劉國(guó)輝

【摘 要】本文介紹了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的性能特點(diǎn)，并通過(guò)與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行對(duì)比，闡明了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)，以及發(fā)動(dòng)機(jī)柴油化的發(fā)展現(xiàn)狀。進(jìn)而分析現(xiàn)階段車(chē)用柴油機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)柴油機(jī)電控技術(shù)、排放控制等新技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】柴油機(jī)；性能；技術(shù)研究；發(fā)展趨勢(shì)

1.發(fā)動(dòng)機(jī)柴油化的發(fā)展現(xiàn)狀

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的保有量逐漸上升，逐步取代汽油機(jī)成為今后新設(shè)計(jì)車(chē)型的首選動(dòng)力配置，已成為今后汽車(chē)行業(yè)不可阻擋的發(fā)展趨勢(shì)。與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)具有優(yōu)異的燃油經(jīng)濟(jì)性和較大的排放性能改進(jìn)潛力。最新研究表明，今后10年乃至更長(zhǎng)的階段內(nèi)，全球柴油發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)規(guī)模將持續(xù)壯大，除中重型載貨車(chē)全部采用柴油機(jī)外，過(guò)去主要搭載汽油機(jī)的轎車(chē)和輕型車(chē)市場(chǎng)也將更多地裝配柴油機(jī)。專(zhuān)家預(yù)測(cè)，到2015年柴油轎車(chē)將成為歐洲的主力車(chē)型；到2018年，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在歐洲的市場(chǎng)份額將會(huì)超過(guò)63%。

在國(guó)內(nèi)，柴油機(jī)憑借優(yōu)良的性能表現(xiàn)也得到了市場(chǎng)越來(lái)越多的的青睞。按照2012年實(shí)際銷(xiāo)售統(tǒng)計(jì)，在重型載貨汽車(chē)市場(chǎng)中柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的使用率已經(jīng)接近100%，大型客車(chē)市場(chǎng)達(dá)到94%。如果把農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)也計(jì)算在內(nèi)的話(huà)，該領(lǐng)域柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的使用率也已經(jīng)達(dá)到100%。2011年，我國(guó)商用車(chē)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)使用率約為61%。需要指出，這是按照當(dāng)年車(chē)輛實(shí)際銷(xiāo)售數(shù)量計(jì)算的，如果以柴油汽車(chē)與汽車(chē)總保有量之比來(lái)計(jì)算，我國(guó)的車(chē)用動(dòng)力柴油化的比例要低一些。

2.柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)

在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，車(chē)用柴油機(jī)的技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)主要放在提高動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和壽命等方面。而目前的發(fā)展重點(diǎn)則轉(zhuǎn)向以排放、噪聲為首位，幾乎所有的重大發(fā)展和改進(jìn)工作都是圍繞這一要求或與這一要求相結(jié)合進(jìn)行的。輕型車(chē)、轎車(chē)用柴油機(jī)自上世紀(jì)80年代以來(lái)有了較大發(fā)展。歐洲是柴油轎車(chē)的最大市場(chǎng)和生產(chǎn)地，特別是法國(guó)和德國(guó)。此外，亞洲的日本也生產(chǎn)部分柴油轎車(chē)。

隨著近年來(lái)的大氣環(huán)境惡化，霧霾天氣連續(xù)出現(xiàn)，汽車(chē)排放性能成為評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)的首要因素。汽油機(jī)成為車(chē)用動(dòng)力源已有100余年的歷史；而柴油機(jī)則是近十幾年的事，因此針對(duì)柴油機(jī)的排放技術(shù)研究遠(yuǎn)沒(méi)有汽油機(jī)深入。最新的研究資料表明，與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)在排放性能方面也有一定的優(yōu)勢(shì)，而且改進(jìn)潛力還很大。這主要表現(xiàn)在：因?yàn)椴裼蜋C(jī)采用的是富氧燃燒和高壓縮比，一氧化碳的排放量比汽油機(jī)要低得多，大約只是汽油機(jī)的十分之一。對(duì)于碳?xì)浠衔锏呐欧?，在冷機(jī)工況下，幾乎為零；在燃燒工況下，碳?xì)浠衔锏呐欧帕恳惨偷枚唷?臺(tái)現(xiàn)代柴油轎車(chē)排放的HC比1臺(tái)使用三效催化劑（TMC）的汽油車(chē)還要低。二氧化碳因?yàn)闊o(wú)毒，其排放一直沒(méi)有放在控制之列。但二氧化碳的大量增加會(huì)導(dǎo)致地球溫室效應(yīng)，它的控制已成為本世紀(jì)的全球性危機(jī)。由于柴油機(jī)熱效率高，其二氧化碳排放明顯低于汽油機(jī)。

眾所周知，柴油機(jī)的熱效率比汽油機(jī)高，故其燃油消耗比汽油機(jī)低。對(duì)于裝柴油機(jī)的車(chē)輛，由于扭矩曲線(xiàn)平坦，在較大的負(fù)荷變化范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)性普遍較好，加上其駕駛性能好，故整車(chē)燃油消耗更低。當(dāng)今技術(shù)先進(jìn)的柴油車(chē)，比同類(lèi)汽油車(chē)節(jié)油達(dá)1/3，有時(shí)甚至更多。

3.柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)現(xiàn)狀與重點(diǎn)

3.1增壓及中冷技術(shù)

柴油機(jī)通過(guò)增壓和增壓中冷可達(dá)到或接近相同排量汽油機(jī)的功率，并且在低、中轉(zhuǎn)速的扭矩明顯高于汽油機(jī)。此外，采用增壓和增壓中冷的柴油機(jī)比一般柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性也有很大改善。更重要的是，因?yàn)樵鰤褐欣淇山档瓦M(jìn)氣溫度從而大大減少了氮氧化合物排放。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化與小型化，為了降低車(chē)輛油耗，提高車(chē)輛裝載效率，必須繼續(xù)提高增壓比及增壓器效率。進(jìn)一步提高大負(fù)荷區(qū)的過(guò)量空氣系數(shù)可以減少顆粒排放，同時(shí)通過(guò)稀燃化，減少熱損失，提高循環(huán)效率，進(jìn)而同時(shí)降低油耗。隨著高增壓化趨勢(shì)，組裝有多個(gè)增壓器的復(fù)合系統(tǒng)已成為可能。另外，增壓器固定的噴嘴幾何形狀也將由可用于多用途的電控可變幾何形狀所取代。

目前，該技術(shù)不僅在中、重型車(chē)用柴油機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，在輕型車(chē)、轎車(chē)用柴油機(jī)上也越來(lái)越多地被采用。

3.2多氣門(mén)結(jié)構(gòu)

多氣門(mén)結(jié)構(gòu)一般是指3個(gè)或3個(gè)以上的進(jìn)排氣門(mén)布置。目前最為流行的是2進(jìn)2排的4氣門(mén)布置結(jié)構(gòu)。4氣門(mén)在大型柴油機(jī)上應(yīng)用較早，現(xiàn)在逐漸向小型柴油機(jī)領(lǐng)域發(fā)展。4氣門(mén)可以減少換氣損失，特別是可以提高低速范圍內(nèi)的充氣效率，從而改善低速扭矩；又可使活塞上燃燒室凹坑和缸蓋上的噴油器位置布置在氣缸中央，從而改善了進(jìn)氣渦流及油霧分布的均勻，以及改善活塞和噴油器的冷卻條件。

另外，因?yàn)榭稍诓煌D(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)渦流比可變，空氣利用率高，從而使N0x和顆粒排放達(dá)到最低效果。

3.3提高噴射壓力

面對(duì)日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)，歐美日有關(guān)廠家正在加緊柴油機(jī)新技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，其中將噴油系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)作為首選課題之一。研究人員通過(guò)大量試驗(yàn)證實(shí)：提高噴油壓力，可以改善燃油的霧化和分布均勻，改善燃燒，從而降低顆粒排放。中小排量的機(jī)型采用120-140MPa，較大排量的機(jī)型采用120-180MPa，可以達(dá)到歐洲4號(hào)排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。目前有3種可供選擇的高壓噴油裝置：裝電控電磁閥的泵噴嘴、帶電控電磁閥的單體泵和共軌式噴油裝置。

3.4共軌式供油系統(tǒng)

共軌式供油系統(tǒng)是在一條共用軌道上分別產(chǎn)生壓力和噴射。噴射壓力可高達(dá)160MPa。利用ECU將脈沖噴射信號(hào)導(dǎo)入電磁閥而引發(fā)一次噴射，通過(guò)噴嘴開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)油量。該裝置屬近年研制成功并被認(rèn)為是最理想的一種高壓噴油裝置，具有供油規(guī)律與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速因素?zé)o關(guān)，直接受控于電控系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)。目前，該裝置在歐洲各類(lèi)汽車(chē)柴油機(jī)上得到了大量采用，且專(zhuān)家認(rèn)為這是一種能夠滿(mǎn)足未來(lái)歐V，最有改進(jìn)潛力的噴油裝置。同時(shí)，減小噴孔直徑和增加孔數(shù)可以改善燃油的霧化和均勻分布，減少著火滯后，降低NOx及顆粒排放。

4.柴油機(jī)電控技術(shù)的應(yīng)用研究

電子控制技術(shù)在柴油機(jī)上的應(yīng)用相對(duì)較遲，但近10年來(lái)有較快的發(fā)展，并逐步擴(kuò)展到較小的機(jī)型上，尤其是轎車(chē)用柴油機(jī)。目前對(duì)燃油噴射時(shí)間、噴射量、增壓器、進(jìn)氣渦流及廢氣再循環(huán)等都能實(shí)現(xiàn)電子優(yōu)化的可變控制，從而對(duì)降低排放、減少油耗、提高輸出功率和啟動(dòng)性能等有很大作用。但還有很多技術(shù)不夠完善，有待進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)。今后還將繼續(xù)開(kāi)發(fā)其它方面的電子可變控制結(jié)構(gòu)，尤其是與整車(chē)協(xié)調(diào)統(tǒng)一的綜合化的全電子控制系統(tǒng)。借助電控系統(tǒng)可以根據(jù)需要達(dá)到以下目的：

（1）在運(yùn)轉(zhuǎn)中，控制保持最佳的供油量、噴油定時(shí)甚至供油速率，也可實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射，以保證在各種工況下的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性能都能得到綜合的優(yōu)化結(jié)果，并同時(shí)保證所要求的加速性能、調(diào)速性能及其它特定的性能。

（2）對(duì)整個(gè)增壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，包括放氣閥、可變幾何噴嘴截面裝置、中冷器旁通等。

（3）控制煙度極限功率，得到所需各種不同的功率和扭矩特性曲線(xiàn)。

（4）控制啟動(dòng)和暖車(chē)過(guò)程，得到良好的啟動(dòng)性能和消除啟動(dòng)冒煙。

（5）自動(dòng)進(jìn)行高海拔條件下的補(bǔ)償以及根據(jù)油溫進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。

5.柴油機(jī)排放控制及降噪技術(shù)的研究

對(duì)柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，主要排放物是一氧化碳，碳?xì)浠衔?，氮氧化合物及顆粒，其主攻方向是降低氮氧化合物及顆粒。當(dāng)前對(duì)策：一是采用機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)，即從根本上避免生成氮氧化合物及顆粒。如避免產(chǎn)生缸內(nèi)高溫條件，改進(jìn)燃燒室形狀、供油系和改善缸內(nèi)的空氣流動(dòng)等。再就是采用機(jī)外凈化技術(shù)，即排氣后處理技術(shù)等。

目前流行的主要排放控制措施：

（1）改善燃油噴射正時(shí)特性，采用電子控制噴油泵，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷選取最佳噴射時(shí)間與壓力。還可采用預(yù)噴射法。

（2）采用陶瓷材料，提高燃料著火性能；采用副噴嘴，改善紊流強(qiáng)度和燃燒。

（3）開(kāi)發(fā)各種帶有紊流發(fā)生罐式的燃燒室，通過(guò)調(diào)整噴嘴、紊流強(qiáng)度來(lái)改善燃燒，控制排放。 [科]

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