现代柴油发动机技术发展概述

机械部2013年1月1.1现代柴油发动机技术发展概述一、柴油机电控技术的发展为了改善柴油机运转性能和降低燃油消耗率，同时也为了适应严格的柴油机排放标准的需要，从20世纪80年代初期开始，各种电控柴油喷射系统相继问世。柴油机电控技术发展经历的三个阶段：（1）位置控制（2）时间控制（3）时间-压力控制第一代柴油机电控技术——位置控制方式1、结构特点位置控制方式不仅保留了传统的泵-管-嘴系统，还保留了原喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的斜槽等控制油量的机械传动机构，只是对齿条或者滑套的运动位置予以电子控制。2、应用在直列柱塞泵上实施位置控制的有：（1）日本电装公司的ECD-P1、ECD-P2、ECD-P3系统。（2）德国波许公司的EDR系统。（3）美国的PEEC系统等。在分配泵上实施位置控制的有：（1）日本电装公司的ECD-V1系统。（2）德国波许的EDC系统。（3）美国的PCF系统等。3ECD-V1系统的组成

3、性能特点优点：结构不需改动，生产继承性好，便于对现有柴油机进行升级换代。缺点：系统响应慢、控制频率低、控制自由度小、控制精度不够高，喷油压力无法独立控制。第二代柴油机电控技术——时间控制方式1、结构特点基本保留了传统燃油供给系统的组成和结构，通过高速电磁阀直接控制高压燃油的适时喷射。一般情况下，电磁阀关闭，执行喷油；电磁阀打开，喷油结束。因此可实现供油量控制，又可实现供油正时的控制。2、性能特点优点：控制自由度更大，供油加压与供油调节在结构上相互独立，使喷油泵结构得以简化，强度得到提高。高压喷油能力大大加强。缺点：供油压力无法控制。3、应用在分配泵上实施时间控制的有：（1）日本电装公司的ECD-V3、ECD-V4系统。（2）美国Stanadyne公司的DS系统和RS系统。（3）日本丰田公司的ECD-2系统。电控泵喷嘴系统有：德国波许公司的PDE27/PDE28系统。第三代柴油机机电控技术——时间-压力控制方式式1、结构特点基本改变了传传统燃油供给给系统的组成成和结构，主主要以电控共轨（各缸喷油器器共用一个高高压油管）式式喷油系统为为特征，直接接对喷油器的的喷油量、喷油油正时、喷油油速率和喷油油规律、喷油油压力等进行时间-压力控制。油压油泵并不直接控制喷油油，而仅仅向向共轨供油以以维持所需的的共轨压力，，并通过连续续调节共轨压压力来控制喷喷射压力。2、性能特点优点：可实现高压喷喷射（最高达达200Mpa），喷射压力力独立于发动动机转速，可可实现理想喷喷油规律，具具有良好的喷喷射特性。电控高压共轨轨喷射系统是是柴油机燃油油系统的一个个发展方向，，目前在卡车车和轿车柴油油机上得到广广泛应用，发发展速度很快快。3、应用国外典型共轨轨喷射系统：：（1）日本电装公公司的ECD-U2系统。（2）美国BKM公司的servojet系统。（3）美国Caterpiller公司的HEUI系统。BOSCH电控高压共轨安装示意图二、柴油机电电控燃油喷射射系统的优点点（1）改善低温起起动性。（2）降低氮氧化化物和烟度的的排放。（3）提高发动机机运转稳定性性。（4）提高发动机机的动力性和和经济性。（5）控制涡轮增增压。（6）适应性广。。三、柴油机电电控系统的功功能（1）燃油喷射控控制（2）怠速控制（3）进气控制（4）增压控制（5）排放控制（6）起动控制（7）巡航控制（8）故障自诊断断和失效保护护（9）柴油机与自自动变速器的的综合控制1、燃油喷射控控制（1）供（喷）油油量控制：在起动、怠速速、正常运行行等各种工况况下，ECU根据发动机转转速信号、负负荷信号和内内存控制模型型来确定基本本供油量，再再根据冷却液液温度信号、、进气温度信信号、起动开开关信号、空空调开关信号号、反馈信号号等对供油量量进行修正。。（2）供（喷）油油正时控制：：ECU根据发动机转转速信号、负负荷信号和内内存的控制模模型来确定基基本供油量，，再根据反馈馈信号进行修修正。（3）供（喷）油油速率和供（（喷）油规律律的控制：ECU以柴油机转速速信号、负荷荷信号作为主主控制信号，，按预设的程程序确定最佳佳的供油速率率和供油规律律。（4）喷油压力的的控制：ECU以柴油机转速速信号、负荷荷信号作为主主控制信号，，按预设的程程序确定最佳佳的喷油压力力，并对喷油油压力进行闭闭环控制。（5）柴油机低油油压保护：柴油机机油压压力过低时，，ECU根据机油压力力传感器信号号减少供油量量，降低转速速并报警；当当机油压力降降到一定值一一下时，则切切断燃油供给给，强制使发发动机熄火。。（6）增压器工作作保护：ECU根据增压压力力信号适当调调节供油量，，并在增压压压力过高或过过低时报警。。2、怠速控制：：主要包括怠速速转速的控制制和怠速时各各缸均匀性的的控制。3、进气控制：：主要包括进气气节流控制、、可变进气涡涡流控制和可可变配气正时时控制。4、增压控制：：柴油机的增压压控制主要是是由ECU根据柴油机转转速信号、负负荷信号、增增压压力信号号等，通过控控制废气旁通通阀的开度或或废气喷射器器的喷射角度度、增压器涡涡轮废气进口口截面大小等等措施，实现现对废气涡轮轮增压器工作作状态和增压压压力的控制制，以改善柴柴油机的扭矩矩特性，提高高加速性能，，降低排放和和噪声。5、排放控制：：柴油机的排放放控制主要是是废气再循环环（EGR）控制。ECU主要根据柴油油机转速和负负荷信号，按按内存程序控控制EGR阀开度，以调调节EGR率。6、起动控制：：柴油机起动控控制主要包括括供（喷）油油量控制、供供（喷）油正正时控制和预预热装置控制制，其中供（（喷）油量控控制和供（喷喷）油正时控控制与其他工工况相同。7、巡航控制：：带有巡航控制制功能的柴油油机电控系统统，当通过巡巡航控制开关关选定巡航控控制模式后，，ECU即可根据车速速信号等自动动维持汽车以以一定车速行行驶。8、故障自诊断断和失效保护护：柴油机电控系系统中也包含含故障自诊断断和失效保护护两个子系统统。柴油机电电控系统出现现故障时，自自诊断系统将将点亮仪表盘盘上的“故故障指示灯灯”，提提醒驾驶员注注意，并储存存故障码，检检修时可通过过一定的操作作程序调取故故障码等信息息；同时失效效保护系统启启动相应保护护程序，使柴柴油能够继续续保持运转或或强制熄火。。9、柴油机与自自动变速器的的综合控制：：在装用电控自自动变速器的的柴油车上，，将柴油机控控制ECU和自动变速器器控制ECU合为一体，实实现柴油机与与自动变速器器的综合控制制，以改善汽汽车的变速性性能。四、柴油机电电控燃油喷射射系统的组成成柴油机电控燃燃油喷射系统统主要由传感感器、ECU、执行元件三三部分组成。。各种柴油电控控系统的区别别在于控制功功能、传感器器的数量和类类型、执行元元件的类型、、ECU控制软件、主主要电控元件件的结构原理理和安装位置置的不同。1、传感器用来检测柴油油机与汽车的的运行状况，，并将检测结结果转换成电电信号输送给给ECU。（1）加速踏板位位置传感器：用来检测加加速踏板所处处位置，ECU根据此传感器器信号间接判判断柴油机的的负荷，作为为控制柴油机机喷油量和喷喷油正时的主主控制信号。。有电位计式式和差动电感感式两种类型型。（2）反馈信号传传感器：闭环控制系系统中用来检检测控制系统统执行元件实实际位置的传传感器。主要要包括负荷传传感器和正时时传感器两大大类。（3）燃油温度传传感器：ECU根据此传感器器信号对喷油油量进行修正正。一般采用用热敏电阻式式，其结构原原理与进气温温度传感器基基本相同。（4）其他传感器器和信号开关关：包括发发动机转转速传感感器、车车速传感感器、冷冷却液温温度传感感器、制制动开关关、空调调开关、、点火开开关等。。其功用用、结构构和工作作原理与与汽油机机电控系系统基本本相同。。2、柴油机机控制ECU根据各传传感器输输入信号号和内存存程序，，计算出出供（喷喷）油量量和供（（喷）油油开始时时刻，并并向执行行元件发发出执令令信号。。3.执行元件件执行ECU的指令，，调节柴柴油机的的供（喷喷）油量量和供（（喷）油油正时。。五、柴油油机供（（喷）油油量控制制（一）位位置控制制方式位置控制制方式不不仅保留留了传统统的泵－－管－嘴嘴系统，，还保留留了原喷喷油泵中中的齿条条、滑套套、柱塞塞上的斜斜槽等控控制油量量的机械械传动机机构，只只是对齿齿条或者者滑套的的运动位位置予以以电子控控制。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装装置一般般采用占占空比控控制型电电磁阀（（简称占占空比电电磁阀））式或直直流电动动机式电电子调速速器。占空比控控制型电电磁阀电电子调速速器的结结构如图图所示，，安装在在原喷油油泵供油油齿条（（或供油油拉杆、、供油角角板）的的一端，，电磁阀阀中的铁铁心与喷喷油泵的的供油齿齿条连成成一体。。柱塞泵供供油量“位置控制制”系统2、转子分分配泵的的供油量量控制位置控制制的转子子分配泵泵供油量量控制装装置，一一般采用用转子式式或占空空比电磁磁阀式电电子调速速器。ECU通过控制制流经线线圈的电电流方向向来控制制转子轴轴的转动动方向，，通过控控制通电电占空比比来控制制转子轴轴转动的的角度。。通过滑滑套位置置传感器器的反馈馈信号，，得到滑滑套的实实际位置置，以此此进行反反馈控制制。（二）时时间控制制方式供油量的的位置控控制特点点是用模拟拟量来控控制执行行元件工工作，通通过对喷喷油泵油油量控制制机构的的定位来来得到所所需的供供油量。。不论采采用何种种类型的的电子调调速器，，总是需需要由部部分机械械装置来来完成对对喷油泵泵供油量量的调节节，也会会降低控控制精度度和响应应速度。。所以继继供油量量“位置置控制””之后出出现了““时间控控制”。。时间控制制方式是用高速速强力电电磁阀直直接控制制高压燃燃油，一一般情况况下，电磁阀关关闭，开开始喷油油；电磁磁阀打开开，喷油油结束。。喷油始点点取决于于电磁阀阀关闭时时刻，喷喷油量取取决于电电磁阀关关闭的持持续时间间。传统统喷油泵泵中的齿齿条、滑滑套、柱柱塞上的的斜槽和和提前期期等全部部取消，，对喷射射定时和和喷射油油量控制制的自由由度更大大。1、转子分分配泵的的供油量量控制在回油通通道中安安装一个个有ECU控制的高高速电磁磁阀来控控制回油油通道的的开闭，，也就实实现供油油量的““时间控控制”。。“时间控控制”的的转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喷油器的的供油量量控制取消了原原P－T燃油系统统中结构构复杂的的调速器器和喷油油器中的的计量装装置，使使燃油供供给系统统大为简简化。高速电磁磁阀关闭闭的时刻刻即是喷喷油开始始时刻，，高速电电磁阀关关闭的持持续时间间决定了了喷油量量。（三）时时间－压压力控制制方式第二代柴柴油机电电控燃油油喷射系系统中最最典型的的是电控控共轨式式燃油喷喷射系统统。在电电控共轨轨式燃油油喷射系系统中，，对喷油油量的控控制采用用“时间间－压力力控制””或“压压力控制制”，用用的最多多的是““时间－－压力控控制”方方式。在该系统统中，ECU控制供油油压力调调节阀使使喷油器器的喷油油压差保保持不变变，再通通过控制制三通电电磁阀工工作实现现喷油量量和喷油油正时的的控制。。电磁阀阀通电开开始时刻刻决定了了喷油的的开始时时刻，其其通电时时间决定定喷油量量。电控共轨轨式燃油油喷射系系统电控共轨轨式燃油油喷射系系统喷油量“时间－压压力控制制”系统六、柴油油机供（（喷）油油正时控控制传统柴油油机供给给系统中中，都是是采用机机械离心心式或液液压式供供油提前前角自动动调节器器来控制制喷油泵泵的供油油正时，，间接实实现对喷喷油器喷喷油正时时的调节节。在柴油机机电控燃燃油喷射射系统中中，一般般都是由由ECU根据柴油油机转速速、负荷荷等传感感器信号号对供（（喷）油油正时进进行控制制。注意点：：在第二代代柴油机机电控燃燃油喷射射系统和和部分采采用“时时间控制制”供（（喷）油油量的第第一代柴柴油机电电控燃油油喷射系系统中，，取消了了传统的的供（喷喷）油提提前角自自动调节节器，采采用由ECU控制的高高速电磁磁阀控制制供（喷喷）油的的开始时时刻（即即正时）），并增增加供（（喷）油油正时传传感器，，实现了了供（喷喷）油正正时的闭闭环控制制。1、直列柱塞塞泵供油油正时电电控系统统直列柱塞塞泵供油油正时电电控系统统由正时时控制器器、电磁磁阀、柴柴油机转转速传感感器、正正时传感感器和ECU等组成。。工作原理理：两个电磁磁阀分别别安装在在正时控控制器进进、回油油路中，，控制正正时控制制器工作作的液压压油来自自柴油机机润滑系系。正时时控制器器安装在在喷油泵泵驱动轴轴与凸轮轮轴之间间，受液液压控制制的正时时控制器器可使喷喷油泵凸凸轮轴相相对驱动动轴在一一定范围围内转动动。柴油油机转速速传感器器安装在在喷油泵泵驱动轴轴上，ECU主要根根据柴柴油机机转速速和负负荷传传感器器信号号确定定基本本供油油提前前角，，再根据据冷却却液温温度等等传感感器信信号进进行修修正，，