本科毕业论文---国产长城高压共轨柴油机实验台架设计研究设计说明书.doc
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1、目 录1 引言11.1 设计的目的和意义11.2 研究现状及发展趋势11.3 设计的主要工作22电控高压共轨柴油机的结构与原理32.1电控高压共轨柴油机的结构特点32.1.1电控高压共轨系统的基本组成32.1.2电控高压共轨系统的特点42.1.3共轨喷射特性52.2电控高压共轨柴油机的工作原理72.2.1系统原理72.2.2供油泵112.2.3喷油器163 博世柴油共轨发动机实验台设计方案183.1实验台台架的设计183.2实验台的设计193.2.1实验台架面板图的设计193.2.2 柴油机共轨控制电路图的设计203.3实验台故障控制的设计213.3.1故障设置与消除的设计213.3.2故障分
2、析与设置功能223.3.3传感器信号模拟功能224实验台的使用234.1发动机运转及显示功能234.2使用注意事项23结 论25参考文献26致 谢27英文翻译28I天津工程师范学院2009届本科生毕业设计1 引言1.1 设计的目的和意义随着汽车保有量的增加,同时也带来了能源的紧张,环境的污染等问题。降低能源消耗和减少废气排放污染,满足节能和排放法规的要求,将是今后汽车工业发展的重中之重,而基于柴油机本身的性能优势,电控柴油机的发展将是解决该问题的一个重要方向。而当今电控柴油汽车技术的发展日新月异,特别是电控柴油高压共轨技术将是电控柴油技术的重要发展方向。对于汽车维修类专业的学生对电控柴油共轨技
3、术的深入了解将是一个必不可少的内容,而在实践教学中,由于在实车上难于设置故障及演示故障现象。因此,使学生理解与学习过程中遇到一定的困难。为了解决该问题,使学生对新兴的电控柴油共轨发动机系统更直观的理解和掌握,本文将特别针对开发设计一台适合实训实验教学使用的高压柴油共轨发动机实验台的原理与设计方案进行一些探讨。同时,介绍高压柴油共轨发动机的基本原理。为制作一台更合理、更实用的教学设备起一定的铺垫作用。另外,与同类产品比较,通过对结构的优化使该实验台更具合理性,无论是在性能指标上还是在耐用程度上都将具有一定的提高。总之,该实验设备将会以其较强的实践应用价值,在实训实验教学中发挥出它的作用,服务于教
4、学,协助教师获得良好的教学效果,同时使学生获得良好的学习效果。因此,它必将成为实践教学中不可缺少的实验实训设备,广泛的应用于我们的教学当中。希望该设计方案的研究结果会为实验台的制作能够起到一定的作用。1.2 研究现状及发展趋势我国对现代柴油机电控技术的研究和开发尚处于起步阶段,目前还主要集中在对柴油机电控喷射系统的研究与开发上。在学校层面基于各方面因素,目前发动机试验台大多数为汽油机实验台,只有极少数为柴油机实验台,而高压共轨柴油机试验台则更少,因此研究设计适合于教学以及实训需要的柴油高压共轨教学实验台就有着极其重要的现实意义。本实验台将是一台多功能柴油共轨发动机综合实验台,是一种以实物装置与
5、检测、模拟装置相结合的新型教学实验实训设备。利用该设备能够方便地学习柴油共轨发动机电控系统的组成、各元件的结构、原理、和安装位置,使学生更容易的掌握电控系统的结构和工作过程,缩短实际汽车维修与教学的距离,将是一台提高实验实训教学水平的良好工具。本实验台将包括电路显示部分和控制电路部分、外接计算机(主机用数据线与发动机ECU相连的计算机)。操作时可以直接通过外接计算机对发动机实验台进行故障设定、清读故障码、读取动态数据流、基本设定、终端执行器操作以及所有解码器具备的功能。所以本实验台操作更简单,所实现的内容更全面。发动机电路原理图在实验台面板上清楚的显示出来,实验台面板上设置了相关检测点。通过测
6、量实验台上设置的检测端子可方便的对发动机电控系统的各种传感器、执行器的参数进行系统的分析与研究,使学生能够理解各种工况下发动机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。同时,该实验台具有主要数据参数的数码显示功能,以便使用者能够随时了解一些主要传感器、执行器在各种工况下的工作状态和具体参数。实验台的故障设置部分采用了程序控制的隐蔽式故障点,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。隐蔽的故障设置点使教师也
7、可以在实验台上对学生进行“电控柴油共轨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。1.3 设计的主要工作在系统的了解长城汽车GW2.8TC型柴油发动机(全负荷最低油耗小于209g/(kw.h),净重只有100kg,升功率为46W/L)的工作原理,电子控制系统的前提下。明确要设计的实验台的适用范围,要达到的预期目的,整理所需要的可能会用到的仪表,仪器等附件。1)确定实验台的整体结构:面板电路、控制电路、故障点和台架;2)实验台架的设计:设计实验台架的整体结构图; 3)发动机实验台面板的设计;4)控制面板电路图的设计;5)实验台的故障控制设
8、计;6)编写设计说明书。2电控高压共轨柴油机的结构与原理只有了解了被测试件的结构、工作原理及其他部件的匹配关系后,才能对发动机与实验台台架的连接及实验台机械部分进行合理的设计。在此根据实验台设计及测试过程的要求,简要阐述其工作原理和结构,进而设计实验台的面板电路和控制电路并制定发动机实验台台架的制作方法。2.1电控高压共轨柴油机的结构特点2.1.1电控高压共轨系统的基本组成电控高压共轨式燃油系统的基本组成如图2-1所示。从功能方面分析,电控共轨系统可以分成两大部分:电控系统和燃料供给系统。图 2-1 燃油供给系统构成框图(1)电控系统: 电控系统可分成三大部分:传感器、发动机电控单元和执行器。
9、发动机电控单元是电控共轨燃油系统的核心部分。根据各个传感器的信息,发动机电控单元计算出喷油时间和最合适的喷油量,并且计算出在什么时刻,在多长时间范围内向喷油器发出开启电磁阀或关闭电磁阀的指令等,从而精确控制发动机的工作过程。ECU的输入是安装在车辆和发动机上的各种传感器和开关,ECU的输出是送往各个执行机构的电子信息。电子控制系统的框图,如图2-2所示图2-2高压共轨系统的电子控制框图(2)燃料供给系统: 燃料供给系统的主要组成部分如图2-3所示。由图可见,燃油供给系统的主要构成是供油泵、共轨和喷油器等。燃油供给系统的基本工作原理是:供油泵将燃油加压成高压,供入共轨内;共轨实际上是一种燃油分配
10、管。储存在共轨内的燃油在适当的时刻通过喷油器喷入发动机气缸内。电控共轨系统中的喷油器是一种由电磁阀控制的喷油阀,电磁阀的开启和关闭由计算机控制。图2-3燃油供给系统的组成2.1.2电控高压共轨系统的特点(1)自由调节喷油压力(共轨压力):利用共轨压力传感器测量共轨内的燃油 压力,从而调整供油泵的供油量、控制共轨压力。共轨压力就是喷油压力。此外,还可以根据发动机转速、喷油量的大小与设定了的最佳值(指令值)始终一致地进行反馈控制。(2)自由调节喷油量:以发动机的转速及油门开度信息等为基础,由计算机 计算出最佳喷油量,通过控制喷油器电磁阀的通电、断电时刻直接控制喷油参数。(3)自由调节喷油形状:根据
11、发动机用途的需要,设置并控制喷油形状:预喷射、后喷射、多段喷射等。(4)自由调节喷油时间:根据发动机的转速和负荷等参数,计算出最佳喷油时间,并控制电控喷油器在适当的时刻开启,在适当的时刻关闭等,从而准确控制喷油时间。在电控共轨系统中,由各种传感器,如发动机转速传感器、油门开度传感器、温度传感器等。实时检测出发动机的实际运行状态,由微型计算机根据预先设计的计算程序进行计算后,定出适合于该运行状态的喷油量、喷油时间、喷油率等参数,使发动机始终都能在最佳状态下工作。使发动机的动力性、经济性得到有效的发挥,并且可使排放污染降到最低。计算机具有自我诊断功能,对系统的主要零部件进行技术诊断,如果某个零件产
12、生了故障,诊断系统会向驾驶员发出警报,并根据故障情况自动作出处理,或使发动机停止运行,即所谓故障应急功能,或切换控制方法,使车辆继续行驶到安全的地方。传统的泵管嘴系统中,喷油压力与发动机的转速、负荷有关,不是独立变量。在高压电控共轨系统中,供油压力与发动机的转速、负荷无关,是可以独立控制的。由共轨压力传感器测出燃油压力,并与设定的目标喷油压力进行比较后进行反馈控制。2.1.3共轨喷射特性与传统喷射特性相比,理想的喷射特性如下:(1)互相独立,喷油的数量和压力应该由各个发动机工况决定(为产生理想的A/F混合气提供更多的自由)。(2)在喷油过程的起点,喷油量应该尽可能少(简而言之,在喷射的开始和燃
13、烧的开始之间将点火滞后)蓄压式共轨燃油喷射系统特性曲线,见图2-4图2-4 共轨喷射特性曲线共轨系统是一个模块系统,下列部件对喷射特性负责:用螺丝拧到缸盖上的喷油器、共轨高压蓄压器、高压油泵、电子控制单元(ECU)、曲轴转速传感器、凸轮轴位置传感器(相位传感器)。发动机喷射的三个阶段:引燃喷射、主喷射、二次喷射引燃喷射:引燃喷射可以在曲轴上止点前90,如果喷射开始于上止点前不到40,则燃油会聚集在活塞表面和缸壁上,能够使机油稀释。在引燃喷射的作用下,少量的柴油(14mm3)被喷射到汽缸中,来预处理一下燃烧室,燃烧效率因此被改进,并且有以下作用:(1)压缩压力轻微增加。(2)压缩延迟时间减少。(
14、3)燃烧压力的上升值和燃烧压力的峰值都降低(燃烧平顺)。这些作用降低了燃烧噪声和燃油消耗,并且废气排放情况也好了很多。图2-5是不带引燃喷射的曲线图。缸压上止点前平稳上升,在上止点达到峰值,当达到引燃最大的压力峰值时将产生大的噪声。图2-6是带引燃喷射的曲线图。在接近TDC时压力达到更高的值,并且燃烧压力的增加也是迅速的,缩短点火延迟期,引燃喷射间接增加了发动机扭矩。主喷射和引燃喷射之间的时间差和连续主喷射将影响燃油消耗的数量。6图2-5不带引燃喷射的曲线图图2-6带引燃喷射的曲线图天津工程师范学院2009届本科生毕业设计主喷射:发动机输出功率来源于主喷射环节,这就意味着主喷射从根本上主导发动
15、机扭矩。实际上共轨燃油喷射系统的喷射压力在整个喷射过程中始终不变。二次喷射:带有NOX触媒转换器的二次喷射能减少NOX排放。二次喷射紧接着主喷射,并且发生在膨胀阶段或排放阶段上止点后200。通过二次喷射把通过精确测量的燃油喷到废气中。引燃在主喷射过程中,废气中残余的热量导致未燃烧的燃油蒸发,在废气排放行程将废气混合物和燃油一起通过排气阀排入废气系统。部分燃油通过EGR系统进行下一循环的引燃喷射。若装个合适的NOx触媒转换器,将降低废气中NOx的含量2.2电控高压共轨柴油机的工作原理2.2.1系统原理对照图2-7和图2-8,燃油从油箱被电动输油泵吸出后,经油水分离器和滤清器滤清后,被送入VP分配
16、式高压油泵,这时燃油压力为0.2MPa。进入VP分配泵的燃油一部分通过高油泵上的安全阀迸入油泵的润滑和冷却油路后,流回油箱;一部分进入VP分配式油泵,在VP分配式高压泵中,燃油被加压到135MPa后,被输送到蓄压器。在蓄压器上有一个压力传感器和一个通过切断油路来控制油量的压力限制阀。用压力限制阀来调节ECU设定的共轨压力。高压柴油从蓄压器、流量限制阀经高压油管进入喷油器后,又分两路:一路直接喷入燃烧室;而另一路在喷油期间针阀导向部分和控制套筒与柱塞缝隙处泄漏的多余燃油一起流回油箱。1.油箱 2.粗滤器 3.电动输油泵 4.柴油滤清器 5.低压燃油管 6.高压油泵低压端 7.回油管8.ECU图2
17、-7 高压共轨低压部分1.VP分配式高压油泵 2.切断阀 3.压力控制阀 4.高压油管 5.高压蓄压器 6.油压传感器 7.限压阀 8.流量限制阀 9.喷油器 10.ECU图2-8高压共轨高压部分电控高压共轨技术是指在高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环控制系统中,喷油压力大小与发动机转速无关的一种供油方式。在共轨系统中,喷射压力的产生和喷射过程是完全彼此分开的。高压油泵把高压燃油输入到蓄压器中,通过对蓄压器内油压调整实现精确控制,使最终高压油管压力大小与发动机的转速无关。高压共轨供油方式可以大大减小柴油机供油压力随发动机转速的变化,也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量,而喷
18、油量大小则由蓄压器中燃油压力和电磁阀开启时间的长短决定。在ECU控制系统中,曲轴位置传感器用来测定发动机的转速;凸轮轴位置传感器用来确定发动机的发火顺序;加速踏板位置传感器是一种电位计,它通过电信号告知ECU驾驶员对转矩的要求。空气质量流量传感器用于检测空气质量流量。ECU根据空气质量流量大小,按空燃比控制喷油量。在涡轮增压并带有增压压力调节装置的发动机中,增压压力传感器用于检测增压压力,ECU根据增压压力大小,按空燃比控制喷油量。在发动机冷机启动或温度较低时,ECU可以根据发动机冷却液温度传感器和空气温度传感器的信号电压值对喷油始点、预喷油量、主喷射量及其他参数进行匹配。ECU还根据其他传感
19、器和数据传输线(CAN)输人的数值,进行各项综合控制。在电控高压共轨系统中,供油压力与发动机的转速、负荷无关,它是独立控制的。在油轨中的压力传感器检测燃油压力,并与ECU设定的目标喷射压力进行比较后进行反馈控制。图2-9为高压共轨系统的传感器和燃油系统部件连接关系。1.VP分配式油泵 2.燃油切断阀 3.压力控制阀 4.柴油滤清器 5.油箱 6.ECU 7.蓄电池 8.蓄压器 9.燃油压力传感器 10.燃油温度传感器 11.喷油器 12.冷却液温度传感器 13.曲轴转速传感器 14.加速踏板位置传感器 15凸轮轴位置传感器 16空气质量流量传感器 17.增压压力传感器 18进气温度传感器 19
20、涡轮增压器图2-9 高压共轨系统的传感器和燃油系统部件连接关系柴油机上广泛采用的是废气涡轮增压,实现空气增压的装置是涡轮增压器。涡轮增压器由涡轮机和压气机构成。将发动机排出的废气引入涡轮机,利用废气所包含的能量推动涡轮机叶轮旋转,并带动与其同轴安装的压气机叶轮工作,新鲜空气在压气机内增压后进入气缸,工作原理如图2-10增压后的车用发动机功率可以和比它排量大40%的发动机功率相媲美。图2-10涡轮增压工作原理在本机中采用的是旁通式涡轮增压器,增压器按低速大转矩工况匹配,在高转速工况时,得用放气阀在涡轮前放走一部分废气。涡轮前的放气雨硅由增压压力自动控制,当发动机转速超过一定大小时,增压压力便克服
21、弹簧阻力使放气阀打开开始放气。本机的涡轮增压器工作原理如图2-11:图2-11旁通式涡轮增压器原理2.2.2供油泵功能:本机采用的是VP分配泵。供油泵是低压和高压部分之间的接口,它的作用是在车辆所有工作范围和整个使用寿命期间准备足够的、已被压缩了的燃油。除了供给高压燃油之外,它的作用还在于保证在快速起动过程和共轨中压力迅速上升所需在的燃油储备、持续产生高压燃油共轨所需的系统压力。结构(如图2-12)性能:本机的供油泵通过联轴器、由凸轮轴上的油泵驱动齿轮带动旋转,油泵的转速是发动机转速的一半。供油泵由三个径向排列、互相呈120夹角的柱塞组成。如图2-13供油泵总成中的三个泵油柱塞由驱动轴上的凸轮
22、驱动进行往复运动,每个泵油柱塞有弹簧对其施加作用力,目的是减小柱塞振动,并且使柱塞始终与驱动轴上的偏心凸轮接触。当柱塞向下运动时,为吸油行程,吸油阀将会开启,允许低压燃油进入泵腔,而当柱塞到达下止点时,进油阀将会关闭,泵腔内的燃油在向上运动的柱塞作用下被加压后输送到蓄压器中,高压燃油被存储在蓄压器油轨中等待喷射。图2-12高压油泵(原理图)1.驱动轴 2.偏心轮 3.带活塞的泵元件 4.进油阀 5.出油阀 6.入口图2-13高压油泵(断面图)(1)共轨高压蓄压器:功能:共轨高压蓄压器存储高压燃油,同理压力波动的产生取决于高压油泵的燃油分配和共轨管燃油容积的衰减。共轨高压蓄压器对所有缸而言都是公
23、用的,因此叫共轨,当大量的燃油排出时,几乎能维持内部的压力不变,这可确保喷油剩余的压力在喷油器打开时仍然恒定。燃油总是充满可用的轨道,燃油的压缩性使燃油从喷油器喷出时共轨高压蓄压器的压力几乎保持恒定。同样,压力变化也在高压油泵产生脉动中得到补偿。结构:为了适应各种各样的安装条件,轨道上有流量限制器、共轨压力传感器。(如图2-14)(2)压力控制阀:功能:压力控制阀保持共轨管中的压力正确和恒定。如果共轨压力过高,压力控制阀打开,部分燃油通过回油管回到燃油箱;如果共轨压力过低,压力控制阀关闭,由低压力升为高压。压力控制阀通过一个法兰盘装在高压油泵上,结构如图2-15。高压和低压间的转换是通过电枢顶
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