柴油机喷油系统与电控柴油机

第六章柴油机喷油系统与电控柴油机§6-1柴油机喷油过程几何供油规律和喷油规律几何供油规律：从几何关系上求出的喷油泵单位凸轮转角（或单位时间）喷油泵供入高压油路中的燃油量随凸轮转角φ（或时间t）的变化关系。几何供油规律完全由柱塞的直径和凸轮型线的运动特性决定。式中，fp——柱塞面积，（mm2）；dp——柱塞直径，（mm）；ωp——有效行程段的柱塞平均速度，（mm/°CaA或mm/s）。喷油规律：在喷油过程中，单位凸轮转角(或单位时间)从喷油器喷入气缸的燃油量随凸轮转角φ(或时间t)的变化关系，即喷油规律与几何供油规律的不同：1由于高压油管的压力波从泵端到嘴端需要时间；2由于高压油路中燃油的可压缩性等因素的影响；3考虑燃油在高压下通过柱塞偶件间间隙的泄漏。泵油过程的节流现象泵油过程的泄漏现象泵油过程的泄漏现象喷油规律的确定１．试验测定法（1）压力升程法：由喷油嘴的喷孔流量方程知，瞬时喷油速率与喷孔流通截面、喷孔前后的压差有关，计算公式为式中，μf——喷油嘴有效流通截面积（mm3），np——喷油泵的转速（r/min）ρf——燃油密度（kg/m3）Δp=p-pZ，喷孔前油压及气缸内气体压力，（Ｐa）压力-升程法的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ：1喷油压力的测定2μf的测量（２）波许长管法：是在喷油泵试验台上测定喷油规律的常用方法，从喷油系统喷出的燃油进入细长管组成的波许长管仪中，测量细长管内的压力随时间变化来测定喷油规律。式中，Ｆ——细长管截面积Ｖ——燃油在细长管中的流速非稳定流中一元压力波p(t)可用下式表达：简化得喷油速率表达式测得长管压力波的变化，即可求得喷油规律。一、喷油泵的系列化和工作能力评价指标柱塞式喷油泵系列化：对某一功率、转速段柴油机可采用外形尺寸、结构型式、缸心距相同的喷油泵，用缸数增减、置换不同柱塞直径、凸轮型线和升程、出油阀减压容积等少量互换零件和进行供油量、转速等调整参数的调试来满足不同柴油机配套，形成一个系列。第六章柴油机喷油系统与电控柴油机§6-2喷油调节系统的结构参数与调整参数选择1．最大循环供油量：喷油泵循环供油量的大小与众多参数有关，但主要参数是柱塞直径和一定凸轮轴转角内柱塞有效行程。对某一种系列泵，设减压容积为零，取喷油泵的最大柱塞直径，按所用切线凸轮的最大几何速度对应的凸轮升程小mm处为供油终点，取7°(或4°）CaA供油持续期内的柱塞有效行程计算的循环供油量，定义为喷油泵的最大循环供油量，它是喷油泵的几何供油量极限值，没有考虑出油阀减压作用和高压液体特性的影响。2．最大平均供油速率：喷油泵在供油持续期内每度的平均供油量，最高平均供油速率是最大循环供油量的条件下，取7°（或4°）CaA供油持续期作计算依据求得。3．最大许用泵端压力：喷油泵所能承受的最大峰值泵端压力。泵端峰值压力决定了凸轮、挺柱体、泵体等零件的受力和强度、刚度，对喷油泵工作可靠性产生影响。4．最高工作转速：转速增大，往复运动件的惯性力增大，超过柱塞弹簧作用力会使滚轮与凸轮之间飞脱，产生冲击。此外，与之匹配的调速器也有一工作极限转速。系列型号嘴端最高喷油压力/MPa单缸最大功率/kW用途M5520轿车与小型运输工具柴油机A7527轻型、中型载重车、拖拉机与其他用途柴油机MW11036P1…30009555P7100…800013055重型载重车与其他用途柴油机Bosch公司直列泵系列示例二、喷油泵参数的选择1．柱塞直径dp和有效供油行程he由柴油机标定工况点燃油消耗率和功率可计算出柴油机所需的循环喷油量：式中，Pe——柴油机标定功率，kW；be——标定功率点燃油消耗率，；n——柴油机转速，r/min；i——柴油机气缸数；ρf——燃油密度，g/cm3；Z——柴油机的冲程数。根据柴油机标定点循环供油量、气缸直径、燃烧室型式、是否增压等，参考表6-1，选择喷油泵种类型号，并选定减压容积。此外，减压容积可用下式校验数值大小：式中，pp——喷油泵最大泵端压力，MPa；p0——喷油器开启压力，MPa；V——高压油路容积，mm3；（对中小功率柴油机，此值大约在1500～2000mm3之间）E——燃油弹性系数，2000～2500MPa所选喷油泵必须保证的循环供油量Vp=Vb+Vj，且式中ηf为喷油泵供油系数，ηf取值在～，ηf大小主要与柱塞进回油孔处的节流有关。节流大者，取大值。而柱塞直径dp与有效行程he之比m1，根据已配装的柴油机统计值，m1=4.5～，故可得出柱塞直径dp柱塞直径增大，供油速率增大，在相同供油量情况下，有效行程减小，供油和喷油持续期缩短，从而缩短柴油机的燃烧期，改善性能。但加大柱塞后初期喷油量高，柴油机运转粗暴，此外凸轮承受接触应力也加大。2．凸轮最大升程、供油持续期和供油预行程确定根据燃烧室型式选择一种凸轮型线，由此确定最大升程H。为便于比较各种凸轮型线对柱塞速度的影响，可用速度系数C表示，它是喷油泵转速为1000r/min时的速度值，这样对任一发动机转速可方便求得柱塞供油速度，对中小功率柴油机用喷油泵，一般速度系数最大值在m/s以下。喷油泵凸轮多采用切线凸轮。一般情况下喷油泵的有效供油行程在升速段，且供油最迟在最大速度点对应升程前mm处结束，这主要是考虑减小凸轮表面与滚轮间接触应力，接触应力最大允许值为1900MPa。喷油泵凸轮也有采用函数凸轮，一般是指小圆弧段采用余弦函数，这样可使切线段延长。升速段升程可加大10%左右，以提高平均供油速率，见图6-9。从图中加速度曲线知：采用函数小圆弧凸轮的另一优点是减速段的加速度变化（即惯性力）与柱塞弹簧力变化相一致，这对喷油泵的零件设计是有利的。预行程h0增大，供油初始速度增大，平均供油速率随之增大，供油持续期缩短，从而可提高喷油压力和喷油速率，强化喷油过程，改善柴油机性能。预行程大小可通过喷油泵挺柱总成高度的大小予以调整。3．出油阀结构和减压容积出油阀的功用：1通过锥面密封，不供油时隔断柱塞腔和高压油路，保持高压油路中有一定的燃油量；2密封锥面下的圆柱形的环带，形成减压高度为hj的减压带。常用等容出油阀。3．出油阀结构和减压容积等容出油阀的缺点：1高速大负荷时，容易产生二次喷射；2低速小负荷时，容易产生“穴蚀”现象。出油阀减压容积Vj愈大，高压油膨胀愈多，使高压油路中的油压下降愈多，不喷油时油管中的残余压力愈低。残余压力降至零甚至可能出现真空，压力传感器测出的压力值仍为零。从真空到高压，从高压到真空的过程中，将产生一系列的气泡产生与溃灭过程，对高压油路的零件产生穴蚀。三、喷油特性对柴油机性能的影响1、喷油压力1）喷油压力提高的趋势2）和柴油机燃烧室类型有关喷油压力/MPa平均有效压力/MPa升功率/kW/L●平均有效压力（在最大转矩时）○升功率图喷油压力提高后的柴油机平均有效压力与升功率图各种燃料供给系统所能达到的喷油压力范围喷油特性对柴油机性能的影响1、喷油压力图油滴平均直径和烟度随喷油压力的变化规律喷油始点/℃A有效燃油消耗率g/kW.hNOx/g/kW.h烟度/FSN轨压图共轨压力及喷油定时对柴油机性能的影响（1400r/min全负荷工况）图不同燃料供给系统喷油压力的比较喷油特性对柴油机性能的影响2、喷油和供油提前角，喷油持续期供油提前角θfd就是喷油泵安装于柴油机上，喷油泵柱塞关闭进回油孔开始压油时的曲轴转角。也可以认为是出油阀开始供油时刻。它可以在停车状态，用溢流法检查。用控制供油提前角θfd的方法保证喷油提前角θfj，两者的差值是喷油延迟角θx。θx由高压油管长度、柴油机转速等参数决定。油管愈长，θx值愈大；转速愈高，θx值愈大。对多缸机而言，各缸用高压油管长度应当一致。供(喷)油提前角根据不同工况应有一最佳值。从动力性经济性考虑，负荷增加，喷油量增大，喷油持续期加长，喷油提前角应增大，这样才能保证燃料在上止点附近燃烧及时；转速增大，最佳供油提前角应增大。不同形式的柴油机燃烧方式不同，供油提前角变化也不相同，分隔式燃烧室所需的供油提前角较直喷式燃烧室相应要小一些，且对转速、负荷变化敏感性小。对增压柴油机，缸内压缩温度和压力较高，着火滞燃期短，故供油提前角也应小一些。从减少有害排放物考虑，若需降低NOx，供油提前角比从热效率最高考虑的要小一些，即推迟喷油，但此时为不过分降低热效率，需加大供油速率；从燃烧噪声考虑，降低dp/dφ和Pz也应取较小的供油提前角。最理想的区域排放提前喷油始点推迟CO/10-6NOx/10-6有效燃油消耗率燃烧噪声声级/dB（A）HC/10-6烟度/FSN供(喷)油提前角根据不同工况应有一最佳值。机械式燃油供给系统实现最佳的措施：1）用改变柱塞头部形状来适应负荷变化与起动工况的要求。供(喷)油提前角根据不同工况应有一最佳值。机械式燃油供给系统实现最佳的措施：2）采用离心式转速提前器。工作原理：利用提前器内飞锤产生离心力和弹簧力的平衡关系，改变两轴的相对角度，以调节供油提前角。图　SA型供油提前器的立体结构图1－从动盘　2－飞锤销　3－喷油泵凸轮轴　4－飞锤　5－驱动盘　6－轴承罩　7－外壳　－凸轮轴的调节角度喷油特性对柴油机性能的影响3、喷油泵的速度特性定义：喷油泵在油量调节齿杆位置不变时，每循环喷油量Vb随油泵转速np(或柴油机转速)变化的特性。喷油特性对柴油机性能的影响3、喷油泵的速度特性改变喷油泵的速度特性方法：改变出油阀形状与结构参数。——液力校正作用：利用出油阀上间隙和小孔德节流作用，削弱出油阀在柴油机低速范围内减压作用，达到增加喷油量、改善喷油泵速度特性的目的。喷油特性对柴油机性能的影响3、喷油泵的速度特性在调速器中用弹簧机构或凸轮机构在速度特性上改变柱塞有效行程。——机械校正图　VE分配泵全程调速器油量校正的工作大原理a）正校正方式　b）负校正方式1－起动杆　2－校正弹簧　3－调速弹簧　4－张力杆　5－限位销　6－校正杆　7－校正销　8－油量调节套　9－起动弹簧　10－校正销头部　11－限位点　M2－活动销（1和4的转动枢轴）　M4－活动销（1和6的旋转枢轴）　FM－滑套力　s－油量调节套行程喷油特性对柴油机性能的影响增压柴油机的增压补偿器(LDA)图　RSV调速器的增压补偿装置（LDA）及其对调速器特性的影响a)　LDA装置结构图　　b)　LDA装置对调速器特性的影响1－螺柱　2－平面垫片　3－膜片　4－弹簧　5－滑套　6－摇臂轴　7－摇臂　8－连接板　9－喷油泵齿杆　10－调速器壳体　11－起动弹簧　12－调速器后盖　13－牵引杠杆　pL－增压空气压力喷油特性对柴油机性能的影响4、喷油规律对柴油机性能的影响喷油特性对柴油机性能的影响4、喷油规律对柴油机性能的影响理想的喷油规律特性：1）初期喷油率低，主喷射段喷油率应逐步增大，后期喷射率应快速下降(断油干脆)。2)随负荷增加，喷油规律形状丰满度应逐步提高(适应负荷变化的要求)。3)沿外特性工作时，喷油规律形状应由靴形(或三角形)向矩形组合逐步过渡。喷油规律图有旋流的直喷式柴油机所要求的理想喷油规律柴油机负荷柴油机转速分段喷射噪声矩形燃油耗预喷射烟度和噪声矩形烟度和扭矩梯形烟度和NOx靴形NOx迟后NOx催化后喷射图带预喷和后喷射时的理想喷油规律四压燃式内燃机喷油器的结构与参数选择1、喷油器的结构形式1）普通喷油器：传统结构，上置弹簧顶杆长，质量大，针阀上升和下降时间所占喷油时间将相对较长。2）下置弹簧的低惯量喷油器：弹簧下置，顶杆质量大大减小，改善了喷油过程。低惯量喷油器问题：弹簧外径小，受热负荷大，对弹簧质量要求相对提高。为进一步减小运动惯量，可采用减小针阀直径的方法进一步减小喷油器的运动惯量。如P系列喷油器，它的针阀直径为ф4mm，较常用的S系列喷油器（针阀直径ф6mm）运动件质量减少了一半以上，此外喷油器外径大大减小，有利于气缸盖鼻梁区的结构布置。2喷油器调整参数——开启压力p0燃油压力作用于针阀在盛油腔内的锥面上，当油压达到开启压力p0时，针阀被开启，喷油器开启压力p0的计算公式为式中，dn——针阀直径；ds——针阀座面密封直径。而当喷油接近结束时，盛油腔内油压下降，针阀又在弹簧压紧力的作用下下行，针阀落座关闭时停止喷油，此时的油压称之为喷油器的关闭压力ps：P0>Ps关闭压力愈接近开启压力，则喷雾质量愈好，即减小座面密封直径也可改善雾化质量。高压油管内的峰值压力pN一般是p0的2～4倍。轴针式喷油器，开启压力p0一般在12～15MPa；孔式喷油器，对中小功率柴油机，p0值为18-25MPa，对大功率柴油机，p0一般在30MPa以上。 喷嘴流通特性：喷孔流通面积与针阀升程的关系3、喷油器喷孔面积和流通特性mm，mm，在满足喷油嘴流通截面的前提下，应尽可能减少针阀升程。喷孔流通截面大小取决于供油速率和发动机结构型式。喷孔面积大，喷油压力低，喷油速率降低，喷油持续期短，喷油雾化质量变差；但喷孔面积过小，则喷油压力高易于产生不正常喷射，可用下式校验最大喷孔面积fz的大小式中，Vb­——循环喷油量，mm3/st.，由式（6-7）计算；μ——喷油嘴的流量系数，μ～；z——喷油持续期，（°CA），20～30°CA；n——柴油机转速，r/min；Wz——喷油平均流速，200～300m/sfz确定后，对孔式喷油嘴喷孔直径可以确定：式中，i为喷孔数。4、喷雾锥角及其喷油油束在燃烧室的分布5、喷油嘴压力室容积孔式喷油嘴针阀密封座面以下的容积称之为压力室容积。喷油结束时，针阀落座关闭，但压力室中存有燃油，且此部分燃油靠高温蒸发无喷射状态下进入燃烧室内燃烧，燃烧不完全，使经济性、排放指标变坏。目前压力室容积一般都可小到２mm3以下.它主要对HC排放产生影响。第六章柴油机喷油系统与电控柴油机§6-3电控柴油机和电控喷油系统图柴油机电子控制（EDC）系统框图第六章柴油机喷油系统与电控柴油机§6-3电控柴油机和电控喷油系统图热敏电阻式温度传感器a）结构简图b）特性曲线1－电路接头　2－传感器壳体　3－密封垫　4－连接螺纹　5－热敏电阻　6－柴油机冷却水图半导体压敏电阻式压力传感器a）工作原理b）结构简图1－带应变电阻的薄膜　2－带集成电路的硅晶片　3－真空室　4－耐热玻璃（硼硅酸玻璃片）　5－惠斯登电桥　6－外壳　7，8－电路接头　9－压力接口　U0－参考电压　UM－测量电压　　R1－应变电阻（压）　R2－应变电阻（拉）第六章柴油机喷油系统与电控柴油机§6-3电控柴油机和电控喷油系统图　同时测量压力与温度的组合型传感器a）传感器结构及其安装情况b）压力传感器的电压输出特性1－NTC温度传感器　2－传感器壳体　3－进气管壁　4－密封圈　5－电路接头　6－外盖　7－压敏电阻式压力传感器8910时间输出电压图　曲轴转速与上止点位置传感器a）结构与工作原理图b）输出信号1－永久磁铁　2－传感器壳体　3－柴油机机体　4－软铁芯　5－绕组　6－气隙　7－带正时记号的触发轮　8－齿顶信号　9－齿槽信号　10－齿缺信号第六章柴油机喷油系统与电控柴油机§6-3电控柴油机和电控喷油系统图热膜式空气质量流量传感器a)结构与工作原理　b)电压输出特性1－电路接头　2－进气管　3－集成电路板　4－热膜元件　5－传感器壳体　6－分流管7－流出分流管的空气量　8－流进分流管的空气量图油门踏板位置传感器（旋转式电位计）的工作原理柴油机电控喷射按控制方式分有两大类，一类是早期研究开发、现阶段不断完善的位移控制。a)用线位移或角位移的电磁液压或电磁执行机构控制油量调节（齿杆位移，拨叉位移）和提前器运动装置的位移，实现循环喷油量和喷油正时的电控b)改变柱塞预行程的办法，可实现变供油速率的电控，从而满足高压喷射中高速大负荷和低怠速喷油过程的综合优化控制。典型产品有直列柱塞泵或转子分配泵电控系统，电控调速器，单体泵或泵喷嘴的电控系统等等。第六章柴油机喷油系统与电控柴油机§6-3电控柴油机和电控喷油系统另一类是时间控制，该类电控高压喷射装置工作原理与传统机械式的完全不同，在高压油路中利用一个或二个高速电磁阀启闭控制喷油泵和喷油器的喷油过程。喷油量控制由喷油器的开启时间和喷油压力大小决定，而喷油定时为控制电磁阀的开启时刻，从而可实现喷油量、喷油定时和喷油速率的柔性控制和一体控制。控制原理类似与汽油机的电控喷射，但前者的功能更多，难度更大。其典型产品是共轨喷射系统、带高速电磁阀控制的VE泵系统（如日本的ECD-2系统、ECD-V3系统）、新型高压单体泵(UPS)、泵喷嘴(UIS)和共轨(CRS)电控系统。脉谱(MPA)图：为实现对柴油机喷射过程控制的优化，存储在柴油机电控系统ECU中的曲线和图表包括一些在产品开发过程中通过大量试验总结出的综合各方面要求的目标值。一直列泵滑阀式电控系统二电子调速器P——Proportion；I——integration；D——differentiationPID——比例-积分-微分控制三分配泵电控系统1电控VE泵三分配泵电控系统四电控单体泵和电控泵-喷嘴图　电控泵-喷嘴系统（UIS）和单体泵系统（UPS）简图a）带两个ECU的UIS　b）UPS1－电控泵-喷嘴（EUI）　2－高压电磁阀　3－柴油机ECU　4－电控单体泵（EUP）四电控单体泵和电控泵-喷嘴图　电控单体泵系统1－喷油器　2－高压管接头　3－高压油管　4－螺纹接头　5－行程限止器　6－阀芯　7－盖板　8－泵体　9－柱塞顶部高压腔　10－柱塞　11－柴油机体　12－滚轮挺柱销　13－凸轮　14－弹簧座　15－电磁阀弹簧　16－高压电磁阀　17－衔铁板　18－中间板　19－密封圈　20－进油　21－回油　22－柱塞导向套　23－挺柱弹簧　24－挺柱体　25－弹簧座　26－挺柱体　27－挺柱滚轮四电控单体泵和电控泵-喷嘴图　轿车柴油机用的电控泵-喷嘴1－球头销　2－回位弹簧　3－柱塞　4－壳体　5－电接口　6－电磁阀芯　7－平衡弹簧　8－电磁阀的针阀　9－衔铁　10－电磁阀线圈　11－回油　12－密封圈　]13－进油　14－阻尼器　15－针阀座　16－密封垫　17－柴油机燃烧室　18－针阀　19－锁紧螺帽　20－喷油嘴　21－柴油机气缸头　22－针阀弹簧　23－蓄压阀　24－蓄压室　25－柱塞头部高压窒　26－电磁阀弹簧　27－顶置凸轮轴　28－摇臂图　各种可控多次喷射示意图a）预喷射　b）先导喷射　c）后喷射四电控单体泵和电控泵-喷嘴图　电控泵-喷嘴预喷射的工作原理a）起始位置　b）预喷射开始　c）预喷射结束　d）主喷射1－柱塞　2－柱塞头部高压室　3－蓄压室阀　4－蓄压室　5－针阀弹簧　6－弹簧　7－弹簧四电控单体泵和电控泵-喷嘴图　喷油嘴预喷射对柴油机放热率和噪声的影响四电控共轨喷油系统1共轨中的油压大小根据发动机工况要求，由油压传感器把压力值测出输送给电控装置，所测压力与发动机工况所设置的最佳压力值比较，电控装置给出信号控制油泵控制阀启闭，使油压为最佳值，此压力值就是喷油嘴的喷射压力。喷油嘴的启闭由油嘴顶部液压活塞控制室中的油压决定。此油压大小取决于共轨中压力和三通电磁阀启闭的共同作用。当三通阀通电时，控制室的高压燃油流出，喷油嘴针阀因压力室内高压作用而上升，于是喷油开始。当三通阀断电时，高压油供到液压活塞顶部控制室，针阀下落，喷油停止。2喷油定时由接通三通阀的始点来控制，而喷油量由三通阀接通的持续时间来控制。3通过改变节流阀的设计实现理想的供油速率和喷油规律，达到低噪声、低NOx排放的目的。用共轨系统可以实现在传统喷油系统上无法实现的功能，主要有：1）共轨系统中的油压，柔性可调，对不同负荷和转速可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能，如喷射压力可不随柴油机转速变化，有利于增大柴油机低速时扭矩和改善低速烟度。2）可独立地柔性控制喷油定时，配合高的喷射压力（120～170MPa）,可同时控制NOx和微粒（PM）在较小的数值内，满足排放要求。3)柔性控制喷油速率变化，采用理想的喷油规律形状（预喷型、三角形或台阶形喷油规律），可降低柴油机NOx和dp/dα，又能保证优良的动力性、经济性。4)电磁阀控制喷油，控制精度高，高压油路中无空泡、残压为零的现象出现，因此在柴油机运转范围内，喷油量循环变动小，各缸不均匀得以改善，可改善发动机的振动，减少排放，对配用车辆来说，改善驾驶性能。