机车内燃机16V240电控喷油器的研究与开发资料.docx

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机车内燃机16V240电控喷油器的研究与开发资料

机车内燃机16V240电控喷油器的研究与开发

Locomotive16V240electronicallycontrolledinternalcombustionenginefuelinjectorresearchanddevelopment

届学院

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学号

学生姓名

指导教师

完成日期年月日

摘要

随着科学技术发展和能源危机加重，内燃机不断寻求高效、节能、低排放的可持续的发展途径。

现在国际上普遍使用柴油机电控技术及高压共轨技术，其中电控喷油器是其核心喷油部件之一。

本课题以机车内燃机16V240为背景，借鉴国外先进技术，分析研发它的电控喷油器。

首先研究了孔式喷油器与轴针式喷油器的结构与工作原理，分析了喷油过程中出现的不正常喷射现象，喷油器在使用过程中可能出现的故障及造成的后果。

以博世公司生产的电控喷油器为例研究了它的结构、工作原理。

分析高速电磁阀的结构，分析它的开关性能，包括电磁铁的吸合过程、时间，释放过程、时间。

其次分析控制系统的电控单元ECU，喷油过程中对喷油量、喷油率、喷油启闭时间的控制。

以国外的高压共轨系统为例，研究高压共轨系统对喷油器喷油效率的影响。

最后完成对机车内燃机16V240电控喷油器的改进。

喷油器主要由电磁阀，平面阀，蓄压腔，控制腔，共轨腔构成；工作时通过控制电磁阀开关，控制进、出油口开启和关闭，改变作用在针阀上的压力，使针阀升程，完成喷油过程。

电磁阀开启关闭时刻即喷油器开启关闭时刻，开启时间为喷油时间。

关键字：

电控喷油器电磁阀高压共轨系统

Abstract

Withthedevelopmentofscienceandtechnologyandtheenergycrisisworsens,theinternalcombustionengineisconstantlylookingforefficient,energysaving,lowemissionandsustainabledevelopmentapproach.Thewidespreaduseofdieselengineelectroniccontroltechnologyandhigh-pressurecommonrailtechnologyintheinternational,electronicallycontrolledfuelinjectionisoneofthecorefuelinjectionparts.Subjecttothelocomotiveinternalcombustionengine16V240advancedforeigntechnology,analysisanddesignofitselectronicallycontrolledfuelinjection.

FirststudythestructureandworkingprincipleoftheholeInjectorPintleinjectorandinjectionprocessisnotnormaljetphenomenon,injectorfailuresintheprocessofusingthepointandtheconsequences.Expoproducedelectronicallycontrolledfuelinjectiondevice,forexampletheanalysisofitsstructureandworkingprinciple.Analysisofthestructureofthehigh-speedsolenoidvalve,toanalyzetheswitchingperformance,includingthesolenoidpull-inprocessoftime,thereleaseprocesstime.Followedbyanalysisofthecontrolsystem'selectroniccontrolunitECU,thefuelinjectionprocess,injectionvolume,injectionrate,fuelinjectioncontroloftheopeningandclosingtime.Foreignpressurecommonrailsystem,forexample,tostudythehigh-pressurecommonrailsystemfuelinjectorfuelinjectionefficiency.Finally,completetheimprovementsofthelocomotiveinternalcombustionengine16V240ElectronicFuelInjector.Injectorsolenoidvalve,flatvalve,accumulatorchamber,controlchamber,commonrailcavity;workbycontrollingthesolenoidvalveswitch,thecontrolintotheoutletonandoff,changetheroleofpressureontheneedlevalve,sothatthevalvelift,completionoftheinjectionprocess.Thesolenoidvalveopenandclosethetimethattheinjectoropenandclosetime,openingtimeforthefuelinjectiontime.Keywords:

ElectronicFuelInjectorsolenoidvalvehighpressurecommonrailsystem

第1章绪论

1.1柴油机电子控制技术出现的必然趋势

在刚刚过去的20世纪中，一方面科学技术的发展突飞猛进，另一方面人类的生存与发展也遇到了前所未有的挑战。

内燃机对环境的污染问题已经不容忽视。

现在我们生活的这个地球环境污染日益严重，温室效应全球气温升高，灾害性气候加剧，污染问题严重，面对日益严重的能源危机和环境污染，国际内燃机界不停地寻找实现内燃机可持续发展的途径。

随着电子技术的发展，柴油机电控技术问世。

在国外，电控柴油机首先是为了满足各国日益严格的排放法规。

美国国会通过的“大气污染防治法”，要求将重型载货汽车柴油机的排放降低90%，美国西南研究所与美、日、欧等12家主要发动机厂和5家油泵厂正在研制低排放发动机，并提出了一个“清洁”发动机的概念。

如今，排放法规正在逐步扩大到机车、工程机械、拖拉机等使用的发动机上。

美国《大众科学》杂质2000年9月号专文指出：

“至少在今后几十年内，对于燃料消耗总量以及空气质量来说，新一代超洁净、超高效内燃机的影响，将远远超过高技术的替代手段。

如果燃料经济性和排放仍存在问题的话，那么第一个解决问题的途径将是柴油机。

”

我国内燃机，特别是车用柴油机工业，在过去几十年里得到飞速发展，但存在的问题仍然很多。

我们生产的柴油机产品，质量一般不高，可靠性较差，能耗大，排放污染严重，动力性、紧凑性、振动和噪声等指标也比较低。

目前，国外在柴油机方面已普遍采用电子控制技术，直喷式高压喷射技术，以及增压，特别是增压中冷、废气再循环技术和四气门技术。

电子控制共轨喷射技术也已进入实用阶段，并且正在迅速地推广应用。

而在国内，车用柴油机的水平相对于落后，对国外已经使用的或正在研究的技术总体上还比较陌生。

电子控制技术是柴油机技术发展的重要方向。

长久以来，为了降低柴油机的油耗和减少排放，除了对柴油机本身的各个系统进行研究和改进外，先后出现了各种各样的机械式控制机构。

这些控制机构如机械式调速器、喷油提前装置等，实现了对影响发动机经济性和排放的主要参数的控制，取得了不容忽视的成果。

但由于它们不可能实现更为复杂的调控并存在一些先天缺陷，其控制结果终是不能令人满意。

有结果证明：

喷油始点改变1°曲轴转角，燃油消耗率会增加2%，HC排放量增加16%，

排放量增加6%。

另一方面，无论是柴油机的循环供油量（齿杆位移量的控制）还是喷油提前角（喷油始点的控制），实际上均受很多因素的制约，其每一瞬时的最佳值均不同。

要实现发动机的最优运行，必须实现多参量的实时检测与控制，显然，这又是机械式控制无能为力的。

柴油机电子控制的一个突出特点是借助电控单元的功能，可以实现更为复杂的控制规律，电子控制系统有以下突出特点：

①改善柴油机的经济性和排放

通过电子控制方式寻求最优化的喷油定时，实现喷射正时滞后，对喷油嘴喷出的瞬时喷油速率进行控制，实现喷射初期低的喷油速率，喷射结束时快速断油，寻求最佳的废气再循环时刻和排量，增加经济性减少排放。

②提高发动机的工作可靠性

当控制系统建立以后，可以很方便地扩展其控制功能。

例如为柴油机提供各项保护功能就是一例。

借助传感器的输入信号，单片机控制器可随时检测影响发动机工作可靠性的一些参数，例如润滑系统的机油压力、排气温度、曲轴轴瓦温度及发动机的转速等。

一旦某一项或某些项的参数或状态超出或低于设定值，控制系统会立即显示报警，同时控制执行器进行相应的调节，直到这些参数或状态正常为止。

对于一些影响发动机运转可靠性的重要参数，控制系统还可为发动机提供双重甚至是多重保护，以免造成巨大损失。

例如，当柴油机发生重大事故时，控制系统一方面控制直列式喷油泵调节齿杆迅速减油回复零位，同时也控制喷油泵进油管路上的电磁阀切断燃油同路或关闭进气阀，使发动机迅速停车。

③响应快、控制精度高

响应要快是对一个控制系统的基本要求。

控制系统从接收到一个信息开始，到处理完毕并输出控制信号所需的时间一般为毫秒级。

这个时间要远远小于发动机或其他机械控制机构的响应时间，系统才能正常运行。

因此，一旦发动机及其系统的运行参数或状态稍微偏离目标值，微机控制系统就能实现机械控制系统所不能实现的一系列功能。

④控制策略灵活

对于不同用途的柴油机，其控制策略往往不同，当需要改进或与其他机型匹配时，传统办法是改变相应的机械式控制系统，重新设计、制造和加工,因而其周期长、成本高、流程极不方便，而采用电子控制只需要改变其软件程序即可满足不同工况。

1.2电控柴油喷射系统发展态势

电控技术和共轨技术的发展实现了柴油机喷射系统的飞跃。

柴油机采用高压喷油嘴，将适量的燃油在适当的时刻，以适当的空间状态喷入柴油机的燃烧室，已造成最佳的燃油与空气混合和燃烧的最有利条件，实现柴油机在功率、转矩、转速、燃油消耗率、怠速、噪声、排放等多方面的要求。

柴油机喷射具有高压、高频、脉动等特点，其喷射压力高达60-150MPa，甚至200MPa。

对于燃油高压喷射系统实施喷油量的电子控制，困难大的多。

而且柴油喷射对喷射定时的精度要求很高，相对于柴油机活塞压缩上止点的角度位置的测量，也要求精确。

因此，柴油机电子控制技术的关键和难点，就是柴油喷射电控执行器，也即电控柴油喷射系统。

主要控制量是喷油量和喷油定时。

电控柴油喷射系统有三大类：

一类是位置控制，一类是时间控制，最新的一类是压力控制。

从发展的顺序上讲，首先发展的是位置控制系统。

因此通常称位置控制系统为第一代电控系统，而把时间控制系统称为第二代，最新的一代称为第三代。

1.2.1位置控制系统

位置控制系统的特点是不仅保留了传统的泵-管-嘴系统，而且还保留了原喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的控制斜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予以电子控制。

1.2.2时间控制系统

时间控制的电控柴油喷射系统就是用高速电磁阀直接控制高压燃油，一般情况下，电磁阀开启，开始喷油，电磁阀关闭，喷油结束，喷油始点取决于电磁阀开启时刻，喷油量取决于电磁阀开闭的持续时间。

传统喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的斜槽，提前器等被取消，时间控制的控制自由度更大。

时间控制的电控柴油喷射系统又有两种类型，分别为柱塞泵脉冲喷油系统和共轨喷油系统。

柱塞泵脉冲喷油系统扔保持传统的柱塞往复运动脉冲供油方式，直接由电磁溢流阀控制油量和定时，柱塞副只起加压、供油作用，没有油量调节作用。

而共轨喷油系统不再采用传统的柱塞泵脉动供油的原理，而是通过高压共轨，或共轨蓄压式或液力增压式形成高压。

采用压力时间式燃油计量原理，用电磁阀控制喷射过程。

当柴油机采用共轨系统时，结构上不需作大的改动。

1.2.3压力时间控制系统

第三代电控喷油系统称为压力时间控制系统或共轨式喷油系统，分为中压共轨系统和高压共轨系统。

共轨喷油系统有一个共同的特点，就是有一个共同的高压燃油蓄势器，称为共轨。

高压供油泵只负责向这个蓄势器提供高压燃油，不负责控制燃油定量和喷油定时，管理燃油压力和向各个气缸输送燃油的任务通过共轨完成。

这样，燃油喷射过程可以不受压力产生和燃油输送过程的牵制，燃油定量控制和喷油定时控制可以更为灵活和自由。

在高压共轨系统中喷油器是最重要和最复杂的部件,其结构参数和性能直接影响到整个高压共轨系统的工作性能。

其响应特性直接影响喷油规律、燃烧质量,进而影响内燃机的动力性、经济性和排放,因此对电控柴油机喷油器的响应特性进行研究是很有实际意义的。

在喷油器中，高速强力电磁阀是决定柴油机电控燃油喷射系统的关键部件。

它直接影响了柴油机喷射系统的喷油量、喷油定时等关键特性。

柴油机电控燃油喷射系统要求高速电磁阀能够在条件恶劣的工作环境中准确可靠地响应系统的要求。

因此设计高速电磁阀必须具有足够大的电磁吸力、高速响应特性以及高可靠性等特性。

第2章喷油器结构及特点

喷油器是一种向柴油机燃烧室喷射高压燃油的装置。

根据不同柴油机要求，将从高压油泵来的柴油雾气，以一定的喷油压力、喷雾角度、喷油规律、射程和喷雾锥角喷入燃烧室特定位置，与空气混合燃烧。

2.1喷油器分类

2.1.1按喷孔数目分类

（1）单孔式：

只有一个喷孔，位于喷油嘴中央，喷孔直径相对较大，启阀压力较低，雾化质量较差，油束分布不良，多用于小型高速机且对喷射质量要求不高的燃烧室。

（2）多孔式：

有多个喷孔，可在喷油嘴顶端均布或置于喷油嘴顶端单侧。

喷孔直径相对较小，启阀压力较高，雾化质量较好，其喷柱形状与燃烧室形状相适应，多用于中、低速机且开式的燃烧室。

2.1.2按是否采用强制冷却分类

（1）冷却式：

冷却介质为淡水或柴油，多用于低速机上。

（2）非冷却式：

多用于小型高速机上。

2.1.3按调节弹簧的位置分类

（1）上置式：

调节弹簧位于喷油器的顶端，弹簧预紧力经长顶杆作用在针阀上，因而针阀的运动惯性较大。

（2）下置式：

调节弹簧位于喷油器的下端，其间无长顶杆，因而针阀的运动惯性较小。

2.1.4按喷油器型式分类

按喷油器不同型式可分为孔式喷油器和轴针喷油器。

2.2孔式喷油器基本结构及工作原理

2.2.1孔式喷油器的基本结构

孔式喷油器喷孔数量多为1-8个，喷孔直径在0.15-0.6mm。

喷孔数目与喷孔角度取决于燃烧室的形状、大小及空气涡流情况。

喷油器组成部件有回油管螺钉，回油管垫片，调压螺钉护帽，垫片，顶杆，喷油器体，紧固螺套，定位销，油嘴垫，喷孔，针阀，环形油腔，针阀体，进油道，进油管接头，调压弹簧，调压螺钉，如图2-1。

针阀及针阀体组成的喷油嘴用螺套固装在壳体上，并借助定位销使喷孔在气缸中保持所定的方位。

为了使气缸得到良好的密封，在针阀体上套有铜锥体，它还可以帮助喷油器散热。

调压装置及进油管路安装在喷油器壳体上。

调压装置由调压弹簧、弹簧座、调压螺钉、护帽及顶杆等零件组成。

通过调整调压螺钉改变调压弹簧的预紧力可调整喷油压力，将调压螺钉拧入，调压弹簧预紧力增大，喷油压力升高；反之，喷油压力降低。

为了避免调压螺钉松动，护帽将螺钉紧固在一定位置上。

为了防止细小杂质堵塞喷孔，在高压油管接头中装有缝隙式滤芯。

喷油器壳体下平面与针阀体上平面精密加工贴合，它是限制针阀升程的限位面。

在工作过程中，有极少量柴油从针阀及针阀体间的间隙中漏出。

这部分柴油可以起润滑作用。

但在针阀上平面处积聚过多时，会使针阀因背压增高而无法运动。

因此在回油管空心螺栓上接有回油管，将这部分柴油引回柴油滤清器或油箱中。

图2-1孔式喷油器

1-回油管螺钉2-回油管垫片3-调压螺钉护帽4-垫片5-顶杆6-喷油器体7-紧固螺套8-定位销9-油嘴垫10-喷孔11-针阀12-环形油腔13-针阀体14-进油道15-进油管接头16-调压弹簧17-调压螺钉

2.2.2孔式喷油器的工作原理

当针阀腔内的燃油压力P达到针阀开启压力

时，作用在针阀有效面积

上的燃油压力大于调节弹簧弹力F，此时针阀开启，由于针阀腔与油嘴的压力室相通，容积突然增大，油压瞬间有微小下降，但由于柱塞继续上升以及高压油管压力波的传递作用，使针阀腔内的燃油压力立即回升。

针阀开启后整个针阀导杆截面为

，承受燃油压力使针阀继续上升至顶点的限制块处。

此时燃油压力继续上升到最大喷射压力

（为

的2-3倍）。

当喷油泵柱塞开始泄油时，燃油压力下降到

，针阀受力面积

上小于调节弹簧弹力F时，针阀关闭，所以针阀关闭压力

小于启阀压力

（抬起针阀的燃油最低压力）。

工作过程中，喷油泵开始供油，高压柴油从进油口进入喷油器体内，沿油道进入喷油器针阀体环形槽内，再经斜油道进入针阀体下面的高压油腔内，高压柴油作用在针阀锥面上，并产生向上抬起针阀的作用力，当此力克服了调压弹簧的预紧力后，针阀向上升起，打开喷油孔，柴油经喷油孔喷入燃烧室。

当喷油泵停止供油时，出油阀在弹簧作用下落座，高压油腔内油压骤然下降，作用在喷油器针阀的锥形承压面上的推力迅速下降，在弹簧力的作用下，针阀迅速关闭喷孔，停止喷油。

2.3轴针式喷油器的基本结构及工作原理

2.3.1轴针式喷油器的基本结构

轴针式喷油器喷孔一般只有一个，直径较大在1-3mm，喷油压力为10-13MPa。

轴针式喷油器构成组件有回油管螺钉，调压螺钉护帽，调压螺钉，垫圈，滤芯，进油管接头，紧固螺套，针阀，针阀体，喷油器体，顶杆，垫圈，调压弹簧，结构如图2-3。

轴针式喷油器针阀下端的密封锥面向下延伸出轴针，形状为倒锥形或圆柱形。

轴针伸出孔外，使喷孔成为圆环状的狭锥。

喷油时，喷注将呈空心的锥状或柱形。

喷孔通过断面与喷注锥角的大小取决于轴针的升程和形状，固轴针的形状十分重要。

轴针式喷油器有普通型与节流式之分。

当针阀开启时，在轴针与针阀体之间形成一环状喷孔，这个环状喷孔的长度称为节流升程。

普通型喷油器轴针较短，即节流升程较小，当轴针上升到其下端面完全离开针阀体上喷孔时，喷孔截面迅速增大，喷油速率迅速增大。

由于喷油速率突然增大，易使柴油机工作粗暴。

节流式轴针针阀头部的轴针较长，形状上也不是一圆柱体，可呈阶梯状或倒锥体。

由于其节流升程较大，在喷油过程中轴针始终不会离开针阀体的喷孔，因此不会出现喷孔截面突变的情况，即不会出现喷油速率突然增大情况，有利于降低柴油机最大爆发压力和压力升高率，从而使柴油机工作比较柔和。

图2-2轴针式喷油器

1-回油管螺钉2-调压螺钉护帽3-调压螺钉4-垫圈5-滤芯6-进油管接头7-紧固螺套8-针阀9-垫圈10-针阀体11-喷油器体12-顶杆13-垫圈14-调压弹簧15-垫圈16-垫圈

2.3.2轴针式喷油器的工作原理

轴针式喷油器工作原理与孔式喷油器相同。

燃油从喷油泵喷射经过油管接头、缝隙式滤芯和壳体上的油道进入针阀体油槽里。

当针阀锥面上的油压达到喷射压力时，克服调压弹簧的预紧力，针阀被抬起，当针阀下锥面离开锥面座燃油便从喷孔喷出，形成雾状。

当油压作用力低于弹簧力的预紧力，在弹簧的作用下使针阀迅速落座，燃油停止喷射。

2.4不正常喷射现象

2.4.1二次喷射

二次喷射是针阀落座后，在过大的反射力作用下，油压超过针阀开启压力，针阀再次升起进行喷油的一种不正常现象。

二次喷射使整个喷射延续期拉长，过度燃烧，零部件过热，排温升高，同时由于二次喷射时燃油在很低的压力下喷入缸内，将导致雾化不良，排烟增加，甚至喷孔积炭堵塞。

消除二次喷射，可适当加大喷油器的喷孔直径，增加喷孔截面减小喷射期内高压油路中柴油的平均压力，降低针阀关闭后高压油路中压力波的强度，但是喷孔直径过大会影响雾化质量。

2.4.2气穴与穴蚀

当油管压力下降时，溶解在其中的空气开始析出，当油管压力局部降到相应温度的饱和蒸汽压力以下时，高压油路中的燃油会产生蒸汽泡，这种现象称为气穴现象。

气泡产生后，在波动中的压力作用下，当压力值升高至某一程度，气泡在高压作用下会破裂，这使局部油管压力急剧上升，气泡连续的产生和破裂会引起油管压力在主喷射后的高频波动，当这些压力波峰值超过一定数值时将会造成金属表面的损坏，这种现象称为穴蚀。

2.4.3滴漏

喷油嘴在正常喷射结束后，仍有少量柴油滴出，称为滴漏。

滴漏的产生，一方面原因是针阀偶件密封性差；另一方面原因是于针阀关闭速度过慢。

滴漏是在压力很低尤其是当压力持续时间短、柴油不能雾化的条件下产生。

滴漏容易使柴油积聚在喷孔处，高温加热后形成结炭，堵塞喷孔，影响柴油机的正常工作。

通常采取加大调压弹簧预紧力、增加调压弹簧刚度、减小针阀升程、减小针阀直径及增加出油阀减压容积、加强高压系统内减压作用等措施来避免滴漏的发生。

2.5喷油器的主要故障

2.5.1针阀偶件磨损、漏油

（1）锥面磨损

锥面磨损的主要原因是燃油机械杂质的冲刷、燃油的酸性腐蚀以及针阀与阀座的撞击。

锥面磨损会造成燃油滴漏，使燃烧不良。

油滴还会附在喷油嘴下端而造成高温结炭，使针阀下沉，节流损失增大，喷射压力下降，雾化不良，节流升程增大，撞击加重，磨损加速，密封面压强变小，密封性能下降，磨损加剧。

（2）柱面磨损

柱面磨损的主要原因是油质不佳。

柱面磨损会造成漏油量增加，引起喷油压力下降和雾化不良。

当各缸喷油器针阀柱面磨损不均使，同样会导致喷油量不均，影响柴油机低负荷运转的稳定性。

（3）端面漏油

针阀套的上、下端面分别与喷油器体和喷油嘴平面配合，如果针阀套与喷嘴制成一体，则针阀套只有一个端面。

当发生渗漏时，会引起燃烧不良。

水冷却式喷油器漏油的主要原因是水腐蚀，此时水箱处有油花可见。

2.5.2针阀在针阀套中卡紧和咬死

机械杂质进入针阀和针阀套之间的间隙中，喷油器冷却不良，针阀偶件在高温、温度突变时变形以及安装不正，紧固螺钉松紧不均都是会造成针阀在针阀套中卡紧和咬死的原因。

卡紧和咬死会使针阀不能及时启闭甚至无法启闭。

若针阀因咬死而无法启闭，该缸就会因没有喷油而熄火，柴油机的转速下降，喷射系统中油压猛烈升高，造成高压油管的接头处漏油或破裂，喷油泵和油管也将升温，该缸排温降低。

若针阀卡紧在针阀套中，未能及时关闭，就会造成雾化和燃烧不良，排温升高且冒黑烟。

此时，高压油管的脉动微弱，当针阀完全卡紧时，没有脉动。

2.6国产喷油器型号编制说明

我国规定喷油器型号的编制方法如下：

例如：

①ZS4S1的含义是轴针式喷油器，喷雾锥角4°，S系列，轴针直径1mm；

②ZS0SJ1的含义是节流式喷油器，喷雾锥角