（动力机械及工程专业论文）柴油机全气缸取样系统的开发.pdf

中国近代第一所大学 f o u n d e dl n18 9 5 天毕大薯 tla n jinu niv e r sit y 硕士学位论文 - 学科专业： 作者姓名： 指导教师： 天津大学研究生院 2 0 0 5 年1 月 中文摘要 近十几年，由于先进的排放控制技术在柴油机上的广泛应用，柴油机排放颗 粒粒径变小，数量增多，其物理化学特性也相应的产生变化。为研究现代柴油机 排气污染物的生成及演化机理提供科研手段，作者在6 1 0 2 柴油机的基础上，开发 了一套可实现模拟e g r 、增压中冷、高压共轨等先进柴油机技术的全气缸取样系 统。本文具体研究的主要内容如下： 1 、选用高压共轨系统作为单缸供油喷射系统，介绍了单缸高压共轨e c d u 2 电控单元的开发与设计，并充分利用微机的硬件资源，配备了相应的定时卡、采 集卡和外围驱动电路。运用软件编程，完成了开发系统所需的控制。在高压共轨 燃油喷射台架上进行试验不仅可以实现高压喷射，而且能够实现喷油压力、喷油 量和喷油定时的灵活可靠控制。结果表明系统具有较高的控制精度和较好的动态 性能，喷油响应快和压力控制曲线比较平缓。 2 、单缸进气系统包括模拟增压装置、模拟e g r 年i 进气加热装置。取样系统 包括取样机构、气门停开机构、稀释机构。在原有设计经验的基础上，对取样机 构和外围驱动部分进行改进设计。气门停开采用控制摇臂轴位置，以决定气门是 否工作。对单缸摇臂轴进行单独设计，在保证其具有正常功能的情况下，实现了 气门停开。 3 、利用p c 机和板卡，选用m o s f e t 晶体管作为驱动的核心，通过软件编程， 对取样机构、气门停开机构和稀释机构进行精确控制。 4 、用该系统作者成功的测量了柴油机在不同曲轴转角下燃烧过程中形成的 微粒质量变化的历程。实验结果表明，燃烧生成的微粒质量历程曲线为单峰形状， 与理论计算值有着良好的相似性，说明开发出的全气缸取样系统设计合理，可以 用于现代柴油机排放污染物的生成机理的研究。 关键词：柴油机，全气缸取样，电控系统，排气污染物 a b s t r a c t i nt h er e c e n tt e ny e a r s ，t h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yo fe m i s s i o nc o n t r o la p p l y i n go nt h e d i e s e le n g i n e ，w h i c hr e s u l t e di nt h ec h a n g e so f p h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h e p a r t i c l e s ，l e dt os h a r pi n c r e a s e si nn u m b e re m i s s i o n so ft h et i n yp a r t i c l e sc o r r e s p o n d i n g l y i no r d e rt os t u d yt h ep a r t i c l eg e n e r a t i o na n de v o l u t i o n ，t h ea u t h o rd e v e l o p e dat o t a lc y l i n d e r d u m p i n gs y s t e mo i lt h em o d e l6 1 0 2d i e s e le n g i n ew i t ht h ef u n c t i o no fs i m u l a t i n ge g r ， i n t e r c o o l i n ga n dh i 曲p r e s s u r ec o l n r d o nr a i l ( c r ) a n dt h em a i nc o n t e n t so f t h ed i s s e r t a t i o n a r ea sf o ! l o w s ： ( 1 ) t h es y s t e mo fc rw a ss e l e c t e da sf u e ls u p p l ya n di n j e c t i o ns y s t e mf o rt h es i n g l e c y l i n d e r t h ee l e c l r o n i cc o n t r o l u n i to ft h es i n g l ec y l i n d e rc rs y s t e me c d u 2w a s d e v e l o p e da n dd e s i g n e du s i n gt h eh a r d w a r eo f t h ep c ，p r o g r a m m a b l et i m e rc a r d ，a dc a r d a n dd r i v i n gc i r c u i ta n ds o f tp r o g r a mw i t ht h er e s u l to fg o o dc o n t r o lo ft h ec rt h a tt h e s y s t e md e v e l o p m e n tn e e d e d w h e nt h ec rc o n t r o ls y s t e mo p e r a t e d ，n o to n l yt h eh i g h p r e s s u r ei n j e c t i o nr e a l i z e d ，b u ta l s ot h ec o n t r o lf o rt h ei n j e c t i o np r e s s u r e ，q u a n t i t ya n d t i m i n gw e r ef l e x i b l ea n dr e l i a b l e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ec o n t r o ls y s t e m o p e r a t e dw i t ht h eh i g hp r e c i s i o na n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e s ，w h i l et h er e s p o n s eo ft h e i n j e c t i o nw a sq u i c ka n dt h eo u t p u tc u r v eo f t h eh i g hp r e s s u r ep u m pw a ss m o o t h ( 2 ) t h ei n l e ta i rs y s t e mo ft h es i n g l ec y l i n d e ri n c l u d e dt u r b o c h a r g e ，e g ra n di n l e ta i r h e a t i n ge q u i p m e n t t h ed u m p i n gs y s t e mc o n t a i n e dd u m p i n gv a l v ew i t hs a m p l ed i l u t i o n s y s t e ma n dv a l v e sd e a c t u a t o r r e f e r r i n gt ot h ef o r m e rd e s i g n ，d u m p i n gv a l v ea n di t sd r i v i n g c o m p o n e n t sw e r ei m p r o v e d 。d u m p i n gv a l v ew a sd e a c t u a t e db yv a r y i n gt h ep o s i t i o no f r o c k e ra r ms h a f t t h u s t h er o c k e ra r ms i l mo fs i n g l ec y l i n d e rw a sr e d e s i g n e ds o l e l ya n d r e a l i z e dt h ev a l v e sd e a e t u a t i n gw i t l li t sn o r m a lf u n c t i o n ( 3 ) p c ，c a r d sa n dm o s f e t w e r eu s e dt oc o n t r o lt h ed u m p i n gs y s t e m ，d i l u t i o ns y s t e m a n dv a l v e sd e a c t u a t o ra c c u r a t e l yb ym e a n so f s o f t w a r ep r o g r a m ( 4 ) w i t ht h i sd e v e l o p e dd u m p i n gs y s t e m ，t h ep a r t i c l em a s sw a ss u c c e s s f u l l yc o l l e c t e d a n dm e a s u r e da td i f f e r e n tc r a n ka n g l ed u r i n gt h ee n g i n eo p e r a t i o n t h er e s u l ts h o w e dt h a t t h ec n r v eo fp a r t i c l em a s sw a ss i n g l ep e a ki nf o r m ，w h i c hc o n f o r m e dt ot h et h e o r e t i c c a l c u l a t i o n c o n s e q u e n t l y ，i tp r o v e dt h a tt h et o t a lc y l i n d e rd u m p i n gs y s t e mw a sr e a s o n a b l e a n ds u i t a b l ef o rt h ei n v e s t i g a t i o no fe m i s s i o np o l l u t a n t sf r o mm o d e md i e s e le n g i n e k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，t o t a lc y l i n d e rd u m p i n g ，e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m ， e m i s s i o np o l l u t a n t s i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘茎或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 学位论文作者签名：砑r 和4 、 签字日期：2 卯右年1 月 日 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授 权硅盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：忉矛一、 签字日期：甜年f 月 日 导师签名： 签字日期：2 坝2 厂年月3 日 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 大气颗粒物指的是分散在大气中的固态或液态颗粒状物质，根据其粒径大 小，又可分为总悬浮颗粒物t s p ( 空气动力学直径小于或等于i 0 0um ) 、可吸入颗 粒物p h i 。( 空气动力学直径小于或等于l o u m ) 。随着对大气颗粒物研究的深入， 人们认识到可吸入颗粒物p m 。是大气颗粒物中对环境和人体健康危害最大的一 类，与总悬浮颗粒物t s p 相比，p m 。本身多是有毒有害物质，同时由于比表面积 较大而易成为其他有毒有害物质的运载体或反应体，故而美国国家环保局e p a 于1 9 8 5 年将原始颗粒物指示物质由t s p 项目修改为p m 。，我国也在1 9 9 6 年颁布 的环境空气质量标准( 6 8 3 0 9 5 - - 1 9 9 6 ) 中规定了p m 。的标准，并统一在空气质 量日报中采用p m 。指标“1 。近年来，人们进一步认识到飘尘中空气动力学直径小 于或等于2 5u m 的可入肺颗粒物p 。( i n h a l a b l ep a r t i c l em a t t e r ，简称i p ) ， 易于富集空气中的有毒重金属、酸性氧化物、有机污染物、细菌和病毒等，其对 人体健康的危害远比空气动力学直径在2 5um 1 0um 之间的粒子大a 因此，美 国环保局子1 9 9 7 年再一次修改了大气质量标淮，并规定了p m 。的最高限值，以 保护人体健康。据研究，p m 2 ；在大气中的停留时间为7 3 0 天，这种颗粒物可随 气流被输送到几百公里甚至上千公里以外的地方，造成大范围的污染危害。”。 可吸入颗粒物的形成包括自然源和人为源，而燃烧排放在人为源中占有非常 大的比例。目前，燃烧煤炭、石油、天然气、生物质和废弃物的固定源以及燃用 汽油、柴油的内燃机等移动源己成为大气环境中可吸入颗粒物含量增加的主要原 因。汽车作为大气流动的污染源，在人口稠密，交通发达的城市及工矿区排出大 量的有害气体，严重地危害人类健康，破坏生态平衡，构成社会危害。柴油机由 于具有良好的燃油经济性、动力性和可靠性，得到广泛的应用。随着柴油车销售 持续增长，柴油车在各种车辆中所占的比重越来越大，其排放污染问题日益严重。 柴油机排气的有害成分主要是微粒、n o x 、h c 和c o ，这些污染物具有毒性和 刺激性，对人体、生态环境构成不同程度的威胁。微粒是柴油机主要污染物，其 由无定型碳、未氧化或未完全氧化的碳氢化合物、硫酸盐、金属物质和水组成。 固态碳是在局部富氧区域产生的，其中大部分在随后的氧化过程中被氧化成c 0 或者c 0 2 ，剩余的没有被氧化的残渣以颗粒物的形式随尾气排放出来：碳氢化台物 主要包括一些多环芳烃、直链烷烃、中极性有机物、高极性有机物等”，都是 第一章绪论 有毒物质；硫酸盐主要成分来源于燃料中的硫，在燃料燃烧过程中，燃料中的大 部分硫被氧化为s o ：，但是也有一部分硫被氧化成s o 。s o 。进而转化成硫酸，然 后通过吸附一些金属离子转化为硫酸盐微粒。柴油机排气微粒大小一般为o o l 0 3um ，属于可入肺颗粒物( 眦；) ，其重量轻，能长时间悬浮在大气中，人吸 入后可集中在肺的底部，引起多种疾病。微粒中的多环芳香烃和多环芳香烃的硝 基化合物已经证明具有很强的致癌、致突变性。这些聚合物易沉积在人体的呼吸 道和肺泡上，容易引发呼吸道肿瘤或肺癌，并加重哮喘病人已有的l l 缶床症状，对 人类的健康有极大的危害。 为了保护大气环境和人类的健康，美国、日本和欧洲等发达国家相继制定了 限制柴油汽车排放的法规。欧洲联盟从1 9 7 0 年起开始推行汽车排放标准。起初， 只限制h c 和c o 的排放，1 9 7 7 年开始限制n o x 排放，在1 9 8 4 年以后的欧洲标准 中，对h c 和n o x 的排放是限制这两项的总和。从1 9 8 8 年丌始对柴油机的微粒排 放也进行了限制，到将在2 0 0 5 年实行的e u r o1 v 标准( 各种污染物要在e u r oi 限值的基础上再降低5 0 左右) ，对各种污染物的排放限制将会达到前所未有的 水平( 见表卜1 ) ”1 。 表卜l 欧洲轻型柴油车的排放限值( g k m ) 标准生效日起 c oh cn o x微粒 欧洲1 1 9 9 22 7 2 0 9 7 ( h c + n o x ) 0 1 4 欧洲2 回 1 9 9 5 1 02 20 5 ( h c + n o x )0 ，0 8 欧洲2 圆 1 9 9 5 1 01 o0 9 ( h e + n o x ) o 1 欧洲3 2 0 0 00 6 40 5 6o 5 0o 0 5 欧洲4 2 0 0 5o 5 0o 3 0o 2 50 0 2 5 间接喷射式 直接喷射式 为满足日益严格的排放法规，世界各国汽车生产厂相继采用许多先进技术， 进一步降低柴油机污染物排放。目前，现代柴油机降低有害污染物排放的技术措 施主要有以下几个方面： 增压中冷技术 燃油喷射率的优化 空气流动与燃油喷射最佳匹配及燃烧室空间形状的优化 废气再循环( e g r ) 各种电控技术 第一章绪论 燃油品质的改善 由于大量新技术、新装置的采用以及燃料理化特性的改变，必然导致现代柴 油机的燃油喷雾特性、混合气形成及燃烧过程与以往有很大不同，微粒作为柴油 机主要燃烧产物之，其生成与演化历程、高温反应热力学和动力学及理化性质 也会随之变化。 柴油机排气微粒按粒径分布可分为粗态( c o a r s em o d e ) 、聚集态 ( a c c u m u l a t i o nm o d e ) 、核态( n u c l e im o d e ) 三种形态”1 ，图卜1 为三种不同形态 颗粒物的分布示意图。在这三种形态中，粗态主要为沉积于气缸和排气管表面的 聚集态颗粒物，发动机振动及气流冲击将其带入排气中，此形态物质在柴油机颗 粒物中所占的比例非常小；聚集态颗粒物是由无定形碳和吸附在它表面的碳氢化 合物及少量无机化合物构成，以团聚物的形式存在，粒径一般为o 0 5 一o 4um ， 在总质量中占有比例最大；核态颗粒物粒径均小于5 0n m ，属于纳米微粒 ( n a n o p a r t i c l e ) ，成分组成现在还不十分清楚，一般认为可能由挥发性有机物 ( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ) 和半挥发性有机物( s e m i v o l a t i l eo r g a n i c c o m p o u n d s ) 、含硫化合物、固体碳及金属盐类组成，现代柴油机核态颗粒物的数 量占微粒总数量的9 0 以上”。 d i a m 吐盯( u m ) 图l - i 柴油机不同形态排气微粒的几何尺寸示意图 现代柴油机排气微粒的变化主要表现为：微粒数量增多，粒径变小，呈纳米 化趋势，核态微粒的数量和质量增加，而聚集态微粒数量和质量减少。对于现代 柴油机排气微粒的粒径变化，k i t t e l s o n “1 曾选用两台代表不同技术水平的柴油 机进行了研究和对比，其中一台为1 9 9 5 年生产的柴油机，最高喷射压力为9 5 m p a ， #向一日nj一宅o母一茸车甘蹦避鐾 第章绪论 而另一台为改装的、具有现代技术水平的电控柴油机，最高喷射压力可达1 5 0 m p a ， 对比分析结果发现：装有电控喷射系统的现代柴油机微粒的粒数平均直径 ( g e o m e t r i cn u m b e rm e a nd i a m e t e r ) 为0 o l1 脚，比另一台柴油机小4 倍，体积 平均直径( g e o m e t r i cv o l u m em e a nd i a m e t e r ) 为0 0 6 4 ”m ，比1 9 9 5 年产的柴油 机小2 倍，而微粒总数量多了1 5 0 倍：从粒数粒度分布( n u m b e rw e f g h t e ds i z e d i s t r i b u t i o n ) 来看，现代柴油机排气微粒几乎均为小于5 0 n m 的纳米微粒，以核 态形式存在，而另一台1 9 9 5 年产的柴油机微粒主要以核态和聚集态存在，其中 聚集态粒子还占有相当大的比例；从体积粒度分布( v o l u m ew e i g h t e ds i z e d i s t r i b u t i o n ) 来看，现代柴油机排气微粒以核态和聚集态存在，而另一台主要 以聚集态存在。另有研究发现，对几乎所有的发动机工况，数目超过5 0 9 6 但质量 小于1 的微粒是原子核形式的微粒”1 。另有研究表明，超过微粒总质量的8 5 ( 总 数目的9 9 ) 的微粒其直径小于1um ”3 。由于微粒形态的变化，y u i c h i 、w a t e r 研 究发现，现代柴油机微粒化学成分同八十年代相比已有很大的变化，其中多环芳 香烃和二嚼哄等致癌物含量有所增加。此外，s t e p h e n “町等研究结果表明，废 气再循环技术，也可导致纳米微粒数量的增长。鉴于此，欧、美等国家正在酝酿 修改现有的微粒排放法规，使之同时兼顾微粒的质量和数量。目前，国内外关于 柴油机微粒的研究几乎还停留在九十年代初的聚集态水平，而对于以核态形式存 在的纳米微粒的基础研究几乎还没有开展。因此，为保护环境和人体健康，现代 柴油机排气微粒的重新认识和研究势在必行，而缸内取样技术可精确地在任意指 定的曲轴转角位置下，采集缸内充量进行分析，是用于研究柴油机颗粒物生成机 理和演化过程的重要手段之一。 1 2 缸内取样技术发展及研究现状概述 缸内取样法就取样容积来分，可分为点状取样法和全气缸取样法。 l 、点状取样法“”：发动机连续运转的条件下，通过取样阀门高速抽取燃烧 过程中某一时刻的少量样气或在某一相位( 即在某一曲轴转角) 连续抽取缸内多 个循环的样气进行测量分析的方法。点状取样的取样体积要比全气缸取样小的 多，样气代表的是某一时间燃烧室一点。 依据取样阀口的位置和每次抽取样气量的多少可分为空间式和壁面式 空间式点状取样法将取样探头插入燃烧空间，为了不干扰燃烧现象，取样探 头必须很细，并且为使取样有一定的时间分辨率。一次取样的时间很短，结果样 气量少，不足以进行可靠的分析测定，为此常采用重复的方法，使机构复杂化， 再加上取样探头壁面上存在着厚的边界层，因此气样的组分不能代表取样容积的 第一章绪论 而另一台为改装的、具有现代技术水平的电控柴油机，最高喷射压力可达1 5 0 m p a ， 对比分析结果发现：装有电控喷射系统的现代柴油机微粒的粒数平均直径 ( g e o m e t r i cn u m b e rm e a nd i a m e t e r ) 为0 0 1 1 脚，比另一台柴油机小4 倍，体积 平均直径( g e o m e t r i cv o l u m em e a nd i a m e t e r ) 为0 0 6 4 ，比1 9 9 5 年产的柴油 机小2 倍，而微粒总数量多了1 5 0 倍；从粒数粒度分布( n u m b e rw e f g h t e ds i z e d i s t r i b u t i o n ) 来看，现代柴油机排气微粒几乎均为小于5 0 n m 的纳米微粒，以核 态形式存在，而另一台1 9 9 5 年产的柴油机微粒主要以核态和聚集态存在，其中 聚集态粒子还占有相当大的比例；从体积粒度分布( v o l u m ew e i g h t e ds i z e d i s t r i b u t i o n ) 来看，现代柴油机排气微粒以核态和聚集态存在，而另一台主要 以聚集态存在。另有研究发现，对几乎所有的发动机工况，数目超过5 0 但质量 小于1 的微粒是原子核形式的微粒”。另有研究表明，超过微粒总质量的8 5 ( 总 数目的9 9 ) 的微粒其直径小于lum ”1 。由于微粒形态的变化，y u i c h i 、w a t e r 研 究发现，现代柴油机微粒化学成分同八十年代相比已有很大的变化，其中多环芳 香烃和二口砾唤等致癌物含量有所增加。此外，s t e p h e n ”等研究结果表明，废 气再循环技术，也可导致纳米微粒数量的增长。鉴于此，欧、美等国家正在酝酿 修改现有的微粒排放法规，使之同时兼顾微粒的质量和数量。目前，国内外关于 柴油机微粒的研究几乎还停留在九十年代初的聚集态水平，而对于以核态形式存 在的纳米微粒的基础研究几乎还没有开展。因此，为保护环境和人体健康，现代 柴油机排气微粒的重新认识和研究势在必行，而缸内取样技术可精确地在任意指 定的啦轴转角位置下，采集缸内充量进行分析，是用于研究柴油机颗粒物生成规 理和演化过程的重要手段之一。 1 2 缸内取样技术发展及研究现状概述 缸内取样法就取样容积来分，可分为点状取样法和仝气缸取样法。 l 、点状取样法“2 ”：发动机连续运转的条件下，通过取样阀门高速抽取燃烧 过程中某一时刻的少量样气或在某一相位( 即在某一曲轴转角) 连续抽取缸内多 个循环的样气进行测量分析的方法。点状取样的取样体积要比全气缸取样小的 多，样气代表的是某一时间燃烧室一点。 依摄取样阀口的位置和每次抽取样气量的多少可分为空间式和壁面式 空间式点状取样法将取样探头插入燃烧空间，为了不干扰燃烧现象，取样探 头必须很细，并且为使取样有一定的时间分辨率。一次取样的时间很短，结果样 气量少，不足以进行可靠的分析测定，为此常采用重复的方法，使机构复杂化， 再加上取样探头壁而上存在着厚的边界层，因此气样的组分不能代表取样容积的 再加上取样探头壁面上存在着厚的边界层，因此气样的组分不能代表取样容积的 第一章绪论 组分。另外，取样探头一般是由钛或不锈制成的，其温度高达7 0 0 8 0 0 。c ，可 能起一些催化作用。 壁面式点状取样法的取样是在燃烧室的表面进行的。它要抽取缸内的大部分 充量，因此需要截面大的气体通道，而取样探头的截面也要大，故探头不能插入 燃烧室以免干扰燃烧的空气动力学现象。一般至少要抽取缸内气体质量的5 才 能使气体具有一定的代表性。如果缸内压力低时，取样时间还要加长，样气的时 间分辨率降低。 早在1 9 2 7 年，l o v e 1 等人用点取样法，抽取了汽油机运行过程中敲缸和不 敲缸状态下的样气。该取样阀是菌型的，由凸轮通过推杆和摇轴机械驱动。在此 之后，机械驱动的取样阀被应用在柴油机和汽油机上的其它研究。直到1 9 3 8 年， b a r t h o j o m e w 等人发表了用电磁取样阀从安装在车上的汽油机中得到未燃混合 物的文章。早期应用点状取样，主要是为了研究汽油机的敲缸现象和混合气的制 备，这同研究压缩自燃柴油机的过程是一样的。 结果取样装置被广泛的应用在研究汽油机和柴油机的燃烧过程上。在最近的这些 年里，取样阀应用主要用于研究降低柴油机和汽油机污染物的排放。 常见的点取样阀的设计如图卜2 、图卜3 、图卜4 。 p r o x u a l t y 口 u m p l eh o t e 图卜2 菌型( 外开式) 取样阀图1 3 针【f l l | 型( 内开式) 取样阀 图卜2 给出了一种菌型( 外开式) 取样阀。当电磁铁中无电流通过的时候 第一章绪论 由于压缩弹簧弹力的作用，阀芯被牢牢地紧固在阀座上；缸内的高压气体作用在 取样阀头部提供了另外一种阀芯压紧阀座的动力。当电磁铁通电的时候，衔铁吸 合，衔铁的运动打开了取样口。当电磁铁断电时，回动弹簧加上缸内气体的压力 迫使取样阀迅速关闭。 图卜3 给出了一种针阀型( 内开式) 取样阀。与外开式不同的是，针阀型是 利用缸内气体的作用打开取样阀的。弹簧恢复力的作用是克服缸内气体的压力作 用保证取样结束后，针阀迅速落座。除了这些，其操作与上述外开式取样阀操作 相似。 图卜4 撞击型的取样阀 图1 - 4 给出了一种撞击型的取样阀。与图1 不同的是，衔铁没有和取样阀 芯杆刚性地连接在一起。在衔铁的撞击头与阀芯杆之间存在几个毫米的间隙。当 电磁铁充电的时候，衔铁连同撞击头一起加速运动。经过问隙之后，撞击取样阀 芯杆尾部的砧头( a n v i l ) ，接着取样阀开启了一段很短的时间。由于压缩弹簧恢 复力的作用，取样阀关闭；衔铁连同撞击头在第二个弹簧的作用下回位。撞击型 取样阀最大的特点就是电磁铁的充电时间要比取样的时间长。 图1 - 5 示出了b e n n e t h u m 等人设计的实际电磁针阀式取样阀。该针阀用于直 喷和非直喷柴油机燃烧气体取样“”。图1 - 6 给出了l o r u s s o 等人设计的用于研 究缸内靠近燃烧室壁面的猝熄层的未燃碳氢的电一液压菌型阀。开启阀的动力是 由作用在阀芯杆尾部的活塞上的液压提供。作用在活塞上的高压油是由电磁驱动 的伺服阀( s p o o lv a l v e ) 控制。当作用在阀芯杆尾部活塞上的高压燃油通过伺 服阀突然释放，菌型阀由于弹簧恢复力加上缸内气体的压力而被迅速关闭”。 第一章绪论 图卜5 电磁针阀式取样阀 图卜6 电一液压菌型阀 经过近二十几年的发展，快速取样已经做到能够从运转的内燃机中在想要的 任意循环和任意曲轴转角下取得少量的样气。为了更深入的研究内燃机燃烧和污 染物形成过程中的物理和化学变化，促进了取样技术的发展。 快速取样阀的要求如下： 1 ) 可以在选定的发动机规定的时刻进行取样： 2 ) 可以在燃烧室不同的方位取样。 3 ) 当取样阀关闭时，从取样阀座的漏气量应该减少到最小的程度，以免污染 样气。 4 ) 因为缸内的气体成分反应特别快，所以取样周期应该尽可能的短( 取样持 续时间应尽可能小于1 m s ) 。 5 ) 相比较取样的体积而言，应减少从狭缝和壁面淬息层的得到的样气。 6 ) 进入取样阀之后的样气被迅速“冻结”，以抑制样气的化学反应。 第一章绪论 7 ) 取样阀与缸内高温气体接触的表面应使用与样气不发生催化反应的材料。 8 ) 取样过程应该有好的重复性，取样阀应该结构简单，安装调整方便。 9 ) 取样阀的开启定时和取样持续时间可灵活控制。 2 、全气缸取样法：在柴油机燃烧过程的任选时刻打开燃烧空间，中断燃 烧，抽取气缸内的绝大部分充量( 空气+ 燃烧产物) ，然后对样气进行分析测量 的方法。此方法可得到精确的样气组成，并且一次取样就可以得到足够数量的气 体，因此，可进行任何种类的分析测量。一般都采用薄的金属片在取样前密封燃 烧空间。全气缸取样法得到的是时间上的一点，整个燃烧空间的平均部分，这是 全气缸取样和点状取样的根本差异。 全气缸取样法与点状取样法相比有如下优点： i ) 样气的时间分辨率好。 2 ) 样气充足，分析结果可靠性高。 3 ) 测试数据为整个燃烧空间积分的结果，对柴油机非均质燃烧来说，它更能 反映污染物的形成宏观历程。 4 ) 实验结果更适应于验证燃烧模拟结果。 5 ) 适于研究缸内微粒质量的生成历程。 但是，全气缸取样法结构比点状取样法复杂，每进行一次取样后，都必须停 机，试验周期相对较长。 七十年代末，i a v o i c e l e s c u 和g l b o r m a n 等”2 1 在美国威斯康星大学首次 研制成适用于柴油机全气缸取样系统并用其研究了缸内n o x 生成历程。该取样系 统结构和取样机构的安装示意如图l 一7 所示。试验是在一个单缸直喷柴油机上进 行的。膜片被压套( c l a m p i n gt u b e ) 压紧，在直径方向上的横梁进一步加固了 膜片。膜片厚度是0 5 1 m m 。筒刀是用不锈钢管做成的，末端作淬硬和磨尖处理。 在此之后，t u n gt a tt h a n 和g l b o r m a n “”用这个系统研究了在当量比和转速 一定的条件下，涡流、废气再循环( e g r ) 、喷油定时和喷油孔数对柴油机燃烧 的影响。 八十年代初，g h h e d d i n g 和d b k i t t e l s o n 1 等人又发展了一套新的全气 缸取样系统：x l i u 和d b k i t t e l s o n “”对此系统关键结构做了改进，研究了取 样过程中监测参数间的关系，并用它测量了缸内n o x 生成历程； c a of a nd u 和 d b k i t t e l s o n 叫还用这套系统装置研究了缸内微粒数浓度变化历程； d b k i t t e l s o n 和m i c h a lj p i p h o 等人“7 1 用这套系统研究了关于柴油机缸内微 粒浓度的理论与实际的对比试验。m i c h a lj p i p h o 幽1 等人进一步改进了某些结 构，使其更适用于微粒质量浓度变化历程的测量。之后d b k i t t e l s o n 和m i c h a l j p i p h o 3 等人又用这套系统，研究了直喷柴油机缸内微粒形成测量的研究。该 第一章绪论 系统同样用膜片密封住燃烧室空间，以保证正常的燃烧。当要进行取样时，快速 响应的电磁阀打开高压氦气瓶，高压氦气作用在驱动活塞上，促使中空的筒刀切 割膜片。膜片折起的形状是蝶形。k i t t e l s o n 等人做了两种类型的全气缸取样试 验：发动机着火和不着火试验。着火试验是在取样之前发动机只着火一次，这是 为了确定残存在缸内的燃烧产物的代表性质量。在进行全气缸试验时，发动机的 转速保持恒定。在合适的时间，控制发动机只在取样之前两个循环喷油运转，这 样就使发动机只在两个连续的循环内着火。在第二次着火循环的压缩冲程时，进 气门和排气门被停开。进气门和排气门停开是为了保证没有外部的污染气体进入 缸内，以免污染样气。不着火试验与着火试验相同，只是在第一个循环着火，取 样是在第二次循环发动机没有着火的情况下进行的。该系统的总体结构如图卜8 所示。 m 阱 图卜7i a v o i c e l e s c u 等人设计的全气缸取样系统和取样机构的安装示意图 我国八十年代中期，刘仪、季雨、郭英男和刘巽俊“”等人首次应用全气缸取 样系统对涡流室式单缸柴油机机进行缸内微粒形成过程的研究，试验用膜片厚 0 5 l i i l 铝合金薄板经3 0 0 c 回火处理制成，取样机构如图1 - 9 ；九十年代中，刘 仪。4 等结合在非直喷式柴油机上开发全气缸取样系统的经验，成功地在直喷式柴 第一章绪论 油机上开发了一套结构设计新颖的全气缸取样系统，并用它研究了6 1 0 2 q 型直喷 式柴油机缸内微粒的形成过程。试验用膜片厚0 7 啪纯铝板经3 0 0 高温回火处 理制成，取样机构原理与单缸机基本相同。 f = = j 腓瞎 e 睢ji 隧 i 7 k 嚼 ： 匿 ， 霪 。 - 卜 i ! ! 一、 图卜8k i t t e l s o n 等人设计的取样机构图1 - 9 刘仪等人设计的取样机构 1 3 本文的研究内容及意义 目前，已开发出的取样装置都是建立于柴油机机械供油方式上，故存在下列 不足：供油量受发动机转速的影响，控制精确较低，致使取样测量偏差较大； 取样机构与油路切断机构不能同步，导致在喷油持续期内取样的不可能性。； 取样时，机械油路切断机构不可能迅速切断油路，造成喷油器二次喷射，污染 样气。为解决上述问题，本文在借鉴已有的设计和系统结构的基础上，在6 1 0 2 型柴油机上开发了一套可实现模拟e g r 、增压中冷、高压共轨等先进柴油机技术 的全气缸取样系统。针对此套系统的研制，本文开展了以下具体研究工作： ( 1 ) 开发了基于微机的单缸供油燃油喷射控制系统。高压共轨电控喷油系统 第一章绪论 不仅可以实现高压喷射，而且能够实现喷油压力、喷油量和喷油定时的灵活可靠 控制，并有快速停油功能。因此本文选用高压共轨系统作为单缸供油喷射系统， 开发了单缸高压共轨e c o - u 2 的电控单元。充分利用微机的硬件资源，配备相应的 定时卡、采集卡和外围驱动电路，运用软件编程，能够实现开发系统所需的控制。 根据共轨压力传感器和高压油泵的同步信号对高压油泵进行控制，根据凸轮轴传 感器信号和共轨压力信号对喷油进行控制。该系统可以实现较高的喷油压力，同 时可以实现喷油定时和喷油量的灵活可调控制。可以考察不同的喷油压力、喷油 定时和喷油量对燃烧过程中微粒形成过程的影响，扩大了传统的直列泵的研究范 围。和传统的直列泵相比有着无可比拟的优越性。 ( 2 ) 单缸进气系统的设计包括对模拟增压装置、模拟e g r 和进气加热装置的 设计。取样系统包括取样机构、气门停开机构、稀释机构。在借鉴已有的设计和 结构的基础上，对取样机构和外围驱动部分进行改进设计。其结构简单，控制灵 活，能够满足取样系统的要求。气门停开采用控制摇臂轴位置，以决定气门是否 工作。对单缸摇臂轴进行单独设计，在保证其具有j 下常功能的情况下，实现了气 门停开。该进气系统可以实现对迸气温度，压力、进气流量的灵活控制。可以考 察不同的进气压力、e g r 率、温度和流量对微粒形成过程的影响。 ( 3 ) 利用p c 机和板卡，选用m o s f e t 晶体管作为驱动的核心，通过软件编程， 对取样机构、气门停开机构和稀释机构进行精确控制，并和单缸高压共轨电控单 元有机地结合在一起。控制软件采用c 语言集中编写，实现了人机对话的功能， 能够实时显示采集的信号数值，也能方便地对高压共轨、气门停开机构、取样机 构和稀释机构等参数进行调整。人机交互界面美观、实用，操作简单，实现了对 全气缸取样系统的整体控制。 ( 4 ) 论文最后介绍了基于高压共轨电控系统驱动的单缸进气系统的全气缸 取样系统实验台上的初步试验。用该系统作者成功地测量了柴油机在不同曲轴转 角下燃烧过程中形成的微粒质量变化的历程。 第二章全气缸取样装置的设计及电控供油系统的开发 第二章全气缸取样装置的设计及电控供油系统的开发 2 1 概述 设计的全气缸取样系统主要由试验用发动机、单缸高压共轨燃油喷射系统、 单缸进气系统、取样系统和计算机电控单元组成。图2 1 为全气缸取样系统及 设计原理框图。单缸进气系统包括模拟增压装置、模拟e g r 和进气加热装置。 取样系统包括取样机构、气门停开机构、稀释机构。单缸高压共轨燃油喷射系 统为试验缸适时提供适量的燃油，可以实现对喷油压力，喷油量和喷油定时灵 活可调控制，并可以实现迅速断油。取样机构的中心任务是适时打破封闭气缸 的膜片，使缸内气体溢出燃烧室，而其动作时刻控制由相应的控制电路提供。 取出样气的同时，稀释机构使样气迅速降温，淬灭化学反应；气门停开机构使 进、排气门同时关闭，保证样气不被燃油、空气和废气污染。单缸高压共轨燃 油喷射系统电控单元开发、取样机构设计和对取样机构、稀释机构、气门停开 ( a ) 取样装置图 第二章全气缸取样装置的设计及电控供油系统的开发 ( b ) 原理图 图2 - 1 全气缸取样系统简图 机构的控制是该系统设计的重点。电控单元主要功能是根据检测到的喷油压力信 号和油泵同步信号控制喷油压力以及根据检测发动机转速和曲轴位置信号控制 试验缸的喷油时刻、取样时刻、气门停开时刻、稀释机构电磁阀开启时刻，并记 录取样时的所有参数。 2 2 单缸柴油机的建立 本课题采用单缸研究方案。试验使用东风朝阳柴油机有限责任公司生产的 c y 6 1 0 2 b z l q 型直喷式柴油机，并对此进行相应的改装。改装后发动机第六缸由 d e n s o 高压共轨系统驱动工作，其它五个气缸仍由原机的直列泵供油。第六缸燃 油供给系统由于采用了电子控制，从而实现了喷油量、喷油时刻和喷油压力的灵 活可靠控制，提高了取样测量的精确性。表2 1 给出了发动机主要参数、规格 和技术经济指标。 第二章全气缸取样装置的设计及电控供油系统的开发 表2 - 16 1 0 2 b z l q 主要参数、规格和技术经济指标 型式直列、水冷、四冲程、废气涡轮增压中冷 气缸数一缸径行程 6 1 0 2 1 1 8 m m 燃烧室形式圆形缩口燃烧室 缸套形式薄壁干式 活塞总排量 5 7 8 5l 压缩比 1 7 ：1 发火顺序 i 一5 3 6 2 4 配气正时( 以曲轴转角计)进气门开启上止点前1 4 。c a 进气门关闭下止点后5 0 。c a 排气门开启下止点前5 6 。c a 排气门关闭上止点后1 6 。c a 润滑方式压力润滑与飞溅润滑混合式 冷却方式强制闭式循环式 起动方式电起动 标定功率 1 3 2k w 标定转速 2 6 0 0r m i n 最大扭矩 5 6 0n m 最大扭矩转速 1 4 0 0 1 8 0 0r m i n 标定工况燃油消耗率 2 4 0g ( k w h ) 全负荷最低燃油消耗率 i o v ) 。因此，在设计栅极驱动电路时， 一定要保证栅极电压超过l o v ，否则，很难保证m o s f e t 有良好的开关工作特性。 n v d b 3 7 图2 2 3 喷油器驱动电路的设计 正是由于m o s f e t 具有上述结构和特点，因此m o s f e t 的选型成为设计喷油器 驱动电路的非常重要的部分。喷油器驱动电路的设计如图2 - 2 3 所示。定时板上 的可编程器件8 2 5 3 设置成相应的工作方式，经过g a l 合成喷油所需要的脉冲信 号，经过光电隔离器后，进入m o s f e t ，控制喷油。 ( 5 ) 基于角度的喷射控制的实现 发动机同步信号和喷油定时的计算： 发动机同步信号是由安装在发动机凸轮轴的光电传感器来实现的。光电传感 。h_ 第二章全气缸取样装置的设计及电控供油系统的开发 器信号经过适当的处理之后，进入p 8 2 4 0 1 的第四片8 2 5 3 的o u t o 可使p c 机产生 i r q 3 中断。 本系统设计了一个专门用于测量转速的8 2 5 3 定时器，称为转速计时器。同 步中断的执行中有一个重要的操作，即读出转速定时器的时间常数，然后将其初 始化以重新开始计时。由每次同步中断读出的时间常数，就可以得到发动