内燃机原理内燃机的燃料与燃料供给.ppt

第五章内燃机的燃料与燃料供给,5.1内燃机的燃料5.2柴油机燃油喷射系统5.3柴油机的燃油喷射过程及其影响因素5.4柴油机的异常喷射5.5电控燃油喷射系统,5.1内燃机的燃料,一、石油燃料及其特征二、柴油和汽油的物理化学性质三、气体燃料和代用燃料,一、石油燃料及其特征,内燃机燃料主要由天然石油炼制而成，石油的各元素的质量分数大约为C84～87，H12～14，S0.1～5.5，N0.01～2.2，O0.2～1.4。,石油基本上是烷族烃、环烷族烃和芳香族烃等组成的化合物,1、烷族烃包括烷烃和烯烃,正构烷适合做柴油机的燃料；异构烷适合做汽油机的燃料。烯烃只适合作汽油机的燃料。,2、环烷族烃适合做汽油机的燃料,3、芳香族烃适合做汽油机燃料,二、柴油和汽油的物理化学性质,1、柴油的物理化学性质2、汽油的物理化学性质,1、柴油的物理化学性质,（1）自然性,在无外源点火的条件下，柴油能自行着火的性质称为自然性，使其自行着火的最低温度称为自然温度。,柴油的自然性用十六烷值衡量，若十六烷值高，则自然性好。,（2）馏程,某种燃料的馏程是该燃料在某一温度范围内能蒸馏出来的成分的容积百分数，表示燃料是否易于蒸发的特性。,（3）粘度,粘度表示燃料分子之间的内部摩擦特性。,（4）浊点,在低温下，柴油开始结晶，失去透明性质时的温度称为浊点。,（5）凝点,柴油开始固化而失去流动性时的温度称为凝点。,（6）含硫量,（7）化学成分及发热量,柴油的平均化学成分以质量分数表示C86、H13、ONS1，C16H34。轻柴油的低热值约为43960kJ/kg。,（8）柴油的规格,我国轻柴油按凝点不同分为10号、0号、－10号、－20号、－25号等，选用时应使最低环境温度高出凝点5K以上。,2、汽油的物理化学性质,（1）挥发性,－表示液体燃料汽化的倾向。,（2）抗爆性,汽油对汽油机发生爆燃的抵抗能力称为抗爆性。,汽油的抗爆性用辛烷值衡量，若辛烷值高，则抗爆性好。,（3）汽油的规格,汽油分为航空汽油、车用汽油、工业汽油等。,汽油的牌号用辛烷值来表示。例如，93号汽油表示其辛烷值不低于93。,三、气体燃料和代用燃料,（一）天然气和液化石油气,（二）氢,（三）沼气,（四）其他代用燃料,1、醇类燃料2、植物油燃料3、二甲醚,5.2柴油机燃油喷射系统,一、柴油机燃油喷射系统的组成二、柴油机燃油喷射系统的分类三、柴油机对喷油系统的基本要求,一、柴油机燃油喷射系统的组成,主要部件有喷油泵、喷油器和调速器等。辅助装置有柴油箱、输油泵、油水分离器、柴油滤清器、喷油提前器和高、低压油管等。,二、柴油机燃油喷射系统的分类,（1）主油道式喷油系统,喷射压力不高，密封问题不易解决，已经淘汰。,（2）蓄压式喷油系统,控制困难，在电控共轨式喷射系统得到发展和应用。,（3）P－T喷油系统,只在顶置凸轮轴的柴油机上使用。,（4）柱塞泵式喷油系统,应用最广泛的喷油系统。,柱塞泵式喷油系统是应用最广泛的柴油机喷油系统，按其结构特征可分为,喷油泵－高压油管－喷油器系统,结构紧凑、布置方便，但高压容积大，喷油规律不易控制。,泵－喷嘴式系统,克服了上述缺点，但气缸盖结构复杂、布置困难，要求气缸盖和机体的刚度好，生产成本较高。,,常用柱塞式喷油泵按其结构特点有以下几种,,,,分列式喷油泵直列式喷油泵喷油泵合成式喷油泵转子式分配泵分配式喷油泵单柱塞分配泵,三、柴油机对喷油系统的基本要求,柴油机的工质是在气缸内由燃油和空气混合形成的，其形成的时间极短，根据柴油机工作过程的特点，对燃油喷射系统在喷油量、喷油时刻和喷油质量方面提出下列要求,1、喷油量,喷油量应与柴油机的转速和负荷相适应，工况不变时每循环、各气缸的喷油量应该均匀，保证各气缸工作的均衡性和整机运行的稳定性。,2、喷油时刻,喷油开始时刻应与柴油机的转速和负荷相适应，最高燃烧压力应出现在上止点后12℃A前后，使柴油机获得良好的经济性、运转平稳性，而且燃烧噪声小、烟度低、废气中有害成分少。具有适中的喷油持续期，一般不应超过28℃A。,3、喷油质量,具有高的喷射压力，以保证燃油的雾化粒度、贯穿距离，同时油束形状及分布应与燃烧室形状和空气运动相配合，以利于可燃混合气的形成。喷油的开始及结束都应该非常干脆利落，不得有滴油现象或其他不正常喷射现象。,5.3柴油机的燃油喷射过程及其影响因素,一、燃油喷射过程及燃油雾化二、供油规律、喷油规律及其测量三、喷油系统与柴油机的匹配,一、燃油喷射过程及燃油雾化,1、柴油喷射过程2、燃油雾化3、影响雾化的因素,1、柴油喷射过程,第一阶段，喷油滞后阶段,第二阶段，主喷射阶段,第三阶段，自由膨胀阶段,第一阶段，喷油滞后阶段,从柱塞上升到完全关闭进油孔，泵腔内燃油被压缩，压力开始上升的Qp点起，到喷油嘴针阀开始上升，并向缸内喷油的On点止。,注意喷油嘴的喷油始点滞后于喷油泵的供油始点。,第二阶段，主喷射阶段,从喷油嘴开始开启，到喷油泵柱塞斜槽开始打开回油孔，停止供油的KH点为止。,注意每循环供油量的大部分在此阶段喷入气缸。,第三阶段，自由膨胀阶段,从喷油泵停止供油到喷油嘴针阀落座为止。,注意（1）喷油持续角稍大于几何供油持续角；（2）喷射压力下降很快，容易出现不正常喷射。,2、燃油雾化,燃油雾化－指从喷油嘴喷出的燃油油束，在气体介质中运动时，由于气体动力和燃油表面张力的作用，使其分裂成细小的油滴，表面积急剧增加，从而加速从空气中的吸热和油滴的汽化过程，是促进混合气形成的重要因素。,（1）分裂过程,首先，油束以很高的速度流出，在喷孔附近形成流线、薄膜和大油粒；,在张力作用下燃油的流线和薄膜进一步分裂；,在气体阻力作用下大油粒分裂成较小的油粒；,落入气流中的大油粒发生变形生成有环形厚缘的薄膜，然后薄膜破裂再形成大量小油粒。,,,,（2）喷射质量的评定,一般可以用喷雾锥角β、射程L及雾化质量来评定喷射质量。,（3）喷雾粒度和均匀度的评定,曲线1的顶峰靠近纵坐标，说明喷雾较细，曲线的两端陡然下降，表示喷雾较均匀。,3、影响雾化的因素,影响燃油油束雾化的因素很多，主要是喷孔出口的燃油流速，燃油密度、粘度和表面张力，缸内空气密度和粘度，以及喷孔的直径、长度和二者的比值等。,二、供油规律、喷油规律及其测量,供油规律－由喷油泵进入高压油管的燃油质量随时间或凸轮轴转角变化而变化的规律。,影响供油规律的主要因素有柱塞直径；柱塞套结构参数；喷油泵凸轮型线。,1、几何供油规律和喷油规律,几何供油规律是按供油凸轮与喷油泵间的几何关系求出的单位凸轮轴转角（或时间）喷油泵供入高压油路系统的燃油量。,注意,式中，fp－喷油泵柱塞面积，mm2；up－喷油泵柱塞速度，mm/s或mm/φ凸。,纯粹由几何关系决定，只要知道柱塞的运动规律即可求得,喷油规律是指在喷油过程中喷油量（速率）随时间或凸轮轴转角变化而变化的关系，即,注意供油规律和喷油规律的比较。,2、油管压力波动的分析,供油规律和喷油规律存在很大差异，主要是由于燃油的可压缩性、油管的弹性膨胀所导致的高压油管内不稳定流动的压力波动引起的。,3、理想喷油规律,柴油机燃烧室中的油气混合速率控制着燃烧过程。理想燃烧过程是抑制初期燃烧，加速中期燃烧，减少后期燃烧。理想喷油规律是喷油速率先低后高，结束喷油快捷，喷油持续期适中。,4、喷油规律的测量,确定喷油规律，合理选择喷油系统参数，改善与柴油机的匹配情况，是研究设计喷油系统的重要组成部分。,喷油规律可用模拟计算确定，还可利用测试设备进行测量,动量法、压力－升程法和长管法。,三、喷油系统与柴油机的匹配,在柴油机新机型开发、老机型改进中经常碰到喷油系统的选用、修改和匹配问题。,匹配质量的优劣，对柴油机整机性能具有关键性的作用。,喷油系统与柴油机匹配的原则和工作顺序,（1）了解影响喷油泵、喷油器的选型、安装和连接的柴油机的特征和主要参数。,（2）对柴油机的运行范围、常用工况进行调研和统计处理，确定喷油系统和柴油机的匹配策略和匹配点。,（3）求出各个匹配点柴油机的有关性能指标，考虑相关法规和技术要求，进行选优和折中处理，通过计算初步确定喷油系统的主要参数，为匹配试验作准备。,（4）应注意柴油机冷启动性能的优劣、怠速工况的稳定性、暖机时间的长短及各工况的排放和噪声问题。,（5）匹配工作有时会受到喷油系统自身零部件工作能力的制约。,（6）要将喷油系统、柴油机装到实验台架或配套机械上进行试验和使用考核后，才能确定匹配工作的优劣。,5.4柴油机的异常喷射,常见的异常喷射现象有1、二次喷射2、断续喷射和间歇喷射3、穴蚀,1、二次喷射,二次喷射－在喷射终了针阀落座后，针阀腔的压力由于压力波的反射和叠加再次升高，当油压超过针阀开启压力时，针阀将二次开启，燃油在正常喷射后又一次喷入燃烧室的现象。,减轻或消除二次喷射的措施,二次喷射一般发生在高转速和高负荷工况，主要由高压系统中的燃油压力波动引起，因此应尽量减小高压容积。,（1）采用等压卸载出油阀；,（2）增大等容卸载出油阀的卸载容积，使高压油管中的压力迅速下降；,（3）提高针阀开启压力；,（4）缩短高压油管的长度。,2、断续喷射和间歇喷射,断续喷射－在喷油持续期内，针阀不能稳定地处于其机械止点位置，在不稳定地悬浮状态上下振动。喷油压力、针阀座流通面积不断变化，喷油、雾化也随之失去常态地现象。,间歇喷射－在低速低负荷时供油量很少，喷油泵一次供给的燃油量，不足以使喷油系统的压力稳定升高，而开启针阀，待下一次供油时，两次供油的积累效应使喷油嘴针阀腔压力超过针阀开启压力，一次将两个循环的燃油量同时喷入燃烧室的现象。,分析,断续喷射和间歇喷射现象，多数是喷油系统参数选择不当，和柴油机匹配时对变工况情况考虑不周引起的。,3、穴蚀,穴蚀一般认为是喷油系统中形成的空穴气泡在爆破时所产生的冲击波造成的。,分析穴蚀多发生在强化柴油机的喷油系统中，通常出现在低压系统和高压系统与燃油接触的金属表面上。,防止穴蚀的主要措施稳定高压油管剩余压力，减少输油泵供油系统和喷油系统内的压力波动，防止气泡的产生等。,注意消除二次喷射的措施有可能引起穴蚀，应该综合考虑。,5.5电控燃油喷射系统,一、柴油机电控燃油喷射系统二、汽油机电控燃油喷射系统,一、柴油机电控燃油喷射系统,柴油机电子控制系统的控制项目1、燃油喷射控制2、怠速控制3、进气控制4、增压控制5、起动控制6、排放控制7、故障自诊断、失效保险,柴油机电控燃油喷射系统组成工作原理典型系统,1、柴油机电子控制系统的组成,传感器和开关,执行器,电控单元,,（1）传感器和开关传感器的主要功能是检测柴油机的运行参数，反映其性能特征。柴油机运行状态向特定工况变化时，用开关来实现控制模式的转换。（2）电控单元其核心是微型计算机，与软件一起，负责信号的采集和处理，计算决策和执行程序，并将结果为控制指令输出到执行器。（3）执行器执行器也是由执行电器和机械执行机构两部分组成，其功用是根据ECU送来的执行指令，调节喷油量和喷油正时等，从而调节柴油机的运行状态。,2、柴油机电控燃油喷射系统的工作原理,主要控制功能喷油量的控制喷油正时的控制喷油规律与喷油压力的控制柴油机低油压保护增压器工作状况保护,3、柴油机电控燃油喷射系统的类型,（1）位置控制式电控燃油喷射系统,位置控制式系统保留了传统的喷油泵－高压油管－喷油嘴系统，和喷油泵中齿条、齿圈、滑套、柱塞上控油螺旋槽等控制油量的机械传动机构，只是对齿条或滑套的运动位置，由原来的机械调速器控制改为电子控制，使控制精度和响应速度有一定提高。,位置控制式电控分配泵,在分配泵上，通过控制滑套位移来控制喷油量，通过控制提前器而改变凸轮相位来进行喷油正时控制。,位置控制式电控直列泵,在直列泵上，通过控制喷油泵齿杆位移来控制喷油量，通过控制液压提前器来实现喷油正时控制。,（2）时间控制式电控燃油喷射系统,时间控制式系统可以保留传统的喷油泵－高压油管－喷油嘴系统，也可以采用新型的燃油供给系统，利用高速电磁阀直接控制喷油量、喷油规律和喷油正时。一般情况下，电磁阀关闭，喷油开始；电磁阀开启，喷油结束。喷油始点取决于电磁阀关闭的时刻，喷油量取决于电磁阀关闭的持续时间。电磁阀以时间为基础工作，所以称为时间控制。,时间控制式电控分配泵,时间控制式电控单体泵,如图所示，博世公司的EUP系列的电控单体泵，其喷油压力可达130～160MPa。时间控制式的电控单体泵，是利用两位两通的常开式高速电磁开关阀实现喷油量、喷油定时的联合控制。,时间控制式电控泵喷嘴,当装在泵喷嘴旁边的电磁阀开启时，柱塞开始泵油，但旁通阀导通，不能建立高压。电磁阀一旦关闭，柱塞即向喷油嘴泵油和喷油嘴进行喷油。电磁阀再次打开，高压油立即卸压，停止供油，喷油嘴迅即停止喷油。,（3）时间－压力式，即电控共轨式喷射系统,共轨式燃油喷射是指根据柴油机负荷和转速的要求，将一条公共油轨中的油压控制在预定值，有一定压力的燃油经公共油轨通向各缸喷油器，喷油器上的高速电磁阀控制喷油量和喷油正时。,,电控共轨式喷油系统的优点1）可实现高压喷射，喷射压力最高达200MPa；2）喷射压力独立于发动机转速，可以改善发动机低速、低负荷性能；3）可以实现预喷射射，调节喷油速率形状，实现理想喷油规律；4）喷油定时和喷油量可自由选定；5）具有良好的喷射特性，可优化燃烧过程，使发动机油耗、烟度、噪声及排放等性能指标得到明显改善，并有利于改进发动机转矩特性；6）结构简单，可靠性好，适应性强，可在所有新老发动机上使用。,ECD－U2高压共轨式燃油喷射系统,HEUI中压共轨式燃油喷射系统,,二、汽油机电控燃油喷射系统,汽油机电子控制系统的控制项目,,主要控制,辅助控制,,燃油喷射,点火控制,,喷射定量喷射正时,,点火时间闭合角爆震,,怠速控制、排放控制进气控制、增压控制冷却风扇控制、发电机控制燃烧控制、闭缸控制自诊断,,与化油器式燃油供给系统相比，汽油喷射系统有如下一些优点（1）改善燃料分配的均匀性（2）增加进气充量（3）减弱或避免爆燃（4）提高热效率（5）防止换气期间的燃油损失（6）提高发动机的运行性能（7）降低排气污染（8）有利于增压,1、汽油机电控燃油喷射系统的组成,汽油机电控燃油喷射系统由三部分组成空气供给系统、燃油供给系统、电子控制系统。,（1）空气供给系统,空气供给系统的功用是根据汽油机的工作状态提供适量的空气。,,（2）燃油供给系统,燃油供给系统的功用是根据汽油机的工作状态提供适量的燃油。,,（3）电子控制系统,电子控制系统的功用是根据汽油机的运转状态和车辆的运行状态确定汽油机的最佳燃油喷射量。,,2、汽油机电控燃油喷射系统的工作原理,电子控制燃油喷射系统是利用各种传感器检测发动机所处的状态，经微处理器的判断、计算，使发动机在不同工况下均能获得合适空燃比的混合气。,,3、汽油机电控燃油喷射系统的类型,（1）按喷射位置不同可分为气缸内喷射系统单点喷射系统（SPI）气缸外喷射系统多点喷射系统（MPI）,,,,（2）按喷射控制方式不同可分为机械控制式喷射系统机电混合控制式喷射系统电子控制式喷射系统（3）按喷射时序不同可分为连续喷射系统顺序喷射间歇喷射系统同时喷射分组喷射,,,,,（4）按空气流量测量方法可分为质量流量方法（直接检测）速度密度方法（间接检测）节流速度方法（间接检测）,,（5）按有无反馈信号可分为开环控制系统闭环控制系统（6）按博世公司的命名方式可分为K型，是一种机械控制式单点连续燃油喷射系统。KE型，是一种机电混合控制式燃油喷射系统。D型，是一种压力型（速度密度）空气流量检测方式的电子控制燃油喷射系统。L型，是一种流量型（质量流量）空气流量检测方式的电子控制燃油喷射系统。LH型，也是一种流量型（质量流量）空气流量检测方式的电子控制燃油喷射系统。,4、L型电控汽油喷射系统,L型电控汽油喷射系统简图1－燃油箱；2－电动燃油泵；3－燃油滤清器；4－电子控制单元ECU；5－喷油器；6－燃油分配管油轨和燃油压力调节器；7－进气总管；8－冷起动喷油器；9－节气门开关；10－阻流板式空气流量传感器；11－氧传感器；12－温度时间开关；13－冷却液温度传感器；14－分电器；15－辅助空气阀；16－蓄电池；17－点火-起动开关,,4、LH型电控汽油喷射系统,LH型汽油喷射系统简图1－油箱2－凸燃油泵3－滤清器4－燃油分配器5－压力调节器6－电子控制装置7－氧传感器8－喷油器9－发动机温度传感器10－节气门开关11－怠速调整螺钉12－节气门13－辅助空气阀14－热线式空气流量计15－分电器16－蓄电池17－点火与起动开关18－继电器,,