（动力机械及工程专业论文）基于柴油机负荷变化的供油提前角切换装置的设计与应用.pdf

基于柴油机负荷变化的供油提前角切换装置的设计与应用 摘要 柴油机具有压缩比高、燃气膨胀充分、热量利用率好、功率大、寿命长的 优点，被广泛应用于交通运输、发电、农用机械等领域。由于各国排放法规对 内燃机排放物c o 、h c 、n o x 和p m 的限制越来越严格，使得如何进一步降低 柴油机有害排放量成为国际内燃机界的一个重要研究课题。 本文研究针对a 4 9 8 b p g 柴油机，从改善柴油机启动、降低排放量的目标 出发，提出了基于柴油机负荷变化的供油提前角切换的总体设计方案。对其中 的双偏心式提前器进行了力学分析，得出供油提前角与喷油泵转速之间的关系。 运用u g 三维建模技术，设计了一套基于负荷变化的供油提前角切换装置。该 装置可以根据不同工作情况要求，使供油提前角在8 0 c a 与1 8 。c a 之间切换， 以满足柴油机冷起动和正常工作的要求。 运用a v l 公司三维数值模拟软件，建立了a 4 9 8 b p g 柴油机缸内工作过程 模型，对a 4 9 8 b p g 柴油机的燃烧过程进行了数值模拟。模拟计算结果表明： 供油提前角为1 8 0 c a 时，碳烟及颗粒物排放量明显低于8 0 c a 时的情况，降低 幅度达8 0 左右。供油提前角锁定在一8 0 c a 时，n o 。排放量远低于一18 0 c a 供油 提前角时的情况，降低幅度达6 7 左右。 最后对试验样机进行了验证试验。试验结果表明，柴油机在启动时的供油 提前角可以稳定地锁定在18 0 c a ，碳烟排放及颗粒物得到明显改善。正常工作 情况下供油提前角锁定在8 0 c a ，n o x 排放量满足柴油机低n o x 排放的要求。 关键词：柴油机：供油提前角；燃烧过程；数值模拟 d e s i g na n da p p l i c t i o ni 0 rt h es w i t c h i n gd e v i c eo ff u e ls u p p l y a d v a n c e a n g l eb a s e d o nc h a n g eo fd i e s e le n g i n el o a d s a b s t r a c t d u et oh i g hc o m p r e s s i o nr a t i o ，s u f n c i e n t g a se x p a n s i o n ，h i g hh e a tq u a n t i t y u t l l l z a t l o nr a t e ，i a r g ep o w e ra n dl o n go p e r a t i n gl i f eo fd i s e le n g i n e ，i ti sw i d e l yu s e d 1 nt r a n s p o r t a t l o n ，p o w e rg e n e r a t i o n ，a g r i c u l t u r a l m a c h i n e r ya n do t h e r 丘e l d s a sa r e s u l to 士l n c r e a s l n g l ys t r i n g e n tn a t i o n a le m i s s i o nr e g u l a t i o n so nt h er e s t r i c t i o n so f i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ee m i s s i o n s ，s u c ha sc o ，h c ，n o xa n dp m h o w t of u r t h e r r e d u c eh a r m f u ld i e s e l e m i s s i o n sb e c o m e sa n i m p o r t a n tr e s e a e c hs u b ie c ti n i n t e m a t i o n a lc o m b u s t i o ne n g i n e6 e l d w i t ht h eg o a lo fi m p r o v i n gt h ee n g i n es t a r ta n dr e d u c i n gt h ee m i s s i o n s ，t h i s a r t l c l er e s e a r c hf b rt h ea 4 9 8 b p g d i e s e le n g i n ep r o p o s e st h es w i t c h i n gd e v i c eo f f u e ls u p p l ya d v a n c ea n g l eb a s e do n c h a n g eo fd i e s e le n g i n el o a d s i to b t a i n st h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef u e ls u p p l ya d v a n c ea n g l ea n dt h ei n je c t i o np u m ps p e e d t h r o u g hm e c h a n i c a la n a l y s i so nd o u b l ee c c e n t r i ca d v a n c ed e v i c e t h e a r t i c l e d e s i g n st h es w i t c h i n gd e v i c eo ff u e ls u p p l ya d v a n c ea n g l eb a s e do nc h a n g eo f d l e s e l e n g i n el o a d sb y u s i n gt h r e e d i m e n s i o n a i m o d e l i n gt e c h n i q u e s o f u g a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h ed e v i c ec a n s w i t c hf u e l s u p p l ya d v a n c ea n g l eb e t w e e n8 。c aa n d18 。c at om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fd i e s e le n g i n ec o l ds t a r ta n dn o r m a lw o r k u s i n gt h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r eo fa v lc o m p a n y ，t h e r e s e a r c he s t a b l i s h e sa 4 9 8 b p gd i e s e le n g i n ec y l i n d e rw o r k i n gp r o c e s sm o d e la n d t a k e san u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa 4 9 8 b p gd i e s e le n g i n ec o m b u s t i o np r o c e s s t h e s l m u l a t l o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es o o te m i s s i o n sa n dp a r t i c u l a t em a t t e ro ft h ef u e l s u p p l ya d v a n c ea n 9 1 ea t _ 18 。c aw a ss i g n i 6 c a n t l yl o w e rt h a nt h ee m i s s i o n1 e v e lo f - 8 。c a ，i ti sd o w na b o u t8 0 t h ef u e ls u p p l ya d v a n c ea n g l el o c k s 8 。c ai nn o r m a l o p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，i tr e d u c e sd i e s e ln 0 xe m i s s i o nl e v e l so fa b o u t6 7 m u c h l o w e rt h a nt h el e v e lo f n o xe m i s s i o n so ff u e ls u p p l ya d v a n c ea n g l e a t 18 。c a f i n a l l y ，t h e r e s e a r c ht a k e sav e r i f i c a t i o n t e s t t h er e s u l t ss h o wt h a t t h e e m l s s l o n so ts o o ta n dp a r t l c u l a t em a t t e rh a v em a r k e d l yi m p r o v e dw h e nt h ef u e l s u p p l ya d v a n c ea n 9 1 eo ft h ed i e s e le n g i n ed u r i n gs t a r t u pl o c k e da t 18 0 c a u n d e r n o r m a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，f u e ls u p p l ya d v a n c e a n g l el o c k e da t 8 。c am e e t st h e l o wn o xe m i s s i o nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ： d i e s e l e n g i n e ： f u e ls u p p l ya d v a n c ea n g i e ； c o m b u s t i o np r o c e s s ； n u m e r i c a ls i m u 】a t i o n 致谢 本文是在导师左承基教授的悉心指导下完成的。论文选题、方案构思、进 度安排、实际论文撰写的整个过程浸透着导师的大量心血，在生活上，导师也 给了我无微不至的关怀和巨大的帮助，使我深受感动。导师严谨的治学态度、 废寝忘食的科学钻研精神、宽厚待人的人格魅力给我留下了深刻的印象，值得 我一生去学习。值此论文完成之际，谨对恩师的孜孜不倦的教诲和辛勤培养致 以崇高的敬意和衷心的感谢。 同时，在这近三年的研究生学习工作中，孙军、刘一呜、钱叶剑、滕勤、 汪春梅、程晓章、路苏君、谈健、徐天玉等老师在学习和生活上都给了我很多 的关心和帮助，在此向他们表示诚挚的谢意。 感谢师兄沈志峰、罗玮、杨扬、黄保科在学习和生活中对我的帮助和照顾。 同时，朱黄龙、李悦、李亮、罗军、刘井生、花志远、欧力郡、陈永全同学在 学习和生活上为我提供了很大便利，在此表示感谢。衷心感谢所有帮助过我的 老师、同学和朋友们，我将永远怀念和你们一起走过的快乐时光，这段记忆永 远值得珍藏! 感谢父母的养育之恩和教诲，感谢所有亲人对我的支持和鼓励，感谢所有关心 和帮助过我的每一个人。 最后，值此论文完成之际，作者要特别感谢深爱的父母和亲人们。在作者 求学生活中，他们始终给予作者无限的理解和支持，并在生活上给予无微不至 的关照，为作者论文的完成提供了有力的保证! 烈匹 2 0 l2 年4 月 插图清单 图1 1 销子提前器2 图1 2 滚轮式提前器3 图1 3 双偏心提前器3 图2 1 总体设计方案7 图2 2 双偏心提前器结构8 图2 3 双偏心式提前器工作原理图一9 图2 4 双偏心块几何模型图1 0 图2 5 相对提前角与飞锤间距离的关系图1 1 图2 6 双偏心块力学模型1 1 图2 7 喷油泵转速n 和相对提前角0 关系曲线图1 3 图3 一l 工作原理示意图1 4 图3 2 机械离心式供油提前器飞锤示意图1 5 图3 3 擒纵盘参数图及装配示意图1 5 图3 4 齿轮盘、转盘及拨叉实体图1 7 图3 5 飞锤和绞支座实体图1 7 图3 6 底板、齿轮连接盘及其定位销实体图1 7 图3 7 擒纵盘、大小偏心轮及其附属零部件实体图1 8 图3 8 其他各零部件实体图1 8 图3 9 装配效果图1 8 图3 10 动画演示图19 图3 1 1 电磁执行机构的设计流程2 0 图3 1 2 电磁执行机构铁芯的三维模型及尺寸数据2 1 图3 1 3k w 6 5 温度传感器2 4 图3 1 4k w p 7 0 温度传感器2 4 图3 1 5 温度传感器电路布置图2 5 图3 1 6 壳体与电路板三维模型图2 5 图3 1 7 壳体与电路板装配实物图2 6 图3 1 8 启动开关外形图2 7 图3 1 9 三触点开关示意图2 7 图3 2 0 钥匙开关铜制金属片示意图2 8 图3 2 1 四触点开关示意图2 8 图4 1 湍流扩散示意图3 2 图4 2 湍流扩散模型示意图3 2 图4 3 蒸发模型示意图3 3 图4 4 初次破碎和二次破碎对应区域3 3 图4 5 w a v e 模型破碎示意图3 4 图4 6 相关火焰模型设置3 5 图4 7 n 0 。排放模型3 6 图4 8 碳烟模型的设置3 6 图4 9 活塞燃烧室参数设置3 7 图4 1 0 边界条件设置l 3 8 图4 1 1 边界条件设置2 3 8 图4 1 2 初始条件设置3 9 图4 1 3 喷嘴设置3 9 图4 1 4 缸内压力模拟值与试验值对比一4 0 图4 1 5 常温工况下缸内平均压力对比4 1 图4 1 6 常温工况和低温工况下缸内平均压力对比4 1 图4 1 7 常温工况下缸内平均温度对比一4 2 图4 1 8 低温工况下的平均温度曲线一4 2 图4 19 常温工况下不同供油提前角n o 质量分数分布曲线图4 3 图4 2 0 常温工况和低温工况n o 质量分数分布曲线图4 4 图4 2 1 常温工况下s o o t 质量分数变化曲线图4 5 图4 2 2 常温和低温工况下不同供油提前角s o o t 质量分数变化曲线图4 5 图5 1 试验运行现场4 7 图5 2 柴油机8 0 c a 供油提前角尾气排放4 9 图5 3 柴油机一1 8 0 c a 供油提前角尾气排放4 9 图5 - 4 供油提前角切换装置改进前后布局图5 0 1 1 引言 第一章绪论 19 8 7 年德国工程师迪塞尔发明了柴油机，柴油机由于具有安全可靠、功率 重量比大、补充燃料容易等特点，被广泛应用于载重汽车、机车、船舶、农用 机械和发电，占据了绝对的优势。据统计，内燃机发出的功率约占移动动力装 置的9 0 。为了适应2 1 世纪发展的需要，人们正在研制更高动力性能，经济 性能和更低排放指标的柴油机。随着世界经济的不断发展，城市运输不断扩大， 车辆尾气已成为城市的主要污染源之一。大约超过6 0 8 0 的大气污染物为汽 车排放所致【2 】。随着汽车工业的不断发展，其排放对大气环境的污染日趋严重， 世界各国已相应地制定了汽车排放控制法规标准。 大气污染分为两类，一类是全球性污染，主要是指c 0 2 等气体造成的温室 效应，对臭氧层的破坏；另一类是区域性污染，主要是h c 、c 0 、n 0 ”微粒 排放，苯、甲醛等有毒气体对人类健康的损害【3 j 。目前城市的大气污染已由煤 烟型污染转向煤烟和机动车混合型污染，少数特大城市已表现出光化学烟雾型 大气污染4 1 。 对于柴油机而言，除c 0 、h c 、n o x 以外，微粒和烟度也是柴油机主要有 害排放物，而且柴油机尾气污染的两大污染物n o x 和p m 存在相互制约的关系 p j ，即采取措施同时减少n 0 。和p m 是极其困难的【6 j 。 在柴油机中，燃料与空气的混合物在预燃期和燃烧阶段的很短时间内形成， 相比汽油机，混合更不均匀，燃料在高温高压缺氧的环境下脱氢裂解，形成碳 烟微粒，这些碳烟微粒在冷却过程中吸附未完全燃烧的h c 和其他未燃物质， 构成了柴油机的排气微粒( p m ) 。与汽油机相比，柴油机燃烧排放物中c o 和 h c 要少很多，n 0 。排放在同一水平上，但是由于燃烧不均匀，碳烟排放量却 是汽油机的几十倍【7 j 。 解决碳烟排放问题有很多措施，其中供油正时对柴油机h c 、n o 。和碳烟 排放影响较大。减小供油提前角，燃烧推迟，燃烧温度和n o x 排放也会降低。 增大供油提前角，会降低碳烟排放，这是因为大供油提前角会使燃料在较低的 温度和压力下喷入气缸，增长滞燃期，喷入气缸内的燃料增多，混合较为均匀， 气缸内局部缺氧的情况得到缓解，燃烧温度升高，从而降低碳烟排放峭j 。 因此，在降低柴油机排放方面，关键是供油系统的优化改进。低排放供油 系统能够优化不同工作条件下的供油正时，改进供油规律，根据每循环喷油过 程，调整合适的供油时刻，以满足不同工作情况下低排放要求【9 j 。供油正时的 控制在柴油机性能和排放有着显著的影响，特别对n o x 排放。在理论和实践中 都证明，推迟供油是降低n o x 排放最为行之有效的方法之一【l 引。但是，推迟供 油仍需考虑燃油经济性和碳烟排放，推迟供油会增加碳烟的排放，提早供油会 增长滞燃期，更多的燃料被喷入气缸，加快燃烧速度，降低碳烟排放j 。因此 在降低n o 。和p m 方面要兼顾二者。 1 2 传统机械离心式提前器的应用 喷油提前器实际上是喷油泵供油提前角自动调节装置。供油提前角对柴油 机性能有很大影响，供油提前角过大或过小均使柴油机的动力性和经济性恶化。 为了保证柴油机有良好的使用性能，必须在最佳供油提前角下工作【l2 | 。柴油机 的转速和负荷都在很大范围内变化，因此现代柴油机都装有喷油提前器，根据 转速和负荷控制柴油机喷油时刻，保证柴油机在不同工作情况下都可以获得最 大动力，燃油经济性和低排放水平。 目前广为应用的是机械离心式自动喷油提前器，根据柴油机转速的变化进 行供油提前角的自动调节。机械离心式自动喷油提前器又分为销子式提前器( 结 构见图1 1 ) ，滚轮式提前器( 结构见图1 2 ) 和双偏心式提前器( 结构见图1 3 ) 。 图1 1 销子提前器 1 一驱动盘2 一外壳3 一从动盘 4 一飞锤销5 一飞锤 2 8 图l 一2 滚轮式提前器 l 一驱动盘2 一轮毂3 一内壳 4 一盖板5 一密封圈6 一滚轮外圈 7 一从动盘8 一飞锤 图l 一3 双偏心提前器 卜一驱动盘2 一传动齿轮3 一驱动销4 一外壳5 一小偏心轮 6 一人偏心轮7 一飞锤销8 一飞锤9 一卡圈1 0 一弹簧1 1 一从动盘 在机械式离心式提前器中双偏心式提前器应用最为广泛。双偏心式提前器 利用大小两组偏心轮的相对运动产生的提前或迟后功能。双偏心式提前器在起 作用过程中，偏心轮、驱动盘和从动盘之间的相对运动均为转动，偏心轮问的 运动属于滚动摩擦，阻力小，因此在升速和降速的过程中，提前器都具有良好 的恢复性。 双偏心式提前器可以根据需要具有延迟和提前的双向功能，双向功能的转 换较为简单，不需要更换零件，只要变换小偏心轮的起始安装位置，就可得到 单纯提前性能或具有迟后或提前的双向功能；而当双偏心提前器设定在具有迟 后和提前双向功能后，可以在两块飞锤间加装一片垫片就可以实现单纯提前或 迟后性能l l 引。 1 3 柴油机喷油正时国内外发展现状 柴油机在运行中，如果不加以控制，就会因为内部或外部因素的作用下偏 离正常的工作情况，甚至发生停机或者飞车的严重后果。依靠简单的观察、分 析并确定喷油时刻偏移量，通过人工操作进行喷油时刻的调整，在精度和时间 上都不能达到预期目标，因此，国内外开始研发各种喷油自动控制系统 1 4 】。 由于柴油机压燃的工作方式，燃烧室内的温度在压缩上止点时最高，考虑 到最高燃烧效率，要求柴油机的主要燃烧过程在上止点附近完成，因此燃料必 须在上止点前喷入缸内，通常喷油始点用喷油提前角表示。虽然喷油提前角对 柴油机燃烧过程与性能有直接重要影响，但由于它在一般情况下难以确定，因 此在实际上用供油提前角来代替【l 引。供油正时是指喷油泵对柴油机不同负荷对 应有正确的供油时刻。供油正时决定柴油机运行好坏的重要因素，它存在多种 自动控制方式。 ( 1 ) 液压提前装置 液压提前装置通常是利用柴油机转速变化引起的液压油流量变化，同时利 用节流阻力对液压油产生的影响等液压原理来改变喷油泵的供油始点，在分配 泵中应用广泛，直列泵中也有应用。 ( 2 ) 机械式自动提前器 机械式自动提前器在直列泵中应用十分普遍，有销子式、滚轮式、双偏心 等多种形式f l6 1 ，机械式自动提前器在当今柴油机发展中仍占有较大比例。从2 0 世纪7 0 年代，随着电子技术飞速发展，电子控制开始进入柴油机的自动控制领 域【l7 1 。但是机械式自动提前器相比电子控制系统，具有应用范围较广，成本低 廉，维修简单的优点，在农业机械、发电机组、工程机械等领域应用广泛。由 于机械式的大量使用，以及日益严格的排放法规，因此带来了排放问题。如何 控制黑烟、白烟和氮氧化物的排放，引起了柴油机生产企业的重视。如何以较 低成本对已有的机械式自动提前器进行改造以达到排放要求已成为企业的重要 课题之一。 在改善柴油机排放方面，国内高校和企业进行深入的试验和研究。上海理 工大学邹任玲等人对某型号柴油机研究发现，供油提前角对柴油机的经济性及 排放起到了关键作用l l 引。江淮动力股份有限公司技术中心施祥等人对供油提前 角进行了深入的研究，排放烟度随着供油提前角的增大而下降l l9 1 。国内对供油 提前角研究越来越深入，方法越来越多样，采取试验采集加数值分析，运用先 进的尾气分析仪，更为直观三维造型软件和数值模拟软件，对喷油正时进行全 面和科学的研究，是目前主流的研究手段。 国外对喷油时刻的控制也是非常重视。日本z e x e l 公司的t i c s 喷油泵【2 0 j 和b o s c h 公司的h 系列喷油泵在传统的位置控制式喷油泵的基础上进行改进， 通过电子控制改变齿杆行程位置来控制油量，利用可变预行程机构来控制喷油 速率和供油始点。高压共轨喷油系统是当前国际最先进的柴油机喷油系统，既 保留了时间控制系统中电磁阀控制的精度高、响应速度快的特点，又消除了泵 油时的脉动压力对喷油过程的影响，可保证柴油机在不同工作情况下都能获得 最佳的喷油量和喷油始点【2 。高压共轨喷油系统在世界上有多个国家、多家公 司都已有成熟的产品，如德国b o s c h 公司和s i e m e n s 公司、美国的d e p h i 公司 以及同本的d e n s o 公司等【2 2 j 。 1 4 内燃机数值模拟发展现状 当前柴油机高压共轨喷油系统，均质压燃燃烧模式以及缸内直喷等新技术 的应用【23 1 ，柴油机的发展进入快速发展阶段，相应的数值分析模拟软件发展迅 猛，软件操作界面更直观，设置更简单，结果分析更全面，更科学。随着内燃 机技术的发展和研究的更加深入，涌现了一批功能强大的数值模拟软件1 24 ，如 里卡多的v e c t i s 软件，英国a d a p c o 公司的s t a r c d 软件及奥地利a v l 公 司的f i r e 和b o o s t 等软件，使得内燃机的研发更加直观，更加便利【25 | ，不仅减 轻了工作量，提高了时效性，而且分析结果更贴近实际工作情况。 数值模拟中最重要的是采取合适的数学模型，国内企业和高校工作者在国 外先进的计算程序、数学模型和数值方法的基础上，开发出许多完整可靠的内燃 机工作过程数值模拟程序。如吉林工业大学开发的微机版内燃机缸内多维气流 运动模拟程序s u n 1 ，北京理工大学开发的内燃机工作过程通用模拟程序 r e s 3 c i i 【2 引，华中理工大学的内燃机缸内喷雾和燃烧的微机化软件包g f f s m 等。 1 5 论文的课题来源、意义及主要研究内容 本论文研究课题来源于博士生导师左承基教授与某股份有限公司合作研究 a 4 9 8 b p g 柴油机蓝白烟控制技术开发的课题。 由前文可知，随着地球上石油能源的枯竭和日益严格的排放法规的实施， 对发动机的各种有害排放物生成机理的研究更为迫切。当前直喷式柴油机的研 究重点是降低p m 和n o x 排放。日益严格的排放法规引导着柴油机技术的不断 进步，更有利于保护环境。因此，柴油机的经济性和碳烟等排放物的研究越来 越受到重视。 柴油机排气中的蓝白烟是在冷起动、怠速、暖机和低负荷运转时发生。试 验证明，a 4 9 8 b p g 柴油机在冷起动或冷机运转时，供油提前角为上止点前1 8 度时，蓝白烟及碳烟排放明显要比提前角8 度时要好。而该机型在正常工作时 的初始角为8 度，以满足排放和经济性的要求。但由于常规柴油机供油提前角 是随转速变化，所以，柴油机排放指标难以达到期望值。本课题研究成果对于 改善柴油机碳烟排放量和节约能源具有重要的参考价值。 本论文的主要内容包括： ( 1 ) 为了降低a 4 9 8 b p g 柴油机启动与正常工作时的排放量，提出了基于 柴油机负荷变化的供油提前角切换的总体设计方案，对供油提前器中的双偏心 块进行运动学分析，为供油提前角的选择装置的设计提供理论支持。 ( 2 ) 对a 4 9 8 b p g 柴油机原供油提前器进行改造，运用u g 三维造型软件 对供油提前角切换装置进行设计与分析，得到完整的装配图和零件图，并加工、 安装成为试验样机；设计了基于柴油机负荷变化温度控制器，以便调整柴油机 启动和正常工作时的供油提前角。 ( 3 ) 利用f i r e 软件，建立了a 4 9 8 b p g 柴油机缸内工作过程模型，进行 了燃烧过程的数值模拟，分析了不同供油提前角时对a 4 9 8 b p g 柴油机缸内平 均压力、碳烟颗粒以及氮氧化物的影响。 ( 4 ) 进行了试验样机的验证试验，通过对试验现象分析，验证数值模拟的 正确性。 ( 5 ) 最后对论文主要研究工作进行总结，对需要进一步完善的地方提出建 议，指出下一步的研究方向。 6 第二章供油提前器双偏心块的运动学分析 2 1 引言 为了降低a 4 9 8 b p g 柴油机启动与正常工作时的排放量，本文提出了基于 柴油机负荷变化的供油提前角切换的总体设计方案，如图2 1 所示。供油提前 角切换装置分为控制系统和机械执行系统两部分，其中控制系统分为温控开关 和启动开关两部分，机械执行系统分为电磁执行机构和双偏心供油提前器两部 分。柴油机启动时，启动开关控制电磁执行机构，调节供油提前角，锁定在 1 8 0 c a ，正常工作后，当柴油机水温到达指定值时，温控开关控制电磁执行机 构，调节供油提前角，锁定在8 。c a ，以满足柴油正常工作低排放要求。 图2 一l 总体设计方案 双偏心式供油提前器是应用最为广泛的提前器结构，具有延迟和提前双向 功能，并且有良好的恢复性。下面对a 4 9 8 b p g 柴油机双偏心式供油提前器的 工作原理进行阐述，应用u g 三维造型软件对双偏心块的力学模型进行分析， 为供油提前角切换装置的设计提供理论支持。 2 2 机械离心式双偏心供油提前器的结构和工作原理 2 2 1 双偏心式供油提前器结构 双偏心式供油提前器结构图如图2 2 所示，齿轮盘和驱动盘设计为一整体， 联接方式采取螺钉联接，从动盘由圆盘和轮毂两部分组成，轮毂上开有键槽， 喷油泵轴和从动盘通过轮毂键槽相连接，两个驱动销位于驱动盘内。从动盘在 驱动盘内，两个盘可以作相对转动。在从动盘内有两个对称的圆孔，两个圆孔 内各有一个大偏心轮，每个大偏心轮上各有一大一小两个偏心孔，大偏心孔内 套有小偏心轮，小偏心孔与飞锤销相连接，小偏心轮上的圆孔与驱动销相连接。 图2 2 双偏心提前器结构 1 一大偏心轮2 一小偏心轮3 一齿轮盘( 驱动盘) 4 一飞锤传动销5 一驱动销6 一从动盘 2 2 2 双偏心式供油提前器工作原理 双偏心式供油提前器工作原理如图2 3 所示。 图2 3 双偏心式提前器工作原理图 图2 3 中a 为喷油泵轴中心，同时是供油提前器的中心，b 为大偏心轮中 心，c 为小偏心轮中心，d 为驱动销中心，e 为飞锤销中心。 供油提前器在运动中，驱动盘内的任意点相对于喷油泵轴不会做相对运动， 如驱动销中心d 。从动盘与喷油泵轴相连接，从动盘与驱动盘做相对转动，产 生角位移，该角位移使提前器产生相对提前角0 。从动盘的两个对称孔内各有 一个大偏心轮，每个大偏心轮上各有一大一小两个偏心孔，大偏心孔内套有小 偏心轮，小偏心孔与飞锤销相连接，这样大偏心轮中心b ，小偏心轮中心c 和 飞锤销中心e 都处于从动盘中，这三点相对于从动盘其他点的位置会发生改变， 促使从动盘与驱动盘发生角位移，但是b 、c 、e 这三点的相对位置不会发生改 变，b c 的距离，b e 的距离和么b c e 是固定不变的。驱动销套在小偏心轮 的偏心孔中，因此驱动销中心d 与小偏心轮中心c 的距离也是固定不变的。驱 动销装在驱动盘上，与驱动盘不会发生相对运动，大偏心轮与小偏心轮做相对 运动，小偏心轮中心c 的运动轨迹是以d 为中心，c d 为半径的圆弧。 a 4 9 8 b p g 柴油机启动运转时提前器中各点位置如图2 3 中黑色虚线所示， 此时柴油机处在大提前角18 。c a ，启动运转至怠速状态，此时供油提前器在 驱动销的作用下与喷油泵轴同步转动。当喷油泵转速低于n 。，飞锤此时离心力 小于锤内弹簧作用力，飞锤仍未张开，供油提前角仍处于大提前角18 。c a 。 9 随着油泵转速的继续上升，高于n 。时，飞锤克服锤内弹簧作用力，开始向外飞 开，飞锤销连接飞锤和大偏心轮，因此飞锤的运动带动大偏心轮。飞锤销主要 受到两个力的作用，一部分来自于飞锤向外扩的张力，另一部分来自于大偏心 轮旋转作用力，因此飞锤销一方面做旋转运动，同时做远离旋转轴心的直线运 动，两种运动的复合运动轨迹极为复杂。飞锤销反作用于大偏心轮，使其绕大 偏心轮中心b 做旋转运动，其运动同时受到小偏心轮的限制。小偏心轮中心c 的运动轨迹是以驱动销中心d ，c d 为半径的圆弧，小偏心轮的运动作用于大 偏心轮，迫使其在自转的同时，并绕喷油泵轴中心a 为圆心，a b 为半径的圆 周运动，由于大偏心轮受到从动盘的限制作用，径向不做运动。 大偏心轮中心b 的圆周运动迫使从动盘与驱动盘问产生角位移，供油提前 器发生作用。图2 3 中蓝色实线是飞锤运动后，达到试验要求时大偏心轮的位 置，此时大偏心轮偏转1 0 0 ，相对此时供油提前角为小提前角8 0 c a 。 2 3 双偏心块的力学分析 如图2 4 双偏心块几何模型图所示，双偏心式离心供油提前器的双偏心块 是四连杆结构，0 = 么d a c 么b a c ，0 为从动盘相对于驱动盘的夹角，令0 【= 么b a c ， b = 么d a c 通过三角函数变换可以得出： p = a r c c o s ( 1 天d + l 盖c l a d ) ( 2 奉l a d 宰l a c ) ( 2 - 1 ) 旺= a r c c o s 【( 1 盖b + l 盖c l c ) ( 2 幸l a b 幸l a c ) ( 2 - 2 ) e 图2 4 双偏心块几何模型图 l a c = ( 1 吾c + l b 一2 l b c l a b 丰c o s 6 1 ) 1 2 6 1 = 么a b c ，6 = 么e b c ，6 2 = 么e b a 1 0 ( 2 3 ) 6 1 = 6 6 2 ( 2 4 ) 6 2 = a r c c o s ( 1 ；b + l 主b l 盖e ) ( 2 宰l e b 宰l a b ) 】 ( 2 5 ) 由以上各式可以推出驱动盘与从动盘的相对夹角，得出飞锤处于不同位置 时的相对提前角。结果如图2 5 所示，其中横坐标代表飞锤销中心与喷油泵轴 中心的距离l a e ，纵坐标代表相对提前角0 。 图2 5 相对提前角与飞锤间距离的关系图 图2 6 双偏心块力学模型中m 为喷油泵施加给提前器的阻力矩，每个大偏 心轮承受m 2 ；f m 为克服m 2 作用于飞块上的径向力；f 为杆e b c 作用于杆 a b 上的力，f l 在杆a b 垂直方向上的分力，f i 是其反作用力；f 2 为杆c d 作用 在杆c b 上的力。由力和力矩平衡条件可得： 图2 6 双偏心块力学模型 f _ f 1 = f i( 2 - 6 ) f 1 木l a b = m 2 ( 2 7 ) f m 木c o s ( 9 0 。一y ) 木l b e = f 2 木c o s ( 9 0 。一) 木l b c ( 2 - 8 ) f m 幸c o s ( y + 6 z 一9 0 0 ) + f i = f 2 木s i n ( + 6 1 ) ( 2 9 ) 由以上各式可得 f m = m 聿l b c 木s i n 【2 l a b 掌l b e 木s i n ( + 6 1 ) 一2 l a b 木l b c 木s i n “+ 6 2 ) 宰s i n 】 ( 2 - 10 ) 其中 y = a r c c o s ( 1 爻e + l e l 天b ) ( 2 l a e 木l b e ) 】 ( 2 1 1 ) 6 1 = 6 6 2 = 6 一a r c c o s 【( 1 ；b + l 盖b l 盖e ) ( 2 聿l e b 幸l a b ) ( 2 一l2 ) = a r c c o s ( 1 吾c + l ；d l 天d l i b + 2 l a d 木l a b 木c o s e ) ( 2 l b c 木l c d ) ( 2 1 3 ) 本文中6 = 1 1 4 6 5 0 ，l b e = 1 2 0 6 m m ，l b c = 5 1 2 m m ，l c d = 4 0 3 m m ， l a d = 3 1 7 0 m m ，l a b = 3 3 7 5 m m ，l e = 3 0 6 8 m m ，l e 是两飞锤闭合在一起时的l a e 。 设f i 为单个飞锤产生的离心力，f n 为飞锤内单个弹簧施加的力，f f 为机构 运转中各零部件相对运动的摩擦力。 当f l 2 f n + f f + f m 时，飞锤向外运动，而离心力f l = m 木( r + l a e l 矗) 木 ( 兀掌n 3 0 ) 2 ，m 为单个飞锤的质量，埏；n 为喷油泵转速，r m i n ：r 为飞锤闭合 时，飞锤质心与旋转中心之间的距离。f n = k 木( h 1 + l a e l e ) ，k 为弹簧刚度， n m ；h ，为弹簧的预压缩行程，m 。 假设f f = o ，平衡状态时，f l = 2 f n + f m ，因此，由以上公式可以推导出相 对提前角0 与喷油泵转速n 之间的关系： n = ( 3 0 t 【) 木( ( 2 k 木( h 1 + l a e l 久e ) + m 宰l b c 宰s i n 2 l a b 木l b e 木s i n ( + 6 1 ) 木 s i n y l a b 幸l b c 幸s i n ( y + 6 2 ) 木s i n ) m 木( r + l a e l 久e ) 】) 1 2( 2 - 1 4 ) 由上文公式( 2 1 3 ) 可知，可以用o 来表示，由此可以推出相对提前角0 与 喷油泵转速n 之间的关系【27 1 ，由( 2 1 ) 一( 2 5 ) 式可知，每对应一个0 值都有唯一 的l a e 值与之对应，因此上式( 2 一1 4 ) 中的未知量只有喷油泵转速n 和相对提前角0 ， 它们是一一对应的。 图2 7 为喷油泵转速n 和相对提前角0 关系曲线图，由图可知，在启动过 程中怠速状态下，喷油泵转速5 0 0 r m i n 时，相对提前角是为o 度，此时离心力 不足以克服飞锤内弹簧阻力和机构部件间摩擦力，在转速达到6 0 0 r m i n 时，而 且此时电磁执行机构已经工作，拨叉拔出，飞锤释放，离心力大于所有阻力， 此时相对提前角有一个阶跃，达到1 4 5 度。造成这一现象的原因是，离心力大 于所有阻力，两个飞锤在刚开始分开时，由前文飞锤间距离和相对提前角关系 图2 5 可知，此时相对提前角发生跳跃。随着转速的继续升高，离心力继续增 大，飞锤间距离继续加大，相对提前角逐渐降低，当喷油泵转速达到1 0 0 0 r m i n 时，飞锤上两个扩张孔的位置与擒纵销重合时，擒纵销插入扩张孔内，飞锤被 锁定，此时相对提前角为1 0 度左右，达到理想工作的供油提前角。 1 2 相对提前角o ( 。) 入 厂 _ _ ， 2 4 本章小结 图2 7 喷油泵转速n 和相对提前角0 关系曲线图 喷油泵转速n ( r m i n ) 本章提出了基于柴油机负荷变化的供油提前角切换的总体设计方案，对双 偏心式提前器的双偏心块进行力学分析，分析其工作过程，绘制工作曲线图。 得出以下结论：提高双偏心式提前器恢复性，需增大弹簧弹力，尽可能降低机 构部件间的摩擦阻力，提高飞锤的离心力。随负荷增大，相对提前角逐渐减小， 最后达到试验期望值，理论计算与试验结果一致。但是增大弹簧弹力会造成转 速较高时，飞锤仍没有飞开，此次试验，初期考虑到双偏心式提前器恢复性， 选取的弹簧，弹力较大，造成后续试验，必须提高发动机转速，才使飞锤克服 阻力，成功飞开，后期改进可降低弹簧刚度，避免飞锤未能及时张开。 3 1 引言 第三章供油提前角切换装置设计 本章主要对a 4 9 8 b p g 柴油机可变供油提前角切换装置进行设计，主要包 括以下四个方面内容： ( 1 ) 运用u g 三维造型软件对a 4 9 8 b p g 柴油机可变供油提前角切换机构 进行u g 建模与运动仿真； ( 2 ) 对电磁执行机构进行设计，在保证电磁铁有足够吸力的基础上控制电 磁线圈的过热； ( 3 ) 设计温度控制器，运用u g 三维造型软件对温度传感器安置铜套进行 设计； ( 4 ) 设计新的多触点启动开关。 3 2 基于u g 建模的柴油机可变供油提前角机构设计 3 2 1 可变供油提前角切换装置的工作原理 基于负荷变化的可变供油提前角切换机构设计原理图如图3 1 所示。在图 3 1 中实线表示柴油机启动时工作情况，虚线表示柴油机启动后正常工作情况 下温度控制开关控制提前角切换装置。 ! 。1 ； 温控开关 j i 。 ! 电磁执行机构： ：电磁执行机构： 一 ： z 膏工作。8 。c ： 图3 1 工作原理示意图 本装置利用a 4 9 8 b p g 柴油机原有的机械离心式自动供油提前调整器的飞 锤，如图3 2 所示。在每个飞锤上各加工两个5 m m 的小孔，作为擒纵孔，同一 锤上的外圆周上的擒纵孔叫收紧孔，内圆周上的擒纵孔叫扩张孔。 1 4 守守团 图3 2 机械离心式供油提前器i s 锤不意图 根据试验需要，设计一个新的部件擒纵盘，擒纵盘套在飞锤盒外，在飞锤 盒子边缘上的两只固定销上上下滑动，如图3 3 所示。在电磁铁后端有复位弹 簧，弹簧通过施加在电磁铁衔铁上的力，将擒纵盘压紧在飞锤盒的中间套的顶 上。柴油机运转时，擒纵盘与飞锤共同转动，擒纵盘上安装有两只擒纵