《博士柴油共轨实验台设计研究毕业说明书》由会员分享，可在线阅读，更多相关《博士柴油共轨实验台设计研究毕业说明书（88页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、博士柴油共轨实验台设计研究毕业说明书1 绪 论目前国外轿车采用柴油发动机日益普遍，奔驰、奥迪、大众、宝马、雷诺、沃尔沃等欧洲名牌车都有采用柴油发动机，因为现代先进的柴油机采用电控喷射、共轨、涡轮增压、中冷等技术，在重量、噪音、烟度等方面已取得重大突破，并达到了汽油机的水平，而且具有低油耗、经济性好的优点，相比汽油机更环保。由于柴油机电控共轨技术发展于90年代后期，引入我国还属于新型技术，并且在各个汽车教育领域还没有普遍开展，现介于柴油共轨系统技术先进，结构复杂与汽油电控发动机有一定的差别，研究博世柴油共轨发动机的各种传感器和执行器的信号，设计并制作出一台博世柴油共轨试验台。制作柴油共轨实验台的
2、目的是为了拉近了实际汽车维修与教学之间的距离，提高教学水平。开发和制作柴油共轨试验台是对于各个教育领域是非常必要的，并且有很高的发展前景。本实验系统是一台多功能的电控发动机综合实验台，是一种以实物装置与检测、模拟装置相结合的新型教学实验实训设备。发动机部分电控系统电路图在实验台面板上清楚的显示出来，实验台面板上设置相关检测点及执行器工作显示装置，实验台涵概了柴油共轨发动机各方的知识点，又自带教学软件使教师容易操作讲解，学生容易学习，它能够满足柴油共轨发动机教学任务所涉及的实习及实验。实验台上可实现的功用是通过设置的检测端子可反复无损伤的对发动机电控系统的各种参数进行系统的分析与研究，使学生理解
3、各种工况下发动机ECU的控制原理，以及传感器、执行器的动态参数值的变化情况，如反馈电压和传感器波形变化，及各电控元件的动态数据流等等。实验台的故障设置部分采用了二十多个可控制的故障点，可以迅速使发动机切换进入不同故障状态，学生可以观察各种故障对发动机工况的影响，确定故障现象，并可以利用电脑检测仪，万用表等仪器在实验台上进行检测和故障诊断与排除。故障设置点使教师可以在实验台上对学生进行“电控发动机故障诊断与排除”的考核。既有利学生的学习，又有利于教师的教学，是一种非常有效的教与学的结合产物。2电控柴油机喷射系统2.1柴油机对燃油系统的基本要求2.1.1自由控制喷油压力研究表明：喷油压力是柴油机系
4、统的最重要的参数1。特别是在排放法规越来越苛刻的时代要求下，一方面要努力提高喷油压力，另一方面更需要能够自由地控制喷油压力。在凸轮驱动的机械式燃油系统中，喷油压力是由凸轮形状等一系列参数决定的，人们不可能按照自己的愿望改变喷油压力，只有在电子控制的共轨式燃油喷射系统中才能做到自由控制喷油压力。2.1.2自由控制喷油时间在传统的泵管嘴系统中，由于采用了一定长度的高压油管，在喷油泵端对燃油加压的压力波传递到喷油嘴的过程是一个非常复杂的过程，人们是没有办法加以有效控制的。一般都是凭经验，通过参数组合，最后由试验决定喷油时间。在传统的机械式燃油系统中，一般是采用提前器控制喷油时间，但是，这是相当粗糙的
5、。在第二代和第三代电控燃油系统中，采用高速电磁阀之后，才真正实现了自由控制喷油时间。2.1.3自由控制喷油率喷油率形状决定着柴油机的燃烧过程的质量，决定着柴油机的经济性、工作柔和性和排放指标等。在传统的机械式燃油系统中，喷油率图形几乎是无法控制的，在时间控制式电控燃油系统中可以比较方便地控制喷油率。在共轨系统中，可以方便地实现预喷射、主喷射、多段喷射包括3段喷射、5段喷射或更加复杂的喷油率模型。 2.1.4精确控制每循环喷油量根据发动机的实际运行工况和当时的外界环境条件精确控制每循环喷油量。在传统的机械式燃油系统中，由机械式调速器控制喷油量，但是，这种系统的控制精度不能满足当代柴油机的要求。柴
6、油机中每循环的喷油量不仅取决于外界负荷以及工作条件有关。例如：环境温度、湿度等。图2-1 特性曲线2.2 电控柴油机的基本控制理论2.2.1喷油压力控制图2-2喷油压力和平均喷雾粒径的关系提高喷油压力一直是柴油机燃油系统追求的基本目标之一2。 最近的实验表明：喷油压力与发动机的PM、NOx排放量关系很大。提高喷油压力是改善柴油机排放的有效措施之一。1柴油机在低速和中速工况下，为了使燃油雾化良好，所以减少喷油孔直径。这样，在动力输出工况下，喷油延迟期显然过长，因此，为了动力输出，必须要有高的喷油压力，缩短喷油延迟期。2试验观察结果表明：喷油压力越高，在喷雾束中局部区域的油汽当量比变低。由于高压喷
7、射，在能量高的局部区域内，空气能比较活跃地引入雾束内部。因此，局部过浓的混合气比例降低，所以排气中黑烟明显降低。电控共轨系统中是采用特种传感器来控制喷油压力的。共轨系统的特点是对共轨压力进行闭环控制。共轨系统的所有传感器和执行器，除了共轨压力传感器外都可以从现有的柴油喷射系统中得到。燃油压力由共轨压力传感器测量。第一代电控共轨系统产品中，由调压阀按柴油机工况将压力调到正确的静态或动态设定值。在共轨压力控制功能中有三项任务：共轨压力设定； 共轨压力控制和共轨压力监控。柴油机转速、喷油量、大气压力、进气温度和冷却液温度都对共轨压力设定值有影响。共轨压力设定值是共轨压力控制中最基本的输入参数。共轨压
8、力监控单元将目前共轨压力与共轨压力设定值进行比较。发动机转速、发动机起动、冷却液温度以及共轨压力值等作为控制的相关参数，也都要直接传送到共轨压力监控单元中。作为喷油嘴端的输入参数首先是共轨压力，此外，还有燃烧室几何形状、涡流、标定转速等。通过各种参数预喷射和主喷射始点、预喷射和主喷射喷油量、相对于主喷射的预喷射时间、共轨压力以及废气再循环率决定柴油机特性。其中，共轨压力是最重要的参数之一。大量参数是相互依赖的，所以优化处理非常费事。排放和噪音之间的协调就是一例，两者均受共轨压力的影响。在电控共轨式燃油系统中，喷油压力与发动机的转速无关，由供油泵直接决定。目前，实用的喷油压力已达120Mpa，不
9、久的将来就会达到150 Mpa。2.2.2喷油时间的控制合适的喷油时间的好处1排放法规 首先应当考虑排放法规的各种限值。柴油机排气中最难解决的课题是如何降低NOx排放值。各种试验研究表明：柴油机排气中NOx气体成分的含量与气缸内最高平均温度有直接关系。适当控制气缸内最高平均温度Tmax，就可以控制NOx排放值。2着火始点根据排放法规，对照图2-3，可以根据着火始点大体决定喷油始点。当没有排放法规限制时，着火始点可以选在D处；随着排放法规的严格，着火始点越来越往后推迟：从D点到D到D”点。相应地气缸内最高平均温度Tmax从2200C下降到2000C下降到1900C。从而可以满足相应的NOx排放法
10、规的要求。图2-3喷油时间与气缸压力3着火延迟着火延迟期长，预混合燃烧量增加，Tmax升高，NOx排放量增加；压缩比小，则着火延迟期长。在任何情况下都应该尽量缩短着火延迟期。当压缩比=1818.5时，着火延迟期约为2.53曲轴转角，适合于欧排放标准；当压缩比=1617时，着火延迟期约为44.5曲轴转角时，一般不能满足欧排放标准；如右图2-4所示。例如图2-4：同样经历2ms时间，则1000r/min时占12CA；2000r/min时占24CA；3000r/min时则占36CA。由于转速对凸轮转角影响较大，喷油延迟和着火延迟所占凸轮转角角度随转速升高而增加。为了保证燃烧始点总能发生在上止点附近的
11、最佳位置，就要求转速升高时喷油始点亦相应提前。图2-4 凸轮转速及相对应的关系4 喷油时间的计算 控制计算机根据油门开度以及发动机的转速计算出目标喷油时间。利用进气压力、冷却水温对喷油时间进行修正。起动时，根据起动机信息、冷却水温、发动机转速对目标喷油时间进行修正。实际喷油时间的计算方法如下：从发动机方面，检测压缩上止点位置和曲轴转角传感器的上止点信号之间的关系。喷油泵方面，求出喷射波形与转速传感器的发动机脉冲之间的关系；这样，如果计算出上止点信号和发动机脉冲之间的相位差，就可以推算出实际喷油时间。5反馈控制所谓反馈控制是指：对图中的实际压缩上止点和喷油开始点之间的角度差进行控制。但是，实际压
12、缩上止点和喷油波形都不作为信号检出。为此，必须用上述方法计算出实际喷油时间。2.2.3 喷油量控制柴油机的基本能量是来自柴油在气缸内燃烧所做的功，柴油机输出的动力决定于供入气缸内油量的多少。喷油量的计量机构和控制机构是燃油系统的主要组成部分如果使发动机的转速和喷油时间保持不变，仅只改变每循环供入气缸中的燃油量，则发动机动的输出功率和燃油消耗率的变化情况。这是由于气缸内部混合气的形成过程、燃烧过程等一系列的物理的、化学的变化因素决定的，所以每循环供油量的多少是有严格的制约的。但是，由图2-1中曲线可见，在一定的范围内，发动机的输出功率大体上和每循环的供油量成正比，所以，按照油门开度的大小调节喷油
13、量，就可以控制发动机的输出功率。如果喷油量越过A点，则输出功率下降，冒黑烟，而且排气中的有害成分迅速增加。这是由于相对于气缸中有限的空气量，燃油量过多，氧气不足，不能完全燃烧，变成碳黑而排出的缘故。因此，不论在何种情况下，每循环供入气缸中的燃油量必须充分利用排气中的有害成分，必须符合排放法规。2.2.4 喷油率控制 喷油率单元时间内喷油量与喷油时间的比。在电控共轨系统中，由供油泵提供高压燃油，经过高压配管、高压燃油存储在共轨内。电控喷油器内的电磁阀控制针阀偶件的背压，决定喷油器开启和关闭时间。喷油压力与发动机转速无关，始终维持在高压状态目前一般为135Mpa。电磁阀直接控制针阀升程进行喷射。因
14、此，在电控共轨系统中，不仅可以完成一般意义上的喷射，而且还可以实现引导喷射、预喷射等多段喷射。可以完全独立地、自由地控制喷油压力、喷油量、喷油率和喷射时间。在多段喷油过程中，各段喷油的利用和目的如图2-5所示。图25各段喷射的作用说明1、 引导喷射引导喷射相对于主喷射提前角度很大，由于预混合燃烧的效果，PM排放和燃烧噪声引导喷射越提前，烟度和噪声越低，引导喷射可以明显降低燃烧噪声2、 预喷射 多段喷射时的预喷射和前述机械式系统中的预喷射有所差别。在主喷射之前进行的预喷射，可以使燃烧噪声明显降低。但是，由于预喷射会导致PM增加，因此，可以通过使预喷射段靠近主喷射段的办法降低PM排放。图2-6是在
15、中速、中负荷工况下应用预喷射的试验结果，由图可见，缩小预喷射和主喷射的间隔（时间间隔0.4ms可使烟度降低，但是降低噪声的效果不明显）。图2-6预喷射的效果3、主喷射发动机的动力主要来源。4、后喷射后喷射是紧靠在主喷射之后进行的喷射，可使扩散燃烧更快地进行，因此，可以降低主喷射中产生的PM。图2-7是在中速、中负荷工况下进行后喷射的实例。由图可见，当后喷射靠近主喷射（间隔0.7ms）时可以降低PM， 图 2-7 后喷射效果对于引导喷射和后喷射过程，因为是在活塞离开上止点段距离的位置进行的，燃油有可能会附着到气缸壁上。解决的办法是：分成几段喷射，而且每段的喷射量少一些。此外，为了实现后处理装置再生（复原）而进行的次后喷射中，对发动机的转矩会带来不良影响，为此，必须采取适当的措施对主喷射的指令值进行修正。5、次后喷射次后喷射是在离开主喷射相当的时间间隔之后进行的喷射，由于排气温升和还原成分的供给，可使催化剂的活性增加。但是如果次后喷射的时间过迟，则可能导致燃油附着到气缸壁上。因此，次后喷射的时间必须适当。2.3柴油机电子控制燃油系统的三代变革2.3.1 第一代：凸轮压油+位置控制代表性的ECD-V1电控分配泵系统如图2-8所示：ECD-V1是在VE分配泵的基础上进行电子控制改造而
