第1章 柴油机发展概述.docx

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第1章柴油机发展概述

第1章柴油机发展概述

现代汽车动力广泛采用汽油发动机和柴油发动机。

由于柴油发动机具有良好的燃油经济性（比汽油机省油30％左右）、可靠性、耐久性和CO排放低（比汽油机低45％左右）等优点而被广泛应用于轿车、货车、客车及各种专用汽车上。

特别是近20年来车用柴油机采用先进的电控高压共轨喷射技术，己使柴油机的一些缺点（如NOx排放、冒黑烟、噪声等）得到明显改善，排放己能达到欧洲IV号排放标准，备受人们亲昧，欧洲目前生产的轿车中，柴油轿车已经占50％以上。

柴油发动机（简称柴油机）的发展经历了发明、机械式燃油系统、增压和中冷以及电控柴油机几个历史阶段。

1.1狄赛尔（Diesel）发明柴油机

图1-1狄塞尔（Diesel）

1890年，德国工程师鲁道夫·狄塞尔（RudolfDiesel）（图1-1）第一个提出不用点火，采用压缩的方法，使喷入气缸的柴油着火的压燃式内燃机原理，并于1892年2月27日取得了专利。

1893年，狄塞尔试制出世界上第一台压燃式发动机——柴油机（图1-2），它的缸径150mm，往复行程400mm。

1898年柴油机投入商业性生产，热效率达26%，这是一项震惊世界的成就,后人为纪念他，称柴油机为狄塞尔发动机，狄塞尔为此获得了“人类最伟大的发明”金银纪念币奖（图1－3）。

1.2机械式燃油系统柴油机

柴油机使用的燃料是柴油，由于其蒸发性和流动性比汽油差，不能像汽油机那样在进气行程把汽油喷入进气管道，形成可燃混合气，进入气缸。

但柴油的自燃点比汽油低，所以采用在压缩上止点前直接喷入气缸，与空气混合，靠压缩着火燃烧。

由于柴油机混合气形成时间极短，只占150～350曲轴转角（按发动机转速3000r/min计，只占8.3×10-4～1.9×10-3s），可燃混合气形成十分困难；而且边燃烧边喷油，气缸内各处混合气浓度很不均匀，极易造成燃烧不完全，排气冒黑烟，动力经济性能下降等不良后果。

为了使柴油机能够在极短的时间内完成燃烧，必须采取柴油高压喷射方法，使其达到良好雾化，并结合空气涡流和燃烧室等其他措施。

柴油高压喷射方法，从柴油机发明一直到上个世纪八十年代，一直采用的都是机械方式。

根据高压喷油泵的不同，分有直列式、分配式和单体式三大类，汽车上主要使用直列式和分配式。

1.直列式喷油泵柴油供给系统

直列式喷油泵柴油供给系统如图1－4所示。

在输油泵3的作用下，柴油从油箱1被吸出，经过油水分离器2分离去柴油中的水分，再压向柴油滤清器6过滤，干净的柴油进入柱塞式喷油泵5，提高压力，再经高压油管8，送到喷油器9，以一定的速率、射程和喷雾锥角喷入燃烧室。

多余的柴油从回油管7流回柴油滤清器。

直列式喷油泵柴油供给系统的核心部件是直列式喷油泵，以其柱塞行程等参数不同分A、B、P、Z等系列，A型喷油泵外形结构如图1-5所示。

直列式喷油泵基本工作原理如图1－6所示。

当发动机运转时，通过传动机构驱动喷油泵凸轮轴转动，经挺柱体部件，克服柱塞弹簧的压力，推动柱塞在柱塞套内作上下往复运动。

柱塞下行时，燃油由柱塞套进油孔被吸入柱塞腔，柱塞上行时，进油孔关闭，油压迅速提高，当油压大于出油阀顶部压力时，出油阀打开，高压油喷出。

油泵凸轮轴每转一圈，每一缸出一次高压油。

直列泵的供油量靠调速器进行机械调节，供油时间则依靠喷油提前器进行机械调节。

2.分配式喷油泵柴油供给系统

分配式喷油泵柴油供给系统如图1－7所示。

在一级输油泵3的作用下，柴油从油箱被吸出，经油水分离器2分离去柴油中的水分和柴油滤清器6过滤，干净的柴油进入分配式喷油泵8内部的二级输油泵4提高压力，再送入分配式喷油泵增压，经高压油管到喷油器12，喷入燃烧室。

多余的柴油从回油管流回柴油滤清器或油箱。

分配式喷油泵柴油供给系统的核心部件是分配式喷油泵，以其结构特点分为VE（轴向压缩式）和VR（径向压缩式）两大类。

VE型喷油泵外形结构如图1-8所示。

图1-8VE型分配泵

分配式喷油泵基本工作原理如图1－9所示。

当发动机运转时，通过传动机构驱动喷油泵凸轮轴1转动，带动平面凸轮盘20作旋转和轴向运动。

当柱塞左移，柱塞进油槽与柱塞套的进油供相对时，燃油由柱塞套进油孔被吸入柱塞腔；当柱塞右移，进油孔关闭，油压迅速提高；当柱塞出油孔与柱塞套出油孔接通时，高压油顶开出油阀，高压油喷出。

对于四缸柴油机，柱塞转一圈，产生4次喷油。

分配泵的供油量靠调速飞锤6等调速器部件进行机械调节，供油时间则是依靠在喷油提前器活塞两侧油压变化，再进行机械调节。

1.3增压和中冷柴油机

柴油机采用增压和中冷技术，极大地提高了发动机的动力性能、经济性能和排放性能，改写了“排量大小决定功率”的传统概念，宣告了汽车产业一个新时代的诞生。

柴油机普遍采用的是废气涡轮增压，就是利用柴油机排气能量，将空气预先压缩后再供入气缸，以提高进气密度、增加进气量的一项技术。

由于进气量的增加，可相应地增加循环供油量，从而增加发动机的功率,一般可增加功率10％～60％，有的甚至成倍增长；同时增压还可以改善燃油经济性，降低有害气体排放，其CO和HC排放仅为非增压发动机的1/3～1/2。

1.废气涡轮增压柴油机

废气涡轮增压是利用发动机排气时的能量，冲击增压器涡轮机2（图1-10），使它高速旋转。

通过传动轴，带动压气机3也高速旋转，将空气增压，再经进气管进入气缸。

废气涡轮增压主要部件是涡轮增压器（Turbocharger），如图1-11所示。

2.可变几何截面涡轮增压器

废气涡轮增压器靠排气能量驱动，传统的涡轮增压器叶片是固定不可调的，所以当发动机转速较低时，排气能量比较小，此时有可能无法驱动增压器；在转数提升过程中，涡轮增压器的转子反应会相应的滞后于驾驶者的操作动作，出现“涡轮延迟”的现象；而在进入工作状态时，废气涡轮增压发动机会突然出现过于暴躁的动力表现。

为了改善上述现象发生，近年来研究出VTG（VariableGeometryTurbocharger）可变几何截面的涡轮增压器。

图1-12可变几何截面的涡轮增压器

可变几何截面的涡轮增压器在进口处的涡轮前面，设置了一组可调节的导流叶片，通过ECU电子控制单元控制导向叶片的角度，改变受力截面大小。

在发动机低速时则缩小导向叶片角度，提高涡轮转速，减缓涡轮迟滞，在高速时让导向叶片张开，加大与空气的接触面，大幅提升增压值，从而获得更大的功率和转矩输出。

奥迪从1995年即在TDI柴油机中使用先进的VTG（图1-12），使得涡轮增压器在发动机高低转速下都可以迅速准确的介入，增大进气压力，从而增强发动机动力输出。

3.增压柴油机中冷技术

由于进气增压，空气温度升高，导致实际进气充量减少，影响增压效果。

试验显示，增压空气温度每下降10摄氏度，柴油机功率能提高3%－5%，还能降低排放中的氮氧化合物（NOx），改善发动机的低速性能。

图1-13废气涡轮增压中冷

增压柴油机中冷技术即是在在废气涡轮增压系统中，增设一个进气冷却器（图1-13），也称中冷器，对进气进行冷却。

柴油机大都采用空气冷却式中冷器，利用管道将压缩空气通到一个散热器中，利用风扇提供的冷却空气强行冷却，可将增压空气的温度冷却到50℃～60℃。

1.4电控柴油机

柴油机电控燃油喷射系统的研究开发始于70年代，80年代进入应用阶段，90年代得到迅速发展。

它对提高柴油机的动力性能、经济性能、运转性能和排放性能都产生了极大的影响。

传统的柴油喷射系统是采用机械方式进行喷油量和喷油时间调节和控制，由于机械运动的滞后性，调节时间长，精度差，喷油速率、喷油压力和喷油时间难于准确控制，导致柴油机动力经济性能不能充分发挥，排气超标。

研究表明，一般机械式喷油系统对喷油定时的控制精度为20左右曲轴转角。

而喷油始点每改变10曲轴转角，燃油消耗率会增加2％，HC排放量增加16％，NOX排放量增加6％。

与传统的机械方式比较，电控柴油喷射系统具有如下优点：

（1）对喷油定时的控制精度高（高于0.50曲轴转角），反应速度快；

（2）对喷油量的控制精确、灵活、快速，喷油量可随意调节；可实现预喷射和后喷射，改变喷油规律；

普通喷油系统中压力的产生和喷油量的计量是通过凸轮和供油柱塞来实现的,导致喷油压力随转速和喷油量的增加而升高；在喷油过程中喷油压力上升，但到喷油终了时又降低到喷油嘴关闭压力；小喷油量时的喷油压力较低而峰值喷油压力是平均喷油压力的两倍以上。

电控喷油系统，尤其是高压共轨喷油系统，在发动机任何工况，喷油压力和喷油量的确定都互为独立的，可实现喷油规律的灵活改变。

喷油规律是指单位时间喷油器喷入燃烧室的油量随时间而变化的关系。

在普通的分配泵和直列泵喷油系统中，只有主喷射而没有预喷射和后喷射，而在高压共轨喷油系统中，可灵活实现主喷射、预喷射和后喷射。

图1-14无预喷射时的喷油器针阀升程

和压力特性曲线

在无预喷射时的压力特性曲线（如图1-14）中，在上止点前的范围内，压力上升尚较平缓，但随着燃烧的开始压力迅速上升，达到压力最大值时，形成一个较陡的尖峰。

压力上升幅度的增加和尖峰导致柴油机的燃烧噪声明显提高。

有预喷射时，少量燃油（1～4mm3）喷入汽缸，促使燃烧室产生“预调节”，从而改善燃烧效率。

压缩压力由于预反应或局部燃烧而略有提高，因此缩短了主喷油量的着火延迟期，降低了燃烧压力上升幅度和燃烧压力峰值，燃烧较为柔和。

这种效果减小了燃烧噪声和燃油耗，许多情况下还降低了排放。

有预喷射的压力特性曲线（如图1-15）中，在上止点前范围内，压力值略高，但燃烧压力的上升变缓。

与预喷射和主喷射不同，后喷射在主喷射之后的做功行程或排气行程中进行，燃油在汽缸中不会燃烧，而是在废气中剩余热量的作用下蒸发，带入NOx催化器中作为NOx的还原剂，以降低废气中NOx的含量。

图1-15有预喷射时的喷油器针阀升程

和压力特性曲线

后喷可分为早后喷和次后喷（如图1-16所示）。

早后喷非常靠近主喷，可燃烧并能产生转矩．主要用于燃掉燃烧室残余的炭烟颗粒，炭烟排放可因此进一步减少20％～70％。

次后喷则相对远离主喷．一般在上止点后200曲轴转角范围内喷射，喷出的燃油不燃烧（即不产生转矩），但会被排气余热蒸发，主要用于为柴油机氧化催化器提供HC．被氧化后发生放热反应以增加排温．亦可用于后处理系统中的再生反应．如颗粒捕集器（DPF）和NO储存催化器（NSC）。

图1-16多次喷射电流与速率

由于主喷与预喷以及后喷之间的时间间隔因工况要求而不同，如何实现灵活的多次喷射控制能力对改善柴油机的综合性能和排放将非常关键，Bosch目前广泛应用于中国商用车市场的第二代电控高压共轨系统（CRSN2）可实现每循环5次喷射，即2次预喷，1次主喷，2次后喷，而更先进的第三代共轨系统（CRSN3）则可实现每循环7次喷射。

（3）喷油压力高（高压共轨电控喷油系统高达200MPa），不受发动机转速影响，优化了燃烧过程；

（4）无零部件磨损，长期工作稳定性好；

（5）结构简单，可靠性好，适用性强，可以在新老发动机上应用。

电控柴油机按控制方式看，已经历了3代变化。

1.4.1第一代电控柴油机——位置控制系统

第一代柴油机电控喷射系统是采用凸轮压油+位置控制方式，基本原理如图1-17所示。

它不改变传统的喷油系统的工作原理和基本结构，只是采用电控组件，代替调速器和供油提前器，对分配式喷油泵的油量调节套筒或柱塞式喷油泵的供油齿杆的位置，以及油泵主动轴和从动轴的相对位置进行调节，以控制喷油量和喷油定时。

其优点是无须对柴油机的结构进行较大改动，生产继承性好，便于对现有机型进行技术改造；缺点是控制系统执行频率响应仍然较慢、控制频率低、控制精度不够稳定。

喷油速率和喷油压力难于控制，而且不能改变传统喷油系统固有的喷射特性，因此很难较大幅度地提高喷射压力。

图1-17凸轮压油+位置控制方式

第一代柴油机电控喷射系统的典型产品是德国Bosch公司1986年投产的VE-EDC电控分配泵，其产品多达778种，其中VP37电控分配泵产量占80％。

还有日本Zexel公司的Covec-1电控分配泵，日本电装公司的ECD-V1电控分配泵，它们都是以Bosch公司机械式VE分配泵为基础，加上电控机构改装而成。

而英国Lucas公司的EPIC电控分配泵和美国Stanadyne公司的电控分配泵分别是以DPA和DB机械式分配泵为基础发展而来。

1.4.2第二代电控柴油机——时间控制系统

图1-18凸轮压油+电磁阀时间控制方式

第二代柴油机电控喷射系统是采用凸轮压油+电磁阀时间控制方式，工作原理如图1-18所示。

该系统利用柱塞泵提供高的供油压力，再利用高速电磁阀控制回油代替传统的机械方法控制回油。

这样，根据电磁阀起作用的时间长短确定供油量大小，根据电磁阀起作用的时刻控制喷油提前角，从而实现喷油量和喷油定时的高频控制。

它具有直接控制、响应快等特点。

还有一种电控泵喷嘴系统，其工作原理与上述一样，只是将喷油泵和喷油器合为一体，取消了高压油管，电磁阀仍位于泵体的上方。

第二代柴油机电控喷射系统的典型产品是德国Bosch公司1998年投产的VE-MV电控分配泵（具体型号为VP30），其主要特点是综合性能好，可灵活预喷射，嘴端压力可达120MPa,比第一代的VP37提高了38％，可以满足欧Ⅲ标准，降低了发动机的噪音水平。

除此还有日本Zexel公司的Model-1电控分配泵、日本电装公司的ECD-V3电控分配泵和美国Stanadyne公司的DS系列电控分配泵。

1.4.3第三代电控柴油机——高压共轨系统

高压共轨（CommonRail）系统是指由高压油泵、压力传感器和电子控制单元（ECU）组成的闭环系统中，将喷射压力的产生与喷射过程彼此完全分开的一种供油系统。

图1-19高压共轨系统

高压共轨系统原理如图1-19所示，它不再采用传统的柱塞泵分缸脉动供油原理，而是用一个设置在喷油泵和喷油器之间的具有较大容积的共轨管，把高压喷油泵输出的燃油蓄积起来并消除压力波动，再输送到每个喷油器，通过控制喷油器上的电磁阀（或压电执行器）实现喷油的开始和终止。

电磁阀起作用的时刻决定喷油定时，起作用的持续时间和共轨压力共同决定喷油量，可同时进行喷油时间压力控制，实现了压力建立和喷射过程的分离，从而使控制过程更具有柔性，能更准确地实现小油量的精确控制，更好地实现多次喷射，改变喷油规律。

由于高压共轨技术的众多优点，其发展相当迅速，短短十几年已经历3代产品变化。

第1代共轨柴油喷射系统采用电磁式喷油器，高压油泵采用压力调节阀调节油压，最高喷油压力在135-145MPa，油泵总是工作在最大供油量状态，功率消耗大，还导致燃油温度升高。

第2代共轨柴油喷射系统采用输油量控制方式调节油压，根据发动机需求而改变高压油泵的输油量，最高喷油压力提高到160MPa，使发动机性能得到一定改善。

第3代共轨柴油喷射系统的标志是采用压电晶体式喷油器（piezoinlineinjectors），阀针质量减轻到电磁阀式喷油器针阀质量的四分之一，阀针反应速度快。

能够实现预喷油和在一个工作行程里实现多次喷油，喷油过程得到了更加精确地控制，喷油压力可在20-180MPa范围调节。

与前两代产品相比，显著提高发动机动力，减少燃油消耗，降低尾气排放和噪音。

目前世界上主要有三大公司在研发和生产柴油机高压共轨系统，日本电装、德国博世和美国福特。

高压共轨系统在国外已得到普遍应用，目前在欧洲新销售的轿车中使用高压共轨系统柴油机的已占50%。

1996年，博世公司设计和生产了第一台径向分配泵（VP44）高压共轨系统，嘴端喷射压力可达180MPa，目前在欧洲乘用车和轻型车柴油机上已得到普通应用，如德国戴姆勒-奔驰公司C系列轿车、意大利AlfaRemeo156轿车、德国大众的奥迪3.3L型V8涡轮增压柴油机、美国通用公司与日本五十铃公司合资生产的Duramax6600柴油机及美国康明斯公司的ISBe3.9L和5.9L全电控柴油机等。

德尔福与西门子分别在1998年和2000年推出轿车MultecDCR1400共轨系统，采用径向柱塞转子式供油泵，德尔福公司的喷油器电磁阀设计在喷油器内，使得喷油器体积更小巧；西门子喷油器采用压电执行器，响应时间更短；而日本电装公司在1991年研究开发出的ECD-U2第一代产品，并于1995年匹配Hino的J08C柴油机、五十铃的6HK1柴油机，经过多年的改进与完善，最新压电式（piezo）共轨系统产品已用于轿车的ECD-U2P系统，压电执行器代替了电磁阀，得到了更加精确的喷射控制。

没有了回油管，在结构上更简单。

压力从200～2000bar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。