柴油机电控原理教材课件.ppt

1、内燃机电子控制柴油机电控原理本课程的结构电控起源电控结构柴油机控制典型系统/原理电控汽油机发展历史柴油机发展历史传感器结构类型工作原理传输技术量化原理ECU结构控制策略汽油机策略柴油机策略实现技术嵌入式设计实时操作系统RCP/HILS执行机构汽油机系统柴油机系统动力特性发动机特性负载特性能控型参数提前角共轨压力EGR喷油模式自控分析发动机模型控制器设计控制性能分析排放性能及控制排放原理排放特性各系统的特性汽油机系统柴油机系统共轨蓄压HEUI高压共轨汽油机的电控思路v汽油机电控的目的是追求排气净化,其特征在于三元催化技术的应用.电控技术的应用时的排放性能、经济性和操纵性均得到了较大提高。其技术难

2、度和成本提高不大。柴油机电控v电控使结构变得复杂，成本远高于机械控制系统。该技术的生命力取决于其带来的性能改善程度。v柴油机的问题有：冷起动性能、NOx排放，PM排放、控制游车、怠速控制、全工况优化、涡轮增压控制等等。内燃机电控原理v内燃机的特性v动力及排放特性的原理v发动机模型v动力控制性能分析v排放控制方法被控对象内燃机的动力特性和排放特性内燃机的动力特性 1.内燃机的工作区域 2.内燃机的特性 3.速度特性分析内燃机的工作区域负荷特性 1.转速不变 2.由各稳态点组成的特性线速度特性 1.负荷不变（油泵齿条、节气门位置不变）2.由各稳态点组成的特性线汽油机的速度特性柴油机的速度特性万有特

3、性 1.负荷-速度-油耗的二维曲面 2.负荷特性 万有特性 3.速度特性 万有特性万有特性图内燃机速度特性分析 柴油机喷油泵的速度特性 柴油机与汽油机扭矩的速度特性内燃机扭矩的速度特性分析v 内燃机的扭矩可由下式表示：mivseKM进气空气密度v非增压机的进气密度不变v增压机的进气密度随增压度和中冷度而变化：充气系数（最大节气门位置）v汽油机Q增压汽油机ZQv柴油机C增压柴油机ZC汽油机节气门开度不同时的充气效率过量空气系数、指示效率机械效率内燃机速度特性曲线内燃机与工作机械匹配负载特性),()2.3,6.1(,dfKmnKPem负荷与柴油机的配合特性调距桨、汽车换档的工作原理内燃机排放特性v

4、汽油机稳定运转瞬态运转v柴油机稳定运转瞬态运转汽油机稳态CO排放特性汽油机稳态HC排放特性汽油机稳态NOx排放特性汽油机瞬态运转过程的排放v冷启动过量空气系数1，气缸温度低，冷激效应明显，HC、CO排放高，NOx排放低v暖机过程过量空气系数a,则油滴破碎：X=a时，dtdxaxaUdtxdaa58322223122131tUaaa2.Hwang和Reitz机理（1995）a.在垂直方向的气流作用下变扁平；b.在RT不稳定表面波作用下，分裂成大油滴；c.在KH不稳定表面波作用下分裂成小油滴。油滴直径（索特平均直径）：（高压）（低压）23.iiiidndnDMSdWeDMS47.00137.001

5、32.0125.01Re38.0.dWeDMSaa18.0154.0175.0112.01Re12.4.duWea2 雾束贯穿距离：大缸径静止空气：（Dent）小缸径高速机：（新井公式）有涡流时：41214129407.3 aaTdtpL212195.2 aptdLULLLf/211 油束夹角：412205.0gavdp柴油机的燃烧机理一.着火的单液滴模型二.着火条件 1.热自燃与链式反应 2.反应放热的规律：3.传热规律：nRTEuCeKVHQ0102TTFQ 4.自燃的临界条件：a：b：21QQ 00TTFCeVKHnRTEudTdQdTdQ21 FRTECeVKHnRTEu2004112

6、TERRET着火温度与压力的关系柴油机燃烧阶段划分v1.滞燃期v2.急燃期v3.缓燃期v4.后燃期滞燃期1.组成：1.物理滞燃期2.化学滞燃期2.影响因素3.对燃烧过程的影响17.0077.1320029374.074.12578.03422.082353.3exp1024.6UTdpTFphchphi影响滞燃期的因素：v1.温度v2.压力v3.喷油提前角v4.转速v5.涡流速度v6.空燃比v7.雾化程度v8.添加剂和燃料种类峰值压力、压升比与滞燃期压缩终点与滞燃期喷油时间与滞燃期转速与滞燃期增压压力与滞燃期增压空气温度与滞燃期滞燃期对燃烧过程的影响va.预混燃烧份额vb.压升比vc.最高爆发

7、压力vd.最高燃烧温度放热规律020406080100120140160180200050100150200250不同放热规律对性能的影响汽油机放热率计算vRassweiler-Withrow多变指数法，简称R-W法。v1980年SAE在纪念它成立75周年的年会上，把Rassweiler和Withrow在1938年发表的Motion Pictures of Engine Flames Correlated with Pressure Cards一文作为“里程碑”式的论文重新刊载一次，认为论文中所提出的计算已燃质量分数曲线等方法，至今仍适于火花点火发动机的应用。描述燃烧过程v柴油机的燃烧过程是一

8、系列物理、化学过程，是由喷油过程、混台物形成过程(雾束的扩散、油粒的分布、气化、油和气混合)、滞燃及着火燃烧过程等共同作用的结果。除了喷油过程以外，所有其他过程都是在气缸中发生的，并相互重达、相互影响，如要从数学上对燃烧规律作出定量描述，则必须说明喷注，燃烧，传热，缸内的空气运动，燃烧室的形状，喷油器的型式和安装位置，喷孔的直径、长度和数目，以及整个供油系统的几何参数等，此外，还需考虑上述参数改变对燃烧过程的影响。迄今还没有一个最好的解析方法用以描绘柴油机的燃烧规律。解决方法1v一种办法是利用实测示功图换算燃油燃烧的实际放热规律，再将每瞬时燃油燃烧的速率或放热率以数组形式作为原始数据输入计算机

9、，这样，对于每一计算工况点，都必须实测一次示功图，并计算出相应的放效规律。显然，这种方法虽然比较准确，但却比较麻烦，用于实机已知工况点的核算。解决方法2v另外还有一种有效的方法是建立燃烧模型。近20年来，柴油机燃烧计算模型的研究有了比较大的发展，其特点是针对柴油机燃烧过程在时空上的多相性和不均匀性，建立准维多区物理模型，通过数学模拟用计算机进行数值计其，这样，使计算结果比较接近实际燃烧过程，由此可得出柴油机燃烧的放热规律，以及一组表征柴油机燃烧特性的其他参数并与工作过程计算进行联算，借以提高工作过程模拟计算的精度和预测范围。准维模型v准维多区燃烧模型主要是从燃油和空气的混合过程出发，建立喷注、

10、可燃混合气形成、燃烧放热和传热等模型，用以描写燃烧过程气缸内的不均匀场；将燃油和空气温合浓度不同的区域进行细分，建立较为复杂的多区模型。对每个浓度相同的区域分别进行燃烧和化学反应动力学计算，考虑到排气中有害物质的排放，还要建立排放模型。v由于研究观点不同现分为两派，其中，林慰梓等人提出的以燃油蒸气喷注为基础的“油气喷注燃烧模型”，和广安博之等人提出的以油滴蒸发为基础的“油滴蒸发燃烧模型”较有代表性。多维模型v近年来，又有人提出“多维模型”，想从气体力学、反应动力学、传热、传质等方面全面、完整地描述燃烧过程，这将是一个十分复杂、庞大、费时的计算步骤尽管燃烧模型在计算精确性上具有其优点，但是由于十

11、分复杂，目前又没有一个模型成熟可用，所以，工作过程电算现在还没有采用燃烧的多维数学模型。放热率的求解v采用单区模型方法，根据热力学第一定律：其中，净放热量是燃烧放热量与散热量之差。netwcvQQQdtdVpdtdTmC热传导规律热传导规律v其中，导热系数采用Woschni公式：124212wwzwzlwwTTTDTTFddQ525.0786.0214.0265zzmwTPcD)1(vvpcccRdtdpVdtdVpdtdTmR由气体性质可知：1)()()(1122121pVpVpdVdddtQQdtdpVdtdVpdtdVpQVVnetnetnet燃烧放热率韦伯公式的意义v在描述燃烧过程的模

12、型中，一般是对其进行适当的简化。其中，燃烧规律 是一个较好描述其过程变化的量。v最常见的方法是利用半经验公式，韦伯公式就是其中的一种，也称为韦伯燃烧规律。ddQf燃烧的化学反应描述v内燃机所使用的传统燃料是分子量不同的各种碳氢化合物的混合物，碳氢化合物燃料的燃烧属于链式反应。在一定条件(压力、温度)下，燃料中参与化学反应的原始物质形成一定数量的活化中心，如生成O、H、OH等自由原子和自由基，它们的化学价都不饱和，这些自由原子和自由基将与原始物质继续进行反应，形成新的反应链。由于链式反应不断地分支和扩展，活化中心不断地产生，所以，化学反应也随之加速进行，一直到参与化学反应的原始物质的浓度减小到接

13、近于0，反应才逐渐停止。韦伯规律v链式反应的化学性质是由反应过程中形成的话化中心的数量来确定的。50年代，韦伯根据链反应理论提出了描写内燃机燃烧速度的半经验公式，认为参与化学反应的原始物质的分子数与能引起有效反应的活化中心的数目成正比。反应速度vdN和dNef别表示从t到t+dt时间间隔内参与有效反应的原始物质的分子数和有效活化中心的数目，则vn是比例系数v上式表明：链式化学反应的速度正比于有效活化中心的产生速度。dtdNndtdNndNdNefef燃烧速度v有效活化中心产生的速度对原始物质分子数的比值，称为这一时刻有效活化中心的相对密度v燃烧速度：)(0tfNdtnNNefNenendtdx

14、NndtdNNdtdNtN柴油机的当量燃烧规律v柴油机中的链式反应是在复杂的条件下进行的，因为在燃烧过程中，可燃混合气的容积压力、温度和浓度都在改变，即使是在同一时刻，燃烧室中可燃混合气的温度和浓度也是不均匀的；另外，在燃烧过程中，可燃混合气也并不全是单相气体状态，因此，完全应用链式反应来描述柴油机燃烧过程的放热规律还不完全符合燃烧过程，但是，考虑到柴油机燃烧的特殊性，根据柴油机燃烧过程的有关试验资料，利用韦伯公式的基本形式，建立起能反映柴油机燃烧过程的当量燃烧规律，实践证明还是可行的。燃烧过程v考虑到柴油机中燃烧过程进展的特性，函数f(t)主要应满足下述条件：当t=0，即化学反应开始时，虽然

15、着火滞后使得有效活化中心的相对密度大于0，但化学反应很缓慢，故仍可认为此时已燃烧的燃油的百分数x=0。为满足这个条件，当to时，f(t)=0，即函数f(t)的曲线应当从坐标原点开始。在化学反应过程中，有效活化中心的相对密度没有突变，因此，f(t)应当是连续函数。在化学反应过程中心从0单调变化到1，由f(t)特性可知，只有函数单调变化才能满足这个条件，所以，f(t)是增函数。由于函数f(t)的连续性和增函数性，因此可以认为t趋于无穷大时，f(t)趋于无穷大。在化学反应过程中，燃烧速度有最大值，而当t趋于无穷大时，化学反应趋于停止，燃烧速度为0。燃烧速度曲线下面的面积应当等于1，即t趋于无穷大时，

16、x趋于1。燃烧规律的半经验公式111011)(mtmKmtNmNextmKdtntftk燃烧百分数v设定燃烧持续期终了时，已燃烧燃油的百分数为0.9991)(908.61mzttexddxgHddQfuf1908.61mssex1908.61908.6mzzemddxmzzz形状系数m对燃烧速度的影响燃烧放热规律 v柴油机燃烧放热规律一般采用双韦伯曲线模拟，可以较好的反映柴油机燃烧特点 ppmpppQemddxmp11111908.61908.6)1(1908.61222908.62pmzzzQemddxmzz ddxddxddx21预混燃烧比v其中，a=0.37,b=0.26,c=0.926

17、 biaPcQ1滞燃期 v其中p,T为燃烧始点压力和温度 82.0)2213(*446.114.0peTv 表示预混燃烧放热率，表示扩散燃烧放热率，分别表示预混燃烧和扩散燃烧的持续角，m1，m2分别表示预混燃烧和扩散燃烧的燃烧品质系数ddx1ddx2p，z 变工况下燃烧品质系数的变化8.05.020nnTTPPmmoaaoaoao变工况下燃烧放热规律v燃烧持续角 v下标为0的项，为标定工况下的过量空气系数和燃烧持续角 5.06.0oozoznn燃烧品质系数和预混燃烧比与转速和负荷的关系 00.511.522.51200130014001500转速（r/min）m1m2Qp00.511.522.

18、550%75%100%负荷m1m2Qp预混燃烧和扩散燃烧持续角与转速和负荷的关系 0102030405060701200130014001500转速（r/min）曲轴转角(oCA)预混燃烧扩散燃烧 010203040506050%75%100%负荷曲轴转角(oCA)预混燃烧扩散燃烧柴油机的燃烧室一.直喷式 浅盆形、深坑形二.分隔式 涡流室、预燃室浅盆形燃烧室特点：1.混合气形成主要靠喷射雾化；2.不组织进气涡流;3.燃料分布到整个燃烧室空间；4.燃烧室相对散热面积小；5.预混燃烧份额大；6.；7.对转速和燃料较敏感。2.26.1a浅盆型燃烧室结构：88.072.0DdK68.06.0CKVV7

19、5hdK深坑形燃烧室特点：1.组织进气涡流；2.雾化利用喷射和涡流；3.；4.启动容易；5.适用于高速机。5.13.1a深坑型燃烧室结构6.04.0DdK85.075.0CKVV5.35.1hdK燃烧室、油束和涡流的配合1.油束穿透率 2.喷雾锥角3.油束夹角/LL涡流室燃烧室特点：1.混合气形成与燃烧主要是利用 压缩涡流；2.压缩涡流随转速加快；3.；4.工作平稳；5.热损失大；6.排放低，HC高。3.12.1axNO结构：通道面积/活塞面积=1.23.5%油束与空气涡流的配合：喷嘴倾角 偏心距%8050CKVVoo3515Kde25.015.0涡流室式燃烧室结构内燃机排气污染主要污染物：微

20、粒指标：体积分数、质量浓度 质量排放量 比排放量 HCCOXNOCO排放与燃料、空燃比的关系柴油机排放与过量空气系数汽油机排放与过量空气系数CO的生成机理1.CO生成机理详细过程尚未完全弄清，一般认为，生成步骤如下：其中：2.是一种中间产物，最终生成情况视氧气浓度而定CORCORCHORORRH2.2COHOOHORCOHC的生成机理缝隙效应的解释：1.冷激效应 2.油膜与沉积物吸附 3.容积淬熄 4.碳氢化合物的后期氧化 NOx的生成机理高温、富氧、均是 生成的有利条件HNONOHONONONNOONOO2222XNONOx的生成机理分析 、为反应速率常数。5kONONONNOONOO222

21、22k1k3k4k1k2k3k4k5kNewhall发现：在燃烧过程中，NO的生成速 率是比较慢的，在膨胀过程 中，NO的分解速率也是相当 慢，因此，对NO排放的分析 不能用化学平衡的方法，必 须用动力学方法。试验可知：即)()()()(423221ONOkONkNNOkONkdtNOd0)(dtNd0)()()()()(423221ONOkONkNNOkONkdtNd)()()()()(232421OkNOkONOkONkN最后可得：)()()exp()(22125.0NOTBTAdtNOd假定 和 处于平衡状态即 ，o2NeqOO)()(eqNN)()(22eqeqNOkdtNOd)()(

22、2)(21212215)()()(eqeqORTkOPM排放物一.汽油机中，PM的主要成分是硫酸盐二.柴油机中，PM的主要成分是碳烟汽油机排放控制一.曲轴箱控制系统二.蒸发物控制系统三.排气再循环四.发动机设计的低排放考虑五.尾气净化柴油机排放控制一.燃烧方式和燃烧室二.喷油系统三.气流组织和多气门技术四.排气再循环五.增压柴油机设计的低排放考虑v柴油机的CO和HC排放量相对汽油机来说要少得多，但NOx与汽油机在同一数量级，而微粒和碳烟的排放要比汽油机大几十倍甚至更多。因此，设计低排放柴油机，重点是控制NOx与微粒，其次是HC。低排放的空燃比考虑v柴油机造成污染物排放的根本原因在于油气混合不好

23、。混合不好导致局部缺氧，使碳烟大量生成。同时存在很多a=1.01.1的高NOx生成区。所以低排放柴油机的设计要围绕改善油气混合这一中心任务，防止局部a超过0.9（这有利于NOx生成）和低于0.6（这有利于碳烟生成）。低排放燃烧系统的要求v由于直喷技术的进步以及降低油耗和CO2排放的要求，柴油机大多采取直接喷射燃烧方式。其燃烧室设计要点如下：燃烧室容积比v燃烧室容积对气缸余隙容积之比即为燃烧室容积比，应力求提高此容积比，以提高柴油机的冒烟界限，降低柴油机的碳烟和微粒排放。燃烧室口径比v燃烧室口径小增加喷雾碰壁量，造成HC排放增加。因此除缸径很小的柴油机外，尽量用口径比较大的浅平燃烧室，配合小孔径

24、的多喷孔喷嘴。燃烧室形状v用缩口燃烧室加强燃烧室口部的气体湍流，促进扩散混合和燃烧。v燃烧室底部中央的凸起适当加大，以进一步提高空气的利用率。v用带圆角的方形或五瓣梅花形（分别配4孔和5孔喷嘴）代替圆形燃烧室，加强燃烧室中的微观湍流，加速燃烧，减少碳烟生成。压缩比v适当提高柴油机压缩比可降低HC和CO排放，并结合推迟喷油获得动力经济性能与vNOx排放之间较好的折中。低排放喷油系统要求v加强雾化效果，优化喷油规律提高喷油压力。增加喷油器的喷孔数，减小孔径。控制燃油喷射率，如靴形喷射、预喷射。根据柴油机工况优化喷油定时。其他技术措施v（4）采用多气门技术，配合多孔数、小孔径喷油器来获得良好的混合气

25、。v（5）可采用废气再循环（EGR）来降低NOx排放。v（6）采用增压中冷技术来降低碳烟和NOx排放。新形势下对柴油机的要求v对高速重载柴油机的基本要求为：满足有关排放法规的要求，主要为PM和NOx排放的权衡；NVH(noise,vibration,hardness)低；强化程度(pemvm)高，扭矩特性好；经济性高，be低；商业前景好v90年代以来，由于高压电控喷射系统在高速重载直喷式柴油机上的应用，为直喷式柴油机燃烧技术的不断改进奠定了基础。柴油机的燃烧新技术v目前排放指标向欧III(NOx5g/kwh，PM 0.1g/kwh)、欧IV(大约为NOx2.53.5g/kwh，PM=0.020

26、.08g/kwh，pme=2.02.4MPa，be=155g/kwh)的方向推进。v主要的研究内容为带涡轮增压中冷的进气系统、燃烧系统，高压电控喷射系统和多次喷射(包括引导喷射在内)，有冷却的EGR系统；柴油和润滑油品质改进以及排气后处理等。进气系统v由于采用高压、多孔喷射，高速直喷式柴油机对气缸内气流运动的组织不像火花点火发动机那样重要，反而倾向于无涡流和低涡流，研究的重点放在涡轮增压和中冷上，用改进涡轮增压和中冷的方法降低排放，改善经济性和发动机的扭矩特性。增压中冷效果气门结构和燃烧系统v为了减少泵气损失和提高充量系数，高速重载柴油机较多的应用喷油器位于气缸中心的四气门结构。v高压喷射柴油

27、机倾向采用无涡流浅盘形燃烧室来取代以前大量使用的中、高涡流深坑形燃烧窒，试验表明，在相同的NOx 排放值下，无涡流燃烧室可以获得低的燃油耗。进气系统改进对流量的影响对油耗的影响燃烧系统改进的影响燃烧系统的放热率高压喷射技术v应用高压喷射可使油粒精细化，喷射动量(能量)增加，导致更多的空气卷入油束，形成近似均匀的稀薄混合气，导致燃烧过程的改进，特别对低转速时消除排气黑烟有利，因为此时增压压力低，气缸空气吸入量少，过量空气系数小。低转速时高压喷射的影响高压喷射对NOX-PM权衡曲线的影响高压喷射、多孔喷嘴和四气门是达到欧III排故的必备条件共轨系统的低速特性共对系统的经济性喷油率优化技术v由于高压

28、电控喷油系统的应用，为实现喷油率形状的优化和多次喷射提供了极为有利的条件。例如引导喷射(PM)在低速、低负荷区域不仅可以降低燃烧噪声和N0 x排放，同时也不增加be和黑烟，因此多次喷射已成为高速重载柴油机燃烧研究的一个热点。各种喷油模式不同喷油模式的特点v用EM和EMA的喷射方式可使NOx排放降低到 200X10-6m3m3而不必用EGR，它比PM喷射方式的经济性恶化15，但PM方式的NOx排放甚至可高达1000X10-6m3m3不同喷油模式的权衡曲线不同喷油模式的权衡曲线不同喷油模式的权衡曲线两次喷射的碳烟生成EGR系统v高压喷射系统本身不能解决NOx排放，NOx排放的降低主要靠EGR或者排

29、气后处理，在高速涡轮增压发动机上还希望采用冷却EGR(加一中冷器对循环废气冷却)，EGR可降低火焰温度和氧浓度以及增加工质气体的比热容值，因此可降低燃烧过程中NOx的生成，但EGR率过大使燃烧缓慢，黑烟和油耗增加，采用高压喷射，可以推迟以上负面效应的产生。EGR率与喷油压力发动机工况与EGR率EGR的高压回路法v从涡轮的上游把废气引到中冷器的下游，它的缺点是难以保证在发动机高负荷时得到足够大的压力差，一般只能在低负荷(40负荷)时应用，中、高负荷时增压压力大于排气压力，不便采用。EGR的低压回路法v把涡轮下游的废气引至压气机进口，并采用EGR中冷，对降低NOx排放很有效，但涉及到压气机、中冷器

30、和EGR中冷器的耐久性和可靠性。EGR的应用v在柴油机上的效果没有汽油机明显，因为柴油机过量空气系数大，生成物中二氧化碳量少。v高压回路法可应用可变几何涡轮增压器（VGT），扩大EGR的范围。v一些实验表明，高压多次喷射加上EGR是柴油机实现欧IV的一种途径。VGT对EGR范围的影响发动机工作模型发动机工作模型的类型v燃烧模型零维模型准维模型多维模型v换气流动模型v传热模型v增压器模型v机械损失模型热传导规律热传导规律v其中，导热系数采用Woschni公式：124212wwzwzlwwTTTDTTFddQ525.0786.0214.0265zzmwTPcD机械损失 v根据机械损失的经验公式v式

31、中cm为活塞平均速度，由于非增压柴油机的平均有效压力pme对机械损失的变化影响不大，可将c定为0 memmpccbap充气效率的确定 v由实验测出的柴油机充气效率变化曲线如图所示 00.20.40.60.811000 1200 1300 1400 1500转速(r/min)c 0.680.690.70.710.720.730.7425%50%75%100%负荷c进、排气阀的流量计算 v式中角标“s”表示进气管中的气体状态，s 为流量系数。sssKKszKszssssssssPPPPTRPKgKnFddG12126F表示流通面积，其计算公式为 v式中hv表示气阀升程，Dv表示气阀阀盘直径，v表示气阀阀盘锥角 vvvvvveshDhFcossincos)(,排气的流量计算公式 v在亚临界排气期 112zzKKzzTKPPzzzKKzTKsTzzzzeeePPPPTRPKgKnFddG12126v在超临界排气期 112szKKzzTKPP：1111226zKzzzzzzeeeKPTRKgKnFddG谢谢各位！