現(xiàn)代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展概述

機(jī)械部2013年1月1.1現(xiàn)代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展概述一、柴油機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展為了改善柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)性能和降低燃油消耗率，同時(shí)也為了適應(yīng)嚴(yán)格的柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)的需要，從20世紀(jì)80年代初期開(kāi)始，各種電控柴油噴射系統(tǒng)相繼問(wèn)世。柴油機(jī)電控技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷的三個(gè)階段：（1）位置控制（2）時(shí)間控制（3）時(shí)間-壓力控制第一代柴油機(jī)電控技術(shù)——位置控制方式1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，只是對(duì)齒條或者滑套的運(yùn)動(dòng)位置予以電子控制。2、應(yīng)用在直列柱塞泵上實(shí)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(guó)波許公司的EDR系統(tǒng)。（3）美國(guó)的PEEC系統(tǒng)等。在分配泵上實(shí)施位置控制的有：（1）日本電裝公司的ECD-V1系統(tǒng)。（2）德國(guó)波許的EDC系統(tǒng)。（3）美國(guó)的PCF系統(tǒng)等。3ECD-V1系統(tǒng)的組成

3、性能特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)不需改動(dòng)，生產(chǎn)繼承性好，便于對(duì)現(xiàn)有柴油機(jī)進(jìn)行升級(jí)換代。缺點(diǎn)：系統(tǒng)響應(yīng)慢、控制頻率低、控制自由度小、控制精度不夠高，噴油壓力無(wú)法獨(dú)立控制。第二代柴油機(jī)電控技術(shù)——時(shí)間控制方式1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基本保留了傳統(tǒng)燃油供給系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)，通過(guò)高速電磁閥直接控制高壓燃油的適時(shí)噴射。一般情況下，電磁閥關(guān)閉，執(zhí)行噴油；電磁閥打開(kāi)，噴油結(jié)束。因此可實(shí)現(xiàn)供油量控制，又可實(shí)現(xiàn)供油正時(shí)的控制。2、性能特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：控制自由度更大，供油加壓與供油調(diào)節(jié)在結(jié)構(gòu)上相互獨(dú)立，使噴油泵結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化，強(qiáng)度得到提高。高壓噴油能力大大加強(qiáng)。缺點(diǎn)：供油壓力無(wú)法控制。3、應(yīng)用在分配泵上實(shí)施時(shí)間控制的有：（1）日本電裝公司的ECD-V3、ECD-V4系統(tǒng)。（2）美國(guó)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(guó)波許公司的PDE27/PDE28系統(tǒng)。第三代柴油機(jī)機(jī)電控技術(shù)——時(shí)間-壓力控制方式式1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基本改變了傳傳統(tǒng)燃油供給給系統(tǒng)的組成成和結(jié)構(gòu)，主主要以電控共軌（各缸噴油器器共用一個(gè)高高壓油管）式式噴油系統(tǒng)為為特征，直接接對(duì)噴油器的的噴油量、噴油油正時(shí)、噴油油速率和噴油油規(guī)律、噴油油壓力等進(jìn)行時(shí)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(guò)連續(xù)續(xù)調(diào)節(jié)共軌壓壓力來(lái)控制噴噴射壓力。2、性能特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)高壓噴噴射（最高達(dá)達(dá)200Mpa），噴射壓力力獨(dú)立于發(fā)動(dòng)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可可實(shí)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(jī)燃油油系統(tǒng)的一個(gè)個(gè)發(fā)展方向，，目前在卡車(chē)車(chē)和轎車(chē)柴油油機(jī)上得到廣廣泛應(yīng)用，發(fā)發(fā)展速度很快快。3、應(yīng)用國(guó)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(guó)BKM公司的servojet系統(tǒng)。（3）美國(guó)Caterpiller公司的HEUI系統(tǒng)。BOSCH電控高壓共軌安裝示意圖二、柴油機(jī)電電控燃油噴射射系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)（1）改善低溫起起動(dòng)性。（2）降低氮氧化化物和煙度的的排放。（3）提高發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性性。（4）提高發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)的動(dòng)力性和和經(jīng)濟(jì)性。（5）控制渦輪增增壓。（6）適應(yīng)性廣。。三、柴油機(jī)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(jìn)氣控制（4）增壓控制（5）排放控制（6）起動(dòng)控制（7）巡航控制（8）故障自診斷斷和失效保護(hù)護(hù)（9）柴油機(jī)與自自動(dòng)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(dòng)、怠速速、正常運(yùn)行行等各種工況況下，ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速信號(hào)、負(fù)負(fù)荷信號(hào)和內(nèi)內(nèi)存控制模型型來(lái)確定基本本供油量，再再根據(jù)冷卻液液溫度信號(hào)、、進(jìn)氣溫度信信號(hào)、起動(dòng)開(kāi)開(kāi)關(guān)信號(hào)、空空調(diào)開(kāi)關(guān)信號(hào)號(hào)、反饋信號(hào)號(hào)等對(duì)供油量量進(jìn)行修正。。（2）供（噴）油油正時(shí)控制：：ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速信號(hào)、負(fù)負(fù)荷信號(hào)和內(nèi)內(nèi)存的控制模模型來(lái)確定基基本供油量，，再根據(jù)反饋饋信號(hào)進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)速速信號(hào)、負(fù)荷荷信號(hào)作為主主控制信號(hào)，，按預(yù)設(shè)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(jī)轉(zhuǎn)速速信號(hào)、負(fù)荷荷信號(hào)作為主主控制信號(hào)，，按預(yù)設(shè)的程程序確定最佳佳的噴油壓力力，并對(duì)噴油油壓力進(jìn)行閉閉環(huán)控制。（5）柴油機(jī)低油油壓保護(hù)：柴油機(jī)機(jī)油壓壓力過(guò)低時(shí)，，ECU根據(jù)機(jī)油壓力力傳感器信號(hào)號(hào)減少供油量量，降低轉(zhuǎn)速速并報(bào)警；當(dāng)當(dāng)機(jī)油壓力降降到一定值一一下時(shí)，則切切斷燃油供給給，強(qiáng)制使發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。。（6）增壓器工作作保護(hù)：ECU根據(jù)增壓壓力力信號(hào)適當(dāng)調(diào)調(diào)節(jié)供油量，，并在增壓壓壓力過(guò)高或過(guò)過(guò)低時(shí)報(bào)警。。2、怠速控制：：主要包括怠速速轉(zhuǎn)速的控制制和怠速時(shí)各各缸均勻性的的控制。3、進(jìn)氣控制：：主要包括進(jìn)氣氣節(jié)流控制、、可變進(jìn)氣渦渦流控制和可可變配氣正時(shí)時(shí)控制。4、增壓控制：：柴油機(jī)的增壓壓控制主要是是由ECU根據(jù)柴油機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速信號(hào)、負(fù)負(fù)荷信號(hào)、增增壓壓力信號(hào)號(hào)等，通過(guò)控控制廢氣旁通通閥的開(kāi)度或或廢氣噴射器器的噴射角度度、增壓器渦渦輪廢氣進(jìn)口口截面大小等等措施，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)對(duì)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(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)負(fù)荷信號(hào)，按按內(nèi)存程序控控制EGR閥開(kāi)度，以調(diào)調(diào)節(jié)EGR率。6、起動(dòng)控制：：柴油機(jī)起動(dòng)控控制主要包括括供（噴）油油量控制、供供（噴）油正正時(shí)控制和預(yù)預(yù)熱裝置控制制，其中供（（噴）油量控控制和供（噴噴）油正時(shí)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(jī)電控系統(tǒng)統(tǒng)，當(dāng)通過(guò)巡巡航控制開(kāi)關(guān)關(guān)選定巡航控控制模式后，，ECU即可根據(jù)車(chē)速速信號(hào)等自動(dòng)動(dòng)維持汽車(chē)以以一定車(chē)速行行駛。8、故障自診斷斷和失效保護(hù)護(hù)：柴油機(jī)電控系系統(tǒng)中也包含含故障自診斷斷和失效保護(hù)護(hù)兩個(gè)子系統(tǒng)統(tǒng)。柴油機(jī)電電控系統(tǒng)出現(xiàn)現(xiàn)故障時(shí)，自自診斷系統(tǒng)將將點(diǎn)亮儀表盤(pán)盤(pán)上的“故故障指示燈燈”，提提醒駕駛員注注意，并儲(chǔ)存存故障碼，檢檢修時(shí)可通過(guò)過(guò)一定的操作作程序調(diào)取故故障碼等信息息；同時(shí)失效效保護(hù)系統(tǒng)啟啟動(dòng)相應(yīng)保護(hù)護(hù)程序，使柴柴油能夠繼續(xù)續(xù)保持運(yùn)轉(zhuǎn)或或強(qiáng)制熄火。。9、柴油機(jī)與自自動(dòng)變速器的的綜合控制：：在裝用電控自自動(dòng)變速器的的柴油車(chē)上，，將柴油機(jī)控控制ECU和自動(dòng)變速器器控制ECU合為一體，實(shí)實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)與與自動(dòng)變速器器的綜合控制制，以改善汽汽車(chē)的變速性性能。四、柴油機(jī)電電控燃油噴射射系統(tǒng)的組成成柴油機(jī)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(lèi)類(lèi)型、執(zhí)行元元件的類(lèi)型、、ECU控制軟件、主主要電控元件件的結(jié)構(gòu)原理理和安裝位置置的不同。1、傳感器用來(lái)檢測(cè)柴油油機(jī)與汽車(chē)的的運(yùn)行狀況，，并將檢測(cè)結(jié)結(jié)果轉(zhuǎn)換成電電信號(hào)輸送給給ECU。（1）加速踏板位位置傳感器：用來(lái)檢測(cè)加加速踏板所處處位置，ECU根據(jù)此傳感器器信號(hào)間接判判斷柴油機(jī)的的負(fù)荷，作為為控制柴油機(jī)機(jī)噴油量和噴噴油正時(shí)的主主控制信號(hào)。。有電位計(jì)式式和差動(dòng)電感感式兩種類(lèi)型型。（2）反饋信號(hào)傳傳感器：閉環(huán)控制系系統(tǒng)中用來(lái)檢檢測(cè)控制系統(tǒng)統(tǒng)執(zhí)行元件實(shí)實(shí)際位置的傳傳感器。主要要包括負(fù)荷傳傳感器和正時(shí)時(shí)傳感器兩大大類(lèi)。（3）燃油溫度傳傳感器：ECU根據(jù)此傳感器器信號(hào)對(duì)噴油油量進(jìn)行修正正。一般采用用熱敏電阻式式，其結(jié)構(gòu)原原理與進(jìn)氣溫溫度傳感器基基本相同。（4）其他傳感器器和信號(hào)開(kāi)關(guān)關(guān)：包括發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速傳感感器、車(chē)車(chē)速傳感感器、冷冷卻液溫溫度傳感感器、制制動(dòng)開(kāi)關(guān)關(guān)、空調(diào)調(diào)開(kāi)關(guān)、、點(diǎn)火開(kāi)開(kāi)關(guān)等。。其功用用、結(jié)構(gòu)構(gòu)和工作作原理與與汽油機(jī)機(jī)電控系系統(tǒng)基本本相同。。2、柴油機(jī)機(jī)控制ECU根據(jù)各傳傳感器輸輸入信號(hào)號(hào)和內(nèi)存存程序，，計(jì)算出出供（噴噴）油量量和供（（噴）油油開(kāi)始時(shí)時(shí)刻，并并向執(zhí)行行元件發(fā)發(fā)出執(zhí)令令信號(hào)。。3.執(zhí)行元件件執(zhí)行ECU的指令，，調(diào)節(jié)柴柴油機(jī)的的供（噴噴）油量量和供（（噴）油油正時(shí)。。五、柴油油機(jī)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(jī)械械傳動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)，只只是對(duì)齒齒條或者者滑套的的運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)稱(chēng)占占空比電電磁閥））式或直直流電動(dòng)動(dòng)機(jī)式電電子調(diào)速速器。占空比控控制型電電磁閥電電子調(diào)速速器的結(jié)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子分分配泵的的供油量量控制位置控制制的轉(zhuǎn)子子分配泵泵供油量量控制裝裝置，一一般采用用轉(zhuǎn)子式式或占空空比電磁磁閥式電電子調(diào)速速器。ECU通過(guò)控制制流經(jīng)線(xiàn)線(xiàn)圈的電電流方向向來(lái)控制制轉(zhuǎn)子軸軸的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)方向，，通過(guò)控控制通電電占空比比來(lái)控制制轉(zhuǎn)子軸軸轉(zhuǎn)動(dòng)的的角度。。通過(guò)滑滑套位置置傳感器器的反饋饋信號(hào)，，得到滑滑套的實(shí)實(shí)際位置置，以此此進(jìn)行反反饋控制制。（二）時(shí)時(shí)間控制制方式供油量的的位置控控制特點(diǎn)點(diǎn)是用模擬擬量來(lái)控控制執(zhí)行行元件工工作，通通過(guò)對(duì)噴噴油泵油油量控制制機(jī)構(gòu)的的定位來(lái)來(lái)得到所所需的供供油量。。不論采采用何種種類(lèi)型的的電子調(diào)調(diào)速器，，總是需需要由部部分機(jī)械械裝置來(lái)來(lái)完成對(duì)對(duì)噴油泵泵供油量量的調(diào)節(jié)節(jié)，也會(huì)會(huì)降低控控制精度度和響應(yīng)應(yīng)速度。。所以繼繼供油量量“位置置控制””之后出出現(xiàn)了““時(shí)間控控制”。。時(shí)間控制制方式是用高速速?gòu)?qiáng)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(guān)關(guān)閉，開(kāi)開(kāi)始噴油油；電磁磁閥打開(kāi)開(kāi)，噴油油結(jié)束。。噴油始點(diǎn)點(diǎn)取決于于電磁閥閥關(guān)閉時(shí)時(shí)刻，噴噴油量取取決于電電磁閥關(guān)關(guān)閉的持持續(xù)時(shí)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(duì)噴射射定時(shí)和和噴射油油量控制制的自由由度更大大。1、轉(zhuǎn)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(gè)個(gè)有ECU控制的高高速電磁磁閥來(lái)控控制回油油通道的的開(kāi)閉，，也就實(shí)實(shí)現(xiàn)供油油量的““時(shí)間控控制”。。“時(shí)間控控制”的的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)構(gòu)復(fù)雜的的調(diào)速器器和噴油油器中的的計(jì)量裝裝置，使使燃油供供給系統(tǒng)統(tǒng)大為簡(jiǎn)簡(jiǎn)化。高速電磁磁閥關(guān)閉閉的時(shí)刻刻即是噴噴油開(kāi)始始時(shí)刻，，高速電電磁閥關(guān)關(guān)閉的持持續(xù)時(shí)間間決定了了噴油量量。（三）時(shí)時(shí)間－壓壓力控制制方式第二代柴柴油機(jī)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(duì)噴油油量的控控制采用用“時(shí)間間－壓力力控制””或“壓壓力控制制”，用用的最多多的是““時(shí)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(diào)調(diào)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(guò)控制制三通電電磁閥工工作實(shí)現(xiàn)現(xiàn)噴油量量和噴油油正時(shí)的的控制。。電磁閥閥通電開(kāi)開(kāi)始時(shí)刻刻決定了了噴油的的開(kāi)始時(shí)時(shí)刻，其其通電時(shí)時(shí)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(shí)間－壓壓力控制制”系統(tǒng)六、柴油油機(jī)供（（噴）油油正時(shí)控控制傳統(tǒng)柴油油機(jī)供給給系統(tǒng)中中，都是是采用機(jī)機(jī)械離心心式或液液壓式供供油提前前角自動(dòng)動(dòng)調(diào)節(jié)器器來(lái)控制制噴油泵泵的供油油正時(shí)，，間接實(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)噴噴油器噴噴油正時(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)節(jié)。在柴油機(jī)機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速速、負(fù)荷荷等傳感感器信號(hào)號(hào)對(duì)供（（噴）油油正時(shí)進(jìn)進(jìn)行控制制。注意點(diǎn)：：在第二代代柴油機(jī)機(jī)電控燃燃油噴射射系統(tǒng)和和部分采采用“時(shí)時(shí)間控制制”供（（噴）油油量的第第一代柴柴油機(jī)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(dòng)調(diào)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(kāi)始時(shí)時(shí)刻（即即正時(shí)）），并增增加供（（噴）油油正時(shí)傳傳感器，，實(shí)現(xiàn)了了供（噴噴）油正正時(shí)的閉閉環(huán)控制制。1、直列柱塞塞泵供油油正時(shí)電電控系統(tǒng)統(tǒng)直列柱塞塞泵供油油正時(shí)電電控系統(tǒng)統(tǒng)由正時(shí)時(shí)控制器器、電磁磁閥、柴柴油機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速傳感感器、正正時(shí)傳感感器和ECU等組成。。工作原理理：兩個(gè)電磁磁閥分別別安裝在在正時(shí)控控制器進(jìn)進(jìn)、回油油路中，，控制正正時(shí)控制制器工作作的液壓壓油來(lái)自自柴油機(jī)機(jī)潤(rùn)滑系系。正時(shí)時(shí)控制器器安裝在在噴油泵泵驅(qū)動(dòng)軸軸與凸輪輪軸之間間，受液液壓控制制的正時(shí)時(shí)控制器器可使噴噴油泵凸凸輪軸相相對(duì)驅(qū)動(dòng)動(dòng)軸在一一定范圍圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)。柴油油機(jī)轉(zhuǎn)速速傳感器器安裝在在噴油泵泵驅(qū)動(dòng)軸軸上，ECU主要根根據(jù)柴柴油機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)速速和負(fù)負(fù)荷傳傳感器器信號(hào)號(hào)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(hào)進(jìn)進(jìn)行修修正，，