11现代柴油发动机技术发展概述

石油物探职业教育学校机械部2013年1月1.1现代柴油发动机技术发展概述石油物探职业教育学校一、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-压力控制石油物探职业教育学校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。石油物探职业教育学校3ECD-V1系统的组成石油物探职业教育学校石油物探职业教育学校石油物探职业教育学校石油物探职业教育学校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。石油物探职业教育学校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。石油物探职业教育学校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。石油物探职业教育学校石油物探职业教育学校石油物探职业教育学校第三代柴油机电控技术——时间-压力控制方式1、结构特点基本改变了传统燃油供给系统的组成和结构，主要以电控共轨（各缸喷油器共用一个高压油管）式喷油系统为特征，直接对喷油器的喷油量、喷油正时、喷油速率和喷油规律、喷油压力等进行时间-压力控制。油压油泵并不直接控制喷油，而仅仅向共轨供油以维持所需的共轨压力，并通过连续调节共轨压力来控制喷射压力。石油物探职业教育学校2、性能特点优点：可实现高压喷射（最高达200Mpa），喷射压力独立于发动机转速，可实现理想喷油规律，具有良好的喷射特性。电控高压共轨喷射系统是柴油机燃油系统的一个发展方向，目前在卡车和轿车柴油机上得到广泛应用，发展速度很快。3、应用国外典型共轨喷射系统：（1）日本电装公司的ECD-U2系统。（2）美国BKM公司的servojet系统。（3）美国Caterpiller公司的HEUI系统。石油物探职业教育学校BOSCH电控高压共轨安装示意图石油物探职业教育学校石油物探职业教育学校二、柴油机电控燃油喷射系统的优点（1）改善低温起动性。（2）降低氮氧化物和烟度的排放。（3）提高发动机运转稳定性。（4）提高发动机的动力性和经济性。（5）控制涡轮增压。（6）适应性广。石油物探职业教育学校三、柴油机电控系统的功能（1）燃油喷射控制（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）故障自诊断和失效保护（9）柴油机与自动变速器的综合控制石油物探职业教育学校1、燃油喷射控制（1）供（喷）油量控制：在起动、怠速、正常运行等各种工况下，ECU根据发动机转速信号、负荷信号和内存控制模型来确定基本供油量，再根据冷却液温度信号、进气温度信号、起动开关信号、空调开关信号、反馈信号等对供油量进行修正。（2）供（喷）油正时控制：ECU根据发动机转速信号、负荷信号和内存的控制模型来确定基本供油量，再根据反馈信号进行修正。（3）供（喷）油速率和供（喷）油规律的控制：ECU以柴油机转速信号、负荷信号作为主控制信号，按预设的程序确定最佳的供油速率和供油规律。（4）喷油压力的控制：ECU以柴油机转速信号、负荷信号作为主控制信号，按预设的程序确定最佳的喷油压力，并对喷油压力进行闭环控制。（5）柴油机低油压保护：柴油机机油压力过低时，ECU根据机油压力传感器信号减少供油量，降低转速并报警；当机油压力降到一定值一下时，则切断燃油供给，强制使发动机熄火。（6）增压器工作保护：ECU根据增压压力信号适当调节供油量，并在增压压力过高或过低时报警。石油物探职业教育学校2、怠速控制：主要包括怠速转速的控制和怠速时各缸均匀性的控制。3、进气控制：主要包括进气节流控制、可变进气涡流控制和可变配气正时控制。4、增压控制：柴油机的增压控制主要是由ECU根据柴油机转速信号、负荷信号、增压压力信号等，通过控制废气旁通阀的开度或废气喷射器的喷射角度、增压器涡轮废气进口截面大小等措施，实现对废气涡轮增压器工作状态和增压压力的控制，以改善柴油机的扭矩特性，提高加速性能，降低排放和噪声。5、排放控制：柴油机的排放控制主要是废气再循环（EGR）控制。ECU主要根据柴油机转速和负荷信号，按内存程序控制EGR阀开度，以调节EGR率。石油物探职业教育学校6、起动控制：柴油机起动控制主要包括供（喷）油量控制、供（喷）油正时控制和预热装置控制，其中供（喷）油量控制和供（喷）油正时控制与其他工况相同。7、巡航控制：带有巡航控制功能的柴油机电控系统，当通过巡航控制开关选定巡航控制模式后，ECU即可根据车速信号等自动维持汽车以一定车速行驶。8、故障自诊断和失效保护：柴油机电控系统中也包含故障自诊断和失效保护两个子系统。柴油机电控系统出现故障时，自诊断系统将点亮仪表盘上的“故障指示灯”，提醒驾驶员注意，并储存故障码，检修时可通过一定的操作程序调取故障码等信息；同时失效保护系统启动相应保护程序，使柴油能够继续保持运转或强制熄火。9、柴油机与自动变速器的综合控制：在装用电控自动变速器的柴油车上，将柴油机控制ECU和自动变速器控制ECU合为一体，实现柴油机与自动变速器的综合控制，以改善汽车的变速性能。石油物探职业教育学校四、柴油机电控燃油喷射系统的组成柴油机电控燃油喷射系统主要由传感器、ECU、执行元件三部分组成。各种柴油电控系统的区别在于控制功能、传感器的数量和类型、执行元件的类型、ECU控制软件、主要电控元件的结构原理和安装位置的不同。石油物探职业教育学校1、传感器用来检测柴油机与汽车的运行状况，并将检测结果转换成电信号输送给ECU。（1）加速踏板位置传感器：用来检测加速踏板所处位置，ECU根据此传感器信号间接判断柴油机的负荷，作为控制柴油机喷油量和喷油正时的主控制信号。有电位计式和差动电感式两种类型。（2）反馈信号传感器：闭环控制系统中用来检测控制系统执行元件实际位置的传感器。主要包括负荷传感器和正时传感器两大类。（3）燃油温度传感器：ECU根据此传感器信号对喷油量进行修正。一般采用热敏电阻式，其结构原理与进气温度传感器基本相同。（4）其他传感器和信号开关：包括发动机转速传感器、车速传感器、冷却液温度传感器、制动开关、空调开关、点火开关等。其功用、结构和工作原理与汽油机电控系统基本相同。石油物探职业教育学校2、柴油机控制ECU根据各传感器输入信号和内存程序，计算出供（喷）油量和供（喷）油开始时刻，并向执行元件发出执令信号。3.执行元件执行ECU的指令，调节柴油机的供（喷）油量和供（喷）油正时。石油物探职业教育学校五、柴油机供（喷）油量控制（一）位置控制方式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。石油物探职业教育学校1、直列柱塞泵的供油量控制位置控制的直列柱塞泵供油量控制装置一般采用占空比控制型电磁阀（简称占空比电磁阀）式或直流电动机式电子调速器。占空比控制型电磁阀电子调速器的结构如图所示，安装在原喷油泵供油齿条（或供油拉杆、供油角板）的一端，电磁阀中的铁心与喷油泵的供油齿条连成一体。石油物探职业教育学校柱塞泵供油量“位置控制”系统石油物探职业教育学校2、转子分配泵的供油量控制位置控制的转子分配泵供油量控制装置，一般采用转子式或占空比电磁阀式电子调速器。ECU通过控制流经线圈的电流方向来控制转子轴的转动方向，通过控制通电占空比来控制转子轴转动的角度。通过滑套位置传感器的反馈信号，得到滑套的实际位置，以此进行反馈控制。石油物探职业教育学校（二）时间控制方式供油量的位置控制特点是用模拟量来控制执行元件工作，通过对喷油泵油量控制机构的定位来得到所需的供油量。不论采用何种类型的电子调速器，总是需要由部分机械装置来完成对喷油泵供油量的调节，也会降低控制精度和响应速度。所以继供油量“位置控制”之后出现了“时间控制”。时间控制方式是用高速强力电磁阀直接控制高压燃油，一般情况下，电磁阀关闭，开始喷油；电磁阀打开，喷油结束。喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量取决于电磁阀关闭的持续时间。传统喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的斜槽和提前期等全部取消，对喷射定时和喷射油量控制的自由度更大。石油物探职业教育学校1、转子分配泵的供油量控制在回油通道中安装一个有ECU控制的高速电磁阀来控制回油通道的开闭，也就实现供油量的“时间控制”。“时间控制”的转子分配泵取消了油量控制滑套和泵油柱塞上的回油槽（或孔）。石油物探职业教育学校2、P-T喷油器的供油量控制取消了原P－T燃油系统中结构复杂的调速器和喷油器中的计量装置，使燃油供给系统大为简化。高速电磁阀关闭的时刻即是喷油开始时刻，高速电磁阀关闭的持续时间决定了喷油量。石油物探职业教育学校（三）时间－压力控制方式第二代柴油机电控燃油喷射系统中最典型的是电控共轨式燃油喷射系统。在电控共轨式燃油喷射系统中，对喷油量的控制采用“时间－压力控制”或“压力控制”，用的最多的是“时间－压力控制”方式。在该系统中，ECU控制供油压力调节阀使喷油器的喷油压差保持不变，再通过控制三通电磁阀工作实现喷油量和喷油正时的控制。电磁阀通电开始时刻决定了喷油的开始时刻，其通电时间决定喷油量。石油物探职业教育学校电控共轨式燃油喷射系统石油物探职业教育学校电控共轨式燃油喷射系统石油物探职业教育学校喷油量“时间－压力控制”系统石油物探职业教育学校六、柴油机供（喷）油正时控制传统柴油机供给系统中，都是采用机械离心式或液压式供油提前角自动调节器来控制喷油泵的供油正时，间接实现对喷油器喷油正时的调节。在柴油机电控燃油喷射系统中，一般都是由ECU根据柴油机转速、负荷等传感器信号对供（喷）油正时进行控制。注意点：在第二代柴油机电控燃油喷射系统和部分采用“时间控制”供（喷）油量的第一代柴油机电控燃油喷射系统中，取消了传统的供（喷）油提前角自动调节器，采用由ECU控制的高速电磁阀控制供（喷）油的开始时刻（即正时），并增加供（喷）油正时传感器，实现了供（喷）油正时的闭环控制。石油物探职业教育学校1、直列柱塞泵供油正时电控系统直列柱塞泵供油正时电控系统由正时控制器、电磁阀、柴油机转速传感器、正时传感器和ECU等组成。石油物探职业教育学校工作原理：两个电磁阀分别安装在正时控制器进、回油路中，控制正时控制器工作的液压油来自柴油机润滑系。正时控制器安装在喷油泵驱动轴与凸轮轴之间，受液压控制的正时控制器可使喷油泵凸轮轴相对驱动轴在一定范围内转动。柴油机转速传感器安装在喷油泵驱动轴上，ECU主要根据柴油机转速和负荷传感器信号确定基本供油提前角，再根