丰田D4D发动机技术研究

陆地巡洋舰车友会2019-06-26 11:40:27

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 4 Stroke 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;下面我们重点介绍1VD-FTV。

丰田 1VD FTV 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LC 200 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: 4,461 cc (272 cu in)
压缩比: 16.8:1
缸径 (mm): 86 x 96
燃油系统: 高压共轨直接喷射
最大功率: 单涡轮: 151 kW (202 hp) @ 3400 rpm;

双涡轮: 195 kW (261 hp) at 3400 rpm
最大扭矩: 单涡轮: 430 N·m (317 ft·lb) @ 1200-3200 rpm;

双涡轮: 650 N·m (479 ft·lb) @ 1600-2600 rpm
综合油耗(ADR81/02 combined):

单涡轮: 11.9 l/100 km (23.7 mpg-imp; 19.8 mpg-US);
双涡轮: 10.3 l/100 km (27.4 mpg-imp; 22.8 mpg-US)




在我们深入了解D4D发动机之前,先来回顾一下柴油发动机的简单概况。

柴油和汽油都是石油的提取物,而且都用于车用内燃机,但是它们之间却有着巨大的特性差异。汽油是一种非常易燃的油品,一个小小的火星就可以将一大桶汽油引燃。而柴油则不行,甚至用明火去点,在没有引火物的情况下,柴油自身并不会被引燃。这就是二者发火性之间的差异。
也是基于柴油的这种发火特性,使得柴油在抗爆性方面比汽油有着很大的优势。如果注意过柴油发动机和汽油发动机压缩比的人应该有印象,通常柴油发动机的压缩比要比汽油发动机的高一倍以上,就是得益于柴油的抗爆性好。高压缩比的好处显而易见,它可以让燃烧更为充分。汽油发动机的进步其中有一项就是
压缩比的逐步提高,这也使得汽油的抗爆性越来越高,98号汽油的高昂价格已经说明高抗爆性汽油的成本之高。即便如此,普通燃烧方式的汽油发动机有11以上的压缩比就很不错了,而柴油发动机的这个数字常常能够超过20。这无疑有利于充分燃烧,柴油发动机普遍比汽油发动机更省油的主要原因也在于此。
  柴油的燃烧速度比汽油慢得多,这使得柴油混合气点燃的速度要慢于汽油混合气,.常规的柴油发动机响应慢,也是因为柴油的这个特性导致的。另外柴油的挥发性也要比汽油慢,因此它不能像汽油发动机那样通过进气负压来吸进混合气,而是需要通过高压油泵来将雾化的柴油压人汽缸内,才能与空气充分混合。
所有以上这些柴油与汽油的特性差异,导致柴油发动机的整体设计与汽油发动机完全不一样,它们的性能特点也有着很大的区别。传统的柴油发动机
扭矩很大,可靠性也非常高,但功率小、响应差、低温点火困难、污染严重等等,而且其震动噪音大,因此常常只能被一些载货汽车采用,少数硬派越野车也会采用这种柴油发动机,但对于注重舒适的轿车或者公路SUV而言,在过去是很少有柴油发动机版本的。
  传统柴油机给人这种印象是因为技术特性决定的。如前面所说,柴油的挥发性差,不能通过进气负压被动吸人汽缸,因此柴油发动机必须靠油泵将燃油泵入汽缸内。所有的柴油发动机都采用高压缩比设计,因此对于油泵的能量要求也很高。在民用车柴油发动机以前,几乎所有的柴油发动机都是采用机械泵喷射的,它分为总泵和分泵两部分,目的也是为了获得足够的泵油压力。这种活塞往复式的机械泵是靠凸轮来驱动的,凸轮的能量则源自曲轴。每个汽缸会有一个喷油器,每个喷油器又必须匹配一个油泵,这使得整台发动机的油泵数量很多。这种机械油泵不仅供油压力有限,而且它们都是纯机械式的,在往复运动以及与凸轮发生作用的时候,会产生巨大的噪音,这是传统柴油发动机噪音大的原因之一。
柴油发动机是靠压燃式的,也就是在压缩行程的末端,被压缩的空气产生高温高压以后,油泵将柴油以雾状喷人汽缸内自燃。这种“点火”方式如果发生在汽油发动机上,就相当于
爆震。事实上,柴油发动机的爆震是不可避免的,它需要靠这种方式来实现混合物的点燃。柴油发动机之所以震动和噪音明显大于汽油发动机,主要就是基于这个原因。
对于爆震本身任何内燃机都是不希望看到的。对于柴油发动机而言,它的点火依靠爆震,但作为设计师而言则希望这个爆震控制在能够点火的临界点即可。多余的爆震自然会增加震动和噪音,乃至影响工作效率。传统柴油机纯机械式的泵油方式,很难做到精准控制,这使得爆震也难以精准控制,所以这类发动机的震动和噪音都异常强烈。很好理解,难以精准控制的喷油量,使得空燃比实现精准控制也变得不可能,因此传统柴油发动机很难做到精确燃烧,排放加剧以及燃烧效率下降也就很自然了。
从上面的介绍可以看出,传统柴油发动机的特点:热效率和经济性较好,柴油机采用压缩空气的办法提高空气温度,使空气温度超过柴油的自燃燃点,这时再喷入柴油、柴油喷雾和空气混合的同时自己点火燃烧。因此,柴油发动机无需点火系。同时,柴油机的供油系统也相对简单,因此柴油发动机的可靠性要比汽油发动机的好。由于不受爆燃的限制以及柴油自燃的需要,柴油机压缩比很高。热效率和经济性都要好于汽油机,同时在相同功率的情况下,柴油机的扭矩大,最大功率时的转速低,适合于载货汽车的使用。
但柴油机由于工作压力大,要求各有关零件具有较高的结构强度和刚度,所以柴油机比较笨重,体积较大;柴油机的喷油泵与喷嘴制造精度要求高,所以成本较高;另外,柴油机工作粗暴,振动噪声大;柴油不易蒸发,冬季冷车时起动困难。


而柴油机在节能与二氧化碳排放方面的优势,则是包括汽油机在内的所有热力发动机都无法取代的。但柴油发动机的排放也存在着碳颗粒、NOx氮氧化物比汽油机高的客观事实。因此,要想使柴油发动机普遍应用于现代的乘用车辆,包括轿车、SUV、越野车等,就必须解决以下问题:


  1.关键零部件技术:如油泵油嘴和增压中冷技术。


  2.燃油品质:优质低硫的柴油是柴油机满足日益严格的排放法规的前提。


  3.电控技术:柴油机电控技术对于发动机综合性能的优化和提高至关重要。


  4.排放后处理关键技术:如废气再循环EG R)技术、微粒捕集技术以及N O x催化转化技术。


  5.整机开发及匹配技术:如柴油机燃油、进气及燃烧系统的匹配与优化技术,重型车用及轿车用柴油机技术。


6.柴油机的制造、工艺及材质等技术。



当前,主流汽车厂商都已开发出了高性能的柴油发动机并装配在自己的常规车型上,比如大众公司的TDI发动机,奔驰公司的BLUETEC发动机,等等。当然,丰田公司的D4D也在其中。



丰田的D4D是高压共轨直喷、电控、中冷、涡轮增压的柴油发动机技术,下面来一一介绍。




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一事实上大众的发动机工程师就是这么做的。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,其工作原理与汽油泵类似,但强度和产生的压力要大得多。




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。




  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。




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。



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。


关于中国的柴油
根据国标(GB252—87),轻柴油规格按凝点分为100-10-20-35-50六个牌号,分别表示凝点不高于100-10-20-35-50;牌号越高,凝点越低。
  柴油是应用于压燃式发动机(即柴油发动机)的专用燃料。柴油的外观为水白色、浅黄色或棕褐色的液体。柴油又分为轻柴油与重柴油二种。轻柴油是用于1000r/min以上的高速柴油机中的燃料,重柴油是用于1000r/min以下的中低速柴油机中的燃料。一般加油站所销售的柴油均为轻柴油。轻柴油产品目前执行的标准为GB 252-2000 《轻柴油》标准,该标准中柴油的牌号分为10号、5号、0号、-10号、-20号、-35号、-50号,柴油的牌号划分依据是柴油的凝固点。
  冷滤点是衡量轻柴油低温性能的重要指标,能够反映柴油低温实际使用性能,最接近柴油的实际最低使用温度。用户在选用柴油牌号时,应同时兼顾当地气温和柴油牌号对应的冷滤点。5号轻柴油的冷滤点为80号轻柴油的冷滤点为4,-10号轻柴油的冷滤点为-5,-20号轻柴油的冷滤点为-14
  如何选用轻柴油的牌号
  根据GB 252-2000标准要求,选用轻柴油牌号应遵照以下原则:
  110号轻柴油适用于有预热设备的柴油机;
  25号轻柴油适用于风险率为10%的最低气温在8以上的地区使用;
  30号轻柴油适用于风险率为10%的最低气温在4以上的地区使用;
  4-10号轻柴油适用于风险率为10%的最低气温在-5以上的地区使用;
  5-20号轻柴油适用于风险率为10%的最低气温在-14以上的地区使用;
  6-35号轻柴油适用于风险率为10%的最低气温在-29以上的地区使用;
  7-50号轻柴油适用于风险率为10%的最低气温在-44以上的地区使用.


关于柴油发动机的机油
市场中现有的机油按SAE法分类,单级机油:冬季用油有6种,夏季用油有4种,多级机油:冬夏通用油有16种。冬季用油牌号分别为:0W5W10W15W20W25W;夏季用油牌号分别为:20304050;冬夏通用油牌号分别为:5W-205W-305W-405W-5010W-2010W-3010W-4010W-5015W-2015W-3015W-4015W-5020W-2020W-3020W-4020W-50
  二、品质的表示:
  SL/SJ:表示汽油引擎车使用
  CF/CG:表示柴油引擎车使用
  具体如下:API美国石油学会的英文缩写,API等级代表发动机油质量的等级。它采用简单的代码来描述发动机机油的工作能力。
  API发动机油分为两类:"S"开头系列代表汽油发动机用油;"C"开头系列代表柴油发动机用油;当"S""C"两个字母同时存在,则表示此机油为汽柴通用型。
  在SC后面的字母表示的意义是;从“SA”一直到“SL”,每递增一个字母,机油的性能都会优于前一种,机油中会有更多用来保护发动机的添加剂。字母越靠后,质量等级越高,国际品牌中机油级别多是SF级别以上的。例如,壳牌非凡喜力(Shell Helix Plus)是API SL级,而壳牌红色喜力机油(Shell Helix Red Motor Oil)则是API SG级,这说明非凡喜力的质量等级要高于红喜力。


关于柴油发动机的三滤使用


要延长柴油机的使用寿命,在使用过程中,就要加强空气滤清器、润滑油滤清器和燃油滤清器这三种滤清器的保养,充分发挥它们的作用。
  空气滤清器在安装时不可漏装、反装或错装各密封垫圈及橡胶连接管,并保证各按嵌处的严密性。使用的纸质集尘杯空气滤清器,每工作50-100小时,要清除尘土1次,可用软毛刷将表面尘土刷掉,若工作时间超过500小时或已损坏,就应及时更换。使用油浴式空气滤清器,每工作100-200小时,应用清洁的柴油清洗滤芯,并更换其中的润滑油,若滤芯已破碎,就需立即更换,并注意在使用中,按规定添加润滑油。
  润滑油滤清器在柴油机使用中如不及时保养,滤芯堵塞、润滑油压力增加,安全阀打开,润滑油直接流入主油道,会加剧润滑表面的磨损,影响柴油机的使用寿命。因此,润滑油滤清器每工作180-200小时,就要清洗1次,发现破损,应立即更换,以防止杂质进入润滑表面。柴油机换季使用,还应清洗曲轴箱和各润滑表面,方法是用润滑油、煤油和柴油混合后作洗涤油,可在润滑油放出后加入洗涤油清洗,然后,柴油机低速运转3-5分钟,再放尽洗涤油,加入新润滑油。
燃油供给系统中的各种燃油滤清器,每工作100-200小时,就应清除杂物1次或更换一次,并对油箱和各输油管道进行全面清洗。特别是针对电控共轨系统,由于高压精确喷射,燃油系统的偶件精度高,配合间隙小,对燃油滤清器的过滤效率和水分离效率都提出了更高的要求。目前都使用两级式过滤系统,一级油水分离器,一级柴油精滤器,水分离效率要求大于95%,颗粒过滤效率35微米过滤效率大于98.6%。目前满足该性能要求的公司主要是欧美企业,如博世(BOSCH),滤不凡(Luber Finder),弗列加(Fleetguard),曼胡(Mann-Hummel),帕克Parker),等,国内有达菲特(DIFITE)等。在日常保养时,应特别仔细,发现异常,或行驶里程和时间达到发动机规定,需及时更换。在季节过渡换油时,应对整个燃油供给系统的各零部件进行清洗。使用的柴油,应符合季节要求,并需经48小时的沉淀净化处理。


结语:车友如有技术贴,提车贴,自驾游贴,心得贴均可投稿:邮箱land_cruiser200@163.com 联系QQ:545961


 陆地巡洋舰车友会(landcruiser-200)
关注车友的精彩车生活,分享最新、最全、最好的技术及资讯。为更好的交流互动,
凡是陆巡车主,均可申请加入QQ群:299315342



Copyright © 松原古典音乐社区@2017