发动机(原理构造、共轨喷油、台架试验)

发动机发动机&&台架试验台架试验[e-mail]前言本次培训的目的是提高试验工程人员的理论知识储备，提高工作效率及质量。第1部分，发动机构造。本节需要了解发动机的基础知识，掌握关键部件的功能与特点。第2部分，柴油机共轨系统。认识共轨系统的基础架构，了解元件的作用与特性。第3部分，发动机台架试验。发动机的分类发动机分类：汽油机、柴油机。汽油机转速高、质量小、噪音低、起动容易；柴油机经济性和排放性能好。本节主要内容有：•汽油机与柴油机的不同；•冷却水的作用；•正时；•燃油喷射；•发动机工作原理；•发动机的构造；第1部分，发动机构造根据工作原理的不同，汽油机与柴油机之间的差异主要表现在以下几个方面：1、混合方式不同，柴油机为缸内混合，汽油机为缸外混合。2、点火方式不同，柴油机压燃，汽油机点燃。补充：柴油机压缩比高，空气被压缩到800℃以上，足以使柴油燃烧。特别需要说明的是，柴油机缸内燃烧主要发生在上止点之后，此时活塞下行，使缸内压力上升受到限制，这就是柴油机接近定压燃烧的原因。3、排放物不同，柴油机的有害气体排放量比汽油机少，但是颗粒物排放多。4、热量利用率不同，柴油机热量利用率较高。补充：柴油机接近定压燃烧，汽油机接近定容燃烧。理论上定容燃烧比定压燃烧能量利用率高，但由于柴油机的压缩比远大于汽油机，所以能量利用率较高。但这与利用定容燃烧技术使柴油机获得更大的能量利用率之间不矛盾。5、其它还有很多不同之处，如转速、质量、噪音等。汽油机与柴油机的不同目前柴油机已经发展到了电控+共轨的阶段，辅助以EGR（废气再循环）、SCR（选择性催化还原）、DOC（氧化催化转换器）、DPF（颗粒捕捉器）等技术，来满足日益严格的排放法规的要求。当然，增压器在当中的角色也越来越受到重视。它已经成为发动机不可或缺的关键部件之一，不光在于利用增压可以提高发动机功率、节省能源，使用合理的增压可以从根本上优化发动机的燃烧，从而降低污染物的排放。共轨柴油机的持点是燃油供油压力是稳定的，不随转速变化而改变。此外，还可以调整喷油正时、持续期、次数等，可以满足对缸内燃烧的不同要求。基于这种可能存在的差异，以欧、美为代表形成了两种排放处理的技术路线。一种是利用缸内燃烧把PM（颗粒物）降至昀低，而NOX则利用SCR处理；另一种是利用EGR降低NOX的排放，再使用DPF或DOC处理颗粒物。目前EGR技术已经比较成熟，并在很多柴油机上使用，SCR因为其主要成份尿素还没有形成加注网络，所以在中国只是试验阶段。柴油机的发展趋势除可以柔性地调整燃油喷射外，电控柴油机在某些状况下为满足排放要求和对机械部件的保护，会使用很多限制，称之为降级策略。比如说，相同转速下燃油喷射量会随水温做出调整，某些附件在起动时自动检测，如存在问题进入保护状态下工作，例如，风扇，所以试验室内使用的ECU数据一般都是经过屏避后的数据。如果发动机对排放要求严格，还可能加进气流量传感器，当空滤变脏后，会根据AFR（空燃比）对喷油量做出调整，对扭矩会有一定影响。以上只是电控的实例，真正的电控系统是非常复杂的，并且不同发动机的控制也不尽相同。电控柴油机特点右图为EGR应用的实例燃烧室内的温度是很高的，在1800～2000℃左右，所以通过缸套使热量向外传导以降低发动机热负荷，这部分能量就是被水带走了，大约占总能量的20％～25％。我们知道，温差越大，热量越容易传导，所以水温低时，会带走更多热量，这样，可以被利用的能量就小了，发动机功率就会减小，以某发动机为例，转速2000r/min，油耗47.2kg/h，水温差5℃，水带走21%的热量，如果水温差为8℃，则带走29%的热量，可见，水温波动会对发动机热量分布产生较大影响。需要说明的是，温差8℃的例子只是计算得来的，在实际应用中是不被允许的。由能量分布图可以看到水和中冷带走的热量都很大，点燃料总能量的30%左右，这就是试验条件对水温和中冷后温提出要求的原因。冷却水的作用从图中可以看到真正被人们利用的能量只是总能量的38%，大部分能量都损失掉了。此外，水温对发动机性能影响是非常大的，这是为什么电控发动机把水温做为控制的昀主要的参数，如起动时首先检查的是水温，喷油时首先检查的也是水温。发动机热量分布能量守恒常数常数燃料低热值燃料低热值排气比定压热排气比定压热容容冷却液比定压冷却液比定压热容热容进气比定压热进气比定压热容容单位单位HHuu(KJ/Kg)(KJ/Kg)CCpp排气排气KJ/(KgKJ/(Kg℃℃))CCpp冷却液冷却液KJ/(KgKJ/(Kg℃℃))CCpp进气进气KJ/(KgKJ/(Kg℃℃))参考值参考值42780427801.099241.099243.673.6711测量项目测量项目记录数据记录数据转速转速n(rn(r/min)/min)20002000160016001300130010001000输出功率输出功率Pe(kWPe(kW))215.2215.2198.3198.3166.7166.7119119燃油消耗量燃油消耗量GGff(kg/h(kg/h))47.2147.2141.3341.3333.3133.3123.8823.88进气质量流量进气质量流量GG进气进气(kg/h)(kg/h)165416541413141310501050607607冷却夜流量冷却夜流量GG冷却液冷却液(l/min)(l/min)381381331331293293265265发动机出水温度发动机出水温度TT出水出水((℃℃))89.189.1898988.988.98989发动机进水温度发动机进水温度TT进水进水((℃℃))84.484.484.584.584.784.784.884.8环境温度环境温度TT环环((℃℃))14.314.314.314.314.314.314.314.3涡轮出口排气温度涡轮出口排气温度TT涡轮出口涡轮出口((℃℃))371.11371.11384.3384.3411411458.3458.3中冷器进口进气温度中冷器进口进气温度TT中冷前中冷前((℃℃))146.3146.3133.4133.410810868.668.6中冷器出口进气温度中冷器出口进气温度TT中冷后中冷后((℃℃))49.249.243.143.132.432.421.321.3机油温度机油温度TT机油机油（℃（℃))99.999.9101.9101.9100.5100.5100.4100.4活塞漏气量活塞漏气量GG活塞漏气活塞漏气(l/min)(l/min)11911910510592927575热平衡记录数据水温过高对柴油机的影响冷却水温度超过95℃以上时，会使润滑油变稀、机油压力变低，加快机油消耗，机油窜至燃烧室被烧掉的同时，还会产生大量的积炭和胶状混合物，久而久之将活塞环槽上的泄油孔也堵塞，使窜入燃烧室的机油增多，由于积炭而使燃烧室的有效工作容积减小；在气门裙部和气门杆处形成的胶结沉积物使气门密封面受腐蚀而漏气；气环开口处被胶结又使气缸密封不严而造成压缩不良，导致柴油机动力性、经济性和使用性都急剧下降；柴油机各润滑部位油膜易被破坏，运动副表面将出现半干摩擦甚至干摩擦；由于气缸的温度太高，来不及冷却缸壁上的润滑油容易烧焦、积炭，促使零件磨损加快，严重时会造成拉缸和烧瓦等事故；柴油机的金属零件在长时间的高温作用下，强度、弹性和耐磨性会下降；同时，高温使零件膨胀变形，严重地影响配合零件的正常间隙，甚至卡死；缸内温度过高，使进入气缸的新鲜空气很快膨胀、空气密度降低和充气效率下降，导致柴油机输出功率降低。水温过低对柴油机的影响冷却水温度过低时，润滑油温度随之下降，机油在低温时粘度较大，其流动性变差，不仅增加零件磨损，也使机械损失增加，输出功率相对减少；气缸温度过低，气缸内的水蒸气易凝结于缸壁上，柴油燃烧时生成的产物（二氧化硫）遇到水就会变成强列的腐蚀剂（如亚硫酸、硫酸）粘附在缸壁上，因此缸壁表面就会受到强烈的腐蚀；柴油机在低温工作时，冷却水带走较多能量，使热损失增多；混合气不能很好地形成和燃烧，燃油消耗量会增加8%~10%；成液滴状的燃油进入气缸后会冲洗气缸壁上的润滑油膜，并渗入到曲轴箱内，使零件的磨损量增加、冲淡油底壳内的润滑油、增加燃油消耗量和减少输出功率；压缩后气体的高温是保证燃料着火的必要条件，当气缸、活塞等零件温度降低时，将造成压缩终了温度下降、着火延迟和燃烧条件恶化，导致燃料燃烧不完全、柴油机工作粗暴和排气冒烟；正时正时是为了使曲柄连杆机构与配气机构同步工作。通过传动齿轮或链条上的标记，可以使曲轴与凸轮轴按照正确的相对时刻运动。这只适用于机械泵。对于电控发动机，何时喷油是ECU控制的，它必须知道曲轴与凸轮轴的位置，曲轴位置是由转速传感器获得的，而凸轮轴位置则由相位传感器获得。相位传感器用于判断气缸冲程是压缩还是排气冲程。1永磁铁2传感器壳体3发动机壳4软磁芯5空气间隙6带有基准点的齿圈7缺齿1齿顶2缺口3基准点磁电式发动机转速传感器用于发动机转速和曲轴位置的测量。转速传感器信号是发动机管理系统中昀重要的参数之一。转速传感器电控柴油机一般分为预喷（PI）、主喷（MI）、后喷（POI）三个阶段。下图是带预喷与不带预喷的缸内压力图：预喷预喷主喷主喷不带预喷不带预喷带预喷带预喷燃油喷射PI的结果是为MI提供压力和温度，有以下影响：。MI点火延迟缩短。提高气缸压力。降低噪音。优化燃烧。对MI的压力变化没有影响。优化MI部分负荷部分负荷全负荷全负荷喷射量喷射量大约大约1mm1mm33//冲程冲程达达2.5mm2.5mm33//冲程冲程相对于相对于MIMI的位置的位置PMPM：降：降噪声：降噪声：降HCHC：升：升COCO：升：升NONOxx：保持：保持PMPM：降：降噪声：降噪声：降PIPI启动喷射，喷射参数，燃油雾化都影响排放，喷射起始点会影响燃烧，迟喷会减少Nox排放，太迟会增加HC排放和燃料消耗，喷射起始点偏离1度会增加HC或Nox量15%。MI是昀重要的燃烧过程，有以下优点：。高扭矩。低消耗。低排放。低噪音MI后喷POI目的是为了减少NOx排放，发生在MI之后，在上止点TDC后大约200度，典型的是在TDC后120~180度，在排气冲程，燃油不发生燃烧。后喷POI和预喷PI、主喷MI相反，燃料不燃烧，仅仅是利用气缸内的热量把燃油蒸发，加浓的废气通过排气阀进入排气系统，蒸发的燃油起到还原剂的作用，目的是减少NOx的排放。后喷不产生发动机扭矩。POI发动机工作原理活塞往复式内燃机的工作原理是利用燃料燃烧产生的能量推动活塞运动，并把活塞往复运动转换成曲轴的旋转运动。四冲程内燃机的工作过程包括吸气、压缩、做功、排气四个冲程。吸气冲程：吸入新鲜充量；压缩冲程：压缩空气产生较高温度；做功冲程：把燃料能量转换成机械能；排气冲程：把废气排出缸外。发动机的工作过程在柴油发动机中，空气压缩原则之一是燃料主要在压缩过程终了时才能喷入燃烧室，排气循环方式因二冲程和四冲程而异，不过四冲程模式在汽车中使用更为普遍（包括客用轿车及商用交通工具）。在四冲程发动机中做功循环和排气循环交替进行，使工作室的容积改变。这两个过程由进气阀和排气阀控制。一个完整的工作循环包括四个冲程，其间曲柄共转720°。它们（指四个冲程）可分为作功冲程和排气冲程。压缩和膨胀是做功冲程，进气、排气为排气循环冲程。压缩种程作负功，膨胀冲程作正功。排气循环冲程做的功为泵气功，主要是指进气冲程的泵气功，如果进气总压为正，则泵气功为正，否则为负。第一冲程：进气冲程。当活塞向下运动时吸入空气。第二冲程：压缩冲程。吸入的空气由于活塞的上行而被压缩。压缩比：介于14:1~24:1。压缩空气被加热至800℃。工作过程第三冲程：做功冲程。能量转移至活塞，推之下行（能量转换）。第四冲程：排气冲程。燃烧后的废气由于活塞上行而被排出。工作过程术语示功图示功图示功图示功图示功图发动机的构造两大机构：•曲柄连杆机构•配气机构五