供油提前角对柴油机性能的影响毕业设计.docx
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供油提前角对柴油机性能的影响毕业设计
供油提前角对柴油机性能的影响
摘要
柴油机在各种动力机械中之所以占优势的主要原因是经济性好。
近些年来,随着柴油机技术的发展,其经济性仍然在不断地提高。
为了改善经济性,采取了多种措施,例如:
改变供油提前角,提高喷油压力和喷油速率,缩短喷油持续期;优化燃烧室形状,改善换气过程;采用高效率增压器,创造出各种形式的增压系统;采用包括电子调速器,电子喷射系统在内的电子控制系统;减少内摩擦和提高机械效率等。
而燃油系统喷油时刻对柴油机的性能和排放起着至关重要的影响。
通常对经济性和烟度要求最佳的柴油机所需的供油提前角较大;而大量实践又表明,降低排气中NOx含量最有效的办法是延迟喷油,即减小供油提前角,使燃烧拖后在较低的温度下进行。
因此存在最佳喷油提前角的问题。
通过柴油机台架试验,分析供油提前角变化对柴油燃料发动机排放的影响。
试验结果表明:
供油提前角提前,柴油燃料的有效燃油消耗率降低。
随着供油提前角减小,燃料滞燃期缩短,供油提前角为15ºCA时,燃料的燃烧持续期最短,增加或减少供油提前角都将延长燃烧持续期。
供油提前角变化对柴油燃料发动机的排放有较大影响,推迟供油,燃料的烟度排放和CO排放增加,NOx排放与HC排放降低。
关键词:
柴油机;供油提前角;排放特性;台架试验。
EffectofFuelSupplyAdvanceAngleonaninternalCombustionEngines
Abstract
Invariousmechanicalpowerofdieselengineisthemainreasonisthedominanteconomical.Inrecentyears,alongwiththedevelopmentoftechnology,thedieselengineisstillinimprovingefficiency.Toimprovetheefficiencyandadoptedvariousmeasures.Forexample:
changeinjectionadvance,improvetheinjectionpressureinjectionrateandinjection,shortentheduration,Optimizedchambershape,improveventilationprocess,Usingefficiency,createthesuperchargerturbosystemsofvariousforms,Byincludingtheelectronicgovernor,injectionsystem,electroniccontrolsystem,Reducingfrictionandimprovemechanicalefficiency,etc.Andfuelsystemofdieselinjectiontimeofperformanceandemissionplaysacrucialinfluence.Usuallytheeconomyandtomeettherequirementsforthebestdieselinjectionadvancegreatly,ButalotofpracticeandsuggeststhatreducingexhaustinthemosteffectivewaytocontentNOxinjection,whichisthedelayreducedinjectionadvance,burningupunderthelowtemperature.ThereforetherearebestinjectionAngle.
Throughtheanalysisoftest,dieselinjectionadvancechangesofdieselfuelcombustionemissions.Testresultsshowthattheinjectionadvanceinadvance,Withfuelinjectionadvance,fuelinjectionadvancetoshorten,15ºCA,fuelburningshortestduration,increaseordecreaseofinjectionadvancewillextendcombustionduration.Injectionadvancechangesondieselfuelemissionshavegreatinfluenceonthefuelsupply,delay,meetemissionandCOemissions,NOxemissionsandHCemissionsreduction.
Keywords:
Dieselengine;Fuelsupplyadvanceangle;Emissionscharacteristic;Benchtest.
第一章绪论
1.1本课题研究的目的及意义
柴油机在各种动力机械中之所以占优势的主要原因是经济性好。
近些年来,随着柴油机技术的发展,其经济性仍然在不断地提高。
为改善经济性,采取了多种措施。
例如:
改变供油提前角,提高喷油压力和喷油速率,缩短喷油持续期;优化燃烧室形状;改善换气过程;采用高效率增压器;创造出各种形式的增压系统;采用包括电子调速器、电子喷射系统在内的电子控制系统;减少内摩擦和提高机械效率等。
上世纪70年代,一般机车中速柴油机的燃油消耗率150g/(Kw·h)以上。
目前,国内外的机车柴油机将燃油消耗率定在200g/(Kw·h)左右,而一些先进的柴油机燃油消耗率已下降到190g/(Kw·h)。
如:
16V396TB94型柴油机油耗率200g/(Kw·h),怠速耗油率5.0kg/h;MTU4000系列柴油机在使用功率较小时,例如机车或发电机组,有时燃料消耗率可低于190g/(Kw·h)。
MTU公司新开发的通用型8000系列柴油机具有低达195g/(Kw·h)的燃油消耗率。
就16V280ZJB型柴油机而言,其燃油消耗率为204g/(Kw·h),比16V280ZJA型柴油机降低4g/(Kw·h),在其部分负荷时也有较低的燃油消耗率。
机油消耗率为燃油消耗率的0.5%。
燃油系统喷油时刻对柴油机的性能和排放起着至关重要的影响。
通常对经济性和烟度要求最佳的柴油机所需的供油提前角较大;而大量实践又表明,降低排气中NOx含量最有效的办法是延迟喷油,即减小供油提前角,使燃烧拖后在较低的温度下进行。
因此存在最佳喷油提前角的问题。
柴油机的供油提前角是影响燃烧性能的主要参数之一。
以往研究表明:
直喷式柴油机的供油提前角对燃油经济性、动力性、排放性能等的影响比其他参数更为显著,柴油机的供油提前角过早或过迟,将直接影响到柴油机的输出功率,增加燃油消耗,导致工作粗暴,燃烧室温度过高,运转不稳。
当负荷过高时会出现拉缸、敲缸、断活塞环、气动式倒转和加速缸套气蚀等一系列不良后果。
因此内燃机工作者正致力于追求柴油机最佳的综合性能,其中,供油提前角最优化的研究已成为越来越重要的课题。
本课题的意义也就在于,供油提前角是柴油机的一个重要参数,对柴油机机油耗、排放和烟度影响极大,以节能为目的和以排放为目的其提前角是不同的。
因此,我们希望通试验找出4110Z-15柴油机在不同要求下的最佳供油提前角,以满足不同用户的要求。
通过改变供油提前角的角度,找出影响该柴油机性能的最佳角度,并做一些力所能及的实验研究,为进一步改进提供科学依据。
本课题实验样机为4110Z-15柴油机,研究对其它小缸径柴油机也具有一定的参考意义。
1.2柴油机供油提前角简介
柴油机的供油提前角,指喷油泵出油阀开启向高压油管供油即供油始角时,活塞在压缩冲程上止点前的曲轴转角。
它反映的是喷油泵供油始角与活塞的位置关系。
提前角过大喷油过早,气缸内温度较低,可燃混合气形成条件较差,滞燃期较长,可能导致柴油机工作粗暴、怠速不良和启动困难等故障;提前角过小喷油过晚,使气缸中的可燃混合气燃烧迟后,可能导致柴油机功率下降、温度升高、油耗上升和排气冒烟等故障。
因此,供油提前角必须及时调整。
调整方法一般是改变喷油泵凸轮轴与发动机曲轴的相对转角。
注意不能用改变供油始角或柱塞预行程的方法调整供油提前角,否则会破坏供油规律。
柴油机的供油提前角对柴油机性能影响很大,最佳供油提前角都是在调试过程中由试验选定。
因此,供油提前角的试验是每一个产品在开发过程中不可回避又极其重要的内容。
以往供油提前角的选定,大多以燃油消耗率的高低做为选择的依据。
实际上,对于柴油机燃油消耗率的最佳供油提前角并不是排气烟度的最佳供油提前角。
因此,供油提前角的选择不能仅仅以燃油消耗率为依据,必需同时兼顾排气烟度,甚至其它更多因素。
1.2.1调整柴油机供油提前角的作用
供油提前角的合理选择是降低柴油机有害排放物常用的措施之一。
供油提前角决定燃油喷入气缸的时刻,不同的供油提前角度造成喷油时的空气压力、温度、流动状态及活塞位置的不同,并通过影响燃油的滞燃期来影响燃料燃烧的时刻及燃烧时的燃料量,从而影响到整个燃烧过程,最终关系到柴油机的排放性能和经济性能。
又由于供油提前角的改变方便易行,因此控制排放措施首先应考虑供油提前角。
本文在12、15、18ºCA三种不同供油提前角条件下,燃用柴油燃料,通过对各工况下燃烧与排放的试验分析,研究了供油提前角变化对柴油燃料发动机排放的影响。
1.2.2柴油机供油提前角的检查方法
在使用过程中,由于有关零件的磨损或相对位置改变等原因,喷油提前角会发生改变,如滚轮体总成磨损0.2mm,喷油角将延迟约1°,直接影响柴油机工作性能,因此,必须定期地对其进行检查。
而在汽车上检查喷油提前角比检查供油提前角要复杂些,而检查供油提前角较为方便。
供油提前角检查具体步骤如下:
1、为便于准确地观察到供油的脉动,先自制一条定时管。
其方法是找一根高压油管,套上一小段直径合适的透明塑料胶管即可。
若不自制定时管,也可直接观察出油阀紧座出油口油面,但不够清楚,也不准确。
2、拆下第一缸高压油管,在喷油泵出油阀紧座接头装上自制的定时管,并使定时管管口向上。
用手油泵泵油,排除喷油泵内的空气,使之充满柴油。
3、将油门置于最大供油位置,在减压状态下,按工作转向摇转曲轴,直到定时管充满不带气泡的柴油为止。
晃动定时管倾出一点柴油,以便观察油面。
4、再缓慢摇转曲轴,同时密切观察定时管油面情况。
当看到油面刚开始上升的瞬间即油面刚一脉动,立即停止摇转曲轴,此时为第一缸开始供油位置,从飞轮上或皮带轮上指示的刻度可确定供油提前角是否合适。
1.2.3柴油机供油提前角的调整方法
目前柴油机上改变供油提前角的机构虽不相同,但都基于改变喷油泵柱塞副与喷油泵凸轮的相对位置,使柱塞顶部边缘封闭柱塞套进油口时间早晚来改变柴油机供油提前角的,其常见的办法有如下3种:
1、移动整个泵体
如195型柴油机的1号单体泵,它的喷油泵凸轮是与配气凸轮轴自成一体的,在泵体与柴油机正时齿轮间装有垫片,靠增减垫片来调整其供油
提前角,增加垫片供油提前角就会减小,减少垫片供油提前角应会增大。
2、喷油泵凸轮轴不动,转动泵体
如459型柴油机的1号泵,喷油泵的三角形接盘上有3个长圆弧形孔,固定螺钉穿在孔内,使喷油泵固定在发动机齿轮室上,若要改变供油时间,只要放松3个螺钉,转动喷油泵壳体,柱塞副与喷油泵凸轮的相对位置就会发生变化,从而改变供油提前角的大小。
泵体逆着喷油泵凸轮轴旋转方向转动,供油提前角就会增大,顺着其方向转动,供油提前角就会减小。
3、喷油泵体不动,转动喷油泵凸轮轴
如4118A型柴油机喷油泵,当泵体固定到发动机上以后,泵体不能再转动,供油提前角的调整是靠转动喷油泵轴来实现的(曲轴保持静止)。
在喷油泵驱动齿轮的轮毅上有两组共14个螺孔,为防止错装180ºCA,两组孔的圆心分布在两个不同的半径上,两孔中心线夹角为2.5ºCA;而在带动喷油泵凸轮轴转动的花键盘上有相应的两组14个光孔,其夹角为15ºCA,两者相差1.5ºCA,通过两个联接螺钉使花键接盘与驱动齿轮联接,喷油泵便能随驱动齿轮一起转动.将两个联接螺钉由一配对孔移人另一配对孔,花键盘连同喷油泵轮轴一起拨转1.5ºCA,从而使供油提前角变动,顺着喷油泵轮轴旋转方向拨动花键盘,供油提前角就会增大,反之则减小,共有6个等级180ºCA的调节范围。
还有用联轴器结构方式来调整供油提前角,联轴器的主动盘与驱动齿轮轴相接,其被动部分与喷油泵凸轮轴相接,松开联轴器上弧形孔中的螺钉,使联轴器被动部分相对于主动盘拨转,即能改变其供油提前角的大小。
此外,有的柴油机用直接调节柱塞伸入柱塞套位置的方法来调节其供油提前角的大小如图1-1所示。
供油提前角调整完毕,应按规定的力矩拧紧螺钉,并启动发动机,从其启动、声响、排气等现象来检验其供油提前角是否合适。
图1-1供油提前角的的调整
1.3本文研究的内容
为深入分析供油提前角对4110Z-15柴油机工作过程的影响,利用缸内压力传感器及燃烧分析仪对发动机在两个转速1450r/min、1850r/min,以及在三个供油提前角12、15、18ºCA下的负荷特性对柴油机的性能和排放进行了测试。
本文研究的具体内容如下:
1、开展供油提前角对4110Z-15柴油在负荷特性下的排放和燃烧试验的研究;
2、对该柴油机在不同供油提前角下的噪声以及排气温度进行测定;
3、完成对4110Z-15柴油机在试验台架上的相关数据进行采集;
4、利用ORIGIN7.5软件画出燃油经济性图、燃烧特性图、排放特性图等,并对其进行相关的分析和讨论;
5、在此基础上讨论了柴油机在不同工况下的最佳供油提前角的问题。
第二章试验仪器及方案的选择
2.1试验仪器及装置
2.1.1试验仪器
本文试验对象是一直列四行程增压直喷中冷柴油机。
该柴油机缸径为110mm,行程为130mm,总排量为4.914L,压缩比为12,标定功率为65Kw时的转速为1500r/min,最大扭矩为928N·m时的转速为1400r/min,怠速转速为700r/min。
主要测试仪器如表2-1所示。
其中,AVL4000气体排放分析仪用于测量排气中CO、HC、NOx的体积分数,FDQ-102型排气烟度计用于测量微粒排放及烟度,D480B水力测功器用于测量发动机扭矩和转速。
试验柴油为“0”号轻柴油,润滑油为15W/40CD机油。
柴油机性能试验按《柴油机台架试验考核方法》JB/T9773.1–1999进行。
表2-1主要测试仪器
名称
型号规格
精度
制造厂家
水力测功器
D480B
±1%
江苏启东农机厂
转速油耗仪
SYZZ-1A
0.5%
上海内燃机研究所
排气烟度计
FDQ-102
±1.5%
温州仪表厂
排气表
WXMT-101
±1%
无锡江南测试仪器厂
油温表
WXMT数字显示仪
±1%
无锡江南测试仪器厂
油压表
WXMT数字显示仪
±2.5%
无锡江南测试仪器厂
水温表
WXMT数字显示仪
±1%
无锡江南测试仪器厂
大气压力计
定槽式
±0.5%
长春气象仪表厂
排放分析仪
AVL4000
厦门海腾发动机测试设备有限公司
颗粒排放仪
AVLSPC472
±0.5%
长春气象仪表厂
声级计
ND2
±0.5%
温州仪表厂
2.1.2试验装置
试验用发动机为四缸水冷、四冲程、直喷式柴油机,其基本参数下表2-2所示。
压力传感器为瑞士Kistler公司产品,使用AVL4000排气分析仪和FDQ-102排气烟度计测量燃烧产生的排放物。
试验台架布置见图2-1。
表2-2试验用柴油机主要参数
项目
原机技术规格
型号
4110Z-15
燃烧室形式
型
缸径/行程/mm/mm
110/130
续表2-2
排量/L
4.914
压缩比
12
标定功率/Kw
65
标定转速r/min
1500
喷油提前角/ºCA
15
启喷压力/MPa
18
图2-1试验装置图
2.2试验方案确定
试验使用柴油(国标0号轻柴油),是在凯马南昌柴油机有限公司4110Z-15柴油机试验平台EIM0301D测控仪上进行的。
1、首先按照4110Z-15型柴油机使用说明书规定,将各调整参数调整至标准值。
2、进行标准供油提前角的发动机试验(本文在12、15、18ºCA三种不同供油提前角条件下),并且在两个转速(即1450r/min、1850r/min)下进行比较,以柴油机的负荷为变量即平均有效压力
。
3、内燃机性能的主要标志有有效扭矩
,有效功率
表明了动力性,燃油消耗率
表明了动力性。
在试验中有效功率
的测定采用水力测功器,然后根据公式
=
·n/9550(Kw),可知,在测定有效扭矩
(N·m)及输出轴的转速n(r/min),即可得出有效功率。
4、燃油消耗率
的测定是通过测定在某一功率下消耗一定量燃油所经历的时间,经计算后得到。
该试验采用称量法,它是测定消耗一定质量的燃油所经历的时间,试验中以天平来称量油杯中油量m(g),用秒表测定消耗m(g)燃油所经历的时间t(s),输出的有效功率
,前面已经测好了根据公式
=
g/(Kw·h)。
5、改变供油提前角试验:
改变供油提前角的方案根据标准提前角15士3ºCA值考虑,初步确定每间隔3ºCA设置一个点,即提前角分别设定为12、15、18ºCA,并且先测发动机在1450r/min下各个试验数据,然后再测1850r/min下的数据。
6、根据试验室提供的相关的仪器,分别测出试验所需的数据,如用排气烟度计测出发动机在各工况下的排气烟度,并做好记录。
第三章供油提前角对柴油机性能的试验研究
3.1具体试验过程
1、检查仪器、仪表工作正常,接通燃油、冷却水通断阀。
2、根据柴油机说明书规定的供油提前角,选择几个比最佳供油提前角大和小的角度作为自变参数。
试验可选取(12、15、18ºCA),启动前,将供油提前角调节为最小角度,即12ºCA。
3、启动柴油机,改变调速手柄使转速升高,待达到稳定的热状态后,逐步调节水力测功器,以增加负荷,使柴油机在标定功率、标定转速下稳定运转。
4、测量消耗一定质量燃油的时间、排气温度、烟度计以及排气分析仪的数值。
5、记录在该供油提前角下的转速、水力测功器的读数以及上述各参数,从而完成一个角度的调整过程。
6、依次按选取的角度调整供油提前角重复上述试验;等到三个供油提前角都测完后,将发动机的转速调高到1850r/min,再从上面第4步开始测定直到测完三个供油提前角。
7、在坐标纸上以平均有效压力为横坐标,分别以耗油率
、排气温度
以及烟度等参数的值为纵坐标且将他们画在同一个转速下的三个不同供油提前角的坐标系中,以便进行比较。
8、测定完成后,减小柴油机油门,关闭水力测功器水门。
使柴油机空转约30min,然后停车。
3.2试验结果与分析
排放物的生成与发动机的燃烧过程有着紧密的关联。
柴油燃料发动机燃烧过程是柴油压燃燃烧,燃烧过程受到很多因素的影响,如喷油提前角、引燃供油量、着火落后期、燃烧气室等。
同时燃烧定时对发动机的燃烧及其排放有着重要的意义,燃烧定时是由引燃燃料的喷射定时、着火落后期确定的,并且它也受混合气的空燃比及燃料的火焰传播速度等的影响。
本试验利用便于调整的供油提前角,对柴油燃料发动机排放特性及其变化趋势进行研究,探究燃料燃烧的规律。
试验测得的数据如,表3-1、表3-2、表3-3、表3-4所示,其中表3-1是燃油消耗量
是直接由测试台读出的值,表3-2是排气烟度R的值是由排气烟度计测出的,表3-3是最大放热率、滞燃期、燃烧持续期的相关数据,表3-4是燃烧排放的数据,是以单位排气体积中排放污染物的体积来表示的,通常以%和10-6(百万分比,即ppm)表示。
表3-1试验燃油消耗量
/g.(Kw·.h)
情况数据
转速
r/min
供油提前角
ºCA
平均有效压力MPa
0.15
0.28
0.42
0.58
0.72
1450
12
585
387
332
294
285
15
605
398
328
297
284
18
501
344
292
275
265
1850
12
694
432
362
335
316
15
651
412
345
338
315
18
514
361
311
314
307
表3-2试验排气烟度R/BOSCH情况数据
转速
r/min
供油提前
角ºCA
平均有效压力MPa
0.15
0.28
0.42
0.58
0.72
1450
12
0.49
1.14
1.39
1.89
2.75
15
0.39
0.38
0.86
1.67
2.46
18
0.12
0.68
0.86
1.42
1.53
1850
12
0.42
1.26
1.38
1.50
2.74
15
0.42
0.53
0.69
1.15
2.48
18
0.31
0.67
0.73
1.29
2.37
表3-3试验燃烧情况数据
转速
r/min
供油提前
角ºCA
平均有效压力MPa
试验项目
0.15
0.28
0.42
0.58
0.72
1450
12
82.4
91.2
124.5
131.3
135.4
最大放热率
15
91.2
115.6
132.8
142.5
124.4
18
91.9
115.7
124.4
136.3
163.3
12
6.3
6.1
5.8
5.7
5.3
滞燃期
/ºCA
15
6.8
6.5
6.3
5.9
5.6
18
7.5
7.2
7.1
6.9
6.8
12
42.6
45.6
49.3
53.4
54.1
燃烧持续期
/ºCA
15
41.3
44.3
45.7
48.5
50.1
18
43.6
47.3
48.1
49.5
51.6
1850
12
62.4
82.4
105.5
118.3
133.4
最大放热率
15
71.2
97.4
131.2
137.3
148.9
18
62.6
103.4
128.3
134.7
136.7
12
7.3
7.0
6.7
6.4
6.2
滞燃期
/ºCA
15
7.5
7.2
7.0
6.7
6.5
18
8.2
7.9
7.6
7.4
7.1
12
42.6
46.3
47.1
48.9
52.2
燃烧持续期
/
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