从沃尔沃发动机的发展谈减排技术

1、从沃尔沃发动机的发展谈节能减排技术杨政（钻前工程中心）摘要：为满足发动机节能减排的需要,沃尔沃发动机技术持续改进，经丿力了机械控制式燃汕喷射系统、 机电结合式燃汕喷射系统、电控燃汕控制系统三种方式，提高了发动机的工作性能和燃汕经济性，并且减少了 排放污染。关键词：机械控制式机电结合式电控发展趋势scr技术1、前言柴油机的发明给人类带来了极大好处，也带来了许多问题。人们在享受汽车带 来的便利同时，石油供给危机逐渐显现、人类赖以生存的环境日益恶劣。为了解决 这两个问题，发动机设计工程师研发了能够满足有关法定法规的发动机技术，发动 机技术不断发展，提高了发动机的工作性能和燃汕经济性，并且减少了排放污

2、染。木文通过简要介绍沃尔沃发动机技术的三个发展过程：机械控制式燃油喷射系 统、机电结合式燃油喷射系统、电控燃油控制系统三种方式，使人家了解冃前沃尔 沃发动机所使用的减排节能技术，以及现代发动机技术的发展趋势。2、机械控制式燃油喷射系统机械控制式燃油喷射系统分为两种：机械式宜列泵燃油系统、机械单体泵燃油 系统。（1）机械式直列泵燃油系统机械式直列泵体积较大，每个气缸对应一个分泵（六个分泵合成为一体泵），每 个分泵与对应缸之间通过高压油管连接与喷油器连接，定时定量以一定的压力使喷 油器向气缸内喷射雾化的燃油。直列泵该系统多采用机械离心式调速器，可靠性较好，但精度较差。操作者通过油门 控制调速器弹簧

3、的预紧力，飞锤离心块产生的离心力与弹簧力相互制约，保持动态 平衡。弹簧力将油量控制机构向供油量增加的方向移动，供油量增加使柴油机加速, 同时调速器飞僦离心块的离心力也增加，离心力使油量控制机构向减油的方向移动, 制约转速的增加，油门位置与调速弹簧预紧力对应，弹簧预紧力与转速和对应，从 而达到控制转速的目的。该系统的缺点是：一旦调速器失灵或油量控制机构卡住、断开，极易造成柴 汕机“飞车”；喷汕压力为25-28mpa,不利于柴汕充分地雾化燃烧。加速时烟色 较深，燃油利用率和尾气排放标准较低。沃尔沃的老机型大都采用采用机械育列泵喷油系统，主要有twd710g. twd1210g. twd1211g,

4、这些旧机型由于不能满足排放要求，己不再生产。（2）机械式单体泵燃油系统沃尔沃发动机520/720系列发动机采用的是bosch机械式单体泵燃油系统。单体喷油泵系统-t（a）d 520 / 720 geu啖油泵2）高压油管3）发动机缸体4）垫片5）滾轮式挺柱6）凸轮轴7）燃油油議调节齿杆8）魅油油道9）喷油器10）预热事单体泵每个机械式单体泵相当于直列泵的一个分泵，该系统的高压油管极短，其设计压力有可能实现非常高的喷射压力（1100-1600bar）,从而做到实现低排放和低燃汕消耗的基础。缺点是高压油管承受压力极高，容易损坏，如果将高压油管拆下就不能再用，若重装高压油管，就有缩小高压油管孔径的危险

5、，将带来发动机功率损失, 因此不能通过松开高压油管螺帽来排空气。520/720系列发动机的喷射压力为1200bar,喷油器开启压力为275baro喷油泵 t（a）d 520 / 720 ge3、机电结合式燃油喷射系统沃尔沃的机电结合式燃油喷射系统又分为电子调速和edc4两种燃油控制系统,它们共同特点是在机械控制式燃油喷射系统之上分别配置了电子调速器装置或edc4控制单元，使得燃油喷油量的精确度和调速精确度大大改善。(1)电子调速燃油控制系统沃尔沃tad 1032ge/tad1232ge/tad1631 ge系列发动机采用了电子调速系统，它是在机械直列泵基础上加装了电了调速器装置，见下图。电子调

6、速的燃油系统个基本的gac调速till匚部分组成1 e轮齿圈卡z 1,1电子执行器与发动机的喷油泵连接电子转速控制单元将发动机即时转速与期望 转速相比较，向电子执彳f磁性转速传感器通过向转速控制单元 发岀頻率信号d测 发动机转速由于电子调速控制单元的性能比较稳定，运转平稳，烟度降低，该系统的工作性能和经济性能比机械式直列泵冇所提岗。(2) edc4燃油控制系统沃尔沃tad721/722/732/733系列发动机则采用了 edc4控制系统，它是在机械 控制单体泵的基础上，配置了 edc4燃油控制单元，见下图。tad721/722/732/733水温系统供电速度输出揉作通讯界而油门控制功能按键起、

7、停按钮指示灯诊断 l诊断界面 j1708/1587总线通讯 can 总线(j1939)机器连接线界面銭(客户门接)edc4燃油控制系统沃尔沃edc4控制系统技术比电子调速控制单元更先进，功能更完善也更强大。edc4燃油控制系统根据进气压力传感器2、转速传感器7等输入信号控制执行器1, 使得燃汕喷汕量的精确度和调速精确度大大改善。main comp on ents and diagnostic interface1. acluator2 buixsl3. coolanl temperature4. coolant level5. oil pressure6. fuel temperature7.

8、 engrw speed camshaftvodiaedcivedc4燃油控制系统功能强人z处主要体现在： edc4具有诊断功能，根据机油压力传感器、进气压力传感器、冷却液位传感 器、燃油温度传感器等输入信号判断发动机的故障，口动报警或停机。 用vodia诊断工具与edc4控制系统连接还可实现参数测试、故障诊断、参数 调整以及程序刷新的功能，使edc4控制单元的维护变得方便。4、电控燃油控制系统该系统利用各种传感器将柴油机运转时的转速、气压、油压等工况参数转化成 电信号送给ecu控制单元，经程序处理后ecu将指令传送到执行机构进行控制，通 过不断的反馈修正使柴油机的t况接近于理想状况。电控喷油

9、系统可以实现喷油率 的智能控制。电控燃油控制系统又可分为电控泵喷嘴喷油系统和电控高压共轨喷油系统。(1)电控泵喷嘴喷油系统电控泵喷嘴喷油系统是以机械式控制单体泵、喷油器和电磁阀合成一体，乂称电控泵喷嘴，利用泵喷嘴上的电磁阀的开闭控制泵喷嘴喷油的开始和关闭。电控泵喷嘴喷油系统泵油方式是通过摇臂压动柱塞，工作过程分为三个阶段：进油、溢油和喷油。泵喷嘴进油、溢油阶段a进油阶段。在进油阶段，泵柱塞上行。电磁阀此时失电，燃油阀处于开启位 置。此时燃油可以被从燃油道中吸入，经燃油阀进入泵柱塞腔。整个进油过程将一 直持续到泵柱塞到达到最高位置。凸轮滚过最高点，摇檸回到凸轮轴的基园位置。b溢油阶段。在凸轮轴转

10、动到英屮的凸轮开始通过摇臂向下压挤泵柱塞时开始。燃油通过燃油并流回到燃油道里。只耍燃油阀不关闭整个溢油过程就会持续。泵喷嘴喷油阶段c喷油阶段。当电磁阀得到发动机ecu控制单元输出的电压信号后，燃油阀关 闭后，喷油阶段就开始了。此后凸轮继续向下挤压泵柱塞。由于流经燃油阀的通道 被关闭，燃油开始蓄压。当压力足以打开喷嘴时，喷油就开始了。d失压阶段。在ecu控制单元认为发动机己经获得了足够的燃油并切断给电磁 阀的脉冲电流后，电磁阀瞬时失电，燃油阀处于开启状态，燃油流冋燃油道。燃油压 力迅速消失，喷嘴关闭，喷油随即停止。（注意：电磁阀关闭的时间长短决定了供油 量的大小）电控泵喷嘴的特点： 电控泵喷嘴山

11、于取消了高压油管，所以容易产生高喷油压力。电控泵喷嘴的 喷油压力可高达2050bar,有利于减少油耗、提高经济性。 曲于采用电控系统，使系统控制灵活。通过电磁阀的两次动作可实现可控了 喷射，大大降低了噪音和振动，并改善排放。 由于电控泵喷嘴及驱动装置都女装在气缸盖上，将低压的进、回油道都设置在气缸盖内，使发动机结构紧凑，外形减小。沃尔沃 tad941ge/tai) 1241ge/tai) 1641 /tad 162ge/twd1643ge 系列发动机釆用 了 电控泵喷嘴燃油喷射系统。(2)电控高压共轨喷油系统电控高压共轨喷油系统是在缸盖上安装了一个燃油轨，燃油轨是一个长管状密 闭容器，各缸喷汕

12、器都通过高压汕管安装在这个容器上，共同使用这一燃汕轨，即 所谓共轨。燃油泵通过单向阀向共轨内部不断泵入柴油产生高压，类似于制动系统 的储气罐。高压共轨的一端有一个安全阀，用来避免过高的压力，通常该阀被称为 prv ( pressure relief valve)阀；在另一端有一个共轨圧力传感器，其信号输入 ems2 , ems2计算出下一瞬间应该给mprop阀多大的信号量，并通过控制电磁阀的 适当开启泄油以调节共轨内的压力。共轨内的压力就是喷油器的喷油压力，可达 500160mpao电控高压共轨喷油系统系统按如下工作： 燃汕从汕箱被吸入预滤器 燃油被由皮带驱动的输油泵加压，输油泵有内置的泄放阀

13、以避免超高压力 燃油在细滤器里被进一步过滤。 燃油进入fcu （ fcu ,即fuel control unit单元，乂可称为"mprop阀体”）,并受l±l ems2控制单元所控制的mprop阀调节。ca燃油进口 b流出到高压油泵c流回油箱 被调节了的燃油量进入高压油泵，并被加压到最高可达1600巴。燃油压力的 建立取决于进入高压油泵的燃油量。 高压燃油在共轨屮贮存并被分配进入各个喷油器。高压共轨的一端有一个安 全阀，用来避免过高的压力，通常该阀被称为prv （ pressure relief valve）阀; 在另一端有一个共轨压力传感器，其信号输入ems2 ,用来计算

14、下一瞬间应该给 mprop阀多大的信号量，以获得所要求的燃油共轨压丿j。 各个喷油器在ems2供给信号时打开，信号断开时关闭。 冋油通过缸盖流出并流冋油箱。缸盖冋油看上去与d12/d9/d16的冋油通道一 样。为防止燃油进入发动机稀释发动机机油，喷油器在缸盖内有两个0型密封圈（与 d12/d9/d16 相似）。油压的产生方式与柱塞泵的完全不同。供油止时由喷油器电磁阀的开启时刻控 制，喷油量山电磁阀的持续开启吋间控制，所以该系统既不需要捉前器也不需要调 速器。该系统的正常工作要求其喷油器电磁阀必须能够准时快速可靠地开闭，并且能承受长期高频率开闭的工况。电控高压共轨喷油系统的柴油机动力性较好、省油

15、，加速时无烟色发黑的现象, 但是电控装置的成本较高。沃尔沃tad734getad750ve/tad760ve发动机采用了电控高压共轨喷油系统。5、沃尔沃发动机技术的发展趋势电控泵喷嘴和共轨系统有着各自的优势，电控泵喷嘴最人的特点是容易实现高 压喷油，而共轨系统在控制喷油量及实现多次喷射等方面的由度人。至于将来哪 种系统会成为喷油系统的主流这将取决于排放法规的要求会严格到什么程度以及新 柴油机燃烧系统和排气后处理装置的开发等。为了满足tier 4 interim /stage 3b排气法规屮的法定排气要求，沃尔沃设 计工程师在tad56x/tad76x系列共轨系统发动机，以及tad136x / tad166x、twd166x 系列电控泵喷嘴发动机等都采用了先进的scr技术（选择性催化还原），显著地减少 了氮氧化物和颗粒物质的排放。po0v66o9scr主系统1尿素罐24电源模块(sm)57定量模块(dm)810氮氧化物传感器,液位/温度单元 湿度传感器 温度传感器 排气管出口3加热阀6挠性软管(不锈钢)9 scr消音器整个scr系统由发动机控制单元(midi28)进行控制，英屮发动机控制单元通过 第二控制单元