特律S60系列电脑控制柴油机
刘克智 刘海 王义 宗升云
编者按 为了迎接我国即将加入世贸组织带来的机遇和挑战，本刊从今年第1期开始设立不定期栏目《企业科技》，其目的在于为国内外科技工作有所建树的企业提供一个论坛，以期加强企业之间、企业与读者之间的交流，推动我国企业的科技进步和企业的发展。
《企业科技》栏目每期刊登1个企业的1～2篇论文，介绍该企业最具代表性并有普遍指导意义的重大科技成果或管理经验。希望这个栏目能得到企业和广大读者的支持与钟爱。
摘要 由美国底特律柴油机公司研制生产的S60系列柴油机的结构特点是整个柴油机由电脑自动控制，通过各种传感器将有关数据输入电子控制模块，由电脑迅速进行数据处理，然后通过电磁阀控制电控泵喷嘴的开始和终止时间，使柴油机在各种工况下都能达到最佳燃烧效果。该系列柴油机具有良好的外特性，经济性好，排放的气体中有害物质少。实践证明，车用S60系列柴油机在160万km内不要大修；工程用S60系列柴油机在2万工作小时内不需要大修。
主题词 底特律柴油机 结构分析 性能
底特律柴油机公司（DDC）是美国三大柴油机制造公司之一，始建于1915年，80多年来该公司以生产二冲程高速柴油机著称于世。
早在1978年，底特律柴油机公司便着手研究将电脑控制技术应用于高速柴油机，经过100多万小时实验室台架试验和现场工业试验，1985年9月，电脑控制柴油机正式投放市场，至今已有近百万台在世界各地的车、船、建筑和石油机械，以及柴油发电机组上运转。
进入90年代，底特律柴油机公司又将多年生产二冲程柴油机的经验及电脑控制技术移植到新型的S60系列四冲程柴油机上，于90年代初，大量投放到市场。S60系列柴油机为6缸、直列、水冷、涡轮增压、空-空中冷的电脑控制四冲程柴油机，该系列有3种排量，其派生的4缸机为S50系列。
结构特点
1.电脑控制（DDEC）
底特律S60和S50系列柴油机均为电脑控制，由电脑、传感器、电控泵喷嘴、电子显示模块4大部分组成(见图1 电脑控制与电子调速器完全不同，电子调速器是用电子元件取代机械式或液力式调速器，当外界载荷变化时自动调节供油量，使柴油机保持稳定的转速；电脑控制则是整个柴油机由电脑来自动控制，不仅考虑外界载荷变化的影响，具有调速作用，而且还综合考虑柴油机本身与外界条件众多因素的影响，如冷却液温度、燃油温度、增压器压力、载荷率以及操作者意图等，通过微机数据处理，以优化的喷油提前角将合适的油量喷入缸内，燃油获得最佳燃烧过程，使柴油机以最良好的状态运转，燃油消耗最省，排放气体中有害物最少。
(1)电脑 电脑即电子控制模块(ECM)，由底特律公司与美国摩托罗拉公司共同开发，其中有两个微处理机，一个为主机，另一个为备用机。一旦主机出现故障，便自动转换到备用机，并通过液晶显示屏告诉操作者，可确保每个电脑在3万工作小时内不会因自身的故障而停机。
这种小型高水平的微处理机具有多种综合功能，能经受越野汽车的强烈振动，还可以在-54～105℃环境下正常工作。
(2)传感器 传感器将有关数据输入电脑，电脑同时根据操作者意图，迅速处理数据，然后通过电磁阀控制电控泵喷嘴(EUI)的开始和终止喷油时间，使柴油机在各种工况下都能达到最佳燃烧效果。如果某一传感器有故障，则在液晶显示屏以代码编号的形式显示告之操作者及时处理。其中正时传感器和同步传感器用来传送柴油机的正时信息，精确度可达曲轴每转360°的±0.25°。正时传感器提供“每缸一次”的参数，同步传感器提供“每转一次”的参数，从而使电脑能精确地确定活塞上止点位置，并综合其他参数控制喷油量和喷油时间，以保证得到最佳燃烧过程。
(3)电控泵喷嘴(EUI) 底特律柴油机公司生产的柴油机燃油系统没有高压燃油泵，也没有PT燃油泵，而是将每缸燃油的产生高压、计量、正时和雾化四大功能集中在一个整体式泵喷嘴上，结构紧凑，便于检查和更换，无需专用测试设备，各缸之间互不牵连，减少维修时间和费用。当柴油机实现电脑控制时，巧妙地利用了机械式泵喷嘴特点，取消了泵喷嘴内原有调节油量的齿条和齿轮，以及外部控制齿条运动的大量零件和调速器。原有的带有螺旋形状槽的柱塞改为简单的圆柱形柱塞，结构简单，制造容易，不易损坏；利用一个控制阀来控制喷油的正时和油量，控制阀由电磁线圈与衔铁操纵。图2所示是电控泵喷嘴。
控制阀为常开式往复阀，全开时阀与阀座之间的距离仅0.4mm，因而关闭时冲击力很小，不易磨损。在电磁线圈及衔铁的作用下，控制阀关闭，油腔中的燃油在柱塞下压的压力下，产生高压，高压燃油从喷油头的多个小孔中喷出，直到控制阀打开，喷油终止，燃油回到油箱。
(4)电子显示模块(EDM) 电子显示模块，或称液晶显示屏(图3)，此显示屏可安装在柴油机上或机旁，也可和油门手柄安装在远离柴油机数十米的位置，用一根专用电缆连接即可。
图3 液晶显示屏
在全部运转时间内，电子显示模块能显示下列数据：
①柴油机转速；
②柴油机冷却剂或润滑油温(只有在从电脑不能获得冷却剂温度时，才显示润滑油温度)；
③柴油机润滑油压力；
④电脑蓄电池电压或辅助电流；
⑤车速或辅助泵压力或柴油机载荷；
⑥主体设备的温度或压力；
⑦主体设备的温度或压力或柴油机涡轮增压器压力；
⑧燃油油位；
⑨检查和停车指令。
显示屏内的数值单位可选用公制或英制。如果柴油机出现一般性异常情况，显示屏将闪烁出现检查信号， 同时在显示屏下方显示出故障代码，要求操作者尽快检查，并及时排除故障。如果出现较严重的异常情况，显示屏则闪烁出现停机信号， 在显示屏下方也显示出故障代码，要求操作者尽快停机。显示屏右侧有6个键，其功能为：
MENU（菜单）键用来在信息窗显示菜单主项，此时菜单中各主项名称依次从右至左逐字滚屏显示出来；
SCROLL（滚屏）键用来加快菜单主项或子项的显示，每按一次便直接进入下一项，在某些菜单项目编程时，还可用来进行修改；
SELECT（选择）键用来选定菜单所需主项或子项；
CLEAR（清屏）键可用来返回到前一项内容，当显示菜单主项时，按此键可以清屏，如出现有诊断代码时，也可通过此键清屏；
LIGHT（亮度）键用来开灯,连续按LIGHT键会使灯光从强到弱分四个等级逐渐变暗，最后熄灭，当设置警告值时，还可用此键选定较低值；
ALARM OFF（消除警告）键用来清除警告代码和警告音响，当设置警告值时，还可用此键选定较高值。按照电子显示模块操作手册的使用方法，可从菜单中提出所需要的项目。
另外，底特律柴油机公司可根据用户要求提供一个微型阅读器和一个微型打印机。用专用导线将阅读器接到电脑或电子模块上，阅读器的液晶显示屏可同时显示4行文字及数据，依次显示柴油机运转时的全部数据，并由打印机打印出来。也可在阅读器显示屏上，固定显示某一项或二、三项，观察在这种情况下其它参数变化情况。阅读器的另一功能是，操作者可以远离柴油机，仅通过阅读器就能够逐一检测每缸的工作情况。
2.组合式活塞
组合式活塞曾成功地在底特律71、92和149系列机型上运用了20多年，比传统的整体式活塞优越。现又成功地应用在S60、S50柴油机上。
活塞顶部和活塞裙部是分开的，中间有一道隔热环，裙部受热甚微，热变形不大，不必制成椭圆形，降低了制造难度。活塞与缸套之间的间隙可相应减少，运转更平稳；活塞销只承受垂直压力，不再承受弯矩，可靠性大为提高，从而解决了由于近代高速柴油机强化系数增大，平均有效压力提高而活塞销直径又受缸径限制，其抗弯强度不能满足要求的矛盾。因为活塞头部和活塞裙部不是一个整体，活塞上下运动时，裙部的轻微摆动不会影响到头部，活塞环全部装在活塞头部上，故能达到很好的密封效果；允许分别更换活塞头部或活塞裙部，以减少维修费用。
3.顶置凸轮轴
底特律S60和S50柴油机吸取149系列柴油机的成功经验，采用顶置凸轮轴。凸轮轴的凸轮直接与进排气摇臂及泵喷嘴摇臂的滚轮相接触，无需推杆和挺柱，因而结构简单，刚度和灵敏度高，喷油压力可高达200 MPa,燃烧更充分，排放气体中有害物更少。为了承受如此大的喷油压力，泵喷嘴摇臂滚轮用氮化硅陶瓷材料制造，这种材料既能承受高压又极耐磨。S60和S50系列柴油机为每缸4气门结构，底特律柴油机公司采用了一种巧妙的设计，用一种“门” 形摇臂可以同时控制两个气门。外侧两个气门为排气门，内侧两个气门为进气门，两气门之间不需要复杂的“十字桥”，结构简单，省去了磨擦件。
上述措施又为缩短缸盖中的进、排气道提供了有利条件，短气道的阻力小，气流通畅，功率损失小，热损耗少，且工作温度较低。
4.“空-空”中冷器
涡轮增压器将进气压力增大后,进气温度也随之提高。传统的方式是用柴油机冷却液冷却增压后的空气。S60和S50系列柴油机则将中冷器装在水箱前方或水箱一侧，用风扇吸入的大气进行冷却,这种“空-空”中冷方式的效果好，增压后的空气温度比“水-空”中冷方式低40℃左右,增加了进气密度，提高了燃油经济性，增大了输出功率。中冷器还便于检查和维修，提高了部件的可靠性。
基本参数及性能特点
1. 基本参数
底特律S60和S50系列电脑控制柴油机的基本参数见表1。
注：表中长、宽、高、质量随用途不同，略有差异。
2.性能特点
(1)良好的外特性 通过电脑内的电可擦可编程储存器可修正柴油机的扭矩特性和功率特性，图4为功率373kW时，S60柴油机外特性曲线。
这种特性曲线一般柴油机无法达到。转速在1800～2100r/min，最大功率恒定不变，而在1200～1500r/min范围内，最大扭矩恒定不变，且最大扭矩储备系数高达124%。较大转速范围内恒功率，有利于适应不同的扭矩变化；而较大范围内最大扭矩恒定不变，又可适应不同转速的变化，扩大了柴油机和传动系统的匹配范围，有利于提高动力和传动系统的效率。由于电子显示屏可以显示“瞬间油耗”,这样就可以长期在最经济的转速下工作。
(2)经济性好 燃油的比油耗低，从图4的油耗特性可看出，输出功率为373kW、转速为1800
r/min时，燃油比油耗仅0.193g/W.h。与进口的较先进的柴油机相比，按一年工作3000h计算，全年可节省燃油约30000kg。图4 S60系列柴油机外特性曲线
由于S60和S50系列柴油机采用电脑控制，冷车时不会有白烟，加速时不会有黑烟，又可以从电子显示屏上观察瞬时油耗，操作者可选择“经济转速”，因而全年累计节省的燃油远远超过30000kg。
底特律电脑控制柴油机，能提前给出“黄牌警告”或“红牌警告”，可避免大的故障，节省维修费，减少停机损失。
(3)排放气体中有害物少 随着对环境保护的重视，世界各国对柴油机排放气体中有害物质的控制越来越严格，底特律柴油机公司对此投入大量人力物力，经多年研究改进后的S60和S50系列柴油机完全可满足2001年后对环境污染的要求。
综上所述，底特律S60系列电脑控制柴油机的先进性、可靠性、经济性和有害物低排放等特点，应属当今众多柴油机中的佼佼者。
实践证明，车用S60柴油机可在160万km内不要大修，工程机械用S60柴油机可在2万工作小时内不要大修。