工程机械发动机(内部资料)

柴油机原理、特性曲线和新技朮

一，柴油机特点

工程机械主要采用柴油机，柴油机釆用压缩点火，压缩比高比油耗小，热效率高、经济性好和燃料通用性高，柴油机采用质调节，在一定转速下，充气量大致是一定的，改变負荷只是改变喷油量，也就是改变混合气浓度。

它是工程机械的心脏，在很大程度上决定了工程机械的动力性，经济性和对环境的影响（排放、噪声）等。

通常对对工程机械柴油机的要求有如下几点： 1） 降低油耗，减少排放；

2） 高性能，高平均有效压力（BMEP），具有抗过载能力的扭矩特性，低调速率的调速特性； 3） 对恶劣自然环境和使用环境的适应性（温度、振动、粉尘、沙土、泥水等），还要对燃料、润滑

油和冷却水有一定的适应能力；

4） 能适用于各种工程机械，应用面要广，在一个基本型号基础上能产生多种使用变型，有不同的

转速和动力输出特性，可满足不同机械的需要；

5） 工程机械一般采用液压传动，要求具有能带着液压负荷的起动特性；应用于市政建设的城市型

工程机械对降低噪声有很高的要求，工程机械常在高负荷低行走车速下工作，在低风速情况下应确保冷却系统的冷却性能。

二，柴油机特性曲綫

（一） 转速特性曲线(見图一)

在一定条件下其性能指标和（隨）转速变化的关係： 转矩隨转速变化M=f(n) 功率隨转速变化 N=f(n)

比油耗隨转速变化 ge=f(n) 克.馬力/小时 每小时油耗隨转速变化 GT=f(n) kg/h 柴油机旡节气门,其特性取决于喷油量

外特性:表示柴油机能达到的最高动力性能:最大功率、最大转矩及其比油耗隨转速的变化。 調速特性：調速噐起作用时的特性。工程机械柴油机采用全程调速噐。 主要参数：额定功率—NH 额定转矩—MH 额定转速—NH 最大转矩—MMAX 最大转矩肘转速—NM 最大转速—NMAX 最低比油耗—gemax

转矩儲备系数 μ=MMAX—MH/MH(100%) 转矩适应性系数 KM=MMAX/MH 转速适应性系数 KN=NH/NM

适应性系数表示克服短期超载的能力 調速噐调速率 δ=NMAX-NH//NH 調速噐不灵敏度 ε

(二) 全程调速噐（图二、三）

柴油机的特性取决于喷油特性

柴油机上所用喷射油泵一般是用旋转柱塞的方法耒控制进出油口来调节喷油量(見图2)

喷油量由全程调速噐来自动控制,如图3所示,亠般是机械离心式调速噐

油门操纵实际上是控制改变调速噐彈簧的硬度,隨着油门开度增大,彈黃支点5右移,調速噐彈簧变硬,要克服彈簧力使油门(齿条拉杆)向喷油量減小方向移动的离心力要增加,从而改变調速噐起作用的转速,当调速噐离心力克服彈簧力后,隨转速增大油门迅速关小,直至关到最小,

调速噐起作用时为調速特性,不起作用时为外特性。 为改善外特性采用校正噐

工程机械柴油机采用全程调速噐适应工程机械负载变化剧烈的特点，负载变化大，而转速变化小，類似定转速控制，符合工程机械工作要求

（二） 万有特性曲线（图四）

以转速为横坐标，以平均有效压力（转矩）、功率为纵坐标，在平面坐标上表示出等油耗、等功率和等油门开度等曲线。

万有特性曲线可全面也了解和评价柴油机整亇运行范围的状况，看出机械匹配工作在发动机什么区域內。（最大功率点，最大转矩点，最大转速点，最纸油耗点）

三，柴油机功率标定和淨功率 （一） 柴油机功率标定

确定标定功率的原则：功率和油耗要求，耐久性和寿命要求 与机械的负载状况和连续运转时间有关 根据GB1105.1—87规定：有四种标定功率

15分种功率：连续运转15分种所允许的标定功率 1小时功率：连续运转1小时所允许的标定功率 12小时功率：连续运转12小时所允许的标定功率 持续功率：柴油机長期运转所允許的标定功率

（二） 柴油机淨功率

1，考虑发动机附件（空气滤清噐、空气压缩机、風扇、诮声噐等）部件的功率損失，约占6--10%，是转速損失，隨转速提高而增加。 2，考虑经常工作油泵的转矩損失

四，工程机械柴油机技术发展动态 1，燃烧室形状

普遍采用热效率高的直接喷射式，并有迅速向小排量柴油机扩展的趋势，目前小型柴油机（<75KW）尚有采用涡流燃烧式的。燃烧室形状在不断地改进和优化，喷油嘴位置布置在，各喷口燃料喷射均匀，尽量使油喷射至燃烧室各处，且油和空气混合均匀。

2，柴油机转速

+5车用柴油机不同，采用低转速大力矩柴油机。因为低速柴油机燃烧膨胀充分，热效率高，省油和减少排放，低转速运行减少活塞循环次数，可提高柴油机的寿命和耐久性，在低转速下运行可降低噪声。

柴油机低转速的缺点是发动机重量大，但对工程机械来说问题不大。例如：卡特发动机转速：2000rpm左右，VLOVO发动机转速甚至更低，但扭矩适应系数很高.

3， 柴油机进气系统

为增大进气量采用4个气门（2个进气门和2个排气门）。吸气口形状和位置配置相互优化组合，采用吸气效率高的直吸气口和产生气流漩涡的螺旋吸气口相组合，能产生高漩涡比的气流，使燃烧室和气缸内的空气产生两个方向的流动：横向圆周方向的旋转流动，主要是由进气运动产生，与进气口形状和布置有关;纵向的旋转流动，主要是由于活塞上升运动产生，与燃烧室形状有关。气缸内的空气流动促使空气和燃油很好地混合，形成良好的混合气，燃烧时可避免局部温度过高，能降低排放。

4，电子燃料喷射系统

燃料喷射系统对柴油机的性能至关重要。传统的燃料喷射系统采用机械式凸轮驱动和喷筒式的喷油方式，存在严重缺点：喷油压力（状态）随发动机转速而变，与负荷（喷油量）也有关，其喷油规律由机械驱动系统所确定，很难进行控制改变，不能自由地按发动机气缸燃烧要求来控制其喷射规律。

对柴油机燃料喷射系统的要求是：

1) 节能减排：从提高燃烧效率省油角度来看，要求喷射压力高，喷雾细化，使燃烧充份和迅

速.但燃烧过快，温升太高，氮和氧结合产生氮氧化合物NOX，，以往为抑制NOX产生，采用延迟喷射方法，但这会导致燃烧效率降低，使油耗增加，因此省油和排放之间存在着矛盾。采用电子控制可解决此问题，因为电子控制能在不同的燃绕阶段，精确地控制燃料喷射時刻，喷射率和喷射状态。在预混合燃烧阶段：先导喷射少量燃料，减少着火爆发燃烧的燃油量，使初期热量产生率低，降低燃烧温度，抑制NOX的产生。在扩散燃烧阶段：增加主喷射时的喷射率，通过高压喷射使燃料喷雾细化，燃烧充份又快速，缩短扩散燃烧阶段，提高了燃烧效率，省油且减少PM（PARTICUIATE MATTER 以煤为核心附着碳氫化合物的浮遊颗粒）的排放.

2) 在柴油机各种运行工況下，电子控制都能很好地控制喷油最佳时刻，喷射率（喷油规律）

和喷油状态。在急剧的负荷变动情况下，能迅速进行调整，得到良好的动态性能；在发动机急加速时，有良好的加速性能，且不冒黑烟；在发动机低速区域，仍能进行高压喷射，以得到高扭矩特性.

另外电子燃料喷射能实現小排量高功率，使柴油机运转平稳，降低噪声

20世纪90年发了电子控制蓄能器喷油系统，即所谓共轨式电子高压喷油系统（HPCR，High Pressure Common Rail），不采用过去的喷筒式喷油方式，应用类似压缩罐喷油方式，所谓共轨就是燃料从一个保持常压的蓄压罐中，通过电子控制电磁阀的开闭，分配到各喷油嘴进行喷油。这种喷射方式具有高度喷油自由度，可分阶段喷油，喷油时间，喷油量、喷射率、喷射压力和喷射状态都可以任意控制。从根本上改善了燃烧情况。这种方式降低油耗，减少排放，能很好适应机械的各种工况，大大地改善发动机特性（静态和动态特性）。在不同的工况下可得不同的特性曲线。高速突然加载时稳定性，低速时抗过载能力和良好微操纵性，无负荷时自动怠速和操纵时自动加速复归等性能。共轨式电子高压喷油系的组成如图5所示：1—油箱；2—供油泵；3—预滤器；4—油水分离器；5—燃料滤清器；6—温度传感器；7—供油压力传感器；8—高压油泵；9—共轨；10—溢流阀；11—喷油嘴；12—压力传感器。共轨系统始终处于高压状态，要保持其可靠性和耐久性，制造工艺要求高；另外共轨对燃油的清洁度要求高，并要防止水和杂质进入。.

图5 共轨式电子高压喷油系统

5，中冷式废气涡轮增压器

采用增压器来增加发动机的充气量，进气量增加可以多喷燃油来提高发动机功率，还能省油，但进气密度提高会导致吸气温度上升和燃烧温度增高，必须抑制燃烧高温化，因此需要采用进气中间冷却器来降低进气温度，中间冷却器有发动机直付的水冷式和分置的空气冷却式两种，水冷式利用发动机冷却水来冷却经增压后的高温吸入空气，但发动机冷却水温高（90°C左右），冷却150℃以上的增压空气，其冷却效果不好，只能冷却到100℃左右。

图6为VOLVO水冷式中间冷却器，采用+5发动机冷却系统的冷却水泵相的专用第二个水泵，将刚经散热器冷却的出口冷却水抽取出来，直接供中间冷却器去冷却经增压的进气空气，虽能改善冷却效果，但仍不理想。

散热器 节温器 节温器 发 动 机 节温器 水泵

图6 泵水冷式中间冷却器

图7 空气冷却中冷器

目前，增压发动机广泛采用空气冷却式中间冷却器，如图7所示。采用温度较低的大气直接去冷却升温的增压空气，冷却效果好，可将增压空气冷却到50℃左右。

以往采用的废气涡轮增压器都是固定式。在工作时增压器的特性（增压压力和转速）是固定不变的，无法进行控制和调节，但随着排放规则日益严格，要求在发动机整个使用领域内都要对增压器进行控制。近年来已采用了可变喷嘴增压器，（例如：小松和CAT）。图8为小松可变喷嘴增压器，可通过发动机控制器对增压器进行电子控制，对其吸入空气量和压力进行控制，

图8 小松可变喷嘴增压器

6， 液压驱动风扇冷却系统

目前工程机械向液压驱动的风扇冷却系统方向发展，特别是城市公用事业用的工程机械都采用它，主要理由是减少功率损失，降低噪声和设计布置上方便。过去发动机散热器风扇由发动机驱动是不的，不能按冷却需要来调节风扇转速，低温时亦全速转动，不必要地浪费能量，要求安静工作时，不能控制转速来降低噪声，另外因为+5发动机直接相连，在设计布置上有困难，特别是后方小回转半径的小型挖掘机，发动机室要求很紧凑，拥挤的发动机室散热器清扫困难。

采用的液压驱动风扇冷却系统可解决以上问题，图9为电子控制液压驱动风扇冷却系统。控制器接受发动机水温，工作油温，变速箱油温和发动机转速等信号，通过分析处理后，发生控制信号，合理地控制风扇转速。

但风扇液压驱动系统若采用通用液压件，则体积大，布置上有困难，价格也较贵，以往采用价格便宜的齿轮泵和齿轮马达，效率较低，不能调速。因此需要开发专用的液压风扇驱动系统，现都采用效率较高的柱塞泵和马达。马达和风扇制成一体化结构，系统所需的阀都集成在泵或马达上，只需要用管子把泵和马达相连就可以了。而且为了使散热器芯子清扫灰尘方便和使司机室里吹暖风，冷却风扇可以反转，且可直接由司机室内开关来控制。

风 散

热 扇 器 发动机水温

变量泵 控制器 工作油温 发动机转速

图9 电子控制液压驱动风扇冷却系统

变速器油温

7，废气再循环（EGR EXHAUST GAS RECIRCULATION）

将排出的废气部分回流至燃烧室，因活性差的废气和空气一起进入气缸，能使燃烧速度減缓，降低燃烧温度，从而減少NOX的排出，NOX的排出降低量随EGR（再循环废气量）率而变，正确控制去进气管道的废气回流量很重要，为了降低回流废气温度采用EGR冷却器，.图10为EGR系统组成图，由帶冷却器的EGR管和EGR电磁調节阀等组成，发动机控制器（ECU）根据发动机转速，油门开度（負载），大气压力和吸气压力，吸入空气量，和冷却水温度来控制ZGR电磁調节阀的开度，进行EGR量（率）的调节和控制.

图10 EGR系统图

8，排气净化后处理装置

柴油机废气成份包括; NOX，HC，CO和PM，其中主要问题是NOx和PM，NOX是形成酸雨的原因和造成气喘的有害物质；PM是致癌物质。HC和CO在柴油机废气中很少，影响小。对排放要求高的发动机还需在排气管上装排气净化后处理装置：去除黑烟（颗粒物质PM— Particulate Matter）的进化装置（颗粒滤清器DPF—Diesel Particulate Filter）。图11为DPF示意图，因为仅采用过滤装置来去除PM会造成堵塞現象，因此要求DPF具有不断清除PM的功能，DPF是利用排气温度，通过氧化催化转化生成NO2，连续地氧化作用来去除PM。但在柴油机整个运行范围内，有些情况下会因排气温度过低不起作用，需要在DPF中喷燃油，产生燃烧来提高温度才能起作用。

图8为 NOX淨化装置，将尿素水溶液喷入废气，产生氨，和NOX产生化学反应生成水和氮。使用催化触媒，将NOX，还原淨他。所谓选择性的催化还原（SCR—Seletive Catalytic Reduction）装置。

图11 PM 净化装置示意图

图8 NOx 净化装置示意图