《柴油发动机原理》PPT课件.ppt

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42.20MJ/Kg，中国大庆原油直馏柴油的热值是43.25MJ/Kg。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，=0.00070.003秒（1535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。=1.152.20。 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的蓝色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0.40.6MPa/CA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1增加油找空气的机会，组织缸内空气的涡流加强空气找油的强度。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色。白烟是在0.61m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。0.6m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NOX CO CnHm PM微粒8g/kw.h 4.5g/kw.h 1.1g/kw.h 0.36g/kw.h 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1、NOX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。2、PM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。3、CO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。4、CnHm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找到氧分子，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3040%。NOX 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0.51%wei为正常，技术状况良好的为0.30.6%。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HC、CO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0.0030.0007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：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。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，油找空气充分 ，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：曲轴相位、每循环岐管内空气和高压管内燃油的流体质量。提高柴油发动机的经济性和降低排放。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：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。 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PWM（Pulse 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、EUP（Electric 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器。两组总供油高速电磁阀、总正时供油高速电磁阀分别为六个电控喷射执行器依次供油总供油，高速电磁阀的开启持续时间就是 决定供油量的大小。 20 片电阻栅的电阻柜GE交流控制柜小松 SSDA16V160 总马力 2700hp 5GDY106 电动轮GTA41 主发电机930E AC 驱动系统 AC Electric Drive电动顺序 电动轮 为卡车提供拖动力 主控组微处理器控制主要的推进操作 Directs Engine Power给电动论提供交流电 整流器将交流电转换为直流 逆变器利用产生可变频率的交流电提供给电动机交流发电机提供系统冷却风 动力系统构成: 发动机 发电机-通风机总成 高、低温水箱 进、排气系统 燃油系统 冷启动装置 动 力 系 统 概 述高低温水箱进气系统排气系统发电机燃油箱 燃油系统流程图 1.供油管接头2.正时油道执行器3.正时油道压力传感器4.正时油道出口5.燃油切断阀6.供油油道执行器7.供油油道压力传感器8.供油油道接头9.正时油道执行器10.燃油温度传感器 EN40000T 1、柱塞泵活塞 2、正时注油槽 3、正时活塞4、下活塞 5、计量油槽 6、喷油针阀 7、泄油槽 8、减压槽 1.正时油道2.回油油道3.供油油道 5、工作原理如下： 排油：当凸轮最高点与柱塞泵活塞接触时，柱塞泵活塞、正时活塞、下活塞和喷油针阀克服回位弹簧的张力向下移动，彼此接触，柱塞腔内无燃料油同时喷油针阀上的卸油道将减压槽与泄油槽连通。伸张：当凸轮的基圆与柱塞泵活塞接触时，柱塞泵活塞、正时活塞、下活塞和喷油针阀在各自回位弹簧作用下向上伸张，这时由于特殊结，正时活塞与下活塞脱离接触形成空腔。注油：当凸轮驱动柱塞泵活塞向下移动时，电控单元根据传感器提供的信息决定本循环的喷油提前角和喷油量后触发发动机一侧的总高速电磁阀开启，经缸体油道、正时供油槽进入柱塞泵活塞和正时活塞之间的油柱将两活塞刚性联接、同时将正时活塞紧密挤压在下活塞上。油柱越长喷油提前角越大。同样经缸体油道、计量油槽的燃油量进入喷油针阀油腔。喷油：当凸轮驱动柱塞泵活塞继续向下移动时，高压在喷油针阀油腔内建立，然后喷入气缸内燃烧室。当油柱与两活塞持续向下移动经过泄 油槽时通过泄油槽挤回油箱，但柱塞泵活塞、正时活塞和喷油针阀继续向下移动，直到喷油针阀的上的泄压槽与减压槽重合时喷油针阀油腔彻底泄压，喷油迅速截止。 FU32100F-1 FU32100F-2 FU32100F-3 4、燃油供应系统 3、电控喷射执行器结构示意图如图一所示 图一1、柱塞泵活塞 2、正时注油槽 3、正时活塞4、下活塞5、计量油槽6、喷油针阀7、泄油槽8、减压槽 1、运用：该执行器工作在CaterpillarD10R型履带式推土机CAT3412E电喷发动机上，这是Caterpillar公司在1993年首次推出的产品。二、HEUI-A(Hydraulic Electric Unit Injector)电控喷射执行器的工作原理 New operators station with integrated electronicsElectrohydraulic dozer and ripper controlsC27 with ACERT TechnologyIntegrated carrier roller mountReinforced roller frames C27 Engine with ACERT Technology Cross flow cylinder headADEM A4 engine controllerMEUI fuel system with multiple injection fuel delivery Overhead cams (one per bank)Tight tolerance design between pistons and linersMeets worldwide emissionsrequirements (Tier 3/Stage 3) 2、整个燃油供应系统是主要由发动机油供给及调节系统（共轨）、电控单元及各传感器、增压式电控喷射执行器等组成，是将液压和电控技术相结合，使电控喷射执行器压力的建立过程和燃油喷射过程是分开，所以该系统与发动机转速无关，可在宽广的工况范围内保持较高的喷油压力，最高喷油压力达到150MP，是属于第三代电控喷射执行器。 电控喷射执行器结构示意图如图三所示。主要由菌式高速电磁阀、增压活塞、喷油针阀、预喷结构等组成。 图三、1、共轨机油入口2、高速电磁阀3、截止阀4、增压活塞 七倍，根据液压放大原理，增压 5、低压燃油入口6、泄油槽7、预喷结构、8、回油道 泄压截止 增压预喷 增压主喷 断电截止 工作原理如下：泄压截止：电控喷射执行器不工作时，在回位弹簧的作用下电磁阀左移动关闭共轨机油入口，打开机油回油道发动机机油经气缸盖油道返回油底壳。此时增压活塞被回位弹簧顶在上位，喷油器针阀被回位弹簧抵靠在阀座上。低压燃油从入口经泄压槽直接返回燃油箱。增压预喷：当电控单元根据传感器提供的信息决定本循环的喷油提前角和喷油压力后触发某一个电控喷射执行器的高速电磁阀开启开启，截止阀右移打开共轨机油入口同时关闭回油道，高压机油进入增压活塞上方，由于增压活塞的上部截面积是下部 活塞对进入喷油器蓄压室的燃油增压，同时增压室将压力传递给喷油器的计量油室使喷油针阀克服回位弹簧的压力向上开启，开始喷油。当增压活塞上的凹槽泄油槽相通时，蓄压室的燃油部分溢流泄压截止回燃油箱，喷油过程阶段性停止。 增压主喷：当增压活塞的凹槽越过泄油槽后，蓄压室的燃油增压，喷油继续进行。 断电截止：高速电磁阀断电时，截止阀在回位弹簧的作用下左移关闭共轨机油入口，打开回油道，增压活塞上方的压力迅速下降并在回位弹簧和剩余燃油压力的共同作用下向上移动，针阀在回位弹簧和进油压力的共同作用下而关闭。