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1、高 等 教 育 自 学 考 试毕业设计（论文）说明书 汽车检测与维修专业（本科）市地： 准考证号： 姓 名： 毕 业 设 计（ 论 文 ）任 务 书 填表时间：2011年12月16日学生姓名专业班级指导教师课题类型设计（论文）题目主要研究内容主要技术指标(或研究目标)。进度计划1、主要参考文献研究所（教研室）主任签字： 年 月 日柴油发动机电子控制技术的发展摘 要柴油机的发展水平一直是车辆发展水平的重要标志，随着国家对环保的重视和国际石油价格高涨，我国应对柴油机的发展引起足够重视。车用柴油机面临着日趋严格的排放法规和降低燃油消耗率等要求，采用电子控制技术是使柴油机同时满足各种要求的有效手段,而
2、电控单元是整个控制系统的核心，其中的硬件和控制软件设计是否合理将对整个控制系统产生决定性的影响。车用柴油机的结构比较复杂，尤其是新兴的电子控制技术，对于广大汽车驾驶与维修人员来说有着十分重要的意义。文章介绍了柴油机电子控制技术的发展状况、控制原理和应用特点及高压共轨技术的工作原理、研究方向、应用前景。关键词：柴油机 电子控制 发展Development of diesel electronic control systemABSTRACTThe development level of diesel engine has been an important mark for the devel
3、opment of vehicles, along with the country the environmental attention and international oil prices high, in order to deal with the development of the diesel engines cause enough attention. Automotive diesel engine facing day by day the strict regulation and reduce fuel consumption requirements, etc
4、, the electronic control technology is the engine at the same time satisfy the requirements of effective means, and electronic control units is the core of the whole control system, the hardware and software design is reasonable control of the whole control system will be a decisive impact. The stru
5、cture of the vehicle diesel engine is more complicated, especially the new electronic control technology, for the car driving and maintenance staff to have the very vital significance. This paper introduces the development of the technology of diesel engine electronic control condition, control prin
6、ciple and application characteristics and the high pressure common rail technology works, the research direction and application foreground. Keywords: diesel electronic control development 目 录柴油发动机电子控制技术的发展II摘 要IIABSTRACTIII前 言1第一章.电子控制柴油机概述31.1何谓电喷柴油机31.2柴油机电子控制技术的发展状况41.3柴油机电子控制技术的目的及优点51.3.1柴油机电子
7、控制技术的目的51.3.2柴油机电子控制技术的优点51.4柴油机电控技术的特点61.4.1柴油机是一种热效率比较高的动力机械71.4.2柴油机的喷射系统形式多样71.5电控柴油喷射系统分类71.5.1位置控制系统81.5.2时间控制方式91.5.3时间压力控制方式91.5.4压力控制方式10第二章 电子控制柴油机技术介绍122.1单体泵技术132.1.1单体泵控制油路142.1.2单体泵系统的另一个优势142.2泵喷嘴技术152.3高压共轨技术18第三章 电控柴油机新技术应用213.1电控柴油机新技术的分析213.2新型喷油系统的研发及应用24第四章 柴油机电子控制技术的发展趋势264.1柴油
8、机电控技术的发展264.2国外柴油机技术的现状与发展27结 论29参考文献30致 谢31前 言随着汽车电子技术日趋完善，时至今日，汽车电子化已达到相当高的程度。柴油机发展越来越完善，以它的高效、功率范围宽广，已广泛应用于工业、农业、军用和民用等领域。随着柴油机数量的不断增多，也引起了人们对柴油机燃油经济性和排放性能的关注，特别是当今排放性能已经被提到首要位置。因此人们也一直在不断地致力于完善柴油机的性能，以期得到好的排放性、经济性、动力性及低噪声，保持一个人类赖于生存的良好环境。影响柴油机排放性、经济性的因素很多，而且相当复杂。改善柴油机的排放性能、经济性能最主要的手段是改善燃烧性能，这在实践
9、中叶得到了证实。控制燃烧性能的最主要的方法有两种：一是合理组织燃烧室内的涡流；二是采取燃烧室内燃油高压喷射。另外，还可以通过控制燃油喷射率以改善燃烧性能。因为燃油喷射率对NOx、黑烟、噪声的影响也很大。在低负荷时，降低平均喷射率可以降低NOx的排放；而在高负荷时，相对提高平均喷射率则有助于减少黑烟。喷射初期的喷射率是决定预混合气量的重要因素之一，为了降低NOx和噪声，喷射初期希望喷射率低一些。喷射中期，为了降低黑烟，则希望喷射率高一些，而喷射后期则希望尽量短，喷油提前角对柴油机的排放性和经济性影响也较大。而且影响结果有时是相互矛盾的。比如，喷油提前角增大，HC排放量减少，但又增加了NOx的排放
10、量。所以，现代直喷式柴油机燃油喷射系统必须具备以下要求：a具有高的喷射压力，且压力灵活可调；b能够精确控制喷油定时和喷油量；c能够最优控制燃油喷射率；d断油干脆。而要同时达到以上要求，传统的依靠凸轮机构组成的喷油系统是无法达到的。因此必须采用电子控制式柴油机喷油系统。第一章.电子控制柴油机概述1.1何谓电喷柴油机 采用电子控制燃油喷射及排放的柴油机即为电喷柴油机。电喷柴油喷射系统由信号输入装置（传感器）、电子控制单元（ECU）和执行元件三大部分，如图2-1所示。图2-1 柴油机电控系统的组成其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、油门踏板位置、喷
11、油时刻、进气温度、进气压力、燃油温度、冷却水温度等传感器，将实时检测的参数同时输入计算机(ECU)，与已储存的设定参数值或参数图谱(MAP图)进行比较，经过处理计算按照最佳值或计算后的目标值把指令送到执行器。执行器根据ECU指令控制喷油量(供油齿条位置或电磁阀关闭持续时间)和喷油正时(正时控制阀开闭或电磁阀关闭始点)，同时对废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，使柴油机运行状态达到最佳 1 。1.2柴油机电子控制技术的发展状况 柴油机电子控制技术始于20世纪70年代，20世纪80年代以来，英国卢卡斯公司、德国博世公司、奔驰汽车公司、美国通用的底特律柴油机公司、康明斯公司、卡特彼勒公司、日本五
12、十铃汽车公司及小松制作所等都竞相开发新产品并投放市场，以满足日益严格的排放法规要求。 由于柴油机具备高扭矩、高寿命、低油耗、低排放等特点，柴油机成为解决汽车及工程机械能源问题最现实和最可靠的手段。因此柴油机的使用范围越来越广，数量越来越多。同时对柴油机的动力性能、经济性能、控制废气排放和噪声污染的要求也越来越高。依靠传统的机械控制喷油系统已无法满足上述要求，也难以实现喷油量、喷油压力和喷射正时完全按最佳工况运转的要求。近年来，随着计算机技术、传感器技术及信息技术的迅速发展，使电子产品的可靠性、成本、体积等各方面都能满足柴油机进行电子控制的要求，并且电子控制燃油喷射很容易实现。 实际上，柴油机排
13、气中CO和HC比汽油机少得多，NOx排放量与汽油机相近，只是排气微粒较多，这与柴油机燃烧机理有关。柴油机是一种非均质燃烧，可燃混合气形成时间很短，而且可燃混合气形成与燃烧过程交错在一起。通过分析柴油机喷油规律得到：喷入燃料的雾化质量、汽缸内气体的流动以及燃烧室形状等均直接影响燃烧过程的进展以及有害排放物的生成。提高喷油压力和柴油雾化效果、使用预喷射、分段喷射等可以有效的改善排放。 经过多年的研究和新技术应用，柴油机的现状已与以往大不相同。现代先进的柴油机一般采用电控喷射、高压共轨、涡轮增压中冷等技术，在重量、噪音、烟度等方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平。随着国际上日益严格的排放控制标准(
14、如欧洲、标准)的颁布与实施，无论是汽油机还是柴油机都面临着严峻的挑战，解决的办法之一是采用电子控制燃油喷射的技术。现在，柴油机电子控制技术在发达国家的应用率已达到60%以上。 1.3柴油机电子控制技术的目的及优点 1.3.1柴油机电子控制技术的目的 优化动力性、改善燃油使用经济性、控制排放，使柴油机从怠速至额定转速范围内均能获得最佳工作状况，防止可能发生的危险运行状况，延长零件的使用寿命。 1.3.2柴油机电子控制技术的优点 （1）具有多功能的自动调节性能 工程机械用柴油机的运转工况是多变的，而且对油耗、排放和可靠性等要求较高。自动控制技术应用于柴油机的调节系统正好可以实现多功能的自动调节，从
15、而保证柴油机动力性、燃料使用经济性、可靠性和操作方便性等性能充分发挥。 （2）减轻质量、缩小尺寸、提高柴油机的紧凑性 对于现代高速柴油机而言，由于驱动喷油泵的扭矩较大，要设计一个紧凑和可靠的供油提前自动调节器很复杂，而且在柴油机总体布置上也比较困难。采用自动控制技术解决供油提前角自动调节问题，不仅可以容易地解决上述难题，而且提高了柴油机的紧凑性。 （3）部件安装连接方便，提高了维修性 采用自动控制系统，相关部件尺寸减小(特别是燃油供给系统)，安装部位免受空间位置的约束，连接简便，有利于柴油机日常维护及修理。 （4）扩展了故障诊断、联络等功能 采用自动控制系统，可方便地与微型计算机相连，很容易实
16、现柴油机性能检测与故障诊断功能，柴油机运行及检测数据的存储与传递等问题也迎刃而解，便于科学管理和使用。 （5）使柴油机的动力输出和负荷得到更精确的匹配 随着工程机械制造技术高速发展，为了提高自行式工程机械的作业效能，采用了电喷柴油机，电控自动变速器等自动控制装置，使自行式工程机械在作业时，能随着负荷的变化在一定范围内自动调整动力输出、动力传递，柴油机的动力输出和负荷得到更精确的匹配，充分发挥工程机械作业效能。 1.4柴油机电控技术的特点 柴油机电控技术与汽油机电控技术有许多相似之处，整个系统都是由传感器、电控单元和执行器三部分组成。在电控喷射方面柴油机与汽油机的主要差别是，汽油机的电控喷射系统
17、只是控制空燃比(汽油与空气的比例)，柴油机的电控喷射系统则是通过控制喷油时间来调节输出油量的大小，且柴油机喷油控制是由发动机的转速和加速踏板位置(油门、供油拉杆位置)来决定的。柴油机电控技术有两个明显的特点：一是柴油喷射电控执行器复杂，二是柴油电控喷射系统的多样化。 1.4.1柴油机是一种热效率比较高的动力机械 柴油机燃油喷射具有高压、高频、脉动等特点。其喷射压力高达200MPa，为汽油机喷射压力的百倍以上。对燃油高压喷射系统实施喷油量的电子控制，困难大得多。而且柴油喷射对喷射正时的精度要求很高，相对于柴油机活塞上止点的角度位置远比汽油机要求准确，这就导致了柴油喷射的电控执行器要复杂得多。 1
18、.4.2柴油机的喷射系统形式多样 传统的柴油机具有直列泵、分配泵、泵喷油器、单缸泵等结构完全不同的系统。实施电控技术的执行机构比较复杂，形成了柴油喷射系统的多样化；同时柴油机需要对油量、定时、喷油压力等多参数进行综合控制，其软件的难度也大于汽油机。 1.5电控柴油喷射系统分类 最先出现的是电控喷油泵技术，而后又发展了电控泵喷嘴技术和高压共轨喷射技术，后两种技术是现在最主要的柴油机电控喷射技术。其中，电控泵喷嘴技术的喷油压力非常高，可以达到200MPa，并且泵和喷嘴装在一起，所以只需要很短的高压油引导部分，泵喷嘴系统也可以实现很小的预喷量，其喷油特性是三角形的，并采用了分段式预喷射，这是很符合柴
19、油机的要求(大众公司的TDI发动机就是使用这种技术)。但电控泵喷嘴技术的喷油压力受柴油机转速影响，使用蓄压系统的高压共轨技术可以解决这个问题。它的喷油压力低于泵喷嘴系统，能达到160MPa。 1.5.1位置控制系统第一代柴油机电控燃油喷射系统也称位置控制系统，它用电子伺服机构代替机械调速器控制供油滑套位置以实现供油量的调整。其特点是保留了传统的喷油泵高压油管喷油器系统，只是对齿条或滑套的运动位置由原来的机械调速器控制改为计算机控制，如图2-2所示。使控制精度和响应速度得以提高。其优点是柴油机的结构几乎不需要改动，生产继承性好，便于对现有柴油机进行升级换代。缺点是“位置控制”系统响应慢、控制频率
20、低、控制自由度小、控制精度还不够高，喷油压力也无法独立控制。这类技术已发展到了可以同时控制定时和预喷射的TICS系统。图2-2 第一代柴油机电控燃油喷射系统（常规压力电控喷油系统）1.5.2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”。1.5.3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“
21、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，如图2-3所示。在该系统中，ECU通过设置传感器、电控单元、高速电磁阀和相关电/液控制执行元件等，组成数字式高频调节系统，有电磁阀的通、断电时刻和通、断电时间控制喷油泵的供油量和供油正时，如图2-4所示。图2-3（高压电控喷油系统）图2-4 电/液控柴油机电控燃油喷射系统1.5.4压力控制方式在后期开发的柴油机电控共轨式燃油喷射系统中，为降低对供油压力的要求，喷油量的控制采用控制喷油压力的方法实现，即喷油量的“压力控制”方式。喷油器喷孔尺寸一定，喷油时间一定，控制喷油压力即可控制喷油量；而在增压活塞和柱塞尺寸一定时，喷油压力（即增
22、压压力）取决于共轨中的油压，共轨中的油压是由ECU根据各种传感器信号通过燃油压力调节阀来控制的，所以将此种喷油量控制方式称为“压力控制”方式。在系统中，ECU根据实际的共轨压力信号对共轨压力进行闭环控制 2。第二章 电子控制柴油机技术介绍20世纪30年代就已经有了柴油乘用车，但早期柴油车的发展源于二战时期苏军T-34坦克的独特命运由于T-34坦克采用柴油机，即使中弹也不容易起火，成为战场上的佼佼者。现在的中国市场如同早期的国际市场，消费者谈到柴油车时，常常会笑言“柴油车最大的好处是不会着火”。但随着柴油技术日益发展，人们越来越发现柴油机的无穷魅力：高扭矩、高寿命、低油耗、低排放，柴油机成为解决
23、汽车能源问题最现实和最可靠的手段。如今欧洲每推出一款新车都会配有柴油发动机的车型。但一个不争的现实摆在了我们面前：随着能源危机，温室效应的逐渐增加，人们对动力性要求的提高，尽管电子燃油喷射已经被广泛使用，仅仅靠汽油车的解决方案不足以解决这些问题。所以在汽车工业的腹地德国一刻也没有停止对柴油发动机的研究。瑞风柴油车所搭载的2.5升柴油机是引进韩国现代汽车公司D4BH发动机，而一汽-大众的4款柴油乘用车均采用德国大众与博世公司合作的柴油机，这5款柴油乘用车全部是柱塞泵、泵喷嘴技术。柴油机的优点是：省油、环保、动力强、经济、维修方便，只要解决缺点就具有更大的市场前景，而实现电控柴油机的方案现在看来是
24、一个很好的解决措施。实现柴油控制有三条技术路线图，分别是单体泵、泵喷嘴和高压共轨。目前主要的国际汽车配件供应商都在进行着柴油共轨喷射系统的开发，如：博世、德尔福、西门子、电装公司、VDO和玛格纳-马瑞利公司，它们是全球主要的共轨喷射系统供应商，而目前在国内生产共轨柴油喷射系统的还只有博世一家。下面分别介绍三种技术：单体泵技术，泵喷嘴技术，高压共轨技术。2.1单体泵技术图3-1 单体泵的外形图德尔福在重型车上采用单体泵系统。从成本上讲，国内的发动机从欧向欧升级时，如果采用单体泵，对发动机改动非常小，仅以外挂式的凸轮轴箱代替欧发动机的直列泵就可。当从欧向欧升级时，发动机机身主体结构仍然不变，只要把
25、欧系统里机械式喷油器改成德尔福的电控喷油器，形成双电磁阀单体泵系统，在发动机整体结构不做大的调整下，就可以达到欧的排放水平，单体泵的外形如图3-1所示，单体泵系统控制如图3-2所示。图3-2 电控单体泵(EUP)2.1.1单体泵控制油路在性能方面，目前在国内单体泵使用的压力达到200MPa，当向欧升级，这个压力可以达到250 MPa。在单体泵上采用了类似于共轨I2C的系统一致性控制，来优化整个系统的性能。在供油控制方面，如果使用双电磁阀单体泵系统，不仅可以对压力进行控制，还可以对喷射进行控制，而且还可以采用多次喷射。它可以达到欧或者欧的标准。目前，德尔福的双电磁阀单体泵系统在欧洲大批量生产，主
26、要供应给欧标准的发动机，欧标准的发动机相关系统正在做开发工作。2.1.2单体泵系统的另一个优势单体泵系统的另一个优势就是它的可靠性和寿命，这些性能已经在欧洲和北美市场上得到了10年甚至是15年的实际使用时间、数百万辆整车使用的证明。单体泵系统在发动机使用过程中，可以保证排放和燃油消耗率低。目前，这种非常强化、非常可靠的性能和使用寿命，仍然在进一步提高。所以，从德尔福的观点来看，在技术方面，相信在2010年之前，所有欧洲和北美的重型车生产商绝大多数会采用单体泵系统和泵喷嘴技术。德尔福也在研发2010年以后新的排放法规所要求的新的系统。2.2泵喷嘴技术 优良的混合气是提高柴油发动机动力性、燃油经济
27、性；降低排放率、噪音率的关键因素。这就要求喷射系统产生足够高的喷射压力，确保燃油雾化良好，同时还必须精确控制喷油始点和喷油量。而泵喷嘴系统能够符合上述的严格要求。因此，早在1905年柴油发动机的创始人Rudolf diesel 先生就提出了泵喷油器概念，设想将喷油泵和喷嘴合成一体，省去高压油管并获得高喷射压力。20世纪50年代，间歇控制泵喷射系统的柴油发动机就已应用在轮船及卡车上。之后，Volkswagen和Robert Bosh AG公司合作研制出适用于乘用车的电磁阀控制泵喷射系统，泵喷嘴的结构如图3-3所示。图3-3 泵喷嘴结构图及示意图其中主要部件作用如下：（1）单向阀：发动机不工作时，
28、防止燃油回流。（2）旁通阀：若燃油内有空气，则通过此处排出。（3）节流孔与过滤器：收集、分离供油管内的气泡。（4）限压阀1：调节供油管内压力大于0.75MPa时打开。（5）限压阀2：保持回油管内压力在0.10MPa。（6）燃油泵：燃油泵是间歇式叶片泵，其优点是在较低发动机转速时也可供油。泵体内油道使油泵转子始终处于被燃油浸润的状态，从而可随时输送燃油，如图3-4所示。图3-4 燃油泵油路连接图（7）燃油分配管集成：燃油分配管集成在缸盖内的供油管内，其功能是等量向各泵喷嘴分配燃油，在此，燃油与受热燃油混合，并被泵喷嘴强制流回供油管，使供油管内流向各缸的燃油温度一致。所有泵喷嘴被提供相同量的燃油，
29、使发动机运转平稳。否则，泵喷嘴的油温将会不同，并且泵喷嘴被提供不同质量的燃油。这将会使发动机运转不平稳并将在前几个缸中产生极度高温，燃油分配管如图3-5所示。图3-5 燃油分配管（8）燃油冷却泵：使冷却液在冷却环路中循环。当燃油温度达到70，发动机控制单元通过燃油冷却泵继电器将其接通。在国内很多的乘用车上使用泵喷嘴，如：宝来TDI、途安TDI和奥迪TDI等。泵喷嘴技术相对于之前的技术（如柱塞泵），已经具有明显改进，而其最大的好处是大大增加了喷油压力，其涡轮增压泵喷嘴的喷射压力都能达到200MPa以上。由于喷射压力直接影响柴油燃烧做功效率，因此，泵喷嘴的燃烧效率很高。2.3高压共轨技术 “CRD
30、I”是英文Common Rail Direct Injection的缩写，意为高压共轨柴油直喷技术，CRDI技术和SDI（自然吸气直接喷射柴油发动机）技术、TDI（直喷式涡轮增压柴油发动机）技术均为德国博世公司研发的柴油发动机技术。共轨系统由高压泵、喷油管、高压蓄压器（共轨）、喷油器、电控单元和传感器及执行器组成。共轨式喷油系统主要的贡献就是将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开，通过对共轨管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速基本无关。这一柴油发动机技术的创新最大限度地降低了柴油发动机车型的振动和噪声，同时将油耗进一步降低，使排放更加清洁。但共轨技术的喷油压力低于泵喷嘴系统
31、，一般只能达到160MPa左右。由于喷油压力调节宽泛，采用共轨技术的柴油车能更好地适应各种工况，起步也不会困难。博世公司首家于1997年开始批量生产共轨燃油喷射系统的乘用车，当时博世和奔驰联合推出共轨技术柴油奔驰C级别车，而在当时阿尔法罗密欧156也是最早使用高压共轨的乘用车之一。在国产车中，华泰现代使用的是共轨喷射系统。柴油共轨系统已开发了3代。第一代共轨高压泵总是保持在最高压力，导致燃油的浪费和很高的燃油温度。第一代共轨系统为商用车设计的，最高喷射压力为140MPa，乘用车喷射压力为135MPa。第二代共轨系统可根据发动机需求而改变输出压力，并具有预喷射和后喷射功能。带有控制油量的油泵，喷
32、射压力能达到160MPa。即使在压力较低的情况下，该系统也可以根据实际状况提供适量的喷油压力。不仅有助于降低燃油消耗，而且还可以降低燃油温度，从而省去燃油冷却装置。预喷射降低了发动机噪声，在主喷射之前百万分之一秒内少量的燃油被喷进了汽缸压燃，预热燃烧室。预热后的汽缸使主喷射后的压燃更加容易，缸内的压力和温度不再是突然地增加，有利于降低燃烧噪音。在膨胀过程中进行后喷射，产生二次燃烧，将缸内温度增加200250，降低了排气中的碳氢化合物。博世公司的第二代共轨系统产品已经在沃尔沃的S60、V70D5及宝马的230d等乘用车上试用。第三代共轨系统带有压电直列式喷油器。2003年，第三代共轨系统面世，压
33、电式（piezo）共轨系统的压电执行器代替了电磁阀，于是得到了更加精确的喷射控制。省去了回油管，在结构上更简单。压力从20200MPa弹性调节。最小喷射量可控制在0.5mm3，减小了烟度和NOx的排放。最高喷射压力达到180 MPa，如图3-6所示。图3-6 压电直列式喷油器1-电动输油泵2-燃油滤清器3-回油阀4-回油储存器5-CP1 高压泵6-高压控制阀7-共管压力传感器 (RPS)8-共管9-喷油器10-ECU控制单元11-油温传感器12-其它传感器此套采用新研发的压电直列式喷油器的系统使带预喷和后喷的喷油率曲线范围更为自由。与其它喷射系统相比，共轨系统把压力产生与实际燃油喷射过程分离。
34、“轨”被作为高压蓄压器，其内部燃油压力始终保持与发动机具体工况相适应的最佳压力。共轨系统可被轻易地安装到各类不同的发动机中。除此之外，共轨系统还提供了更广阔的扩展功能和在燃烧过程设计上更多大的自由度，它可以使柴油发动机以更低的排放、更好的燃油经济性和低噪声运行。由于这些因素，电控共轨技术已普遍为新一代乘用车柴油发动机采用3。第三章 电控柴油机新技术应用3.1电控柴油机新技术的分析近年来，国外轻型车用柴油机取得了很大的发展，具体表现在功率增长、转速下降、增压和增压中冷比例上升，还包括多气门和中置缩口燃烧室、高压喷射和小孔径多喷孔、小压力室或VCO油嘴、废气再循环、电子控制等新结构、新技术的应用上
35、。 1.功率增长 由于国外发达国家公路网络的迅速扩展，用户要求车用柴油机具有越来越高的功率，以提升车辆的行驶速度和加速性能，从而提高汽车的运输效益,同时,为提高汽车的行驶舒适性和安全性，就要带更多的附件，如空调压缩机、大容量发电机、转向油泵、排气制动阀等,这些附件增加了发动机功率消耗，使发动机功率增长。 提高功率的途径不外乎扩大缸径、增加排放量或者增压等，但采用大缸径、大排放量自然吸气机型可能会带来一些不利影响，如增加整机的外型尺寸、重量从而增加燃油消耗，而采取合适的技术措施可将这些不利因素的影响减少到最低程度。 2.转速呈下降趋势 降低转速对发动机的排放、噪声、燃油经济性、可靠性、寿命都有利
36、，所以发动机转速呈下降的趋势。近几年，日本主要厂商生产的35L四缸车用柴油机的转速都在3000r/min以上，活塞的平均速度在12m/s以上，而欧美的这一档机型的转速却降到了2600r/min以下，活塞的平均速度在11.5m/s以下。最为典型的是奔驰OM904LA发动机，转速仅为2300r/min，但该机采用增压中冷，所以达到了较高的升功率。为了获得较高的车速和较宽的车速范围，该机还配用了六速变速器。由于转速较低以及缸孔采用感应淬火处理，发动机的使用寿命可达100万公里。 3.增压及增压中冷比例上升 增压不仅可以提高功率、改善燃油经济性，而且也是降低排放和噪声的主要措施之一。所以当今轻型车采用
37、柴油机增压机型所占比例逐年上升。由于各国的排放法规不同，自然吸气直喷式机型若采用EGR等技术也可以满足目前的排放法规要求。增压机型在价格、低速扭矩特性、加速响应性能等方面与自然吸气机型相比仍稍显逊色，但直喷式柴油机在增压中冷的基础上附加其他措施，性能则大为改善，所以原先自然吸气机型都发展了增压、增压中冷机型。最新开发的产品已没有自然吸气，如奔驰OM900系列、斯太尔M1等系列柴油机都是增压或增压中冷机型。由于轻型车柴油机转速有一定跨度，为了兼顾高低速性能，特别是改善发动机低速区域的烟度与油耗，往往使用带放气阀的增压器。近年来电控可变截面/可变喷嘴（VGT/VNT）增压器的问世使低速区域的扭矩、
38、烟度和都油耗得到了进一步改善。 4.多气门结构 在小缸径柴油机中采用多气门技术是20世纪90年代才兴起的。当时有的用三气门，如雪铁龙的XUD11；也有的采用四气门，如道依茨的BF4M1010柴油机、福特的2.5L柴油机、丰田的15BF、AVL开发的LEADER2和LEADER3柴油机。近年新开发的机型主要采用四气门，如日野的J05C、里卡多公司的CERES2.2L直喷式柴油机等。在未来510年内，多气门技术还将继续发展和普及。 四气门的主要优点有：第一，油嘴垂直且中心布置，使油线分布均匀，相应的燃烧室也可以中心布置，中心燃烧室与偏置燃烧室相比，进气涡流动能的衰减要明显小得多，另外，中置油嘴加中
39、置燃烧室可以改善混合气的形成，提高燃烧质量，获得低的排放和高的扭矩功率；第二，四气门增加了气门的流通面积和流通能力，进气面积可提高11%以上，排气面积可提高25%以上，从而降低了泵气损失，提高了充气系数，有助于降低燃油消耗率；第三，中置燃烧室使活塞顶上的热负荷趋于均匀，便于冷却油腔的布置，采用冷却油腔的活塞能承受更高的热负荷；第四，四气门采用两个独立的进气道，便于实现可变进气涡流，高转速、全负荷时两个进气道都打开，而在低速时只开一个进气道，从而提高了涡流比；最后，中置且垂直的油嘴安装位置可使用一种新概念的油嘴可变流道面积喷嘴（VRD），有助于减少排放，特别是低转速、低负荷的颗粒排放。5.共轨系
40、统 相对传统的机械式喷油系统在压力和喷油量方面有了很大进步，但燃油雾化效果不如泵式喷油器，因为喷射压力相对低了不少，所以黑烟与颗粒排放量以及NOx生成量均较多， 油耗比泵式喷油器的要高。6.电控废气再循环 柴油机排放控制技术的难点是既要降低NOx的排放量，又要减少颗粒。NOx大多是在预混合燃烧阶段产生的，而颗粒主要是扩散燃烧阶段产生的，这就要求减小预混合燃烧，同时加速扩散燃烧，但往往采取降低NOx的措施会增加油耗，而减少颗粒排放的措施往往又会引起最大燃烧压力和燃烧强度的增加，反过来使NOx排放量增加。NOx是在高温富氧的情况下产生的，所以降低缸内燃烧温度和降低氧的含量是控制NOx的有效措施。目
41、前主要是通过提高喷射压力来降低颗粒，再采取延迟喷油和使用废气再循环（EGR）等措施来降低NOx，因GER减少了进气量中的含氧量，故它只宜在低转速部分负荷或空燃比足够大的工况下采用，这样不会使烟度、HC和颗粒排放量明显增加。过高的废气再循环率可能导致发动机腐蚀和磨损，影响发动机的使用寿命。通常可以同时采取延迟喷油定时来降低NOx，这样只要较小的废气再循环率就能达到NOx的排放法规。另外，可对气缸套活塞环进行表面处理，以防过度磨损，确保发动机高的使用寿命；对废气再循环的关闭、开启大小也都必须进行有效控制，也就是根据发动机运行工况对废气再循环率实施电子控制。 7. 缩口环形燃烧室 为了适应更严格的排
42、放法规的要求，AVL公司开发的缩口环形燃烧室现在逐步在小缸径高速直喷式柴油机上被采用。著名的四角形燃烧室一直是五十铃公司的专利，从B系列到J系列都保留了这一特色。缩口环形燃烧室后来又发展成为缩口四角形燃烧室，但，为了适应日本的排放法规，20世纪90年代开发的H系列柴油机采有了缩口环形燃烧室。缩口环形燃烧室的特点是燃烧室中心有较大较高的锥形凸台，燃烧室大部分容积分布在四周圆形内，并带收口。由于燃烧室中部燃油分布较少，且进气涡流的切向速度和挤流都较小，四周环形内燃油发布较多，涡流速度较高，有利于提高空气利用率和油气混合质量。中间凸台对挤流起导向作用，在膨胀行程形成逆挤流时对喷油嘴的热冲刷还起到一定
43、的屏蔽作用。缩口燃烧室除切向的进气涡流外，还形成轴向的较大挤流，因此，缩口燃烧室与直口燃烧室相比，在相同的进气涡流比和燃烧室口径下，燃油分布较多的燃烧室壁面和底部气流速度要高出50%左右，这对于促进油气混合、加速燃烧是十分有利的。在上止点后，缩口环形燃烧室比直口W型燃烧室的涡流保持性要好得多，所以缩口燃烧室比直口燃烧室的颗粒排放以及全负荷烟度和自由加速烟度都有较大的改善。 8.电子控制技术 微电子、传感器、执行器技术的发展促进了柴油机电控技术的发展。20世纪90年代推出的新型柴油机均不同程度地应用了很多电子控制系统，如五十铃4HG1的废气再循环电子控制、OM904LA的单体泵的电子控制、Spr
44、int发动机对转子喷油泵和可变进气涡流的电子控制、奔驰公司的C250柴油机的全电子控制等。 3.2新型喷油系统的研发及应用 提高喷射压力是降低烟度和颗粒的主要技术。随着平均喷油压力的提高，烟度和颗粒排放直接下降。为了进一步提高喷射压力，世界主要厂家相继开发了一些新型燃油喷射系统，如高压电子转子泵、径向泵式燃料供给系统（最大喷油压力为1750bar，已装用在大众V6Tdi发动机中）和共轨式喷射系统（最大喷油压力大约为1500 bar，目前已成为直喷式柴油机燃油喷射系统的主流）。近年德国博世公司和英国卢卡斯公司还开发调试出了一种新型燃油喷射技术泵式喷油器，该系统的喷射压力大约高达2000 bar，
45、在某些工况下甚至超过了2000 bar。 采用泵式喷油器后，柴油机上再不用安装喷油泵和与喷油器相连的高压油管，布置在缸盖内的油路直接给泵式喷油器供给燃料。泵式喷油器主要由摇臂、柱塞和燃油控制电磁阀构成。柱塞由凸轮轴上的一个专用凸轮带动，其功能如同喷油器内的小活塞，当柱塞往下时，压力增大，可达到大约2000 bar。由于驱动凸轮形状特殊，所以增压速度特别快，而且压力越大，瞬间喷油量就越多，喷射时间不超过千分之几秒（甚至达每秒250次）。 一旦凸轮不与柱塞接触，有一根回位弹簧会把柱塞拉回到常态位置。为确保喷注效果最佳且无气泡，凸轮的斜面设计得特别平缓，柱塞的上升也是一个渐进的过程。泵式喷油器靠一电
46、磁阀增力，并由一ECU控制，这样可确保燃油的准确供给，特别是喷射的干脆利索。 采用泵式喷油器后，柴油机在柱塞每次上升时均有12mm的燃油预喷，燃烧温度也得以大大降低，同时，发动机的工作噪声和NOx的生成量也得以减少。 此泵式喷油系统需要一种特定的发动机缸盖与之匹配，它与每缸四气门缸盖不相容，因为它们的尺寸与牢固度皆不相同。与配备常规喷油器的同档次柴油机相比，采用泵式喷油系统的发动机即使在低转速工况下的功率亦可增大5%，扭矩可增大20%，在大约1500r/min时就可获得最大扭矩。 第四章 柴油机电子控制技术的发展趋势4.1柴油机电控技术的发展柴油机电控技术的发展过程与汽油机电控系统相似。自80
47、年代开始进入市场的现代汽车柴油机电控系统也是随着控制项目的不断增多，控制任务从简单到复杂，直至全方位控制。例如,早期的电控燃油喷射系统都采用了“位置控制”,保持了传统的脉冲高压供油原理,只是通过以微机为核心的控制单元对位置伺服机构进行控制，改变油量调节齿条(直列泵)或油量调节滑套(VE型分配泵)等的位置，用以调节喷油泵的循环供(喷)油量。但由于位置伺服机构执行频率响应慢，控制频率低，控制精度不稳定，经过了近十年的发展,到90年代初,“时间控制”式电控燃油喷射系统开发成功,采用了新型高速强力电磁阀代替传统的油量调节齿条(直列泵)或油量调节滑套(VE型分配泵)等,直接对高压燃油进行数字式的高频调节，由电磁阀的关闭时刻和闭合持续时间决定循环供(喷)油量和供(喷)油正时。尽管如此,这种“时间控制”式电控燃油喷射系统仍保持了传统的脉冲高压供油原理。直到90年代中期，一种新型的电控共轨式燃油喷射系统问世，抛弃了传统的脉冲高压供油原理，采用“时间-压力控制”式燃油计量原理，通过对公共油轨中油压的连续控制和各缸喷油过程的电磁阀控制相结合的方式实现对循环供油量的控制,才使柴油机的电控燃油喷射技术进入了一个新的发展阶段。 4.2国外柴油机技
