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顶级越野之心—详解丰田D4D柴油机

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俱乐部编辑陈 发表于 2013-5-1 15:32 |显示全部帖子

柴油发动机与汽油发动机之间,虽然只相差一字,实际在构造和原理上却有很大区别。柴油发动机以其自身特点具备很多优势:如高扭矩,出色的经济性,极强的耐用性。在大型车辆和越野车上,这些优势是汽油发动机很难具备的。故而很多越野爱好者对其青睐有加。

传统柴油发动机由于功率小,震动大,低温点火困难,污染严重,体形笨重等问题,使它只能被使用在一些大型车辆和少数越野车身上。然而随着技术的发展,这些难题都被相继攻克。如今,柴油发动机已经被广泛应用在各种车型上。接下来,我们就为大家深入解析,柴油发动机最杰出的代表之一,丰田D4D。(感谢e族网友“谭木匠”在论坛帖中精彩的发言和热情帮助)


关于D4D

D4D是丰田一种柴油发动机的技术称谓,不是发动机的型号。D4D的全称是:Direct Injection 4Stroke Diesel Engine,意思是直接喷射的4冲程柴油发动机,在柴油发动机种类中,属于Common Rail Diesel Engine,也就是高压共轨柴油发动机技术。

丰田D4D发动机有很多种型号,如装配在LC200及澳洲版LC7系上的柴油发动机,型号是1VD-FTV;装配在LC150上的D4D柴油发动机的型号是:1KD-FTV;丰田全系多款柴油车应用的都是D4D发动机,以LC200上的1VD-FTV为例。

丰田1VDFTV引擎是丰田生产的制造的第一款V8柴油发动机。这是32气门双顶置凸轮轴高压共轨燃油喷射和一个或两个可变几何涡轮增压器构成的。2007年3月在澳大利亚首次使用了这台发动机的单涡轮增压版,装配到70系列的陆地巡洋舰车型。澳洲大陆是此版本的引擎在全球可用的唯一市场。双涡轮增压版在2007年9月第一次使用,装配在LC200系列的陆地巡洋舰车型上,在不同的全球市场中都是可用的。

发动机型号:1VD-FTV

类型:V8双顶置凸轮轴32气门中冷涡轮增压柴油

排量:4,461cc(272cuin)

压缩比:16.8:1

缸径(mm):86x96

燃油系统:高压共轨直接喷射

最大功率:单涡轮:151kW(202hp)@3400rpm;

双涡轮:195kW(261hp)at3400rpm

最大扭矩:单涡轮:430N·m(317ft·lb)@1200-3200rpm;

双涡轮:650N·m(479ft·lb)@1600-2600rpm

综合油耗(ADR81/02combined):单涡轮:11.9l/100km(23.7mpg-imp;19.8mpg-US);

双涡轮:10.3l/100km(27.4mpg-imp;22.8mpg-US)

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俱乐部编辑陈 发表于 2013-5-1 15:32 |显示全部帖子

D4D柴油发动机技术

关于丰田的D4D柴油发动机的高压共轨直喷、电控、中冷、涡轮增压等技术,下面来一一介绍。

共轨直喷技术概述

共轨直喷技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中,将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式,由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管,通过对公共供油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无关,可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化,因此也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量,喷油量大小取决于燃油轨(公共供油管)压力和电磁阀开启时间的长短。

要解决柴油发动机震动噪音大的问题,就必须将其最主要的根源问题解决。前面说过,柴油发动机震动噪音大,主要是因为爆震和机械式油泵,前者与精准控制喷油量有关,后者则直接与油泵本身有关,于是用电子泵取代机械泵便成为一种必然。这种电子泵的结构与活塞往复式的机械泵不同,它是靠涡轮叶片的旋转来将燃油泵入燃烧室的,电子泵工作原理与汽油泵类似,但强度和产生的压力要大得多。高压共轨技术普通的柴油发动机每个喷油器要对应一个油泵,这也是产生噪音的根源之一。

D4D采用共轨技术,达到只用一个油泵就可以实现整个发动机的供油。共轨技术与汽油发动机上的多点电喷类似,在一根“共轨”上安装四个(对应四缸发动机)喷油器,然后有一个油泵向“共轨”中供油。而喷油器的开启和关闭,则是靠电脑来控制的,这个原理与电喷汽油发动机类似。这样一来,由于机械泵产生的噪音就杜绝掉了。电子泵的供油压力要比机械泵大得多,这使得缸内直喷得以实现。我们在了解到汽油发动机缸内直喷技术的时候,常常会说到这项技术源自柴油发动机,而事实上,直接在缸内喷射的柴油发动机只有在实现电子泵以后才真正得以实现。这也是因为柴油发动机的压缩比很高,压缩冲程的压力比汽油发动机大很多,这需要超高的喷油压力,这在之前的机械泵是无法实现的

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俱乐部编辑陈 发表于 2013-5-1 15:32 |显示全部帖子

总体来说,D4D的直喷共轨技术是靠一台电子泵带动整个发动机的供油,简化了结构;供油压力不再随发动机转数而变化,实现了对喷油的精确控制;同时相比机械泵,大幅度降低了噪音;由于供油系统能产生更大的压力,实现了缸内直喷加强了经济性和动力性。

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俱乐部编辑陈 发表于 2013-5-1 15:32 |显示全部帖子

电控技术

传统柴油发动机的喷油器是被动工作的,也就是油泵在有压力的时候,就会因压力而将柴油喷入汽缸。这种完全由油泵控制的喷油过程。自然无法实现电脑控制喷油,这种方式从某种程度上说,和采用化油器的汽油发动机类似,因为它们都无法实现对于喷油量的精确控制。而D4D采用的喷油器是靠电磁阀控制的,喷油正时和喷油量,都可以由电磁阀根据ECU发出的指令来精确控制,这就好比汽油发动机的电喷技术一般。不仅如此,D4D发动机还可以实现柴油发动机的闭环控制,这在之前的柴油发动机是不存在的。氧传感器等传感部件将尾气情况反馈给ECU,从而可以根据尾气判断燃烧状况,进而进一步调整供油浓度,实现混合气的充分燃烧。

这种精准的供油控制,再加上电子泵产生高压下的喷油压力,使得发动机缸内产生的强大涡流可以使雾状柴油与空气充分混合,这样一来可以最大程度地减小爆燃的几率。这种综合技术的采用,从根本上大大降低了柴油发动机的震动和噪音。

简单来说,柴油机的电控技术和汽油机的电喷技术类似。是通过各方面的电子监控,实现对发动机运转的精准控制。相较传统柴油机,有了飞跃式的进步。

涡轮增压技术

D4D的另一项技术则是涡轮增压,这种技术现在已经被广泛运用在许多汽油发动机上,但实际上它在柴油发动机上采用的意义要比汽油发动机大得多。柴油的抗爆性远高于汽油发动机,这使得涡轮增压技术最大的问题得以很好地解决,那就是被压缩的空气更容易引起爆燃。在柴油发动机上配备涡轮增压技术,可以让发动机的工作效率进一步提升。被压缩的混合气在汽缸内的浓度比自然吸气的发动机要大得多,再加上伴随的高温高压,这些混合气可以得到进一步的充分燃烧,从而获得更大的升功率和排放更少的有害气体。

增压中冷技术就是当涡轮增压器将新鲜空气压缩经中段冷却器冷却,然后经进气歧管、进气门流至汽缸燃烧室。有效的中冷技术可使增压温度下降到50℃以下,有助于减少废气的排放和提高燃油经济性。


涡轮增压技术非常适合柴油发动机,汽油发动机在涡轮增压技术上极难克服的难题正是柴油发动机的优势所在。柴油发动机让涡轮可以发挥最大作用,吸入足够多的空气以混合柴油。使柴油机功率大幅度增加,同时减少油耗和污染。

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俱乐部编辑陈 发表于 2013-5-1 15:32 |显示全部帖子

D4D柴油发动机的优势

通过这些新技术的采用,使得D4D成为一款非常适合豪华SUV使用的柴油发动机。虽然它的震动噪音仍然会比同技术含量的汽油发动机大一些,但是通过好的平衡技术、发动机减震技术以及发动机舱的隔音降噪技术,在实际驾驶采用这种柴油发动机车型的时候,基本上感觉不到与汽油发动机明显的区别。

在性能方面与汽油发动机越来越接近的同时,D4D这种柴油发动机依然很好地保留了柴油发动机的特有优势。柴油发动机得益于超高的压缩比,从而可以获得比汽油发动机更高的燃烧效率,最直接的好处就是可以有效降低燃油消耗。同等动力条件的柴油发动机,可以比汽油发动机节省30%以上的燃油消耗。

D4D发动机缸体采用氧化铸铁材料达到长期耐用性。缸头是轻质铝合金,发动机缸体是铸铁合金。双顶置凸轮轴驱动的齿形带可自动平稳、更安静的运行,最大能保证150000公里行驶里程无需更换,大大降低了使用成本。先进的废气循环装置(EGR)可以降低氮氧化物排放量。步进电机阀可以更精确地控制总量并通过废气再循环冷却水的使用降低了废气的温度,最大程度的进行了再循环。双催化器装置进一步降低了NOx等有害物质的排放。

转换器安装在排气歧管,使用薄壁衬底,使氧化催化剂可以更快加热,这样确保即使废气在低温时也能释放出清洁气体。丰田工程师利用先进的计算机分析(有限元方法)研究整个车体的噪音和震动。将其减至最低。通过重塑后部表面,最佳定位缸梁并改进缸壁厚度,发动机缸体已被大大强化。这些措施不仅降低噪音,也使发动机更经久耐用。空气滤清器增大了尺寸以减少空气进气噪声,在排气端,在水落管与主排气口之间加入了一个小球用于减少振动。

其他有害气体的排放方面,D4D柴油发动机则具备明显的优势,特别是欧洲日益严酷的二氧化碳排放问题,D4D柴油发动机可以比汽油发动机减少近45%,这可是非常可观的数据。这种让人最为头痛的温室气体,是无法通过其他回收装置解决的,也是欧洲环保法规对于这一项排放要求越来越严苛的主要原因。

D4D柴油发动机一路发展至今,既克服了柴油发动机的众多缺陷,又以其高扭矩,高可靠性,高燃油经济性,低污染的种种优势,被广泛应用在丰田各类车型上。同时由于非常适用于越野车型,甚至被一些越野车迷奉为“神器”,也就不足为奇了。

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