第7章__内燃机燃料供给与调节

第七章内燃机的燃料供给与调节 第一节概述第二节内燃机燃料供给系统结构 分类与发展第三节柴油机喷油泵 喷油器 调速器第四节柴油机的异常喷射现象第五节柴油机燃料供给与调节系统的电子控制第六节点燃式内燃机燃料供给系统概述第七节电控汽油喷射系统 第一节概述 一 功能及时 优质地为内燃机气缸内提供适当的燃料 以保证缸内混合气形成与燃烧的有效进行二 质调节与量调节1 柴油机的质调节柴油挥发性差 自燃温度低高压喷射 内部混合气 压燃通过改变喷入气缸的燃油量 汽油机量调节较易蒸发 形成外部混合气 化油器或气道燃油喷射 工况调节 改变节气门位置来改变进入气缸的混合气量三 发展 电子控制燃料喷射技术 第二节柴油机燃料供给与调节系统的结构 分类与发展 一 基本要求能产生足够高的喷射压力根据工况精确 及时控制每循环喷入气缸的燃料量 各缸均匀整个工况范围内 保持最佳的喷油时刻 喷油持续期与理想的喷油规律 安全 可靠工作总结 品质 数量 时间 可靠性 二 发展Diesel 高压空气喷入液体燃料 庞大笨重Bosch 机械式喷油泵三 典型燃料供给与调节系统由低压油路 高压油路和调节系统组成喷油泵 高压油管 喷油器 1 泵 管 嘴系统往复式柱塞泵 凸轮轴驱动每次供油伴随着一次喷油 脉动式燃料供给系统合成泵系统 分配泵系统 单体泵系统 1 合成泵系统 多缸柴油机各缸供油单元安装在同一个油泵壳体中 直列式喷油泵 CumminsPTFuelInjectionSystem 2 分配泵系统采用一个或少量柱塞实现对多缸柴油机各缸的供油 小型高速车用柴油机 3 单体泵系统每缸配一个喷油泵小型单缸柴油机 大型机车 船舶与固定式柴油机 2 泵 喷嘴系统喷油泵与喷嘴合为一体 省去高压油管喷油压力水平最高 160 180MPa 低速 低负荷时喷油压力降低 3 共轨式系统高压油泵不直接产生燃料喷射 送入蓄压管道 共轨 燃料喷射由电子控制器控制电磁阀实现喷油压力高 130 150MPa 压力基本上保持恒定 不受工况影响容易对喷油时刻与喷油持续期进行调节实现较为理想的喷油规律 调节方式分类 传统 机械式调节 位移控制电控式 位移式调节 绝大多数 电磁阀控制 时间调节 第三节柴油机的喷油泵 喷油器和调速器 一 喷油泵1 系列化对某一功率与转速范围内的柴油机 采用外形尺寸 结构参数 柱塞轴距相同的喷油泵 用增减柱塞数 更换不同柱塞直径 改变凸轮型线 升程和出油阀结构尺寸等措施 以及对供油量 转速等参数进行调整 2 评价指标 1 最大循环供油量Vmax以凸轮升程至最大几何速度前的0 3mm处作为供油终点 依据7度凸轮转角供油持续期内的柱塞有效行程计算所得的循环供油量 2 最大平均供油速率Qmax喷油泵在供油持续期内每度凸轮转角的平均供油量 提高途径 增加柱塞直径 提高柱塞平均速度 3 最大许用泵端压力喷油泵所能承受的泵端压力的峰值喷油压力来自泵端的供油压力 受到喷油泵凸轮 挺柱体 泵体等零件刚度和强度限制 4 喷油泵最高工作转速 3 喷油特性对柴油机性能的影响 1 喷油压力由喷油泵产生并经由压力波的形式传递至喷油器 对柴油机的喷雾与混合气形成以及燃烧过程有直接影响小型分隔式燃烧室 不超过40MPa直喷式燃烧室 按排放标准有不同要求 2 喷油与供油提前角 喷油持续期燃料应在上止点前喷入 喷油提前角难于确定 常用供油提前角代替 3 喷油泵的速度特性喷油泵在油量调节齿杆位置不变时 每循环供油量随油泵转速变化的特性 4 喷油规律经验原则 初期喷油率要低 主喷射段喷油率应逐步增大 后期喷射率应快速下降 断油干脆负荷增加 喷油规律形状丰满度增加外特性工作时 向矩形组合逐步过渡电控喷油技术对喷油规律的精确控制 FuelInjectionCycleinHEUISystem 二 喷油器1 分类 关键是喷嘴 用于直喷式柴油机 孔式喷嘴用于分隔式燃烧室 轴针式喷嘴主要区别 喷嘴的头部结构与喷孔数目与尺寸精密偶件 油压 弹簧力 针阀抬起喷油 油压 弹簧力 针阀落座停喷 2 结构特征分隔式燃烧室柴油机 轴针式喷嘴 孔径一般为0 8 1 2mm直喷式柴油机 孔式喷嘴有进气涡流的中小功率柴油机 喷孔数为4 6个 喷孔直径为0 15 0 35mm 缸径较大的柴油机 不组织进气涡流 喷孔7 12个 三 调速器1 功能 限制发动机的最高转速 根据柴油机外界负荷的变化 自动调节喷油泵的供油量 以保证柴油机在各种工况下稳定运转2 分类 按原理 机械式调速器液压式调速器电子调速器 按功能分类 单极调速器两极调速器全程调速器全程两极组合式调速器 第四节柴油机的异常喷射现象 概念 柴油机的异常喷射现象指喷嘴针阀的运动规律乃至整个喷油规律产生偏离预期正常规律的各种异常现象种类 二次喷射 气穴与穴蚀 不稳定喷射一 二次喷射喷射终了后 针阀又不受控制地向气缸内喷油的现象 通常出现在柴油机大负荷 高速运转工况原因 燃油在高压作用下的可压缩性和压力波在高压油路中的传播与反射 二 气穴与穴蚀由于燃油中溶有少量空气 因此当高压油路内压力急剧下降时 溶解在其中的空气先行析出 随后当压力下降到与其温度相应的饱和蒸气压时 高压油路中的燃油也部分开始气化 从而构成的密集气泡 称为气穴现象 出现气穴后 若强压力波传到气泡处或气泡被运送到高压部位 气泡会瞬时缩小 崩溃而产生极高的液压冲击力 引起噪声与振动 压力冲击波反复作用于壁面时 会使金属疲劳而剥落 出现穴蚀现象 液流变为两相流 大大降低了介质的弹性模量和声速 影响喷油正时与相邻循环的工作稳定性 三 不稳定喷射在某些工况 特别是低怠速工况 下 当结构参数匹配不当时 循环供油量不断变动 各循环喷油规律也有差异 这种现象称为不稳定喷射 第五节柴油机燃料供给与调节系统的电子控制 一 柴油机电控喷射的优点1 控制更为全面和精确 比原有的机械或机 液控制更易实现性能优化 并对相互矛盾的要求进行合理折中 使燃油消耗和排放量得到下降 2 可以实现许多有效的改善性能的措施 如预喷射或多次喷射 喷油率与喷油压力的精确控制与机械 机液控制相比操作简便3 控制对象和目标大为扩展 除常规稳态性能调控 还可以扩展到各种过渡过程的优化控制 故障自动监测与处理 操作过程自动化以及自适应控制等 最终发展为整机的电脑管理系统 使整机性能与可靠性得到大幅度提高 二 控制方式位移控制方式 在机械控制循环喷油量和喷油正时的基础上 用线位移或角位移的电磁执行机构或电磁 液压执行机构来控制循环供油量典型 直列式柱塞泵电控系统 一部分VE分配泵系统以及电子调速器等 时间控制方式 与传统机械式完全不同 是在高压油路中利用一个或几个高速电磁阀的开闭来控制喷油泵和喷油器的喷油过程 喷油量的多少 由喷油压力的大小与喷油器针阀的开启时间长短来决定 喷油正时由控制电磁阀的开启时刻确定 典型 带高速电磁阀控制的VE和VR型分配泵 新型高压单体泵 泵喷嘴和共轨电控系统三 组成 传感器 Sensors 电控器 ECU 执行器 Actuators DiagramoftheHEUIInjectionSystem DiagramoftheHEUI BInjectionSystem 1 传感器 检测柴油机及车辆运行时的各种信息 如进气与环境压力 冷却液 机油与燃油温度 进气流量 喷油泵油量调节机构的位移 曲轴转角信号与柴油机转速 车辆的行驶速度 喷油器针阀的升程等 ElectronicControlLayoutOfCommonRailInjectionSystem 2 电控器是柴油机电控的核心部分硬件部分包括微处理器 各种存储器 输入输出接口以及上述各部分之间传递信息的数据总线 地址总线和控制总线以及产生时间脉冲的计时器等 软件的核心内容是柴油机的各种性能调节曲线 图表和控制算法喷油量和喷油正时是ECU发出的最重要的控制指令 3 执行器部分接受ECU传来的指令 并完成所需调控的各项任务电磁控制线圈 电磁阀 压电伸缩机构 四 典型代表直列式的滑阀式电控系统分配泵的时间式电控系统电控共轨系统 1一高压泵2一油量控制阀3一压力调节阀4一燃油滤清器5一燃油箱 包括粗滤器与电动输油泵 6一电控器 ECU 7一蓄电池8一蓄压器 共轨 9一压力传感器10一温度传感器11一喷油器12一冷却液温传感器13一曲轴转角信号与转速传感器14一加速踏板传感器15一凸轮轴转速传感器16一空气流量传感器17一增压压力传感器18一进气温度传感器19一涡轮增压器 第六节点燃式内燃机燃料供给系统概述 一 发动机负荷调节方式1 外部混合气形成 预混合燃烧方式 量调节 通过改变节气门的开度 来改变进入气缸内的混合气量 2 任务 按照运行工况的需要 控制供给的汽油量 使之能与吸入气缸的空气量相适应 形成空燃比适当的可燃混合气 3 分类 化油器 工作原理 电控喷射 1 燃油喷管2 喉管3 节气门4 主量孔5 浮子室 二 汽油机不同工况对混合气浓度的要求1 汽油机在部分负荷范围内运行时 应当供给较稀的混合气 而保证较高的燃油经济性 2 大负荷 全负荷工况时 提供较浓混合气 保证较好的动力性能 3 三效催化器 化学计量比混合气 催化剂转化效率 4 怠速 加浓 及过渡工况 起动与加速 浓度调整 三 电控汽油喷射的优点 相比化油器 1 提高汽油机的充量系数 2 多点喷射 有利于保证各缸燃油分配均匀性 进气温度低 压缩比可以较高 3 控制精确 雾化好 响应快 怠速稳定性 起动加速性好 4 缸内直喷 有利于实现分层燃烧 部分负荷质调节 减少节气门节流损失 5 工作可靠 HC排放少 四 分类1 进气总管或中央单点喷射 SPI CFI TBI 2 进气道多点喷射 MPI 3 缸内直接喷射 GDI 喷射引导 气流 壁面引导 a 进气道多点喷射b 进气总管单点喷射c 缸内直接喷射 第七节电控汽油喷射系统 一 电控系统的组成传感器 电控器 执行器基本 发动机转速 空气流量 表示负荷 传感器 二 多点进气道顺序喷射实例特点 1 顺序喷射 2 无分电盘独立点火 3 辅助功能 4 电控节气门 工作原理 电动燃油泵 油箱 燃油滤清器 燃油轨 蓄压 分配 喷油器 进气道 L型电控汽油喷射系统 Bosch公司的ME Motronic电控汽油喷射系统1一活性炭罐4一进气压力传感器5一燃油轨6一火花塞7一转角传感器10一空气质量流量计11一电控节气门12一EGR阀13一爆燃传感器14一转速传感器16氧传感器17一电控器22一油箱25一三效催化转化器 三 主要传感器传感器的信号分为数字信号 模拟信号 开关信号 1 曲轴转角与位置传感器 发动机的速度工况 活塞上止点的位置 以控制点火角度与喷油时序 2 进气流量传感器 容积式 热线式或热膜式质量流量计 3 氧传感器 闭环控制空燃比 材料 ZrO2 TiO2 四 喷油器与其他执行器1 喷油器 接受喷油脉冲信号 要求动态流量特性稳定 抗堵塞与抗污染能力强 雾化性能好 电磁喷油器 轴针式 孔式 2 点火装置 无分电器式的半导体点火系 每缸一个点火线圈的独立点火方式 3 进气量调节装置 进气补偿装置 旁通式补气方式 电控节气门 喷油器 电磁式 五 电控器与控制策略1 电控器的构成 输入信息的处理部分 微处理器系统 单片机 输出信息的处理部分2 电控器的内存软件驱动程序 专用程序 脉谱图 经过大量的标定试验找出对应各个转速与负荷下的最佳目标值 空燃比 点火提前角 点火闭合角 暖机加浓因子 功率加浓因子脉谱图 3 电控器的控制策略开环控制 单一方向 找出适合于该工况的目标值 修正量等 计算决定控制目标 闭环控制 电控器不断地将待控参数与优化的控制目标值进行比较 调节输出指令 使差别达到最小 氧传感器 特殊工况的开