（机械工程专业论文）动力引擎失控保护系统研究.pdf

工程硕士学位论文摘要 摘要 动力引擎，包括燃料动力引擎和电源动力引擎，都有可能发生失 控造成经济损失或人员伤亡；而引擎失控经常在世界各地发生。解决 引擎失控问题，一方面需要做好引擎设备的保养，预防失控发生；另 一方面，当失控发生时，执行有效保护，最大限度降低损失。本文， 分析引擎失控典型事例，探讨失控原因，提出“积极预防、加强保护” 解决失控问题思想；研究失控保护，从发现失控、执行保护、实施救 助几个方面构建系统，研究适用于各类引擎的保护，以及保护系统在 各类引擎中的应用。 研究失控保护系统，是在引擎失控时，失控保护系统自执行保护， 避免造成损失。失控保护系统，分析现时控制保护的技术和存在不足 之处，结合实际保护要求，构建保护方案，研究系统方案的硬件设计、 系统工作保护流程和保护系统的实际应用方案。 失控保护系统主要成果有：创建“断气一断油”、“断油一断气”、 “断气一断油一加负荷”、“断油一断气一加负荷”全新控制方案； 创建动力引擎失控保护自动控制流程、动力引擎失控保护手动控 制流程、动力引擎失控保护限速控制流程全新控制流程；互 联g p s 系统和控制中心，准确定位失控引擎位置，实现有效救助功能。 关键词失控，保护，飞车，流程，系统 工程硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h eo u to fc o n t r o lo fp o w e r g i i 地，i n c l u d i n gt h ef u e lp o w e re n g i n e a n de l e c t r i c a lp o w e re n g i n e ，w h i c hi st a k ep l a c ei nw o r l dw i d em a y b e r e s u l ti ne c o n o m yl o s eo rp e r s o n n e l si n j u r e d t os o l v et h ep r o b l e mo f l o s ec o n t r o lo f p o w e r e n g i n e ，t h ep o w e re n g i n en e e dp r o p e r l ym a i n t a i n e d , o nt h eo t h e rh a n d ，p e r f o r me f f i c i e n tp r o t e c tt or e d u c el o s ea tt h ef u r t h e s t t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h et y p i c a li n s t a n c eo fl o s ec o n t r o lo f p o w e re n g i n e ， p r o b ei n t ot h ec a u s a t i o no fl o s ec o n t r o l ，b r i n gf o r w a r dt h ei d e at os o l v e t h ep r o b l e mo fl o s ec o n t r o lw h i c hi sp o s i t i v ep r e v e n t i o na n dr e i n f o r c e p r o t e c t i o n t h i sa r t i c l er e s e a r c h , d e v e l o pt h ep r o t e c t o ro fv a r i o u sp o w e r e n g i n ea b o u td e t e c tl o s e c o n t r o l ，p e r f o r mp r o t e c t i o n , i m p l e m e n ts a l v a t i o n , a n da p p l i c a t i o n so f p r o t e c t i o ns y s t e mf o rv a r i o u sp o w e r e n 百n e t h i sa r t i c l er e s e a r c ht h ep r o t e c ts y s t e mo fl o s i n gc o n t r o l ，t h ep r o t e c t s y s t e mp e r f o r mp r o t e c t i o nt or e d u c el o s ea tt h ef u r t h e s tw h e nt h ee n g i n e l o s ec o n t r 0 1 t h i sa r t i c l ea n a l y z e dt h ec o n t r o la n dp r o t e c t st e c h n i c a lo f l o s ec o n t r o la n di t si n s u f f i c i e n c y , c o n s t r u c tt h ep r o t e c ts c h e m ew h i c hi s j o i n t e dw i t ht h er e q u e s ti np r a c t i c e ，r e s e a r c ht h eh a r d w a r ed e s i g n , f l o w c h a r to fp r o t e c ts y s t e ma n dt h ea p p l i c a t i o ns c h e m ew h e nt h es y s t e mb e u s e di np r a c t i c e t h ep r o d u c t i o no f r e s e a r c hi np r o t e c ts y s t e mo f l o s i n gc o n t r o l ，c r e a t e c o m p l e t e l yn e w c o n t r o ls c h e m e , s u c ha s “s t o pa i r s t o po i l ”，“s t o po i l 工程硕士学位论文 a b s t r a c t s t o pa i r ”，“s t o p a i r - s t o p o i l - i n c r e a s e l o a d ”“s t o p o i l s t o p a i r i n c r e a s el o a d ”，c r e a t ec o m p l e t e l yn e wc o n t r o lf l o w , s u c ha s m a u t o m a t i c a l l yp r o t e c tc o n t r o lf l o wo fl o s i n gc o n t r o lo fe n g i n e ) ) ，1 1 l e m a n u a lp r o t e c tc o n t r o lf l o wo f l o s i n gc o n t r o lo f e n g i n e ) ) ，1 1 l e l i m i t e d s p e e d p r o t e c tc o n t r o lf l o wo fl o s i n gc o n t r o lo fe n g i n e ) ) ，r e s e a r c ht h e c o n t r o lc e n t e ra n di n t e r p e n e t r a t eg p s s y s t e m ，d e v e l o p e dt h ee q u i p m e n t o fe x a c tl o c a t i o nt h ep o s i t i o no f e n g i n ew h i c h i sl o s i n gc o n t r o lt or e a l i z e e f f e c t i v es a l v a t i o n k e yw o r d so u t o f c o n t r o l ，p r o t e c t i o n , r u nw a y , f l o w , s y s t e m 工程硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 引擎是现代社会生产，生活不可缺少动力工具：引擎失控问题，一直引起人 们的关注。如何更好解决引擎的失控问题，需要通过分析研究，明确指导思想， 分析国内外解决引擎失控问题的技术状况，从而提出引擎失控保护的新构思。 1 1 引擎失控问题 动力引擎包括柴油机、汽油机、各类燃气机，柴油机是常见的动力引擎，简 称油机，因其内部机构或系统故障，在运行状态下突然不受人工控制，出现速度 越来越快的“飞车”现象，或无法实现正常的停机现象，即为失控【1 11 2 。油机是 人们生产、生活中必不可少的动力引擎，为人类社会进步和发展作了巨大贡献。 但，在实际使用中，油机也可能因失控造成严重事故给人们的生命财产带来巨大 损失。油机失控是经常性现象，造成的生产故障和交通事故每年都在发生。广州 铁路郴州至广州区段的d f 。n 机车1 9 9 7 年- - 1 9 9 8 年共发生1 l 起“飞车”事故： 哈尔滨铁路局一年发生“飞车”事故8 件，沈阳局高达2 0 多件，“飞车”事故 占枧破事故的6 8 ，占运用机车报废率的1 4 。4 。【3 l 黑龙江齐齐哈尔铁路的昂昂溪机务段柴油机“飞车”统计表 序号发生时间机车号飞车地点 11 9 8 7 0 5 1 81 1 6 5库内定修交车 21 9 9 4 0 3 0 51 2 7 1 春鉴，库内测压缩压力 31 9 9 5 0 6 1 31 2 2 4富嫩线新彦一新高峰间1 9 0 8 次 4 1 9 9 7 1 0 0 91 2 2 3滨洲线哈拉苏一三道桥间8 8 4 6 次 51 9 9 9 0 2 0 91 9 2 6滨洲线大庆一龙风间h 6 8 2 次 6 1 9 9 9 1 1 2 9 1 2 0 7 库内处理故障 7 2 0 0 0 0 1 2 01 7 3 8 库内水阻 所谓柴油机。飞车”，就是柴油机在运行过程中，特别是在中小负荷运行过 程，由于某种原因造成柴油机转速剧增，超速运转而不能自控，排气冒浓烟，声 音及震动大的现象。飞车”事故每次造成的经济损失相当严重，轻者数十万元， 工程硕士学位论文第一章绪论 重者柴油机或机车报废。 “飞车”产生存在随机性、突发性，在发生前很难觉察到特别的异常；而发 生的根源和过程，分析起来相当复杂。在特定情况下，避免“飞车”是相当困难 的。关于。飞车”的复杂性，有以下一个分析案例。 1 9 9 4 年，交通部下属一艘日本建造、造价1 5 0 0 万美元、6 6 1 8 k w 的拖轮， 因“飞车”引起特大船舶火灾事故，造成几乎整个船舶损毁。以下是“飞车”过 程和一些具体情况。【4 】 1 9 9 4 年1 月1 2 日因右主机已累计使用近1 5 0 0 h ，且发现排烟较黑，轮机长决 定停机修理，由左主机单机航行。更换了右主机全部气缸喷油器后，经0 5 h 轻 柴油试车，发现第四缸、第六缸排气温度分别为6 2 和3 9 0 ，和其它4 个气缸 排气温度1 2 0 1 2 左右偏离较大。1 月1 3 日继续对第四、第六缸喷油器修理。拆、 检、试验后，发现第四缸喷油器没有排气钢球阀，第六缸喷油器正常。其后，大 管轮修复第四缸喷油器，为了保险，第六缸换装上一个日本原装喷油嘴。修理工 作结束，经两次“吹车”后，关闭了示功阀。当时机舱气温3 2 左右，油温、 气温符合试车条件。 两次启动均告失败后，经查看调速供油手柄在“零”位，将手柄转到通常试 车转速供油位置。第三次启动成功，转速达3 0 0 r m i n 左右。启动后约5 s 。6 个气缸安全阀全部跳动喷出烟火，右主机转速急增，出现“飞车”。“飞车”出现 后，操作人员立刻把启动控油杆拉到“停车”位置，调速供油手柄转至“零”位。 从理论上讲，这两个动作会立刻制止“飞车”，哪怕只作其中一个动作，也会迅 速制止“飞车”而停转。在停车操作失灵后，操作人员即去关闭主机各气缸总供 油阀及喷油器冷却油迸、出的各阀门。此后，由于连杆大端轴承紧固螺栓断裂， 甩出的连杆轴承击碎道门，曲轴箱爆炸引起火灾。右主机曲轴被连杆卡住而停车。 “飞车”共持续了3 m i n 左右。由于机旁操纵台铜、铝、有机材料部件烧熔、散 乱，调控传动机构、超速安全装置部份烧损，集控室内轮机日志烧毁，因海水淹 没机舱，抽泵海水和有效封堵的救助，船员难免碰动一些部件( 尤其通道旁的操 纵台“残体”) ，因此，调控传动机构初始状态较难识别。例如，调速供油手柄 松滑地停在最大转速供油的极限位置。这一点，从设备结构上、操作规程和习惯 上及询查情况上分析，都是不能认定的。令人奇怪的是6 个气缸高压油泵调油齿 2 工程硕士学位论文第一章绪论 条均在“零”供油位置。 关于。飞车”的起因和持续，主要有两种推断。推断一，调控及其传动机 构突发机械故障，导致高压油泵供油急增，引起“飞车” 机理过程：右主机启动后，调速器的转速传感器。飞锤”，由于机械故障没有 打开或打开很小，导致增加供油的错误指示和动作，负荷平衡机件如伺服器针阀 卡阻，误生负荷“过重”，导致负荷平衡间隙迅速占用并增加供油的错误动作。 与预定转速不相应的过量供油，使右主机启动后几秒钟便出现爆燃，6 个气 缸安全阀全部跳动喷出烟火。过量供油同时使右主机转速急增，出现。飞车”， 其后安全阀不再跳动。喷油器的喷油定时、雾化是不会改变的；从雾化油喷入至 加热形成气化油并燃爆所需的时间即“气爆时间”也是基本不会改变的。这说明， 右主机启动后到预定转速的初起阶段，由于供油量过大、转速尚不太高，爆炸压 力过大使安全阀跳动是必然的；随着右主机转速进一步加剧而出现“飞车”时， 由于“气爆时间”占的运转角基本按比例随之加大，产生迟燃，爆炸压力随之下 降。因此，安全阀停止跳动也是必然现象。 操作人员“停车”揉作失效惊呆一会儿后，关闭各气缸及主机的有关油阀， 大约需要1 分多钟时问；而存留在油管中的燃油仍足以延续i m i n 以上的“飞车” ( 按额定转速2 倍计算) ；在供油泵压力下右主机供油阀门也有可能流过少量燃 油。三种因素延续“飞车”，出现3 m i n 。飞车”时间是可能的。 由于。飞车”引起的强烈振动或曲轴箱爆炸振动，使调控、传动机构卡阻性 放障解脱，立即停止高压油泵供油。例如，调速器“飞锤”打开，断油伺服器动 作，超速安全装置受机械的强烈振动失效后，强制卡住在较大供油位置而不能转 动高压油泵柱塞，调油齿条被拉至“零”位。 在高压油泵停止供油的同时或稍后，由于曲轴箱爆炸，连杆卡住曲轴，右主 机停止运转。 以上推断，由于现场烧蚀脏乱，故障证据难寻；而拆检调控系统设备、机件 和高压油泵验证，因其工作量过大而难以实施。 推断二，是调查组有人认为，“飞车”是高压泵之外的第二油源引起。例如， 第四、六缸喷油器修复装机时。未清除活塞顶残油；第六缸喷油器安装不良，冷 却油渗漏到燃烧室，润滑油上窜至燃烧室。 ， 工程硕士学位论文第一章绪论 机理过程：第一种情况，润滑油上窜，须有活塞上部油、气环断裂、油环装 反、活塞顶破损，并排烟呈淡兰色。这些现象均没有发生，因此，可以排除润滑 油上窜的可能。 第二种情况，装复喷油器时，没有清除第四、六缸活塞顶残油，是否会产生 “飞车”呢? 试车时机舱温度3 2 左右，此温度下柴油的流动性如清水。主机启动前， 曾两次以2 5 m p a 左右的压缩空气“吹车”。“吹车”时，船员未发现示功阀处有 油雾冲出。因此，可以认为，既便有残油，量也很少，经“吹车”残油基本清除。 “吹车”之后，又进行两次因未供油而失败的启动。这两次启动的估计数值如下： 扎每次启动时间3 s ； b 总启动时间6 s ； c 启动转速l o o r m i n d 启动中主机运转数f o r ( 1 0 0 r m i nx f s 是f o r ) ； e 启动中压缩、排气行程数各5 次， f 压缩最高气温6 0 0 左右， g 排气行程压力2 m p a - o 1 5 m p a 可见，在两次断油启动中，5 次压缩行程的高温，完全可以把基本清除的残 油加热气化；并在5 次排气行程中，以每次2 5 0 。左右转角，0 1 5 m p a - 2 m p a 左 右的压力，把残油余气吹净。 由于“吹车”的清除作用，两次断油启动未产生残油“爆燃”；由于两次断 油启动的再清洁，第三次供油启动成功后，安全阀未出现立刻“爆燃”而跳动。 因此，一、二个气缸残油引起“飞车”是难以成立。 第三种情况，第六缸喷油器安装不良，其冷却油渗漏入燃烧室，是否会产生 “飞车”呢? ( 1 ) 主机存在正常高压油泵供油时，冷却油有渗漏；但，与正常情况下， 定时的、定量的、雾化的、瞬间喷入的高压油泵供油有所不同。试看渗漏油在四 个冲程中的燃烧情况。 在爆炸作功行程中，气缸盖、气缸、活塞顶所构成的封闭空间，正常喷入油 爆炸膨胀压力约在0 5 m p a _ 9 m p a 之间。其气压值远远高于0 2 m p a 左右冷却油渗 4 工程硕士学位论文 第一章绪论 漏压强。所以，冷却油路即使安装不良而渗漏，在全部作功行程中，冷却油亦只 会在高压下退缩，无法压入燃烧室产生“协助作功”。另外，燃烧室中的氧气被 大量雾化喷入油燃烧占用，既使在该行程终了时有极少量渗漏的冷却油，亦只能 在缺氧情况下缓慢燃烧，作用力极小。 活塞接近下死点时，排气行程开始。活塞通过下死点上行至接近上死点时， 进气行程开始：活塞通过上死点下行通过下死点后再次上行进气行程结束。至此， 排气、进气行程结束。在这两个行程4 0 0 。左右运转角中，气缸盖、气缸，活塞 顶构不成封闭空间( 进气阀或排气阀是打开的，而且两个阀同时打开的重叠角近 1 0 0 。运转角) 。因此，渗漏入的冷却油，基本上产生不了燃烧膨胀的推力。 活塞继续上行，新鲜空气压缩行程开始。此时，封闭空间内新鲜空气的密度 徒增，最终达通常空气密度1 0 倍以上新鲜空气的温度徒增，压缩终了时压强 达4 卵a 左右，气温可高达7 5 0 c 左右。在进气行程中渗漏入封闭空间的喷油器 冷却油，在压缩行程中期己大部分汽化。估计在上死点前8 0 。左右即可达到3 0 0 左右的燃油自燃温度。此时，油汽燃爆产生极大的膨胀力，阻止曲轴运转，即 产生制止。飞车”的阻力矩。 至此，四个冲程分析完毕，结论：有正常供油时，若存在冷却油渗漏，燃烧 产生的膨胀力的总作用是制止。飞车”的阻转力矩。 ( 2 ) 主机停止高压油泵正常供油时，冷却油有渗漏。此情况，喷油器冷却油 渗漏并燃烧产生转矩的机理分析与( 1 ) 所述基本相同，只是产生制止“飞车”的 转矩较小 此外。仅一个气缸怀疑冷却油渗漏，在没有正常供油情况下，由于不是雾化 供油，无法提供有压缩行程存在的六个气缸“飞车”时所需的大功率( 估计可接 近单缸额定功率) 。 ， 综上所述，推断一成立的可能性较大。 从上述案例分析可知，。飞车”的突发性和复杂性，完全避免它发生是不可 能的。建立一个保护系统，当引擎发生。飞车”时，立即执行保护，降低损失是 很有必要的 工程硕士学位论文 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 在7 0 年代，为了保护“飞车”失控的油机，苏联研制出油机进气的“阀门” 装配在油机上使用，当油机出现“飞车”时，人工关闭“阀门”，阻止助燃气体 继续进入油机内继续燃烧工作，使油机停下来，达到保护的目的 4 1 嘲；随后， 西德在n 1 ，型内燃机车上安装“超速”保护器，原理上与苏联的断气“阀门”一 致，但操作起来更方便、简单。随着电子技术的进步，8 0 年代末外国开始研制 可检测油机超速而执行断气的控制器【q 川；9 0 年代初开始，中国的铁道部，也 开始研制适用于自己中速油机的超速控制器。这些控制器在9 0 年代中后期，开 始在铁道部等一些重要部门使用【引 9 1 。而油机的失控保护，也就停留在这类控制 器阶段，始终没有一种适用各类油机的核心控制产品。现用的控制器i lo 】 1 i 】【1 2 】， 存在以下一些不足。 l 、无法适应各类油机的需要。 各种使用场合，对油机的速度要求不同。铁道机车用中速以上油机，而船用 低速油机。各个行业部门，都在研究应用本部门油机的“飞车”保护装置。这些 本部门的“飞车”保护装置，无法适合其他行业的油机使用。国内及国际上，都 没有适应各种油机速度的各行业通用的“飞车”保护控制器。 2 、控制功能单一，保护效果难以保证。 目前，使用的“飞车”保护器基本是以“断油”或“断气”的方式保护，没 有考虑执行“断油”、“断气”两种方式以及负荷调节等其它方式，一旦某一保护 方式失效控制器便失去保护效果。 3 、保护装置欠缺与救援系统信息互联，欠缺救援辅助功能。 e l 前，各地都有交通控制中心，s o s 救援系统，以及正在兴起的卫星定位系 统等求援信息系统。油机失控后，操作者可能过度惊恐或意外受伤，无法及时报 告求助而延误救援时机，造成不必要的损失。如果保护控制器辅以求援系统互联 功能，出现问题时自动发出求援信号，可以获得及时救援。 为了克服“飞车”保护装置的不足，油机的“飞车”保护应考虑系统性设计， 以系统流程来控制保护效果和事故处理。 6 工程硕士学位论文第一章绪论 1 3 本章小结 引擎失控原因复杂，事发突然，不可能完全避免；解决失控，应是积极维护 引擎、预防失控发生，同时对已发生失控引擎执行迅速而有效的保护、避免大损 失。执行有效的失控保护，需要构建“及时发现失控、迅速执行保护和救助”的 失控保护系统。 7 工程硕士学位论文 第二章引擎失控原因分析及引擎失控保护系统目标方案 第二章引擎失控原因分析及引擎失控保护系统目标方案 引擎失控的原因复杂，分析产生失控原因，可以较好地找出引擎失控的保护 方法，为保护系统研究提供可靠依据。 柴油机产生“飞车”原因，主要由柴油机的结构所引起，下面简单介绍柴油 机的工作原理及结构： 2 1 柴油机的工作原理 柴油机气缸中进行的每一次将热能转变为机械能的一系列连续过程称为柴 油机的一个工作循环( 作一次功) 。每一工作循环都包括进气、压缩、燃烧一膨 胀和排气等四个过程。四冲程柴油机的工作循环是在曲轴旋转两周，即四个行程 中完成；而二冲程柴油机的工作循环则是在曲轴旋转一周，即两个行程中完成。 图2 - 1 是单缸四冲程柴油机工作原理示意图。b 3 1 1 4 1 ) _ 嘞储 图2 - 1 四冲程柴油机工作过程 1 曲轴；2 - 连杆；3 - 活塞；4 - 气缸；5 非气门；6 - 喷油器；7 - 进气门 进气行程。活塞由曲轴带动，从上止点向下止点运动，此时进气门开启，排 气门关闭。活塞移动过程中，其上方气缸容积逐渐增大，并产生一定的真空度， 于是新鲜空气被吸入气缸。当活塞到达下止点时，进气行程结束。这个过程中曲 轴转1 8 0 0 。 8 工程硕士学位论文第二章引擎失控原因分析及引擎失控保护系统目标方案 压缩行程。活塞由曲轴带动，从下止点向上止点运动，此时进、排气门均关 闭当活塞向上止点移动过程中，气缸容积逐渐减小，气体被压缩，其压力、温 度随之升高。当活塞到达上止点时，压缩行程结束。此时气缸内气体的温度为 $ 5 0 - - 9 5 0 k ( 柴油自燃温度约为7 0 0 k ) ，气体压力达3 - 5 m p a 。为使柴油麓及时燃 烧，在压缩过程结束前( 约在上止点前l o o 一3 5 。曲轴转角) ，喷油器开始将高压 柴油喷入气缸。这个过程中曲轴转1 8 0 0 作功行程。作功行程中，进、掉气门仍然关闭。喷入气缸中的柴油雾化、吸 热、自行燃烧，产生大量热能，使气缸中的气体温度和压力急剧升高，气体迅速 膨胀，高温、高压气体推动活塞向下止点移动，通过连杆带动曲轴旋转，向外输 出功。柴油机在作功行程中，气缸内气体最高温度为1 8 0 0 2 2 0 0 k ，最高压力为 6 - - 1 2m p a 。随着活塞的移动，气缸容积逐渐增大，气体压力不断减小，活塞达 下止点时作功行程结束这个过程曲轴转过1 8 0 0 捧气行程。活塞在曲轴带动下由下正点向上止点运动，排气门开启、迸气门 关闭。排气行程开始时气缸内充满着废气，排气门打开后，活塞移动强行把废气 排出气缸。这个过程曲轴再转过1 8 0 0 。 至此，单缸柴油机经历了活塞上、下往复各两次的四个行程，完成了进气、 压缩、作功、捧气的工作循环。在每个工作循环中曲轴转两周。在四个行程中， 仅作功行程产生动力，其余三个行程是作功行程的辅助行程，均要消耗能量。当 柴油机启动时的第一个循环必须有外力将曲轴转动，以完成进气、压缩行程，当 作功以后，曲轴和飞轮贮存能量便可使柴油机工作循环继续下去。 以上是柴油机理论工作过程，为使油机有更好的工作性能，进、排气门的开 启时间会提前，关闭时间会迟后。 “多缸柴油机由若干个单缸柴油机连接在一起，共用一根曲轴输出动力。多缸 四冲程柴油机是在曲轴转两周内各缸均同单缸柴油机一样循环工作，即各缸根据 柴油机气缸数目和排列方式不同，按一定顺序、相互错开一定的曲轴转角作功。 四冲程柴浊机其作功间隔角度为由= 7 2 0 。i ，式中i 为气缸数。例如：六缸四 冲程柴油机常用的工作顺序为1 5 3 6 2 _ 4 ，在曲轴每转两周中，各缸均作功一次， 即曲轴每转1 2 0 。就有一个气缸作功，所以它的工作比单缸柴油机要平稳得多。 9 工程硕士学位论文第二章引擎失控原因分析及引擎失控保护系统目标方案 2 2 柴油机的基本结构 柴油机是由许多机构和系统组成的复杂机械，其主要结构大同小异，主要由 以下几部分组成： 机体组件其作用是安装其他零部件和附件。 气缸盖组件一主要作用是与活塞、气缸套构成柴油机燃烧室。 曲柄连杆机构是柴油机实现工作循环完成能量转换的机构。它把活塞的 往复运动转变为曲轴的旋转运动，将气体燃烧的热能转变 为曲轴旋转的机械能，对外作功。 配气机构按柴油机工作循环要求，准时打开或关闭进、排气门。打开时 吸入新鲜空气或排出废气，关闭时保证密封，保证柴油机正常 工作。 空气供给系统作用是向柴油机工作气缸内供应新鲜清洁的空气，并将气 缸内废气经消声后排入大气。 燃油供给系统一主要作用是定时、定量、定压向燃烧室内喷入燃油，并与 空气形成可燃混合气，保证燃油迅速、及时、完全地燃烧。 润滑系统及时地将润滑油送到运动零件的摩擦表面，减少零件的磨损， 并有密封、冷却、清洗、防锈的作用。 冷却系统将零件所吸收的热量及时地传导出去，保证柴油机在正常工作 温度。 一 起动系统使柴油机由静止状态转入运动状态，借助于外力使曲轴达到一 定转速。 柴油机的基本结构中，燃油供给系统的结构是导致柴油机“飞车”的主要部 分，下面详细介绍柴油机的燃油供给系统及发生“飞车”的原因。 柴油机燃油料供给系统的组成。柴油机燃油系统的作用是根据柴油机运行工 况和环境条件将适量的燃油，在适当的时间内，以适当的状态喷入燃烧室，形成 良好的混合气，便于组织完善的燃烧，以利于柴油机发出最大的功率和转矩，同 时满足燃油油耗、噪声、排放等各方面的要求。 柴油机燃油系统多种多样，用于不同目的的柴油机要求采用不同的燃油系 统，到目前为止，柴油机燃油系统分为柱塞式喷油泵供油系统、分配式喷油泵供 工程硕士学位论文第二章引擎失控原因分析及引擎失控保护系统目标方案 油系统、油泵一喷油器式供油系统、p t 供油系统等多种形式，其中柱塞式喷油 泵供油系统属传统式供油装置。如图2 - 2 所示，它具有结构简单、工艺成熟，工 作可靠，维修、调整方便，使用寿命长等优点，被广泛应用于各种形式的柴油机 上。它由油箱、柴油滤清器、输油泵、喷油泵、高、低压油管、调速器等零件组 成，它们的基本功能如下： 图2 - 2 柴油机燃油供给系统 1 柴油精滤器；2 - 喷油泵：3 - 喷油提前器；4 - 榆油泵；5 - 弼速器；6 - 柴油机粗滤 7 一柴油葙：8 - 高压油管；9 - 喷油器；1 0 - 1 习油管；1 l - 低压油管 输油泵将油箱中的燃油吸出，送入到喷油泵的低压腔中。 喷油泵对燃油进行加压、计量，并按照一定的次序将燃油供入到各个气 缸所对应的喷油器中。 喷油器将喷油泵送来的高压燃油喷入燃烧室内。 高压油管将喷油泵中的高压燃油送到喷油器。 调速器调速器检测出柴油机的适时转速，并将适时转速和设定的转速进 行比较，产生与两种速度差相对应的作用力，使柴油机的转速向 设定转速逼近。调速器既是一种速度传感器，又是调节喷油时的 执行器，是一种典型的速度自动调节装置。 滤清器将燃油中的杂质滤去。 回油管将多余的燃油送回油箱。 工程硕士学位论文 第二章引擎失控原因分析及引擎失控保护系统目标方案 ( 一) 柱塞式喷油泵供油系统 黜踏 图2 - 3 柱塞式喷油泵工作原理 图2 3 为柱塞式喷油泵的工作原理。柱塞为一光滑的圆柱体，在其上部铣有 螺旋槽或斜槽。当柱塞下移到上顶面完全打开进回油孔时，进回油孔与低压油腔 相通，此时柴油进入柱塞上面的空间。随后柱塞上移至封住进、回油孔后。柱塞 上部油压迅速升高。当压力增大至足以克服高压油管剩余压力和出油弹簧的预紧 力时，推开出油阀，高压柴油便通过出油阀进入高压油管，送至喷油器，直至柱 塞螺旋槽或斜槽与进回油孔通接，供油停止。 柱塞的行程取决于凸轮轮廓曲线的最大升程。柱塞行程的距离是不变的。供 油开始时间由柱塞上端面封住迸回油孔的时刻来控制，供油终了时间则取决于螺 旋槽或斜槽与进回油孔接通的时间。转动柱塞改变螺旋槽或斜槽与进回油孔的轴 向相对高度，即可改变柱塞的有效行程，以此来改变每循环供油量。 图2 - 4 拨又式油量调节机构 1 调节臂；2 一柱塞；3 一柱塞套； 4 调节拉杆；5 调节又 而柱塞的转动由油量调节机构来控制。油量 调节机构主要有拨叉式和齿杆式两种。图2 4 为 拨叉式油量调节机构。供油拉杆的转向位置由司 机或调速器来控制。若移动供油拉杆时，调节叉 就带动调节臂及柱塞相对于柱塞套筒转动，从而 调节供油量。 每工作循环的供油多少由调速器来完成。目 前柴油机上使用的调速器按工作原理可分为机 械离心式、液压式和气动式三大类。在中小型柴 油机上主要采用机械离心调速器。机械离心式调 工程硕士学位论文第二章引擎失控原因分析及引擎失控保护系统目标方案 速器又可分为单制式、两极式和全程式3 种。图2 5 为全程式调速器的工作原理 图。柴油机运转时，曲轴通过传动系统驱动调速器轴并带动飞球旋转。飞球在离 心力的作用下向外移动。当负荷减小时，转速升高，飞球_ 自勺离心力轴向分力p 大于调速弹簧预紧力p i ，则通过推力盘带动拉板，使油量调节拉杆向减油方向移 动，转速相应降低，直至p 与p 。达到新的平衡为止。如外界负荷增大，转速减 小时，由于p 。大于p ，则使油量调节拉杆向增油方向移动，并使转速相应提高， 直至p 与p ；达到新的平衡，从而保证了柴油机在所需的工况下稳定运行。 图2 - 5 全程式调速嚣的工作原理 i 一齿杆限位螺钉2 一操纵杆；3 一支承盘；4 一飞球； 5 一滑动盘；6 一调速弹簧；7 一调速杠杆；8 一调节齿杆 上述油量调节机构，如果油机由停止到达最高调速，移动供油拉杆、油量调 节拉杆所移动的范围越大，油机在调速过程中油量调节杆、拉杆必须较大距离的 来回移动，保持它们良好润滑，可减少杆体卡滞而造成“飞车”；另一方面，移 动供油拉杆、油量调节拉杆有较大移动范围，油机调速灵敏度会下降，油机失控 达到。飞车”速度的时问相对延长，有利于采取保护措施。 工程硕士学位论文 第二章引擎失控原因分析及引擎失控保护系统目标方案 2 3 柴油机发生“飞车”的原因分析 2 3 1 曲柄连杆机构动力分析 柴油机工作时，曲柄连秆机构受到下述各力及扭矩的作用 2 6 1 | 2 7 1 。 ( 1 ) 气体作用力，它沿气缸中心线作用于活塞项部，并由活塞承受和传递到连 杆、曲轴； ( 2 ) 运动件的惯性力； ( 3 ) 支承曲柄连杆机构的支承反力，包括气缸对活塞的支承反力以及主轴承对 主轴颈的支承反力； ( 4 )由曲轴带动从动机械负荷的反作用扭矩，由曲轴承受； ( 5 ) 运动件的重力； ( 6 ) 运动件与支承面之间的摩擦力，由活塞、连杆：曲轴等摩擦面承受。 其中气体作用力是曲柄连杆机构的原动力，它与柴油机的工作过程及负荷大 小有关与柴油机机转速无直接关系。惯性力是伴随各零件运动而产生的，它与柴 油机的工作过程及负荷大小无直接关系，而与曲轴转速、运动件质量等有关。对 于运动件的重力，在高、中速柴油机中，由于其数值较小，一般不予考虑。摩擦 力也因其数值较小，影响不大，通常忽略不计。柴油机的负荷如带动从动机械为 发电机、液力变扭器等的反作用扭矩则与曲轴的输出扭矩相平衡。至于支承曲柄 连杆机构的支承反力，则是我们进行曲柄连杆机构动力分析的主要内容。因此， 只要找出气体作用力及惯性力，就可以根据力的合成和分解、作用和反作用，求 出支承反力以及负荷的反作用扭矩。 一、气体作用力 作用在活塞上的气体作用力p 。为； 纠p p o ) 孚 p 1 ) 式中p 。一活塞上的气体作用力，n ； p 气缸内的气体压力，m p a ； p o 一一曲轴箱内气体压力，m p a ； d 一气缸直径, r a m 。 1 4 工程硕士学位论文第二章引擎失控原因分折及引擎失控保护系统目标方案 气缸内气体压力p 值随曲柄转角d 而变化，其变化周期为柴油机的一个工作 循环。 气缸内气体压力大小与每工作循环气缸内完全燃烧的燃油的多少有关，燃烧 的燃油越多，气体作用力越大。 气体作用力在曲柄连杆机构上的作用如图2 - 6 所示，它在曲轴上产生一个转 矩m 。，同时在机体上产生一个与m 。大小相等、方向相反的反转矩m 。，对柴油 机本身来讲，这是一对平衡的内力矩。另外，气体作用力通过活塞、连杆、曲轴、 经主轴承传递到机体上一个垂直向下的作用力五。同时，气体作用力还以相同 数值作用于气缸盖上并通过缸盖螺栓传递到机体上一个垂直向上的作用力五。 显然，西与西大小相等、方向相反且同时作用于机体上，也是一对平衡的内力， 并不传递到柴油机外。但却使这些固定机件都受拉力，即当柴油机工作时，气体 作用力使缸盖螺栓及机体受到拉伸作用。 二、曲柄连杆机构的惯性力 柴油机工作时，曲柄连杆机构各运动件都具有一定的质量和加速度，必将产 生惯性力。惯性力的方向与加速度方向相反，其大小等于运动件的质量和加速度 的乘积。 曲柄连杆机构的惯性力主要有两种，一种是作往复运动的运动件产生的往复 惯性力；另一种是作旋转运动的运动件产生的离心惯性力。 i 往复惯性力 活塞组产生的往复惯性力为 弓= 1 口= 一+ m 1 ) r c 0 2 ( c o s a + 2 c o s 2 a ) ( 2 - 2 ) 式中p r 一往复惯性力，n ； 岫往复运动总代替质量，k s ； r 一一曲柄半径，m ； 一一连杆比； d 曲柄旋转角速度，r a d s ； p j 是沿气缸中心线方向作用的，公式前的负号表示p j 的方向与活塞的加速 工程硕士学位论文第二章引擎失控原因分析及引擎失控保护系统目标方案 度方向相反。 2 离心惯性力 动力计算时，假定曲柄以等角速度转动，产生的离心惯性力为 p = 怫且m 2 ( 2 - 3 ) p r 作用在曲柄销中心，它的方向始终沿着曲柄中心线向外，并随着曲柄而 旋转。 3 气体作用力与往复惯性力的合力 在活塞组的活塞销中心处，不仅有往复惯性力p j 的作用，还有周期性循环 的气体作用力p q 作用于活塞上，并传递到活塞销中心与往复惯性力合成。因此， 图2 - 6 力和力矩的作用 沿气缸中心线在活塞销中心处的总作用力为 您= 岛+ 乃此合力可分解为2 个分力n 和k 。 作用在气缸壁上的侧压力= 是留，是使气缸在 工作时产生磨损、敲击、振动及穴蚀现象的原因之一。 合力沿连杆中心一方向的分力k 称为连杆力， 足= 乓l _ ；连杆力使连杆受到压缩或拉伸。连杆力 一g o s d 沿连杆中心线传递到曲柄销处，又可分解为切向力t 和法向力z ，法向力z 沿曲柄中心线作用，并指向主 轴颈中心，通过曲柄直接传递到主轴承上，其计算式 为 z = x c o s ( 口+ ) = 是警 ( 2 4 ) 切向力t 的计算公式为 z = 蜀蚴柏= 是鼍茅 切向力t 是沿曲柄圆周的切线方向作用在曲柄销上，由于切向力不通过主 轴颈中心。根据力的平移法则，可在主轴颈中心加上两个作用方向相反与切向力 相等的一对力t ；t ”一t ，并使t 和t ”与切向力平行，t ”与t 组成一个 1 6 工程硕士学位论文第二章引擎失控原因分析及引擎失控保护系统目标方案 力偶，力偶矩为： m = t r c - 6 ) 该力偶矩即是柴油机曲轴的指示扭矩，在扣除摩擦阻力、附件传动等损耗后， 便是使柴油机曲轴转动并带动外界负载而输出功率的有效扭矩m 。，余下的t 7 力则直接作用在主轴承上并与沿曲柄方向传递到主轴承上的法向力z 合成，其 合力为k7 ，在数值上k7 等于连杆力k ，即k7 = k 。 k 作用于主轴承并传递到柴油机机体，可分解为垂直分力p 和水平分力 p 垂直于机体主轴承；沿水平方向作用于机体，它与活塞对气缸壁的 侧压力n 大小相等方向相反，但作用线不在同一直线上。与n 组成一个反力 偶，其反力偶矩为 厶= 一朋l ，此力矩作用于机体并使机体有倾倒之势，称为机 体的倾倒力矩。 倾倒力矩肘与曲轴的指示功率m 大小相等，方向相反，前者作用于机体 上，后者作用曲柄，m 。由柴油机的固定螺栓或弹性支承来承受，m 。随曲柄转 角q 呈周期性交化，使柴油机产生绕其重心左右摇摆( 横向) 的振动。m 则使 曲轴扭转振动。 通过对曲柄连杆机构的动力分析，柴油机工作时只有气体作用力得到了完 全的平衡；往复惯性力、离心惯性力及倾倒力矩都未得到平衡，随着曲柄转角的 变化，必然引起柴油机垂直方向和横向的振动，另外，作用于曲柄上的法向力z 和切向力t 将分别引起曲轴的弯曲振动和扭转振动。 柴油机工作时，柴油机的转矩在任一瞬间都与加在曲轴上的阻力矩及所有 运动质量的惯性力矩相平衡，即 m s - m q + l 。( 2 - 7 ) 式中m s 柴油机转矩的瞬时值，n m m o 一阻力矩，n m ； i o - - - - - 柴油机中所有运动件换算到曲轴上的转动惯量，l 【g m 2 在稳定工况下，转矩由下面公式计算 1 7 工程硕士学位论文第二章引擎失控原因分析及引擎失控保护系统目标方案 靠= 9 5 5 0 * n m( 2 - 8 ) 式中m s 柴油机转矩的瞬时值，n m ； p r 一一柴油机的有效功率，k w ； n 一一一柴油机曲轴转速，r m i n ： 见= 只= 赭( 2 - 9 ) 式中p c 有效功率，k w ； p i 指示功率，k w ； ! qm - 机械效率； r ii r 一指示热效率； b _ 一一每小时油耗量，k g 仳 h u 所用燃料的低热值，k j k g 。 当柴油机转矩与柴油机阻力矩( 负荷) 相等时。掣= 0 ，柴油机在某一转速 下稳定运转。 当柴油机转矩大于阻力矩时，。d o 0 ；即柴油机增速。 燃烧燃油所转化的机械功与柴油机的负荷平衡时，即 气入= m m 出，此时输 入的扭矩与输出的扭矩相等，柴油机曲轴在恒定转速下旋转。当柴油机供油齿条 卡死在最大供油位置，突卸负荷时，曲轴有角加速度产生，如果不想办法控制， 曲轴转速会越来越大，这就是本文所讲的柴油机“飞车”。 柴油机曲轴转速越来越快时，作用在曲轴、连杆、机体、螺栓等的受力增 大。如，作用在连杆大头盖的负荷力： e = - m j r t 0 2 c o s a - a r 0 2 c o s 2 a + 如r 0 2 = ( - 置c o s 口一五r c o s 2 盯+ 碗r ) 讲2 ( 2 1 0 ) 式中m i 一全部往复运动质量； r 曲轴半径； 五连杆比； 国一曲轴旋转角速度； 口一曲柄转角； 1 8 工程硕士学位论文第二章引擎失控原因分析及引擎失控保护系统目标方案 砖一除去大头盖后的连杆旋转质量。 连杆大头盖的安全系数是1 5 至3 。如果曲轴的角速度，是设计最高角速度o ) h 的k 倍，那么，皿国h ) 讯0 3 h ) 2 = k 2 ，当k 2 = t 5 时，k = 1 2 2 。也即是说，曲轴角速 度超过最高设计角速度的2 2 时，就可能破坏连杆大头盖。 计算结果表明，曲轴角速度产生的负荷力，当超过这些零件的强度极限时， 使这些零部件损坏。 曲轴转速升高的同时，受热零件无法正常散热，特别是活塞、气缸盖等受热 变形破坏。 柴油机。飞车”的危害很大，有可以发生机破或人员受伤事故，所以要想 办法加以控制。 2 3 2 柴油机。飞车”的主要原因 大量实践证明，引起柴油机“飞车”的主要原因一是喷油泵调速器出现故障， 二是过量机油进入燃烧室参与燃烧1 5 1 1 6 】【1 7 1 。一般来说，突然将柴油机的负荷卸 去或减少时，此时维持其正常工作所需要的供油量应迅速下降，倘若此时供油量 没变或减少迟缓，则多出来的这些燃油就会使柴油机转数猛然剧增，若制止不及 时，柴油机转数就会失去控制而发展为。飞车气我们知道，喷油泵控制拉杆的 作用至关重要，因为柴油机喷油泵供油齿条的位置决定柴油机的供油量，而供油 齿条的位置则受喷油泵控制拉杆操纵。联合调节器、极限调速器和紧急停车按钮 等动作指令的最终执行者都是喷油泵控制拉杆。一旦它发生卡滞而不能可靠执行 上述动作指令时，若适值柴油机卸载或减载，喷油泵控制拉杆不能将绝大多数喷 油泵供油齿条拉回减油位，柴油机无法减少供油量，则会引起柴油机“飞车”。 从理论来讲“飞车一主要原因如下1 1 8 11 1 9 1 2 0 i ： ( 一) 喷油泵调速器原因 从理论来分析，下面原因有可能发生。飞车”： ( 1 ) 喷油泵调节齿秆或调节拉杆卡死在最