电控柴油发动机工作原理
电喷柴油发动机工作原理孟爱国主讲第一章
燃料与燃烧
第一节柴油的来源
1柴油是从原油中用蒸馏的方式提炼出来的也叫蒸馏馏出的温度叫馏分 2加热到250350℃时馏出的是柴油此外在350500℃时还馏出润滑油这种炼制方法是直馏法 3加热加压的方法叫热裂化法用催化剂裂解的方法叫催化裂化法催化裂化法柴油适用于高速柴油发动机 4柴油是含有多种烃类的混合物根据化学成分柴油可分为石蜡基环烷基和环烷芳香基三种其中石蜡基柴油适用于高速柴油发动机 5催化裂化法柴油的柴油热值是4220MJKg中国大庆原油直馏柴油的热值是4325MJKg热值又称能量密度第二章柴油混合气形成和燃烧
第一节柴油混合气的形成一柴油混合气的形成的特点 1燃料粘度大不易挥发必须借助于喷油器将柴油在接近压缩终了时刻采用高压雾化的方法通过高压以细小的油滴形式喷入缸内与高温高压空气强制混合后再燃烧  2混合形成时间极短τ 000070003秒15°35°曲拐转角  3由于混合时间极短所以混合气在缸内各处很不均匀喷油与燃烧重叠出现边燃烧边喷油边混合的情况因此要求空气对燃料的比例一般比汽油发动机大α 115220  4理想的混合气形成过程应该是燃料喷入燃烧室后在近可能短的时间内与周围空气均匀雾化混合形
成可燃混合气着火后继续喷入的燃料应及时得到足够的空气和混合能量以便迅速混合力求避免燃料直接进入高温缺氧区域引起裂化无效排除第三节柴油混合气的燃烧一柴油混合气的多点低温多阶段着火在柴油发动机缸内在活塞压缩终了时的温度约为600℃而柴油混合气的燃点是400℃左右此时喷入气缸内的燃油在高温空气高压和气流的扰动下要经过雾化氧化反应首先是氧化产物甲醛产生的冷焰继
续提高缸内温度接着继续生成以CO的蓝火焰形成热积累最终发生在缸内的多点的热爆炸二柴油混合气的燃烧过程 1滞燃期从柴油开始喷入气缸起到着火开始为止的这一段时期在滞燃期中柴油尚未着火仅进行着着火前的物理化学变化氧化反应速度与缸内气体压力和温度成正比 2急燃期从开始着火到出现最高压力为止的这一段时期混合气着火后形成多个火焰中心并各自向四周传播使混合气迅速燃烧放出大量的热量在极燃期中喷油器将燃油继续喷入燃烧室使混合气的提高而火焰尚未传遍整个燃烧室因而空气尚未被完全利用在急燃期中压力升高率较高因此伴随着燃烧的突爆声音也伴随着尖锐的对机件的敲击声如果噪声过大被称为柴油发动机的粗暴燃烧一般不大于0406MPaCA°由于工作粗暴所以缩短着火滞燃期和限制开始的喷油量是控制粗暴燃烧的两个主要的技术改进方向这也是电喷柴油发动机的目的 3缓燃期经过前期燃烧缸内含氧量已经下降此时完成的柴油混合气燃烧的速度有所下降压力变化不大但气体温度升高到最高值缓燃期的后期燃烧速度显著下降在缓燃期中喷入的燃油若喷到缺氧的废气区则油分子会因高温缺氧裂解并最终产生碳烟虽废气排到大气污染环境 4后燃期补燃期从缓燃期终点起到燃油基本烧完时为止时期在高速柴油发动机中由于燃烧时间短促燃油与空气的混合不均匀总有一些燃油不能及时烧完拖
到膨胀行程上继续燃烧特别是在高速高负荷时由于混合气较浓混合气形成和燃烧时间更短补燃量较大有时甚至继续到排气过程由于是燃烧放热是在活塞下行远离上止点其产生的热量主要加热发动机机体和废气上三燃烧过程存在的问题1混合气形成困难及燃烧不完全在高速发动机中混合时间太短属于非均质混合燃烧是排气冒烟废气温度高的主要原因常规做法是增大过量空气系数α＞1增加油空气的机会组织缸内空气的涡流加强空气油的强度电喷发动机采用预喷和精准控制喷油量和正时增加混合气形成 2燃烧噪声混合气的急燃期内压力急剧升高的压力直接使燃烧室壁面及活塞曲轴等机件受冲击而产生强烈振动并通过气缸壁传到外部从而形成燃烧噪声初期喷入缸内油量越多滞燃期越长所形
成的混合气数量就越多同时着火爆燃点就越多最高压力和平均压力升高率就越大柴油发动机工作粗暴机械负荷大  3排气冒烟急燃期喷入的燃油如果进入到高温缺氧的区域就会发生裂解聚合成碳粒不能燃烧而随废气排出形成排气冒黑烟白烟冷车启动时由于缸内温度低燃烧不良不同直径的柴油颗粒随废气排出受到光线的反射呈现不同的颜白烟是在061μm的颗粒构成蓝烟发动机在暖机过程是由更小的柴油颗粒构成06μm以下 4有害的废气成分        Ppm单位我国有害最大浓度的大致范围2001年柴油发动机排放的微粒柴油发动机排出的废气对人的危害 1NOX氮氧化合物可以形成二次污染物如臭氧它可以造成肺部及呼吸系统失调 2PM微粒微粒物质悬浮在空气中影响可见度可以导致肺部及心脏疾病可以增加致癌的概率 3CO一氧化碳与血液中的血红蛋白结合降低人体氧气输送能力可以导致头痛眩晕等问题 4CnHm碳氢化合物可以导致眼睛喉咙肺部过敏炎症而且有毒且致癌四减轻柴油发动机排气污染的途径 1增压中冷通过
增压增加空气量提高控燃比使柴油分子更能容易到氧分子保证燃油充分燃烧提高进入气缸的空气密度使发动机的新鲜充量增加提高发动机的平均有效压力从而提高功率同时再用空空中冷器冷却增压空气到接近环境温度降低微粒排放3040NOX  可以降低6070 2在保证增压中冷的前提下采用电控燃油喷射可以进一步降低微粒排放和NOX同时可以优化燃烧达到节能的目的  3降低机油消耗一般机油消耗在051wei为正常技术状况良好的为0306由于机体温度较高有些机件易实效所以控制消耗主要是加强活塞组气门组废气循环组和涡轮增压器的检查 4排气后处理用氧催化转换器降低HCCO和微粒中的有机成分用为微粒过滤装置捕集排气中的微粒第五节影响燃烧过程的主要因素与汽油混合气燃烧机理不同柴油混合气是一种缸内多点着火非均质燃烧过程而且只在活塞压缩终了时在缸内发生混合其混合时间极短要在000300007秒内完成所以经常处在混合气形成与燃烧过程交错在一起由于存在燃烧过程的不均匀性除了完全燃烧的产物外还存在着因局部乏氧产生的热分解的不完全燃烧的产物即以碳烟为主的颗
发动机调速器粒状物和后续的燃烧过程形成只加热废气温度的补燃期 1喷油正时的影响①喷油提前角偏大使得燃油喷入缸内时空气的压力和温度较低着火延迟期较长压力升高率和最高燃烧压力增大导致柴油机工作粗暴喷油提前角偏大使得柴油机冷启动和怠速时空气温度更低导致启动困难怠速不良喷油提前角偏大还会使压缩负功增大功率下降油耗增加②喷油提前角过小则燃油不能在上止点附近燃烧完毕补燃量增加虽然压力升高率较低但排气温度升高废气带走的热量增加缸盖温度过热进气效率下降同时废气涡轮增压器废气涡壳热负荷过大有关零件会因热负荷过大热应力增加而加速损坏  2喷油速率的影响喷油速率对柴油发动机
的性能有很大影响为要实现平稳有效的燃烧比较理想的喷油速率是先缓后急即德尔塔三角形这就是说在滞燃期内喷入气缸内的油量不宜过多油空气充分混合均匀燃烧迅速以控制速燃期的最大燃烧压力和平均最大压力升高率保证柴油发动机能平稳运转及较小的燃烧噪声而着火后应以较高的喷油速率将燃油喷入气缸在先期着火形成的热涡流作用下可以迅速形成均匀的混合气改善燃烧停油时应干脆迅速脉宽调制喷油量在一定范围内随喷油脉宽的延长而线性增大喷油脉宽一定时喷射压力越大喷油量越大第三章电控柴油发动机的原理柴油发动机电控技术的特点和难点 1通过改善混合气燃烧过程从而改善发动机的性能和排放所运用的单片机的控制系统都是在各种发动机转速负荷下主要数字确定①曲轴相位每循环岐管内空气和高压管内燃油的流体质量②提高柴油发动机的经济性和降低排放③统应能在不同的工况及工作条件下精确地控制喷油提前角并始终保持在最佳值以降低燃油消耗和减少排放污染  2对柴油发动机运行工况进行实时高精度控制一旦柴油发动机及其系统的运行参数或状态偏离目标值电控系统就能立节和控制从而实现对柴油发动机运行工况的实时高精度控制      4电控柴油发动机的喷油器有很好的可靠性和耐久性 5柴油发动机的燃烧性能和排放对喷油正时的精度和喷油速率很敏感柴油发动机电控技术有两个明显特点1电控执行器复杂2电控系统多样化 6目前发展的几代柴
油发动机电控技术主要差别是集中在柴油喷射的喷油器也就是电控喷射执行器上第一代的位置电控技术它用计算机控制的电磁伺服机构代替PT泵的调速器控制供油滑套位置以实现供油调整应用在MT3600B 172吨的矿用自卸卡车上保留了传统的燃油供应系统从柴油喷射的电控喷射执行器上的工作特点上划分
①第二代称为时间控制执行器第二代重点是在保证接近近理想化空燃比供油的前提下精确决定供油正时改善燃烧过程缺点是供油压力受发动机转速影响大②第三代为时间压力控制执行器第三代柴油喷射的电控喷射执行器不但能够精确决定供油正时而且供油速率可以按照德尔塔三角形等理想化模式喷油不受转速和负荷影响第二节电喷控制的最基本原理一控制核心喷油器中的高速强力电磁阀承担着喷油控制任务 1它必须能够快速开启以保证喷油定时准确和迅速形成高压快速关闭以保证喷射的快速切断和稳定卸载 2采用高压驱动并利用PWMPulse Width Modulation脉宽调制控制方式产生维持电流提起喷油针阀决定喷油量定时器从当前传感器提供的基准信号的到来时刻开始计数计满个数使控制下一缸喷油器的高速输出端口发出高电平触发信号使喷油器开启高速电磁阀时间后关闭这样就完成了一次喷油过程
第三节电控喷射执行器的工作原理分析说明由于柴油发动机的电控技术难度和复杂都在电控喷射执行器而且电控系统发生任何故障最终都会在电控喷射执行器产生不正常的现象所以分析电控喷射执行器的结构和工作原理就十分重要一EUPElectric Unit Pump电控喷射执行器的工作原理  1运用该执行器工作在TEREX  TR50矿用重型汽车 Cummins QSX15C525电喷发动机上这是北方重型汽车股份有限公司在2005年以后向露天矿推出的产品 2系统构成整个燃油供应系统是主要由输油泵电控单元电控单体泵总供油高速电磁阀总正时供油高速电磁阀和调压器脉动阻尼器传感器等组成每个缸的EUP都有一个单独的凸轮轴驱动来实现燃油高压建立过程和燃油喷射过程最高喷射压力可达241MP这两个过程在时序上不能完全分开喷油压力要受发动机转速限制是属于第二代电控喷射执行