分配油路 图2.4.6压力平衡过程示意图 7 南通职业大学毕业设计(论文) ?发动机停机:起动开关旋至OFF位置，电磁式断油器电路断开，阀门在回位弹簧的作用下关闭，切断油路，发动机停机。 3 柴油机分配泵的原理 3.1 调速原理和类型 3.1.1 调速器的工作原理 转速越高时，供油量就升高，从而飞块张开角度(离心)增大，使浮动杆顺时针转动从而带动供油齿杆右移，从而使供油量减少，达到保持某一转速的稳定(如图3.1.1所示) 图3.1.1 转速降低时，供油量就减少，从而使飞块张开角度(离心)减小，使浮动杆逆时针转动从而带动供油齿杆左移，从而使供油量增大，达到某一转速的稳定。(如图3.1.2所示) 8 南通职业大学毕业设计(论文) 图3.1.2 3.1.2 喷油泵的速度特性 喷油泵每个工作循环的供油量主要取决于调节拉杆的位置。此外，还受到发动机转速的影响。在调节拉杆位置不变时，随着发动机曲轴箱转速增大，柱塞有效行程略有增加，而供油量也略有增大;反之，供油量略有减少。这种供油量随转速变化的关系成为喷油泵的速度特性。 3.1.3 柴油机上为什么要安装调速器 喷油泵的速度特性对工况多变的柴油机是非常不利的。当发动机负荷稍有变化时，导致发动机转速变化很大。当负荷减小时，转速升高，转速升高导致柱塞泵循环供油量增加，循环供油量增加又导致转速进一步升高，这样不断地恶性循环，造成发动机转速越来越高，最后飞车;反之，当负荷增大时，转速降低，转速降低导致柱塞泵循环供油量减少，循环供油量减少又导致转速进一步降低，这样不断地恶性循环，造成发动机转速越来越低，最后熄火。 要改变这种恶性循环，就要求有一种能根据负荷的变化，自动调节供油量。使发动机在规定的转速范围内稳定运转的自动控制机构。移动供油拉杆，可以改变循环供油量，使发动机的转速基本不变。因此，柴油机要满足使用要求，就必须安装调速器。 9 南通职业大学毕业设计(论文) 3.1.4 调速器的功用、形式 调速器是根据发动机负荷变化而自动调节供油量，从而保证发动机的转速稳定在很小的范围内变化。 型式:按功能分有两种调速器、全速调速器、定速调速器和综合调速器;按转速传感分有气动式调速器、机械离心调速器和复合式调速器。 3.1.5 机械离心式调速器的工作原理 机械离心式调速器是根据弹簧力和离心力相平衡进行调速的，工作中，弹簧力总是将供油拉杆向循环供油量增加的方向移动;而离心力总是将供油拉杆向循环供油量减少的方向移动。当负荷减小时，转速升高，离心力大于弹簧力，供油拉杆向循环供油量减少的方向移动，循环供油量增加，转速又升高，直到离心力和弹簧力平衡，供油拉杆才保持不变。这样转速基本在很小的范围内变化。 反之当负荷增加时，转速降低，弹簧力大于离心力，供油拉杆向循环供油量增加的方向移动，循环供油量增加，转速升高，弹簧力又小于离心力，供油拉杆又向循环供油量减小的方向移动，循环供油量减小，转速又降低，直到离心力和弹簧力平衡。 3.1.6两速调速器 两速调速器适用于一般条件下使用的汽车柴油机，它只能自动稳定和限制柴油机最低与最高转速，而在所有中间转速范围内则由驾驶员控制。 3.2 油量调节原理 为了适应柴油机负载的要求，喷油泵的供油量必须能够在最大供油量(全负荷)到零供油量(停车)的范围内进行调节。供油量的调节是通过齿杆、转动套使喷油泵的全部柱塞同时转动来实现的。 当柱塞转动时，供油开始时间不变，而供油终了时间，则由于柱塞斜边对柱塞套回油孔的改变而变更了。随着柱塞转动的角度不同，柱塞的有效行程也就不同，因而供油量也随之改变。 当柱塞逆时针转动一个角度时，有效供油高度由h1减少为h2，供油量减少。 柱塞对于供油位1转动的角度越大，则柱塞上端面到打开柱塞套回油孔的斜边距离也越小，供油量也就越小。如将柱塞上的纵向槽转到正对着柱塞套上回油孔。此时，在整个柱塞行程中，柱塞套内的燃油一直通过纵向槽、回油孔流回油道，没有压油过程，故供油量等于零，即柴油机停机。 10 南通职业大学毕业设计(论文) 3.2.1拨叉式油量调节机构 它由调节臂3、调节叉2和供油拉杆1等零件组成。调节叉(拨叉)的数目与分泵数相同。 在柱塞4的下端压装着调节臂3，调节臂的端头插在调节叉2的凹槽内，调节叉用螺钉6固定在供油拉杆1上，供油拉杆两端支撑在壳体的村套中，并用定位导向槽防止转动。供油拉杆的轴向位置由驾驶员或调速器来控制。 若移动供油拉杆时，调节叉就带动调节臂及柱塞相对柱塞套转动，从而改变了柱塞的有效行程，调节了供油量。由于各分配泵的调节叉均用螺钉固定在同一个供油拉杆上，所以供油拉杆移动某一距离时，各分泵柱塞旋转相同的角度，各缸供油量作相同的调节，保证了各缸供油量的均匀性。 拨叉式油量调节机构结构简单，制造方便(尤其是柱塞)，易于修理，又便于加大柱塞直径，适应柴油机功率增大的需要。(如图3.2.1所示) 1-供油拉杆 2-拨叉 3-调节臂 4-柱塞 图3.2.1拨叉式油量调节机构示意图 3.2.2齿杆式油量调节机构 旋转村套5松套在柱塞套1上，旋转村套5的上端套有齿圈4，它们的相对位置用螺钉固定，柱塞2的下端有凸耳与旋转村套5下部的切槽滑动配合，齿圈4与齿杆3上的齿啮合，齿杆3由驾驶员或调速器操纵。当齿杆3轴向移动时，齿圈4连同旋转村套5带动柱塞2下端的凸耳从使柱塞2转动，以改变供油量。 各缸供油均匀性和最大供油量，可通过改变齿圈4与旋转村套5的相对位置(即转动柱塞2的位置)来调节。拨叉式油量调节机构结构简单，加工方使，成本低，齿杆式油量调节机构传动比较平稳，但结构复杂，成本高。 11 南通职业大学毕业设计(论文) 3.3 喷油提前调节器原理 ?供油提前角调节的必要性 供油提前角过大时，燃油是在汽缸内空气温度较低的情况下喷入，混合气形成条件差，燃烧前集油过多，回引起柴油机工作粗暴，怠速不稳和起动困难;过小时，将使燃料产生过后燃烧，燃烧的最高温度和压力下降，燃烧不完和功率下降，甚至排气冒黑烟，柴油机过热，导致动力性和经济性降低。 最佳的供油提前角不是一个常数，应随柴油机负荷(供油量)和转速的变化，即随转速的增高而加大。 车用柴油机根据其常用的某个供油量和转速范围来确定一个供油提前初始角，其角的获得，可通过联轴器或转动喷油泵的壳提来进行微量的变化。因柴油机转速变化范围较大，还必须使供油提前角在初始角的基础上随转速而变化。因此车用柴油机多装有供油提前角自动调节器。 ?供油提前角自动调节的构造和工作原理 它装于喷油泵凸轮轴的前端，用联轴器来驱动，由主动件、从动件和离心件三部分组成。它是一个密封体，内腔充满润滑油。 当柴油机转速达设定值时:两个飞锤在离心力的作用下绕其轴销向外甩开，带动滚轮迫使从动盘带动凸轮轴沿箭头方向转动一个角度?θ，直到弹簧的张力与飞块的离心力平衡为止，这时主动盘又与从动盘同步旋转。此时，供油提前角等于初始角加上?θ。(如图3.2.2所示) 1-驱动盘 2-飞轮 3-弹簧 4-从动盘 5-滚轮 6-销钉 7-提前器盖 图3.2.2机械系供油提前角自动调节装置 12 南通职业大学毕业设计(论文) 当柴油机转速再升高时:飞块进一步张开，从动盘相对于主动盘又沿旋转方向向前转动一个角度，这样，随转速的升高，提前角不断增大，直到最大转速。 当柴油机转速降低时:飞块收拢，从动盘便在弹簧力的作用下相对于主动盘后退一个角度，供油提前角相应较小。 3.4 输油泵的原理 它主要由转子、定子、滑片及两侧盖板所组成。依靠偏心转子时泵缸与转子上相邻两叶片间所形成的工作容积的变化来输送液体或使之增压的回转泵。转子是具有径向槽的圆柱体，槽内安放滑片，滑片可以在槽内自由滑动。在转子偏心地安放在泵体内，当转子由原动机带动旋转时，滑片依靠离心力或弹簧力压紧在泵体的内壁上。在转子前半转，相连两叶片所包围的空间逐渐增大形成局部真空而吸入液体。而后半转，此空间逐渐减小，挤压液体，将液体压送到排出管中。 4 柴油机的控制技术 ?概述:柴油机电子控制技术始于20世纪70年代，20世纪80年代以来，英国卢卡斯公司、德国博士公司、奔驰汽车公司、美国通用的底特律柴油机公司、康明斯公司、卡特彼勒公司、日本五十铃汽车公司及小松制作所等都竞相开发新产品并投放市场，以满足日益严格的排放法规要求。 由于柴油机具备高扭矩、高寿命、低油耗、低排放等特点，柴油机成为解决汽车及工程机械能源问题最现实和可靠的手段。因此柴油机的使用范围越来越广，数量越来越多。同时对柴油机的动力性能、经济性能、控制废气排放和噪声污染的要求也越来越高。依靠传统的机械控制喷油系统已无法满足上述的要求。 近年来，随着计算机技术、传感器技术及信息技术迅速发展使电子产品的可靠性、成本、体积等各方面都能满足柴油机进行电子控制的要求，并且电子控制燃油喷射很容易实现。 经过多年的研究和新技术应用，柴油机的现状已与以往大不相同。现代先进的柴油机一般采用电控喷射、高压共轨、涡轮增压中冷等技术，在重量、噪音、烟度等方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平。现在，柴油机电子控制技术在发达国家的应用率已达到60%以上。 柴油机电子控制系统主要用来提高柴油机的动力性能及净化排放。采用电子控制系统后也有助于减少拆偶记排烟中的未燃烬的碳微粒，降低柴油机运行时的振动和噪声，因为这些问题对柴油机而言尤为重要。采用电子控制系统后还能稳定柴油机的怠速工况。 13 南通职业大学毕业设计(论文) 柴油机电控技术与汽油机电控技术有许多相似之处，整个系统都是由传感器、电控单元和执行器三部分组成。(如图4.1所示) 图4.1 ?在电控喷射方面柴油机与汽油机的主要差别是:汽油机的电控喷射系统只是控制空燃比(汽油与空气的比例)，柴油机的电控喷射系统则是通过控制喷油时间来调节输出油量的打小的。 ?柴油机电控技术有两个明显的特点:一是柴油喷射电控执行器复杂，二是柴油电控喷射的多样化。 柴油机燃油喷射具有高压、高频、脉动等特点。其喷射压力高达200MPa，为汽油机喷射压力的百倍以上。对燃油高压喷射系统实施喷油量的电子控制，困难大得多。而且柴油喷射对喷射正时的精度要求很高，相对于柴油机活塞上止点的角度位置远比汽油机要求准确，这就导致了柴油喷射的电控执行器要复杂得多。 由于柴油机的喷射系统形式多样，传统的柴油机具有直列泵、分配泵、泵喷油器、单缸泵等结构完全不同的系统。实施电控技术的执行机构比较复杂，形成了柴油喷射系统的多样化;同时柴油机需要对油量、定时、喷油压力等多参数进行综合控制，其软件的难度也大于汽油机。 ?组成:柴油机电子控制系统框图如图4.2所示，在控制系统中采用了一台分配式喷油泵。 14 南通职业大学毕业设计(论文) 图4.2 4.1 柴油机油量电子控制技术 在柴油机喷油控制系统中，电子控制单元依据柴油机的实际转速及加速踏板所处的位置计算出喷入柴油机各汽缸内的基本油量。然后再与进气温度传感器、进气压力传感器及冷却水温度传感器送来的信号进行比较分析，以确定是否要对基本油量进行补偿，并计算出所需补偿的喷油量。采用这种方法可以得到柴油机实际运行时的最佳的喷油量。 ?当脉冲发生齿轮随油泵驱动轴一起旋转时，通过油泵转角传感器将产生一系列电磁脉冲信号。脉冲发生齿轮上有一部分无齿区，对应柱塞凸轮的凹面，该轮的有齿区对应于柱塞的升程段，即有燃油压力建立。 ?在脉冲发生齿轮由无齿轮区转到有齿区时，标志供油开始，但此时喷油器并不立即喷油，只有在驱动轴转过某一角度使柱塞上升至高压室的压力达到喷油器的开启压力时。 ?但发动机转速变化时，柱塞的线速度将会发生变化，柱塞的泄漏也将会有微弱的变化，这一点控制单元会按转速予以相应的补偿。一旦喷油量达到与发动机运行工况相适应的目标时，控制单元将开启溢流阀，使高压室的燃油泄压，此时喷油器停止喷射而与柱塞是否继续上升无关。(如图4.1.1所示) 15 南通职业大学毕业设计(论文) 1-脉冲发生器 2-驱动轴 3-油泵转角传感器 4-电磁溢流阀 5-高压腔 6-喷油 器 7-柱塞 图4.1.1柴油机燃油喷射量控制时序 4.2 柴油机喷油时刻电子控制技术 柴油机喷油正时控制(又称喷油提前角控制)，电子控制单元根据来自于柴油机转速、加速踏板位置及进气压力、温度等有关传感器的信号，计算出实时柴油机运行状态下的最佳喷油时刻，并用计时执行器来控制喷油起始时刻。 安装在柴油机曲轴和油泵驱动轴之间的计时执行器用来调整两轴之间的相位。电子控制单元检测来自输入转角传感器和相位转角传感器的两个脉冲信号到达电子控制单元的时间差来测定两轴的相位差，并驱动设在正时执行器中的正时控制阀，完成喷油起始时刻喷油提前角的反馈控制(如图4.2.1所示) 16 南通职业大学毕业设计(论文) 1-转角传感器 2-输入转角脉冲轮 3-发动机转矩输入端 4-计时执行器 供油提 前机构 6-油泵凸轮轴 7-提前角相位脉冲轮 8-提前角相位传感器 图4.2.1柴油机喷油正时控制方法 4.3柴油机进气切断阀控制 安装在柴油机进气管空气流道中的进气节流阀类似于汽油机中所使用的节气门。该进气节流阀的开度控制是由电子控制单元作出，主要用于降低柴油机怠速运行或停车时的振动。当柴油机喷油控制系统发生故障时，该进气节流阀只是部分开启，以减少空气进入量，防止柴油机飞车。 4.4柴油机怠速运行控制 柴油机怠速运行控制是根据控制系统中的传感器输出的信号，由电子控制单元计算出柴油机最佳的怠速转速，并对怠速运转时的喷油时刻进行反馈控制，使怠速运行得以稳定，达到最佳的水平。 4.5汽缸头部内电热塞的控制 当柴油机启动时，考虑到冷却水温度等因素，需要对设在汽缸头部内的电热塞的预热电流进行控制。除了缩短预热时间外，在柴油机启动后还要使电热塞表面维持一固定的温度，这样可以有效地稳定柴油机转速并减少排烟中的未燃烬的碳微粒。 17 南通职业大学毕业设计(论文) 4.6柴油机控制系统的执行机构 ?电磁溢流阀:电磁溢流阀安装在喷油泵柱塞油量分配器头部，根据电子控制单元发出的信号，通过开/闭在柱塞供油油路中燃油溢流回路进行喷油量的控制。 电磁溢流阀的结构如图4.6.1所示。通过对柱塞抬起高度的增减和溢流回路的通/断时间来控制喷油量。 图4.6.1电磁溢流阀剖面结构 ?正时(提前角)执行器:正时(提前角)执行器安装在柴油机曲轴和油泵凸轮轴之间，通过调整两轴的相位来控制喷油时间。相位的调整所需的动力是由喷油泵驱动扭矩提供。因为柴油机喷油泵需要消耗较大的扭矩力，故大多数柴油机电子喷油控制系统中的正时执行器采用液压来传递扭矩。通过电磁阀调整作用在液压活塞上的液压驱动力，电子控制单元就可改变转矩输入轴与喷油泵凸轮轴之间的相位，即改变看喷油提前角。(如图4.6.2所示) 18 南通职业大学毕业设计(论文) 1-偏心凸轮 2-喷油泵转矩输入端 3-变换器销轴 4-供油提前角变换器 5-电磁 阀 6-油泵凸轮轴 7-液压油腔 8-液压活塞 图4.6.2正时执行器机构 ?电子控制单元:柴油机电子喷油控制系统中的ECU工作电路原理框图如图4.6.3所示，其ECU的基本结构与汽油机燃油喷射控制中所阐述的电子控制单元(ECU)相同。(如图4.63所示) 图4.6.3电子控制单元 19 南通职业大学毕业设计(论文) 5 共轨式电控燃油喷射技术 ?概述:柴油机高速运转时，柴油喷射过程的时间只有千分之几秒。实验，喷射过程中，高压油管各处的压力是随时间和位置的不同而变化的。柴油的可压缩性质和高压油管中柴油的压力波动，使实际的喷油状态与喷油泵所规定的柱塞供油规律有较大的差异。 油管内的压力波动有时还会在喷射时之后，使高压油管内的压力再次上升，达到令喷油器针阀开启的压力，将已经关闭的针阀又重新打开产生二次喷油现象。由于二次喷油不可能完全燃烧，于是增加了烟度和碳氢化合物(HC)的排放量，并使油耗增加。此外，每次喷射循环后高压油罐内的残压都会发生变化，随之引起不稳定的喷射，尤其在低速区域容易产生上述现象。严重时不仅喷油不均匀，而且会发生间歇性不喷射现象。为了解决柴油机燃油压力变化所造成的缺陷，现代柴油机采用了一种称之为“共轨”的电喷技术。 5.1定义 共轨电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制装置(ECU)组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。 它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管，通过公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速变化的程度，因此，也就减少了传统柴油机的缺陷。(如图5.1.1所示) ECU控制喷油器的喷油量，其大小取决于燃油轨道(公共供油管)压力和电磁阀开启时间的长短。该技术不再采用传统的柱塞泵脉动供油的原理，而是通过共轨直接或间接的形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的启闭，定时定量的控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量，从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化，以及最佳的发火时间、足够的能量和最少的污染排放。(如图5.1.2所示) 20 南通职业大学毕业设计(论文) 图5.1.1共轨式电控燃油喷射系统原理图 5.2高压油轨(共轨管) 共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用，ECU-U2系统的共轨(如图5.2.1所示)。它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡，使高压油轨中的压力波动控制在5Mpa之下。但其容积又不能太大，以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。ECU-U2系统的高压泵的最大循环供油量为600毫升，共轨管容积为94000毫升。 高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器(限流器)和压力限制器。压力传感器向ECU提供高压油轨的压力信号;液流缓冲器(限流器)保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油，并可减小共轨和高压油管中的压力波动;压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时，迅速将高压油轨中的压力进行放泄。 从上述分析可见，精确设计高压共轨管的容积和形状适合确定的柴油机是非常关键的。 21 南通职业大学毕业设计(论文) 图5.2.1ECD-U2共轨管 5.3意义 柴油机共轨式电控燃油喷射技术集计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油器结构于一身。它不仅能达到较高的喷射压力、实现喷射压力和喷油量的控制，而且还能实现预喷射和后喷，从而优化喷油特性、减低柴油机噪声和大大减少废气的排放量，其特点为: ?采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀，使得喷油过程的控制十分方便，并且可控参数多，利于柴油机燃烧过程的全程优化。 ?采用共轨方式供油，喷油系统压力波动小，各喷油器相互影响小，喷射压力控制精度较高，喷油量控制较准确。 ?高速电测开关阀频率高，控制灵活，使得喷油系统的喷射压力可调范围大，并且能方便的实现预喷射、后喷等功能，为优化柴油机喷油规律、改善其性能和降低废气排放提供了有效手段。 ?结构移植方便，适应范围大，不像其他的电喷供油系统，对柴油机的结构形式有专门要求;尤其是高压共轨系统，与目前的小、中型及重性柴油机均能很好匹配，因而市场前景十分看好。 正是由于共轨式电控燃油喷射技术具有上述特点，所以该技术一经问世，就得到世界上大多数柴油机制造厂商的青睐，其中高压共轨系统被认为是20世纪内燃机技术的3大突破之一。现在国外许多内燃机方面的专家学者都在致力于该项新技术的研究。并着手开发新一代的高压共轨系统产品及其配套的产品。 22 南通职业大学毕业设计(论文) 目前，这一项技术的研究特点有: ?盖亚共轨系统的恒高压密封问题。 ?高压共轨系统中共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀。 ?高压共轨系统三维控制数据的优化问题。 ?微结构、高频响电磁开关阀涉及与制造过程中的关键技术问题。 6 影响柴油机的排放因素 6.1喷油正时 改变喷油正时，直接影响嫩烧始点，对排气质量的影响很大。延迟喷油，可以减少NOx的排放，但太迟的喷油会导致CO排放的增加。当喷油提前角比设定值提前1?CA x排放将提高约15%。 (曲轴转角)，No 对直喷式柴油机来说，在其他参数不变的情况下，加大喷油提前角，使滞燃期增长更多的燃料在着火前喷入混合，加快了燃烧速度，燃烧过程结束较早，使排气温度下降。由于燃烧速度加快，使CO排放下降很多，但由于滞燃期延长，一方面有更多的燃油被空气带走，产生较宽的贫油火焰外围区;另一方面撞击到壁面上的燃油增加，使HC排放增加，但过早喷油会引起较人的燃烧和较高就Nox排放量。 延迟喷油(减小喷油提HU角)降低了初始放热率，使燃烧最高温度降低，着火延迟期缩短因而减少了Nox的生成量。但在直喷式柴油机中，必将引起柴油机的排烟量增大使柴油机的排烟量增大，柴油机的动力性和经济性下降。 6.2喷油系统 提高油的初喷射速度，缩短喷油持续时间，则滞燃期内喷如的油量增加，排烟量减少因为滴漏时喷射压力不足，混合气雾化恶化，穿透力差，使排烟量增加。消除滴漏也可使排涸量减少。 喷油器的压力室容积大小对排放有一定的影响在燃烧过程的后期，喷油器的针阀虽已关闭，但压力室还储有一定量的燃油，尤其是孔式喷油器这部分燃油受高温影响而膨胀或蒸发，其中一部分也会进入燃烧室，这部分燃油不是在高压下呈雾状喷入，而是以滴蜡形式流入燃烧室，因此不能与空气正常混合燃烧，这样不但使柴油机性能变坏，而且会产生更多不完全燃烧的碳氢化合物(HC)及CO等排放物，同时也弃易增加喷油嘴件头部的积炭现象。压力室容积越大，燃烧室滴漏的柴油越多，对性能的影响越大，HC及CO排放量越多。 23 南通职业大学毕业设计(论文) 未来减小HC及CO的排放，应尽量减小压力室的容积因此日前采用了小压力室和无压力室等孔式喷油器。加大喷油泵和柱塞直径、可使供油速率增大，在相同供油，riYi况下，有效行程减小，供油和喷油持续期缩短，从而允许喷油有一定延迟而使Nox和CO浓度下降。另外，在喷油速率和喷油压力不变时，增大喷油孔孔径，可降低喷油嘴流阻，使Nox排放量降低。减少喷孔数目调整孔径，保持流阻相同，也能使Nox排放量降低。 6.3燃烧方式和燃烧室形状 目前大型柴油机及重型车用柴油机多采用直接喷射燃烧方式，轿车和轻型车及小型农用机械。为使用方便，多采用非直喷式燃烧方式。由于直喷技术的进步(喷射系统的小型化、高压化和高速化)，以及降低油耗和CO2排放的要求，高速轿车用柴油机也开始使用直喷式柴油机，并有增长的趋势。 通常情况下，分隔式燃烧室中，服室的壁温高，混合气浓度高。同时气流的运动速度也大，因而着火延迟期比直喷式短，火焰温度峰值低，不利于NO的形成。当燃料进入主室二次燃烧时，由于大里空气的冷却作用以及活塞开始下行此时对NO生成也不利。预燃室中的Nox比直喷式低得多，也比M过程低。 M过程由于燃烧室壁面油膜的蒸发和组织较强的空气涡流改善了混合气形成，使燃料处于高温过浓状态下的时间较短。此处由于热混合作用使高温嫩气聚集到燃烧室中心，从而减少了燃料蒸汽和高温燃气接触的机会，保证了和剩余空气的混合，故产生的碳烟较少。 碳烟主要在副燃烧室里生成，它们进入主燃烧室后大部分被氧化。在小负荷时，由于主燃烧室的温度较低碳烟氧化慢，所以作直喷式柴油机在部分负荷时的碳烟大于直喷式。改善非直喷式柴油机排放的重点也在副燃烧室。 副燃烧室的容积增大，可使碳烟的形成减少，但Nox增加。研究表明，涡流室的相对容积在52%左右时得出最住的碳烟与Nox的折中。预燃室的容积过大，会降低其中燃气的能量，影响预燃室中不完全燃烧的燃气与主燃烧室中空气的混合。所以。预燃室的相对容积应在25—30%之间。 英国泼金斯公司研制的挤流口燃烧室，由于燃烧室的收口作用，能产生较强的挤流分量，同高的进气涡流相配合，组成一个较强的复合涡流，使燃油与空气混合而使燃油强烈地蒸发喷雾，在很强的离心力作用，因混合气比重不同而将可燃混合气分层，与一般直喷式系统相比，该系统的喷油定时较迟使扩散火焰的温度降低，这不仅对降低Nox非常有效，而且由于较强的涡流也能使排气烟度大大降低。 24 南通职业大学毕业设计(论文) 日本五十铃公司研制的小松105系列柴油机MTCC燃烧室，是所谓的四角燃烧室，其燃烧室的门坑上部为四角形，下部为圆形，上下部连接处经切削加工，过渡圆滑。设计的主要目的是利用湍流来增加扩散燃烧阶段的混合速率，以便推迟喷油提前角，使预混合燃烧阶段的放热尖峰减小，Nox下降，使燃油消耗率和Nor的矛盾得以解决。靠近燃烧室中间斜置喷油器，以四个喷孔和一定的倾斜角度将燃料喷射在四个边部。采用螺旋进气道，以便在汽缸内形成适当的进气涡流，在燃烧室内除在上部形成主涡流外，在燃烧室凹坑四边拐角处由于气流分离和逆流而产生微涡流。这2个涡流的旋转方向相反，因而在交界处存在速度差，这就是湍流源。主涡流的强度大，微涡流的强度小，拐角处的涡流极不稳定，形成后很快被主流带走，在主流中形成扰动核心。燃烧室口部设计成有一定形状的收口，使空气深入凹坑时形成的挤流也产生微涡流在燃烧室纵剖而卜，四角形凹坑和圆形凹坑的交界面上，一方面燃烧室底部的气流旋转速度高(原因是先进入汽缸的空气流速最大，在压缩过程中来不及均匀混合，使燃烧室C、下部存在速度差)另一方面、燃烧室上部的四角形边部为涡流的障碍物，由于涡流的衰减效果与涡流速度的平方成正比，随转速的增高涡流越强时，作障碍物的边部作用就越大，涡流得到了适当衰减使旋转速度下降，因而在交界面上也存在着气流速度差，这也是个湍流源，这样就能兼顾高/低速的性能要求，使燃油分布受柴油机转速变化的影响而保持良好因此减少了Nox的排放量。燃油油束对着交界面喷射，最先通过低速大涡流区，然后通过湍流区最后达到下部高速大涡流区。由于油速直接喷向交界面，所以通过湍流区的时间长、油气混合最好，加上该燃烧室内到处存在涡流，空气运动充分，能保证获得较高的燃烧效率。与常规的深坑燃烧室相比，燃油消耗率下降，烟度下降，低速时的性能改善尤为明显。 复合式燃烧系统综合了直喷式燃烧系统和M燃烧系统的优点，燃油通过轴针式喷油器，喷到位于活塞顶上的燃烧室内。喷孔中心线与燃烧室侧壁基本平行，并保持一个小距离通过特殊设计的进气道在汽缸内产生强烈的空气涡流，燃油不直接喷到燃烧室壁面，而是喷到燃烧室外围。由于空气运动近似强迫涡流，颗粒较大的油滴散落在燃烧室壁面上，并形成油膜，这部分燃油以油膜燃烧方式进行混合燃烧细小油滴将随着气流运动，在到达燃烧壁面前被烧掉，这部分燃油的混合和燃烧是按空间式燃烧方式进行。采用复合燃烧系统后，与直喷式比较，Nox含量较低，并能适应多种燃料。 25 南通职业大学毕业设计(论文) 6.4增压对排放的影响 一、柴油机增压后，过量空气系数增大，燃料的雾化与混合均得到改筹，由于官氧使CO的消除反应加快。 二、NO的生成率随温度的上升而迅速上升。柴油机增压后，由于缸内温度升高，燃烧反应加快，NO生成相对较慢，NO的生成率增加缓慢。 综合以上因素，柴油机增压后，氮氧化物的生成率加快，排放物中氮氧化物的含里增加。 三、柴油机增压后，由于较非增压时富氧，缸内温度较高，燃烧反应加快，因而HC的消除反应增强，排放中的HC含量减少。 采用废气涡轮增压，可使进气压力提高，使整个循环的平均燃烧温度提高，若过量空气系数小变，由于氧化反应加快，HC和CO的浓度都下降。若过量空气系数减少，则HC和CO的浓度史低，如废气涡轮增压不带中冷，则由于进气温度提高而使燃烧最高温度升高，使Nox排放增加;若带中冷，则使Nox排放下降。 6.4柴油机的瞬间运转状态 柴油机冷起动时，燃油喷往中有部分燃油以液态分布在燃烧室壁上。在燃油自燃前，喷入汽缸内的燃油会以未燃的HC形式排出汽缸。喷入的燃油开始燃烧后，壁面上的燃油也不能完全燃烧，有部分蒸发后被排出，柴油机冷起动时排放的高浓度HC表现为白烟。 加速过程对柴油机工作过程的影响小于汽油机，非增压柴油机的正常加速几平是各稳定工况点的连续。涡轮增压机突然增加负荷时，涡轮增压器需要一段时间才能达到高负荷所对应的增压器转速和增压压力如无专门措施，增压柴油机加速时常会冒黑烟。 柴油机减速时，不喷油或只喷少量怠速所需的油，排放问题不大。 26 南通职业大学毕业设计(论文) 结 论 通过学习柴油机知道了关于内燃机的危害，内燃机有害排放物的行程机理、有害排放物的危害、有害排放物的影响因素。掌握柴油机排放的控制措施和柴油机排放控制技术。废气的排放是当今急需解决的问题。从喷油系统出发，提出改进排放的切实可行的方法，燃油与空气更好的混合技术，电控喷油技术，共轨技术，增压技术，从喷油器本身结构入手，提高喷射压力，减小喷油器本身的尺寸，给设计预留出更大的空间，制造出更好的燃烧系统，有效地消除未粒碳烟的生成量 27 南通职业大学毕业设计(论文) 参 考 文 献 [1]李春明. 汽车发动机燃油喷射技术. 北京理工大学出版社 [2] 蒋向佩. 汽车柴油机构造与使用. 机械工业出版社 [3]齐宝军. 柴油机高压共轨电控燃油喷射技术. 黑龙江交通科技. 2008 28 南通职业大学毕业设计(论文) 致 谢 在顺利完成此篇论文之时，我首先要感谢周冬老师对我的悉心指导，还要感谢我班的同学，在他们的帮助下，我圆满地完成任务，在此也感谢本文参考文献的所有作者和单位。 29