現(xiàn)代柴油發(fā)動機技術發(fā)展概述

機械部2013年1月1.1現(xiàn)代柴油發(fā)動機技術發(fā)展概述一、柴油機電控技術的發(fā)展為了改善柴油機運轉性能和降低燃油消耗率，同時也為了適應嚴格的柴油機排放標準的需要，從20世紀80年代初期開始，各種電控柴油噴射系統(tǒng)相繼問世。柴油機電控技術發(fā)展經歷的三個階段：（1）位置控制（2）時間控制（3）時間-壓力控制第一代柴油機電控技術——位置控制方式1、結構特點位置控制方式不僅保留了傳統(tǒng)的泵-管-嘴系統(tǒng)，還保留了原噴油泵中的齒條、滑套、柱塞上的斜槽等控制油量的機械傳動機構，只是對齒條或者滑套的運動位置予以電子控制。2、應用在直列柱塞泵上實施位置控制的有：（1）日本電裝公司的ECD-P1、ECD-P2、ECD-P3系統(tǒng)。（2）德國波許公司的EDR系統(tǒng)。（3）美國的PEEC系統(tǒng)等。在分配泵上實施位置控制的有：（1）日本電裝公司的ECD-V1系統(tǒng)。（2）德國波許的EDC系統(tǒng)。（3）美國的PCF系統(tǒng)等。3ECD-V1系統(tǒng)的組成

3、性能特點優(yōu)點：結構不需改動，生產繼承性好，便于對現(xiàn)有柴油機進行升級換代。缺點：系統(tǒng)響應慢、控制頻率低、控制自由度小、控制精度不夠高，噴油壓力無法獨立控制。第二代柴油機電控技術——時間控制方式1、結構特點基本保留了傳統(tǒng)燃油供給系統(tǒng)的組成和結構，通過高速電磁閥直接控制高壓燃油的適時噴射。一般情況下，電磁閥關閉，執(zhí)行噴油；電磁閥打開，噴油結束。因此可實現(xiàn)供油量控制，又可實現(xiàn)供油正時的控制。2、性能特點優(yōu)點：控制自由度更大，供油加壓與供油調節(jié)在結構上相互獨立，使噴油泵結構得以簡化，強度得到提高。高壓噴油能力大大加強。缺點：供油壓力無法控制。3、應用在分配泵上實施時間控制的有：（1）日本電裝公司的ECD-V3、ECD-V4系統(tǒng)。（2）美國Stanadyne公司的DS系統(tǒng)和RS系統(tǒng)。（3）日本豐田公司的ECD-2系統(tǒng)。電控泵噴嘴系統(tǒng)有：德國波許公司的PDE27/PDE28系統(tǒng)。第三代柴油機機電控技術——時間-壓力控制方式式1、結構特點基本改變了傳傳統(tǒng)燃油供給給系統(tǒng)的組成成和結構，主主要以電控共軌（各缸噴油器器共用一個高高壓油管）式式噴油系統(tǒng)為為特征，直接接對噴油器的的噴油量、噴油油正時、噴油油速率和噴油油規(guī)律、噴油油壓力等進行時間-壓力控制。油壓油泵并不直接控制噴油油，而僅僅向向共軌供油以以維持所需的的共軌壓力，，并通過連續(xù)續(xù)調節(jié)共軌壓壓力來控制噴噴射壓力。2、性能特點優(yōu)點：可實現(xiàn)高壓噴噴射（最高達達200Mpa），噴射壓力力獨立于發(fā)動動機轉速，可可實現(xiàn)理想噴噴油規(guī)律，具具有良好的噴噴射特性。電控高壓共軌軌噴射系統(tǒng)是是柴油機燃油油系統(tǒng)的一個個發(fā)展方向，，目前在卡車車和轎車柴油油機上得到廣廣泛應用，發(fā)發(fā)展速度很快快。3、應用國外典型共軌軌噴射系統(tǒng)：：（1）日本電裝公公司的ECD-U2系統(tǒng)。（2）美國BKM公司的servojet系統(tǒng)。（3）美國Caterpiller公司的HEUI系統(tǒng)。BOSCH電控高壓共軌安裝示意圖二、柴油機電電控燃油噴射射系統(tǒng)的優(yōu)點點（1）改善低溫起起動性。（2）降低氮氧化化物和煙度的的排放。（3）提高發(fā)動機機運轉穩(wěn)定性性。（4）提高發(fā)動機機的動力性和和經濟性。（5）控制渦輪增增壓。（6）適應性廣。。三、柴油機電電控系統(tǒng)的功功能（1）燃油噴射控控制（2）怠速控制（3）進氣控制（4）增壓控制（5）排放控制（6）起動控制（7）巡航控制（8）故障自診斷斷和失效保護護（9）柴油機與自自動變速器的的綜合控制1、燃油噴射控控制（1）供（噴）油油量控制：在起動、怠速速、正常運行行等各種工況況下，ECU根據(jù)發(fā)動機轉轉速信號、負負荷信號和內內存控制模型型來確定基本本供油量，再再根據(jù)冷卻液液溫度信號、、進氣溫度信信號、起動開開關信號、空空調開關信號號、反饋信號號等對供油量量進行修正。。（2）供（噴）油油正時控制：：ECU根據(jù)發(fā)動機轉轉速信號、負負荷信號和內內存的控制模模型來確定基基本供油量，，再根據(jù)反饋饋信號進行修修正。（3）供（噴）油油速率和供（（噴）油規(guī)律律的控制：ECU以柴油機轉速速信號、負荷荷信號作為主主控制信號，，按預設的程程序確定最佳佳的供油速率率和供油規(guī)律律。（4）噴油壓力的的控制：ECU以柴油機轉速速信號、負荷荷信號作為主主控制信號，，按預設的程程序確定最佳佳的噴油壓力力，并對噴油油壓力進行閉閉環(huán)控制。（5）柴油機低油油壓保護：柴油機機油壓壓力過低時，，ECU根據(jù)機油壓力力傳感器信號號減少供油量量，降低轉速速并報警；當當機油壓力降降到一定值一一下時，則切切斷燃油供給給，強制使發(fā)發(fā)動機熄火。。（6）增壓器工作作保護：ECU根據(jù)增壓壓力力信號適當調調節(jié)供油量，，并在增壓壓壓力過高或過過低時報警。。2、怠速控制：：主要包括怠速速轉速的控制制和怠速時各各缸均勻性的的控制。3、進氣控制：：主要包括進氣氣節(jié)流控制、、可變進氣渦渦流控制和可可變配氣正時時控制。4、增壓控制：：柴油機的增壓壓控制主要是是由ECU根據(jù)柴油機轉轉速信號、負負荷信號、增增壓壓力信號號等，通過控控制廢氣旁通通閥的開度或或廢氣噴射器器的噴射角度度、增壓器渦渦輪廢氣進口口截面大小等等措施，實現(xiàn)現(xiàn)對廢氣渦輪輪增壓器工作作狀態(tài)和增壓壓壓力的控制制，以改善柴柴油機的扭矩矩特性，提高高加速性能，，降低排放和和噪聲。5、排放控制：：柴油機的排放放控制主要是是廢氣再循環(huán)環(huán)（EGR）控制。ECU主要根據(jù)柴油油機轉速和負負荷信號，按按內存程序控控制EGR閥開度，以調調節(jié)EGR率。6、起動控制：：柴油機起動控控制主要包括括供（噴）油油量控制、供供（噴）油正正時控制和預預熱裝置控制制，其中供（（噴）油量控控制和供（噴噴）油正時控控制與其他工工況相同。7、巡航控制：：帶有巡航控制制功能的柴油油機電控系統(tǒng)統(tǒng)，當通過巡巡航控制開關關選定巡航控控制模式后，，ECU即可根據(jù)車速速信號等自動動維持汽車以以一定車速行行駛。8、故障自診斷斷和失效保護護：柴油機電控系系統(tǒng)中也包含含故障自診斷斷和失效保護護兩個子系統(tǒng)統(tǒng)。柴油機電電控系統(tǒng)出現(xiàn)現(xiàn)故障時，自自診斷系統(tǒng)將將點亮儀表盤盤上的“故故障指示燈燈”，提提醒駕駛員注注意，并儲存存故障碼，檢檢修時可通過過一定的操作作程序調取故故障碼等信息息；同時失效效保護系統(tǒng)啟啟動相應保護護程序，使柴柴油能夠繼續(xù)續(xù)保持運轉或或強制熄火。。9、柴油機與自自動變速器的的綜合控制：：在裝用電控自自動變速器的的柴油車上，，將柴油機控控制ECU和自動變速器器控制ECU合為一體，實實現(xiàn)柴油機與與自動變速器器的綜合控制制，以改善汽汽車的變速性性能。四、柴油機電電控燃油噴射射系統(tǒng)的組成成柴油機電控燃燃油噴射系統(tǒng)統(tǒng)主要由傳感感器、ECU、執(zhí)行元件三三部分組成。。各種柴油電控控系統(tǒng)的區(qū)別別在于控制功功能、傳感器器的數(shù)量和類類型、執(zhí)行元元件的類型、、ECU控制軟件、主主要電控元件件的結構原理理和安裝位置置的不同。1、傳感器用來檢測柴油油機與汽車的的運行狀況，，并將檢測結結果轉換成電電信號輸送給給ECU。（1）加速踏板位位置傳感器：用來檢測加加速踏板所處處位置，ECU根據(jù)此傳感器器信號間接判判斷柴油機的的負荷，作為為控制柴油機機噴油量和噴噴油正時的主主控制信號。。有電位計式式和差動電感感式兩種類型型。（2）反饋信號傳傳感器：閉環(huán)控制系系統(tǒng)中用來檢檢測控制系統(tǒng)統(tǒng)執(zhí)行元件實實際位置的傳傳感器。主要要包括負荷傳傳感器和正時時傳感器兩大大類。（3）燃油溫度傳傳感器：ECU根據(jù)此傳感器器信號對噴油油量進行修正正。一般采用用熱敏電阻式式，其結構原原理與進氣溫溫度傳感器基基本相同。（4）其他傳感器器和信號開關關：包括發(fā)發(fā)動機轉轉速傳感感器、車車速傳感感器、冷冷卻液溫溫度傳感感器、制制動開關關、空調調開關、、點火開開關等。。其功用用、結構構和工作作原理與與汽油機機電控系系統(tǒng)基本本相同。。2、柴油機機控制ECU根據(jù)各傳傳感器輸輸入信號號和內存存程序，，計算出出供（噴噴）油量量和供（（噴）油油開始時時刻，并并向執(zhí)行行元件發(fā)發(fā)出執(zhí)令令信號。。3.執(zhí)行元件件執(zhí)行ECU的指令，，調節(jié)柴柴油機的的供（噴噴）油量量和供（（噴）油油正時。。五、柴油油機供（（噴）油油量控制制（一）位位置控制制方式位置控制制方式不不僅保留留了傳統(tǒng)統(tǒng)的泵－－管－嘴嘴系統(tǒng)，，還保留留了原噴噴油泵中中的齒條條、滑套套、柱塞塞上的斜斜槽等控控制油量量的機械械傳動機機構，只只是對齒齒條或者者滑套的的運動位位置予以以電子控控制。1、直列柱柱塞泵的的供油量量控制位置控制制的直列列柱塞泵泵供油量量控制裝裝置一般般采用占占空比控控制型電電磁閥（（簡稱占占空比電電磁閥））式或直直流電動動機式電電子調速速器。占空比控控制型電電磁閥電電子調速速器的結結構如圖圖所示，，安裝在在原噴油油泵供油油齒條（（或供油油拉桿、、供油角角板）的的一端，，電磁閥閥中的鐵鐵心與噴噴油泵的的供油齒齒條連成成一體。。柱塞泵供供油量“位置控制制”系統(tǒng)2、轉子分分配泵的的供油量量控制位置控制制的轉子子分配泵泵供油量量控制裝裝置，一一般采用用轉子式式或占空空比電磁磁閥式電電子調速速器。ECU通過控制制流經線線圈的電電流方向向來控制制轉子軸軸的轉動動方向，，通過控控制通電電占空比比來控制制轉子軸軸轉動的的角度。。通過滑滑套位置置傳感器器的反饋饋信號，，得到滑滑套的實實際位置置，以此此進行反反饋控制制。（二）時時間控制制方式供油量的的位置控控制特點點是用模擬擬量來控控制執(zhí)行行元件工工作，通通過對噴噴油泵油油量控制制機構的的定位來來得到所所需的供供油量。。不論采采用何種種類型的的電子調調速器，，總是需需要由部部分機械械裝置來來完成對對噴油泵泵供油量量的調節(jié)節(jié)，也會會降低控控制精度度和響應應速度。。所以繼繼供油量量“位置置控制””之后出出現(xiàn)了““時間控控制”。。時間控制制方式是用高速速強力電電磁閥直直接控制制高壓燃燃油，一一般情況況下，電磁閥關關閉，開開始噴油油；電磁磁閥打開開，噴油油結束。。噴油始點點取決于于電磁閥閥關閉時時刻，噴噴油量取取決于電電磁閥關關閉的持持續(xù)時間間。傳統(tǒng)統(tǒng)噴油泵泵中的齒齒條、滑滑套、柱柱塞上的的斜槽和和提前期期等全部部取消，，對噴射射定時和和噴射油油量控制制的自由由度更大大。1、轉子分分配泵的的供油量量控制在回油通通道中安安裝一個個有ECU控制的高高速電磁磁閥來控控制回油油通道的的開閉，，也就實實現(xiàn)供油油量的““時間控控制”。?！皶r間控控制”的的轉子分分配泵取取消了油油量控制制滑套和和泵油柱柱塞上的的回油槽槽（或孔孔）。2、P-T噴油器的的供油量量控制取消了原原P－T燃油系統(tǒng)統(tǒng)中結構構復雜的的調速器器和噴油油器中的的計量裝裝置，使使燃油供供給系統(tǒng)統(tǒng)大為簡簡化。高速電磁磁閥關閉閉的時刻刻即是噴噴油開始始時刻，，高速電電磁閥關關閉的持持續(xù)時間間決定了了噴油量量。（三）時時間－壓壓力控制制方式第二代柴柴油機電電控燃油油噴射系系統(tǒng)中最最典型的的是電控控共軌式式燃油噴噴射系統(tǒng)統(tǒng)。在電電控共軌軌式燃油油噴射系系統(tǒng)中，，對噴油油量的控控制采用用“時間間－壓力力控制””或“壓壓力控制制”，用用的最多多的是““時間－－壓力控控制”方方式。在該系統(tǒng)統(tǒng)中，ECU控制供油油壓力調調節(jié)閥使使噴油器器的噴油油壓差保保持不變變，再通通過控制制三通電電磁閥工工作實現(xiàn)現(xiàn)噴油量量和噴油油正時的的控制。。電磁閥閥通電開開始時刻刻決定了了噴油的的開始時時刻，其其通電時時間決定定噴油量量。電控共軌軌式燃油油噴射系系統(tǒng)電控共軌軌式燃油油噴射系系統(tǒng)噴油量“時間－壓壓力控制制”系統(tǒng)六、柴油油機供（（噴）油油正時控控制傳統(tǒng)柴油油機供給給系統(tǒng)中中，都是是采用機機械離心心式或液液壓式供供油提前前角自動動調節(jié)器器來控制制噴油泵泵的供油油正時，，間接實實現(xiàn)對噴噴油器噴噴油正時時的調節(jié)節(jié)。在柴油機機電控燃燃油噴射射系統(tǒng)中中，一般般都是由由ECU根據(jù)柴油油機轉速速、負荷荷等傳感感器信號號對供（（噴）油油正時進進行控制制。注意點：：在第二代代柴油機機電控燃燃油噴射射系統(tǒng)和和部分采采用“時時間控制制”供（（噴）油油量的第第一代柴柴油機電電控燃油油噴射系系統(tǒng)中，，取消了了傳統(tǒng)的的供（噴噴）油提提前角自自動調節(jié)節(jié)器，采采用由ECU控制的高高速電磁磁閥控制制供（噴噴）油的的開始時時刻（即即正時）），并增增加供（（噴）油油正時傳傳感器，，實現(xiàn)了了供（噴噴）油正正時的閉閉環(huán)控制制。1、直列柱塞塞泵供油油正時電電控系統(tǒng)統(tǒng)直列柱塞塞泵供油油正時電電控系統(tǒng)統(tǒng)由正時時控制器器、電磁磁閥、柴柴油機轉轉速傳感感器、正正時傳感感器和ECU等組成。。工作原理理：兩個電磁磁閥分別別安裝在在正時控控制器進進、回油油路中，，控制正正時控制制器工作作的液壓壓油來自自柴油機機潤滑系系。正時時控制器器安裝在在噴油泵泵驅動軸軸與凸輪輪軸之間間，受液液壓控制制的正時時控制器器可使噴噴油泵凸凸輪軸相相對驅動動軸在一一定范圍圍內轉動動。柴油油機轉速速傳感器器安裝在在噴油泵泵驅動軸軸上，ECU主要根根據(jù)柴柴油機機轉速速和負負荷傳傳感器器信號號確定定基本本供油油提前前角，，再根據(jù)據(jù)冷卻卻液溫溫度等等傳感感器信信號進進行修修正，，