（机械工程专业论文）电控燃油喷射技术在240275柴油机的应用研究.pdf

摘要 摘要 柴油机在正常工作过程中，要求燃油喷射系统根据柴油机工况，在最佳时刻和给定 时间内，定量地将燃油以一定压力雾状喷入气缸，以便与缸内空气混合，迅速彻底燃烧。 所以，为了提高柴油机经济性，燃油喷射系统必须进行多参量的实时检测和准确控制， 从而满足燃油喷射系统对柴油机工况的适应性。因此，在一定程度上，改善柴油机性能 取决于燃油喷射系统的发展。柴油机，特别是机车柴油机，经常在变工况、变环境条件 下运行，而不同情况下，为实现最佳的柴油机性能，对喷射特性的要求是不同的。所以， 为达到柴油机在各种情况下性能的最优化，必须对柴油机的燃油喷射特性参数进行实时 监测和灵活控制。传统的机械液压式燃油喷射系统已经不能满足上述要求，市场对研 究新的和先进的燃油喷射系统提出了要求。 本文主要介绍了电控燃油喷射系统的发展、分类、工作原理和结构特点以及泵管 嘴电控燃油喷射系统在2 4 0 2 7 5 系列柴油机上的改造、台架优化试验和装车运用情况， 通过这些试验数据确定电子燃油喷射系统良好的性能参数，通过参数的最优选择使柴油 机能在最佳性能状态下工作。 关键词：柴油机；燃油喷射；改造；优化试验；运用 大连交通大学f ：程硕十学位论文 a b s t r a c t l nt n ec o u r s eo fn o r m a le n g i n e e rw o r k i n g ，i td e m a n d sf u e li n j e c t i n gs y s t e mc o u l dt a k e a t o m i z i n gf u e li n j e c t i n gi n t oc y l i n d e rw i t hp r e s s u r ea n dm i xa i rt ob u mr a p i d l ya n d c o m p l e t e l y s oi no r d e rt oi m p r o v i n ge n g i n e e re c o n o m i cp e r f o r m a n c e ，f u e li n j e c t i n gs y s t e m m u s te x a m i n i n gm a n yp a r a m e t e r si nc o n t i n u et i m ea n da c c u r a t ec o n t r o l st om e e tw o r k i n g c o n d i t i o no fe n g i n e e r i ns o m ed e g r e e ，i m p r o v i n ge n g i n e e rp e r f o r m a n c ed e p e n do nt h e d e v e l o p m e n to ff u e li n j e c t i n gs y s t e m e n g i n e ，e x t r a l o c o m o t i v ed i e s e le n g i n e ，a l w a y sw o r k i nd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n s i no r d e rt or e a l i z et h eb e s te n g i n ep e r f o r m a n c e ，i tn e e da l lk i n d s o fd i f f e r e n ti n j e c tc h a r a c t e r s f o rm e e t i n ge n g i n eb e s tp e r f o r m a n c e ，i tm u s tm o n i t o r i n gf u e l i n j e c t i n gp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n dc o n t r o lf r e e l y o l dm e c h a n i c a lf u e li n j e c t i n gs y s t e m c o u l d n tn e e dt h e s er e q u e s t s i tn e e dt h em o r eu o d a t e df u e li n j e c ts y s t e m i te x p l a i n se l e c t r o n i c f u e l i n j e c t i n gs y s t e md e v e l o p m e n ta n dc l a s s i f ya n dw o r k i n g p r i n c i p l ea n ds t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i ca n da b o u tu s i n ge l e c t r o n i cf u e lp u m p _ t u b e n o z z l ei n 2 4 0 2 7 5s e r i e se n g i n e e rr e f o r m a tt h es a m et i m e ，t oe n s u r i n g e n g i n e e re l e c t r o n i cf u e l i n j e c t i n gs y s t e mf e a s i b i l i t y ，w ed om a n yp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o nt e s ta n du s i n ga n dd e f i n e g o o dp e r t b r m a n c ep a r a m e t e r sa n dg e te n g i n e e rw o r k i n gi nb e s tc o n d i t i o n k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；f u e li n j e c t i n g ；r e f o r m ；p e r f o r m a n c et e s t ；u s e 绪论 绪论 对电控燃油喷射系统的研究起始于上世纪7 0 年代，在开始阶段主要是应用在汽车发 动机领域，用以满足国际上日益严格的排放法规的要求。到了上世纪9 0 年代，电控燃 油喷射系统在汽车与发动机领域已经得到普遍应用并逐渐推广到其他用途的发动机领 域，如机车和船用柴油机。 柴油机电控燃油喷射系统是在机械控制燃油喷射系统的基础上发展而来的。机械控 制的燃油喷射系统主要由调速器、机械传动及控制机构和机械式喷油泵、喷嘴等组成。 其中调速器经历了从机械一液压式调速器到电子调速器的变化。电子调速器由电子控制 器( e c u ) 加上液压控制的或电动的执行机构组成。但上述系统难以满足现代柴油机对 排放控制和经济性及噪声控制等的综合性能要求。所以，对电控燃油喷射系统的需求日 渐明显。 电控燃油喷射系统主要由传感器、电子控制器和执行机构组成。执行机构通常为安 装在喷油泵或喷嘴上的控制供油特性的电磁阀。电控燃油喷射系统相对于原机械式燃油 喷射系统主要区别在于采用了电的柴油机转速感受传感器替代了原机械液压调速器中 的飞锤转速感受机构；电子控制器取代了机械液压调速的控制功能：泵或嘴上的快速响 应电磁阀取代了机械传动和控制机构及机械喷油泵上的齿条、齿圈、柱塞螺旋线结构。 这种变化所带来的好处就是系统和部件结构大为简化：控制更加灵活、快速、准确；最 重要的是可以根据柴油机各主要参数的变化最优化地调节柴油机燃油喷射特性，进而实 现柴油机排放特性和经济性的综合性能要求，在各种运用条件和工况下所能达到最佳水 平。从技术发展的阶段或技术特点来分：第一代，也称位置控制系统，它用电子伺服机 构代替调速器控制供油滑套位置来实现供油量的调整；第二代，也称时间控制系统，其 特点是供油仍维持传统的脉动式柱塞泵供油方式，但油量和定时的调节则由电脑控制的 强力快速响应电磁阀的歼闭时刻所决定；第三代，也称为直接数控系统，它完全脱开了 传统的油泵分缸燃油供应方式，通过对共轨压力和喷油压力时间的综合控制，来实现 复杂的供油特性。从系统的结构形式上分：泵一管一嘴系统，是在原机械式泵一管一嘴系统 的基础上，取消了的齿条、齿圈、柱塞螺旋线的结构，采用设在喷油泵出口处的快速响 应电磁阀来控制向高压油管的供油的开始和结束；泵喷嘴系统，与前述泵一管一嘴系统相 比，区别在于取消了高压油管，泵和喷嘴被做成一体。共轨系统，是通过共轨直接或间 接地形成恒定的高压燃油，分送到每个喷嘴，并借助于装在每个喷嘴上的快速响应电磁 阀的开闭来定时、定量地控制喷射至气缸的油量。 大连交通人学：i i 程硕十学位论文 从满足现代柴油机对排放、经济性等性能的综合要求来说，第三代直接数控系统， 亦即高压共轨系统是电控燃油喷射系统的未来主要发展方向。 电子控制燃油喷射技术( 以下简称电喷系统) 由于其在供油凸轮的有效供油区段内 具有灵活的供油定时调整能力以及由采用电磁阀控制而实现的供油阀的快速关断能力 ( 相对于传统的机械控制装置) ，受到了广大柴油机制造厂家及用户的普遍欢迎。国外 目前生产的汽车发动机上基本上采用了电子喷射技术，我国北京市政府要求新投入使用 的汽车必须装用电子喷射系统。美国及欧洲的一些机车柴油机已经采用了电子喷射技 术，如美国g e 公司的7 f d l 和7 h d l 柴油机。 电子喷射技术的采用与柴油机排放控制有着密切的关系。首先是可以实现柴油机启 动过程中供油的灵活控制，即可以控制在规定转速下开始供油、供油量的大小及增加方 式、不同环境温度和油水温度时的限油量，避免了启动初期的无效喷油及启动过程中的 过量喷油；其次是控制柴油机瞬态工况( 如快速提升转速及增加负荷) 的燃油量增加速 率，在由增压器响应滞后而造成的柴油机进气压力及空气流量不足的情况下，依据进气 压力的大小对供油量进行限制；第三是灵活控制供油定时：部分负荷供油提前，改善燃 烧；大负荷供油延迟，降低氮氧化物排放量。另外，由于供油阀的快速关断，相应可以 缩短供油持续期及改善供油终了时喷油器的雾化情况，也有利于柴油机的排放控制。 为跟上柴油机技术发展的时代步伐，满足日益严格的对排放控制的要求，2 4 0 2 7 5 系列柴油机采用电控燃油喷射系统势在必行。为确保柴油机电喷系统使用的可靠性，我 们进行了各种柴油机台架优化试验，主要包括：标定工况性能优化试验；最大运用工况 性能优化试验；牵引线各工况性能优化试验：空载工况性能优化试验；不同供油量与转 速对应的供油始点特性图优化试验；启动限油试验；超速保护试验；油压保护试验；供 油规律测量。通过这些试验数据确定了电喷系统的良好的使用性能，同时通过对各项参 数的选择使柴油机在最佳性能状态下工作。 2 第一章电喷系统的总体方案设计 第一章电喷系统的总体方案设计 1 1 国内外柴油机电控燃油喷射系统状况 国内外高速柴油机上采用的高压电控燃油喷射系统已经发展得比较完善，特别是泵 一喷嘴结构的电子喷射控制技术已进入商品化阶段。尤其是近几年，高压喷射技术和电 控技术相结合，可以使柴油机在整个运用范围内都处于最佳参数运行状态，较好地满足 了现代柴油机高强化、高经济性以及低排放的要求。 电控燃油喷射系统主要由传感器、电子控制器和执行机构组成。执行机构通常为安 装在喷油泵或喷嘴上的控制供油特性的电磁阀。电控燃油喷射系统相对于原机械式燃油 喷射系统主要区别在于采用了电的柴油机转速感受传感器替代了原机械液压调速器中 的飞锤转速感受机构；电子控制器取代了机械液压调速的控制功能；泵或嘴上的快速响 应电磁阀取代了机械传动和控制机构及机械喷油泵上的齿条、齿圈、柱塞螺旋线结构。 这种变化所带来的好处就是系统和部件结构大为简化；控制更加灵活、快速、准确；最 重要的是可以根据柴油机各主要参数的变化最优化地调节柴油机燃油喷射特性，进而实 现柴油机排放特性和经济性的综合性能要求，在各种运用条件和工况下所能达到最佳水 平。从技术发展的阶段或技术特点来分：第一代，也称位置控制系统，它用电子伺服机 构代替调速器控制供油滑套位置来实现供油量的调整；第二代，也称时间控制系统，其 特点是供油仍维持传统的脉动式柱塞泵供油方式，但油量和定时的调节则由电脑控制的 强力快速响应电磁阀的开闭时刻所决定；第三代，也称为直接数控系统，它完全脱开了 传统的油泵分缸燃油供应方式，通过对共轨压力和喷油压力时间的综合控制，来实现 复杂的供油特性。从系统的结构形式上分：泵一管一嘴系统，是在原机械式泵一管一嘴系统 的基础上，取消了的齿条、齿圈、柱塞螺旋线的结构，采用设在喷油泵出口处的快速响 应电磁阀来控制向高压油管的供油的开始和结束；泵喷嘴系统，与前述泵一管一嘴系统相 比，区别在于取消了高压油管，泵和喷嘴被做成一体。共轨系统，是通过共轨直接或间 接地形成恒定的高压燃油，分送到每个喷嘴，并借助于装在每个喷嘴上的快速响应电磁 阀的开闭来定时、定量地控制喷射至气缸的油量。 1 2 课题研究的意义 柴油机的性能主要与燃烧品质有关，而燃烧品质的好坏又主要受燃油喷射系统和 进排气系统工作状况的影响。燃油喷射系统是柴油机的重要组成部分，通过调整喷射定 时、喷射压力和喷油量及喷射速率控制着燃烧过程的品质，进而对改善柴油机性能起着 至关重要的作用。 大连交通人学i ：程硕十学位论文 由于改善各性能指标的措施有时是冲突的，如降低燃油消耗率的措施通常会导致 n o x 排放的增加，所以，为获得最优化的柴油机性能，要求燃油喷射系统具有良好的喷 射特性，即高的喷射压力、适合的喷油量、合理的喷射始点、最佳喷油速率。 另外，柴油机，特别是机车柴油机，经常在变工况、变环境条件下运行，而不同 情况下，为实现最佳的柴油机性能，对喷射特性的要求是不同的。所以，为达到柴油机 在各种情况下性能的最优化，必须对柴油机的燃油喷射特性参数进行实时监测和灵活控 制。传统的机械液压式燃油喷射系统已经不能满足上述要求，市场对研究新的和先进 的燃油喷射系统提出了要求。电子技术和控制技术的飞速发展，为新的燃油喷射技术的 问世，提供了先进的平台。在此情况下，电控燃油喷射技术便应运而生。电控燃油喷射 技术从九十年代开始就在国际上得到普遍关注和大量应用。最早是在汽车发动机上，然 后逐渐扩展到机车柴油机领域。美国通用电气和通用汽车公司等已经在机车柴油机产品 上采用了此项技术。 为满足铁路对内燃机车提高运行速度，降低机车排放的需要，提高产品的竞争力顺 应发动机领域技术发展的趋势，我们通过对电子燃油喷射系统的结构和特性的研究，进 行2 4 0 2 7 5 系列柴油机的燃油喷射系统改造，通过柴油机台架优化试验，设计采用适合 该系列柴油机的电子喷射系统。 1 3 电控燃油喷射系统的分类 一般可分为三类： 1 3 1 泵一管一嘴( p p n ) 系统 泵一管一嘴系统是在原机械式泵一管一嘴系统的基础上，取消了齿条、齿圈、柱塞上的 螺旋槽及柱塞套上的油孔，采用设在喷油泵出口处的高速电磁阀来控制向高压油管的供 油的开始和结束。当电磁阀得电时，燃油的低压通道将被关闭，反之，当电磁阀失电时， 燃油的低压通道将被打开，以此来控制喷油起电和喷油量。系统示意图见图1 1 。 4 第一章电喷系统的总体方案设计 图1 ：p p n 系统 电磁阀 1 3 2 泵喷嘴( p n u ) 系统 泵喷嘴系统是在传统的机械式泵喷嘴系统基础上发展起来的，高压油泵和喷嘴结 合在一起，由一个顶制的凸轮来驱动，或者由一个顶杆和摇臂来驱动，控制喷油开始和 结束的电磁阀就安装在高压油泵和喷嘴的结合体泵喷嘴上。与电喷泵一管一嘴系 统相比，取消了高压油管，泵和喷嘴被做成一体，其余类似。系统示意图见图1 2 。 大连交通人学一i ：稃硕十学位论文 泵一喷嘴 线圈 图1 2 ：p n u 系统 上述两种系统，除能自由控制供油定时和供油量外，通过凸轮型线的设计，可以 提高喷油压力和改善供油速率。 1 3 3 共轨( o r ) 系统 共轨系统不再采用由凸轮驱动的柱塞泵脉动供油，油泵的作用是为一个公共的蓄 压室( c r ) 建立压力，蓄压室通过油管与各缸的喷油器连接。喷油器配有电磁阀，直接 控制喷向气缸的燃油的喷射定时、喷油量、喷射压力及喷射速率等，是一种比较理想的 燃油喷射系统。最大优点可以自由地不受转速影响地控制、相对恒定的共轨燃油压力。 以此就可以实现燃油的预喷射和后喷射，以及随外界工况而变的最优化喷油特性和柴油 机特性。系统示意图见图1 3 。 6 第一章电喷系统的总体方案设计 1 4 本项研究的总体设计方案 图1 3 ：c r 系统 1 4 1 电喷系统类型选择 在充分考虑2 4 0 2 7 5 柴油机的结构特点，分析了该系列柴油机电喷系统的改造可行 性，从采用技术的先进性和成熟性以及结构上通用互换性及柴油机对外接1 2 1 几何尺寸、 主要结构形式基本不变的前提下方便实施的原则。 电控燃油喷射系统分析比较看，共轨式电控燃油喷射系统，尤其是高压共轨系统， 是比较理想的喷射系统。但由于共轨式电控燃油喷射系统是伴随电子技术和控制技术的 发展应运而生的新的和先进的燃油喷射系统，相对传统的机械液压式燃油喷射系统变 化较大，在技术上存在较大的难度；另外因油压很高，存在安全及可靠性等问题，故对 所用材料和工艺的要求也较高，在大动率( 机车) 柴油机上暂还未得到广泛应用。泵一 管一嘴式和泵一喷嘴式电控燃油喷射系统，其结构相对传统的机械液压式燃油喷射系统 变化不大，结构简单，容易实现，可靠性好，尤其是泵一管一嘴式电控燃油喷射系统；另 外，此种技术已经在国外柴油机方面应用比较成熟。如：美国通用电气公司( g e ) 在 7 f d l 和7 h d l 柴油机上采用泵管嘴方式电控燃油喷射系统，通用汽车公司( g m ) 在 7 大连交通人学工秤硕十学位论文 h 柴油机上采用泵管嘴方式电控燃油喷射系统。卡特皮勒( c a t ) 在3 5 0 0 系列柴油机 上采用泵喷嘴方式电控燃油喷射系统。2 4 0 2 7 5 柴油机的自身结构特点，与其相匹配的 相关部件的设计和制造会具有可靠性。 2 4 0 2 7 5 系列柴油机燃油喷射系统原采用机械式燃油喷射系统，由机械液压式调速 器、调控传动装置、控制拉杆机构及机械式喷油泵、高压油管和喷嘴所组成。喷油泵为 单体泵，每缸一个，由凸轮轴驱动。综合考虑电控燃油喷射系统的发展趋势和各种系统 的特点及2 4 0 2 7 5 系列柴油机的结构特点等各种因素，最终确定2 4 0 2 7 5 柴油机电喷系 统采用泵管嘴电控燃油喷射系统具有可行性。 1 4 2 泵一管一嘴电控燃油喷射系统功能 为了采用泵管嘴燃油喷射系统，2 4 0 2 7 5 系列柴油机在设计方面的进行了如下改 动：采用了奥地利b o s c h 公司的电控单体喷油泵和常规机械式喷嘴，其中喷油泵出油 口处带有快速响应电磁阀，喷油泵与下体合为一体，喷嘴喷孔规格进行了调整；采用了 德国h e i n z m a n n 的电子控制器及传感器；采用了瑞士n o w as w i s s 的高压油管；采用了 提高滤清精度的燃油精滤器；采用了提高供油压力的燃油输送泵；改进了低压燃油供油 管路；增加了转速及上死点信号检测装置；增加了传感器电子控制器及喷油泵电磁阀之 间和电缆及接线盒的电气系统，从而设计改造后的电控喷射系统有以下系统功能： ( 1 ) 供油定时灵活调节功能； 柴油机转速和功率一定时，通过在控制器中建立程序，并在控制器程序中相应参数 的设置，确保电控泵管嘴系统在有效的供油期内任意改变供油提前角和供油周期，从 而实现各缸爆发压力和排气温度的调整，达到各缸压力和排气温度均衡，从而实现柴油 机性能的最优化控制。 ( 2 ) 喷油量限制功能，包括依据转速和扫气压力的油量限制和启动油量限制等并 通过电控泵管嘴系统对控制器程序中喷油量参数限制值的设置，达到限制喷油量。 ( 3 ) 转速灵活、准确调节功能；包括超速保护功能；这种速度的调节包含了转速 波动率、转速超调率、惰转转速的调节，采用对控制器程序中，最高转速限制值的设定， 进行p i d 参数的调整，达到调节转速波动率和防止飞车的目的。 ( 4 ) 基于柴油机各种运行条件和工况的供油特性优化控制功能： ( 5 ) 柴油机各主要参数的保护功能： ( 6 ) 系统故障显示报警功能。 第一章电喷系统的总体方案设计 1 4 3 电控泵一管一嘴燃油喷射系统对2 4 0 2 7 5 柴油机性能的影响 ( 1 ) 喷射压力对性能的影响 喷射压力愈高，燃油的雾化质量就愈好，这有利于燃油的迅速汽化和与空气的充分 混合及燃烧，燃油消耗和颗粒排放将得到改善；但喷射压力增高通常会伴随着n o x 排 放的增加。由于高的喷射压力使得喷油持续期可以缩短，将允许喷油定时相应延迟，n o x 的排放又会有些改善：另外，通过改变喷射压力还可以调节喷油速率，进而对性能产生 影响。 ( 2 ) 喷射定时对性能的影响 合理地选择喷油提前角，可改善柴油机性能。为了降低燃油消耗，以前通常对喷 油提前角采用适当提前的方法；现在为改善n o x 排放的的目的一般是采用喷油提前角 延迟的方法，但这样燃油消耗和颗粒排放将会增加，所以必须缩短喷油持续期才将有利 于燃油消耗和颗粒排放的改善。 ( 3 ) 喷油量对性能的影响 在进入气缸的空气量一定时，如果喷入气缸的燃油量过多，即空燃比过低，会造成 柴油机燃油消耗和颗粒排放及排温的增加，由于采用电控喷油系统能够对喷油量进行灵 活、精确和定量的控制，为避免因喷油量与空气量的不匹配，即空燃比不足而导致柴油 机冒黑烟，可以利用电喷系统的限油功能，对启动工况、过渡工况和各固定工况的喷油 量进行限制。 ( 4 ) 喷油速率对性能的影响 喷油速率对燃烧过程有着重要的影响。由于喷嘴喷孔总横截面积加大，喷油速率 加快，喷油周期缩短，将会对燃油消耗和颗粒物排放产生有利的影响。如为了改善n o x 排放，则可以在燃油消耗能被忍受的前提下，通过延迟供油始点来实现。为降低着火延 迟期内的燃烧速率和减少这一期间里的喷油量，n o x 及颗粒排放的生成，要求减少初期 燃油喷射速率和采用预喷射方式，在主燃烧期则应将大部分的燃油尽快地喷入气缸，确 保燃油与空气的充分混合，并缩短燃油喷射持续期，以避免碳烟和颗粒物的生成：而在 喷油结束时，为减少由于喷油雾化差而造成的颗粒物增加，必须实现快速停油。 ( 5 ) 采用电喷系统对运用安全的影响 由于电喷系统是由设在喷油泵出油端的电磁阀来控制向气缸供油或不供油的，在电 磁阀失电时停止供油，这种方式确保了柴油机在超速时能有效地直接切断向气缸的供 油，避免飞车事故的发生，保证了柴油机运用的安全性。 ( 6 ) 电喷系统对柴油机的总体影响 9 大连交通人学t 稃硕十学位论文 综合上述结果，可以对2 4 0 2 7 5 柴油机采用电控泵管嘴式燃油喷射系统得出这样 的结论：电喷系统调节特性能使柴油机性能得到改善； 1 5 本章小结 本章从国内外柴油机电喷系统状况出发，说明国外的电子控制喷射技术的应用已经 十分广泛，而我国才刚刚起步。因此，为获得优化的柴油机性能，研究电子控制喷射技 术在国产机车柴油机的应用已成为当务之急，重中之重。目前在电子喷射技术中有三种 主要形式的电控燃油喷射系统并详细论述了这三种电控喷射系统的特点。结合2 4 0 2 7 5 柴油机自身的特点以及改造的可行性和适用性，我们选择了泵管嘴的电控喷射系统电 控喷射系统对2 4 0 2 7 5 柴油机性能的影响进行了重点的阐析。 l o 第二章电喷系统的总体介绍 第二章电喷系统的总体介绍 2 1 燃油系统 装用燃油电子喷射系统的2 4 0 2 7 5 系列柴油机燃油系统设有燃油精滤器、低压输油管 路、低压连接块、电控喷油泵、高压油管、喷油器、限压阀及喷油泵和喷油器的回油管 路。为了保证向柴油机供应足够的清洁燃油，在机车上还设有柴油机以外的燃油系统， 它由燃油箱、燃油粗滤器、燃油输送泵、安全阀、燃油预热器及管件组成。原理图请参 见图2 1 。 r 。 i i | | l | | l 厶 图2 12 4 0 2 7 5 系列柴油机燃油电子喷射系统原理图 两个并联的燃油输送泵从机车底架下边的燃油箱中经燃油粗滤器吸取燃油，通过 燃油泵出口上的逆止阀汇合在一起，进入柴油机自由端处的燃油精滤器，燃油精滤器出 口燃油压力应保持在0 6 - - 0 8 m p a 。 从燃油精滤器出来的燃油分成左右两路通到机体顶面两侧的低压燃油进油管，并依 次通过低压连接块进入到电子喷油泵内。燃油在喷油泵中经柱塞提高压力后，经高压油 管进入各缸喷油器，并按正确的供油定时规律喷射到气缸内。余下的燃油经左、右低压 燃油管汇合后，通过限压阀经燃油预热器返回燃油箱。另外，喷油器回油和柱塞泄漏的 人连交通大学t 程硕士学位论文 燃油也返回燃油箱。 为了防止两个燃油输送泵工作时相互干涉( 若使用一个燃油输送泵时，可将不工作 的油泵进口至燃油粗滤器之间的管路上的截止阀关闭) 在结构上设计安装了逆止阀。 为防止因燃油精滤器堵塞，油压过高可能损坏燃油精滤器或产生泄露，在结构上设 计安装了安全阀，当精滤器前的输油管路内的油压达n o 9 m p a 时，安全阀开通，使部分 燃油返回燃油箱。 为确保进入喷油泵的油压稳定，在结构上设计安装了限压阀。 与机械式燃油喷射系统的柴油机比较，电控燃油喷射系统对燃油清洁度的要求较 高，燃油清洁度直接威胁喷油泵的精密偶件的寿命，因此在电控燃油喷射系统中的在设 计上采用了新型粗滤器和精滤器。 2 2 喷油泵 ( 1 ) 喷油泵组成及结构 喷油泵的结构见图2 2 ，其主要组成如下： 传动机构：包括滚轮( 注：为鼓型滚轮) 、滚轮轴、滚轮体、定位销、定位销弹簧、 柱塞弹簧 柱塞偶件：柱塞、泵体 控制阀偶件：控制阀、控制阀衬套 控制件：电磁阀、衔铁 导向件：泵下体、定位销 1 2 第二章电喷系统的总体介绍 图2 2 喷油泵结构图 1 螺栓2 定位螺钉3 滚轮体4 弹簧5 定位销6 滚轮7 滚轮销8 柱塞弹簧 9 柱塞盖1 0 泵下体1 1 螺栓1 2 橡胶圈( 一) 1 3 橡胶圈( 一) 1 4 泵体1 5 控制阀偶件 2 3 喷油器 喷油器结构组成及结构： 1 3 大连交通大学i ：程硕十学位论文 3 4 9 图2 3 喷油器结构图 卜喷油器体；2 一进油接管：3 一调压垫片：4 一调压弹簧；5 一压紧螺母： 6 一销：7 一弹簧下座；8 一连接块：9 一针阀偶件； 2 4 0 2 7 5 柴油机燃油电子喷射系统采用低惯性多孔闭式喷油器，安装在气缸盖中央， 用压块和螺母紧固在气缸盖内。进油接管从侧面通过气缸盖的回油腔拧紧在喷油器上。 喷油器漏泄出来的燃油，通过与气缸盖回油腔相连的回油管引出。喷油器设计的启喷压 力为3 4 m p a ，喷油器结构见图2 3 。 2 4 电子控制信号检测系统 传统的机械式燃油喷射系统，燃油喷射定时由供油凸轮、柱塞、喷油泵垫片及喷油 泵齿条共同控制。采用的电控燃油喷射系统电信号控制喷射定时。信号检测系统主要测 定转速及各气缸上止点信号，向系统提供正确的喷射定时。信号检测系统包含两部分： 一部分为曲轴信号检测系统，另一部分为凸轮轴信号检测系统，请参见图2 4 。 1 4 第二章电喷系统的总体介绍 彪，夕- j 、协蔷 。淑努 幽24 信号检测系统 曲轴信号检铡系统布置在睦轴输出端，包括：曲轴齿轮盘、传感器支架、转速传感 器，作用是检测转速及上止点信号。凸轮轴信号检测系统布置在左排凸轮轴，位于自由 端，包括：传感器指针、转速传感器、指针安装法兰，作h | 足检测卜l 点信号。所片j 传 感器选择工作频率：52 0 0 0 0 h z ；工作间隙05 2 o n e 【作电压：8 2 4 v 的霍尔传感 器( 注：从德国h e i n z m a n n 公司进u ) 。 25 燃油精滤器 2 4 0 2 7 5 系列柴油机设计选用新型的a s o x i o l w dl “燃油精滤器。滤器安装在柴油机 自由端，采用复合滤材滤芯。燃油精滤器顶部设有放气装置，用于排除燃油系统中的空 气。燃油从进油接头进入，充满罩盖与滤芯之间，然后经滤芯过滤后进入滤芯内部，从 出油接头流出。当燃油精滤器进出几压差 00 3 m p a ，须更换滤芯。 26 控制系统 h e i n z m a n n 的d a r d a n o s 系列数字调速器是为电子喷射系统的柴油机调节速度而设 计的。除了其原先的控制速度的基本功能外。这些调速器还有许多其它功能。适用的喷 射系统有：泵喷嘴( p n u ) ，泵喷油管一喷嘴( p p n ) 和市场上已有的带电磁阀的共轨式系 统( c r ) 。控制系统包括控制单元，电磁阀，传感器和连接电缆。控制单元的核心是一个速 大连交通大学t 群硕士学位论文 度快功能强的3 2 位微处理器，控制单元中的微处理器的程序永久地储存在可擦除闪存 内。柴油机当前速度及曲轴和凸轮轴的位置是由安装在曲轴和凸轮轴齿圈上的三个传感 元件采集的。为了确定曲轴及相应各个气缸活塞的确切位置，提供了几种基于角传感器 安装位置角度不同而获得的不同测量方法。柴油机的速度是由一个或几个给定值调节器 来设置的，给定值可以直接由模拟获得或通过数字信号或通过信道总线获得。另外也能 作数字输入使其能用开关控制。各种各样的传感器都把反馈数据送到调速器，基于这些 数据，调速器将调整柴油机的运转状态，这样才可能有好几个温度和压力传感器以传递 来自柴油机的信号。喷油量和喷射始点是通过激励或释放喷油泵或喷嘴的电磁阀来控制 的。控制单元提供模拟和数字输出信号，可被用来了解柴油机的运转状态及其它目的和 功能。通过一个串口和一个c a n 总线实现与其它设备的连接。 ( 1 ) 功能 h e i n z m a n n 为电子喷射系统配备的电子调速器是速度调节器，它性能广泛，除了调 节速度，还有以下功能。 启动喷油量的调节：为了设置启动喷油量，可交替选择最小启动喷油量和最大启动 喷油量。如果需要，可随温度的变化而设定。更进一步提供了各种启动喷油量，随着启 动，启动喷油量自动增加。 速度变化梯度：在那些不需要速度随着给定值的变化而迅速作出反应的场合( 如机 车运行) ，提供了速度变化程序。它可根据需要单独按程序进行速度的增减。除此之外 还提供了一个单独的速度梯度用于起动，使柴油机在起动后慢慢达到运转速度。 各种给定值的调节：给定值可由电压或电流模拟调节。通过数字开关输入，可以转 换成固定速度或随速度增加减小的同步数字或4 位控制的1 6 个速度档，可以达到不同 给定值之间的转换。 p i d 参数的更改：为了在每个操作点上都选择最佳的动态特性，可依据速度、温度 和负载对p i d 参数进行更改，方式是通过可自由编程的固定图表。 与速度有关的喷油量限制：可以依速度变化设计喷油量的限制曲线，这样，在所有 的速度下都使扭矩减d , n 柴油机所容许的值，这也是用户需要的。 与增压压力有关的喷油量限制：对于那些带涡轮增压器的柴油机来说，当没有增压 压力( 例如起机或工况变化) 时，供油量可被减少到无烟运转的状态。相应的限制曲线 可分别设计。 与温度有关的惰转速度和喷油量限制：在低温条件下，柴油机可在相对高一些的惰 转速度下运转。柴油机暖机后，惰转速度减少到正常值。有可能依据温度对喷油量限制 曲线编程，这样在每一个温度下都使扭矩减少达到柴油机容许值，这也是用户需要的。 1 6 第二章电喷系统的总体介绍 喷油始点的特性图控制：喷油始点和喷油周期可通过特性图设定，况且，每个缸都 有基本的调控选择，因此，燃油消耗和柴油机的排放水准的优化是可以达到的。 油压监控：为了达到监控油压的目的，提供了与速度压力有关的限制曲线。如果 油压低，开始报警：如果油压继续降低，柴油机停机。 传感器监控：如果传感器失灵，开始报警并转换到紧急操作或柴油机停机。 负载调节系统：用于电传动内燃机车时，可提供负载调节系统，根据转速调节发电 机的输出。 附属装置：象数字发电机管理系统这些附属装置，可以通过一个控制装置内部的信 道总线连接。通过等量供油( 例如一个齿轮上有两个柴油机) ，信道母线也可以用来完 成负载分配任务。 输入输出信号的配置：可根据用户的需要对输入和输出在很大范围内进行配置。 碰响试验：第一次在柴油机上使用时，用碰响试验检查电磁阀的电缆是否正确连接。 另外，还要完成以下的测量功能，给定值调节功能和通信接口的检查。 柴油机和机车的传感器和指示仪表，报警装置 通过电位器和固定速度逻辑模拟给定值调节 通过额外的i 0 模块的数据连接通信 通过r s2 3 2 接口传递参数 以上所有功能都可用开关控制。为保证m v c 对机车和车辆控制的一体性，提供了模 拟及数字频率输入、模拟及数字频率输出，以及一个串口和两个信道总线接口。 ( 2 ) 控制电路结构 从下面的控制电路结构图上可以看出基本的控制要求。从技术上讲，三个系统的控 制要求的区别只是在c r 系统中有一个高压油泵。 1 7 大连交通人学i ：程硕七学位论文 图2 5p p n 和p n u 系统的控制电路结构 ( 3 ) 电喷系统工作原理 开始，喷油泵的滚轮落于供油凸轮基圆上，柱塞处于最低位，电磁阀处于失电状态 在供油压力的作用下，一部分低压燃油从控制阀间隙流入柱塞上部的泵室，另一部分燃 油经回油孔流回燃油箱。 柱塞在燃油凸轮的作用下上移，因喷油器启喷压力为远高于低压燃油压力，所以被 柱塞压出的燃油经控制阀间隙、回油孔流回燃油箱。此时电磁阀处于失电状态。 控制系统向电磁阀发出脉冲信号，电磁力克服控制阀弹簧力将其关闭，柱塞上升， 泵室燃油被压缩并克服针阀弹簧力，喷油开始。因为燃油的循环回路被关闭，所以燃油 只能从喷油器喷出。 经过一定的由系统计算出的供油期，电磁阀失电，控制阀在弹簧力的作用下打开。 高压回路与低压回路连通，其高压回路燃油压力迅速降低，喷油结束。系统通过曲轴处 的齿轮盘的脉冲信号来计算转速，然后将其送入调速器( 实际上为一控制程序) 。调速 器检测到的实际转速和司机设定转速相比较，使用p i d 算法，计算出所需的供油量。接 着，控制系统检测此时的冷却水温度、迸气稳压箱压力值，并开始查找此设定转速下 1 8 第二章电喷系统的总体介绍 的供油量限制值，包括速度限油值、增压压力限油值、供油止挡限油值等。最后将这些 值和计算供油量比较，取最小值作为最终供油量值。第三步控制系统查找设定转速下的 供油提前角，再加上最终供油量值，计算出供油期。第四步控制系统按发火次序、供油 始点、供油期发出电磁阀驱动信号，经过放大后，驱动电磁阀工作。柴油机开始以此最 终喷油量值工作，转速升至司机手柄设定转速。控制系统同时还监控滑油末端油压、冷 却水温度。系统根据这些温度、压力值和存储的曲线比较，判定是否该使柴油机卸载或 紧急停机，以防止滑油油压过低、冷却水温度太高对柴油机造成损坏。 控制系统将各种控制参数以二维表格( 曲线) 或三维表格( 曲面) 形式存储。如： 供油提前角图、供油期图、各种限制曲线图、各种校正曲线图等。微机使用专用交互软 件，通过串行口，与控制单元通讯，可以很方便的检查、修改、保存、拷贝控制参数。 而且该交互软件可以随时以数字或图形的方式，监控、记录多个瞬变参数，如：每循环 供油量、增压压力、冷却水水温、转速、供油提前角等，对研究柴油机过渡工况的性能 有很大的帮助。另外，控制系统可以进行故障监测。如果发生故障，在控制单元的两位 l e d 将显示故障编码。依据故障编码可查出故障原因，便于故障排除。 ( 4 ) 位置和速度的确定 在每个气缸中，是活塞的位置决定着准确的喷油定时，为了确定曲轴的也就是每个 缸活塞的确切位置，提供了几种基于角传感器不同安装位置的不同的测量方法。 测量精度：由于曲轴角的精确度对喷油精确度有重要意义，曲轴角每转6 度就应记 录新的角度信息。这就是说，当传感器装到曲轴上时至少要有6 0 个齿，而安装到凸轮 轴上时要有1 2 0 个齿。实际齿数最好是两倍于此，以便获得3 度曲轴角的精度。如果可 能的话，为了确定角的位置，要使用一个带矩形齿廓的测量轮。 测量方法：为了确定速度和角的位置，最多可用两个速度输入和一个定位齿输入( 脉 冲传感器) 。下面是几种测量方法图。 1 9 大连交通大学t 稃硕十学1 7 ：论文 现直i 五 = k 麓，毽蠡幢 翻置五溘曼 凸删 船# 静 一i ，；。孳静 孵镰 一囝- 囝 n t 鞔 王 z 蛾t 地 i 疆：。h 臻 囝囝太岁+ 太岁 图2 6 测量方法 标准的测量方法( 测量方法1 ) 使用一个安装在曲轴上的带齿隙的速度传感器，及 一个安装在凸轮轴上的作为相位传感器的定位齿。曲轴上的另一个传感器可以提供额外 的信息。速度传感器既可安装在曲轴上也可安装在凸轮轴上。优先安装在曲轴上，因为 旋转一周时传感器扫过的齿数会多一些，因此角的测量更精确一些。 测速齿盘的设计：测速齿盘最少应有6 0 个齿，齿数越多精度越高。顶部齿宽最少 应为2 5 m m ，齿隙的宽度和深度至少为4 m m 。齿盘必须为导磁性材料( 例如钢) 。 图2 7 测速齿盘的设计 第二章电喷系统的总体介绍 2 7 本章小结 本章主要介绍了2 4 0 2 7 5 系列柴油机的电喷系统的总体结构，主要包括6 部分：燃 油系统、喷油泵、喷油器、电子控制信号检测系统、燃油精滤器、控制系统，从各个零 部件的结构、功能、工作原理出发逐一进行详细阐述，以便于更清楚地了解电喷系统的 总体结构。 2 l 大连交通人学r 程硕十学1 1 ：) = 论文 第三章电喷系统的台架优化试验 3 1 台架优化试验的目的和意义 选用2 4 0 2 7 5 系列柴油机中的1 6 v 2 4 0 z j e 型柴油机，在其上进行电喷系统设计改 造并对电喷系统做了台架优化试验，试验结论是改造设计验证中最有说服力的依据。原 1 6 v 2 4 0 z j e 型柴油机的机械控制喷油泵采用带优化螺旋线的柱塞控制供油始点和供油 期，已使该型柴油机达到机械控制条件下最优性能。因此，在电喷系统优化试验之前， 参照机械泵螺旋线给定的供油始点进行预设置，然后进行优化选择。 主要做了如下优化试验：标定工况性能优化试验；最大运用工况性能优化试验；牵 引线各工况性能优化试验；空载工况性能优化试验；不同供油量与转速对应的供油始点 特性图优化试验；启动限油试验；超速保护试验；油压保护试验；供油规律测量；通过 以上试验，为1 6 v 2 4 0 z j e 型柴油机电喷系统选择、设置合理的控制参数。 机械喷射系统中，供油定时即供油始点和供油期的确定是通过喷油泵柱塞螺旋线的 形状来实现的，2 4 0 2 7 5 系列柴油机喷油泵柱塞螺旋线的形状是在设计开发过程中通过 在单缸机和多缸机上进行大量的优化试验得到的，制造完成后，形状就固定不变了，供 油定时不再需要每台柴油机人为调整和设定。而电喷系统的供油定势是由电喷控制器根 据预先设定的程序发出开和关的电信号，通过安装在喷油泵出口处的高速电磁阀来控制 的，供油定时是灵活可调的，但需要人为设定。 由于电喷系统与原有机械喷射系统存在不同之处，所以不能直接引用机械喷射系统 的供油定时，需要在柴油机上通过实际优化试验来确定不同工况即不同转速和供油量下 的供油定时，包括：标定工况、最大运用工况、牵引线工况及空载工况和其他运用工况。 具体的优化试验原则主要是在满足气缸爆发压力不超标的情况下，实现燃油经济性最 佳。当然还应兼顾柴油机运转的平稳性，如有条件，还应考虑排放和扭振等因素。 同时，由于采用了电子控制器，以及实现了燃油喷射的电子控制，使得对柴油机的 智能控制和保护成为可能或措施更加有效，如：启动限油、各工况限油、超速保护及低 油压保护等。这些控制和保护措施也需要通过在柴油机上实际试验进行检验和确定。 另外，通过实际试验，我们也可以发现和了解电喷系统的特点及其与机械喷射系统 的不同之处，有利于深刻认识和掌握电喷系统，更好地加以利用。 为此，我们决定选择在1 6 v 2 4 0 z j e 型机车柴油机上进行电喷系统优化试验。 第三章电喷系统的台架优化试验 3 。2 标定工况性能优化试验 1 6 v 2 4 0 z j e 型柴油机在开发、研制时，标定工况的性能目标是：在大气压力为 0 1 m p a ，大气温度2 7 ，相对湿度6 0 和中冷进水温度5 2 的条件下，有效燃油耗率 2 0 7g k w h ( 燃油热值4 2 0 0 0 k j k g ) ，涡轮进口温度、 6 0 0 c 样机在最大气缸压力为 1 6 0 m p a 状态下，达到了上述性能指标。 电喷系统标定工况优化试验选择了八种不同供油始点，用不同手段对最大气缸压力 进行测量，并记录燃油耗率、排温等性能参数。 试验结果表明，当供油始点调至上死点前2 0 8 度曲轴转角时，在检爆阀处用传感 器测量，最大气缸压力已达到1 6 8 m p a ，此时燃油耗率达到2 0 5 8 4g k w h 。但是，当供 油始点调至上死点前1 6 2 度曲轴转角时，在检爆阀处用传感器测量，最大气缸压力为 1 5 1 3 m p a ，燃油耗率为2 1 1g k w h 。经综合比较，最终将标定工况设置在表测最大气缸 压力为1 4 7 m p a ，用传感器同时测量为1 5 8m p a 时的供油始点处，供油始点位置为上死 点前1 7 度曲轴转角，此时燃油耗率在2 1 0g k w h 以下。电喷泵的偶件密封间隙较大， 泄露燃油均回收至大油箱继续使用，在标定工况时测量泄露燃油量为3 3 7 9 k w h 。因此， 标定工况实际燃油耗率 、2 0 7g k w h 。 3 3 最大运用工况性能优化试验 1 6 v 2 4 0 z j e 型型柴油机最大运用功率为3 3 1 0 k w ，柴油机将在此工况下长期运转。因 此，在优化试验中，最大气缸压力限制在1 5 0 m p a 以下。在四种供油始点条件下试验， 也用不同手段对最大气缸压力进行测量，并记录燃油耗率、排温等性能参数。 试验结果表明，当供