原創(chuàng)  汽車柴油機性能特點和技術發(fā)展

　　幾十年前，人們曾一度放棄了柴油車，那種體積大、噪聲高、發(fā)出難聞氣味的柴油機形象至今還留在許多人的記憶中。然而經過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)代的柴油機已成為一種排放清潔、節(jié)省能源的動力，是一種可行的過渡性技術解決方案。在歐洲，柴油車銷量已占汽車總銷量的40%，美國市場的柴油車銷售量也在逐漸增加。2002年，美國市場柴油轎車的銷售量達到31220輛，比2001年增加了35%。戴姆勒-克萊斯勒、大眾、寶馬、福特和通用等國際汽車巨頭都對美國的柴油車市場，特別是柴油轎車市場表現(xiàn)出極大的興趣。當然，我們這里所指的是現(xiàn)代的綠色柴油機。 　　一．柴油機的主要特點 　　 　�。�1） 有能量密度高（大型低速增壓柴油機的有效熱效率已超過50%），燃油消耗率低，這對節(jié)約能源和提高經濟效益都很重要。 　�。�2） 好的燃油經濟性； 　　（3） 溫室效應氣體排放少，其二氧化碳的排放量比汽油機大約低30-35%，但廢氣中含有害成分（NO，顆粒物等）較多，噪聲較大，在環(huán)境環(huán)抱方面已引起重視。 　�。�4） 功率和轉速范圍很大（功率1—65580KW，轉速54—5000r/min），因此應用領域寬 　�。�5） 結構較復雜，零部件材料和工藝要求較高，制造成本較高，與汽油機相比質量較大。 　�。�6） 新技術（電子控制，增壓，廢氣再循環(huán)，新材料）應用多，發(fā)展快。產品研制開發(fā)和生產裝備的投資大，屬于技術密集和資金密集性產品。 　　二．柴油機簡介 　　 　　柴油機所用燃料是柴油，起評價的指標是： 　　1. 發(fā)火性：評價柴油的自燃能力，用十六烷值來表示。 　　2. 蒸發(fā)性 　　3. 粘度：燃料流動性的尺度 。 　　4. 凝點：柴油開始失去流動性的溫度 　　在結構方面，柴油發(fā)動機與汽油發(fā)動機具有基本相同的結構，都有氣缸體、氣缸蓋、活塞、氣門、曲柄、曲軸、凸輪軸、飛輪等。但前者用壓燃柴油作功，后者用點燃汽油作功，一個“壓燃”一個“點燃”，就是兩者的根本區(qū)別點。 　　汽油機的燃料是在進氣行程中與空氣混合后進入氣缸，然后被火花塞點燃作功；柴油機的燃料則是在壓縮行程接近終了時直接噴注入氣缸，在壓縮空氣中被壓燃作功。 這個區(qū)別造成了柴油機在燃料供給系統(tǒng)的結構有其自己的特點。柴油機的燃料噴射系統(tǒng)是由噴油泵、噴油器、高壓油管及一些附屬輔助件組成。 　　柴油機燃料輸送的簡單過程是：輸油泵將柴油送到濾清器，過濾后進入噴油泵（為了保證充足的燃料并保持一定的壓力，要求輸油泵的供油量比噴油泵的需要量要大得多，多余的柴油就經低壓管回到油箱，其它部分柴油被噴油泵壓縮至高壓）經過高壓油管進入噴油器直接噴入氣缸燃燒室中壓燃。 　　為了柴油機能在怠速穩(wěn)定工作和限制柴油機超速，在噴油泵上還帶有調速器。噴油泵是柴油機燃料供給系統(tǒng)中最精密的部件，它的作用就是根據(jù)柴油機工況的變化調節(jié)柴油量，并提高柴油壓力，按規(guī)定的時間與規(guī)律將柴油供給噴油器。 　　三．柴油機新技術 　　高壓共軌電子控制燃油噴射技術簡介 　　傳統(tǒng)的柴油機存在著供油不精確的問題，解決的辦法是采用電子控制燃油噴射的技術。與汽油機相比柴油機的電子控制燃油噴射系統(tǒng)有很多相同之處，在整機電腦管理方面兩者基本相同，但因柴油機的噴射系統(tǒng)形式多樣，電控系統(tǒng)的硬件也呈多樣形式，同時柴油機需要對油量、定時、噴油壓力、噴油路等多參數(shù)進行綜合控制，其軟件的難度也大于汽油機。 　　第一代柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)也稱位置控制系統(tǒng)，它用電子伺服機構代替調速器控制供油滑套位置以實現(xiàn)供油量的調整，這類技術已發(fā)展到了可以同時控制定時和預噴射的 TICS 系統(tǒng)。 　　第二代系統(tǒng)也稱時間控制系統(tǒng)，其特點是供油仍維持傳統(tǒng)的脈動式柱塞泵油方式，但油量和定時的調節(jié)則由電腦控制的強力快速響應電磁閥的開閉時刻所決定。 　　第三代也稱為直接數(shù)控系統(tǒng)，它完全脫開了傳統(tǒng)的油泵分缸燃油供應方式，通過共軌壓力和噴油壓力／時間的綜合控制，實現(xiàn)各種復雜的供油回路和特性。強力快速線形響應電磁閥是各種系統(tǒng)共同的技術難點。 　　因柴油機的噴射系統(tǒng)形式多樣，國外柴油機的電控系統(tǒng)也形式多樣，有直列泵和分配泵的可變預行程 TICS 系統(tǒng)，有基于時間控制泵噴嘴系統(tǒng)，有蓄壓共軌系統(tǒng)和高壓共軌系統(tǒng)等。各種技術方案都在原有的基礎上發(fā)展，但高壓共軌系統(tǒng)是總的發(fā)展方向�！� 　　共軌式電控燃油噴射技術的原理 　　共軌式電控燃油噴射技術通過共軌直接或間接地形成恒定的高壓燃油，分送到每個噴油器，并借助于集成在每個噴油器上的高速電磁開關閥的開啟與閉合，定時、定量地控制噴油器噴射至柴油機燃燒室的油量，從而保證柴油機達到最佳的燃燒比和良好的霧化，以及最佳的點火時間、足夠的點火能量和最少的污染排放。 　　其主要由電控單元、高壓油泵、共軌管、電控噴油器以及各種傳感器等組成。低壓燃油泵將燃油輸入高壓油泵，高壓油泵將燃油加壓送入高壓油軌，高壓油軌中的壓力由電控單元根據(jù)油軌壓力傳感器測量的油軌壓力以及需要進行調節(jié)，高壓油軌內的燃油經過高壓油管，根據(jù)機器的運行狀態(tài)，由電控單元從預設的 map 圖中確定合適的噴油定時、噴油持續(xù)期由電液控制的電子噴油器將燃油噴入氣缸。 　　現(xiàn)在該項新技術已開始在國外以柴油機提供動力的汽車上投入使用。這是世界汽車工業(yè)為滿足日益嚴格的廢氣排放標準的必然趨勢。 　　共軌式電控燃油噴射技術的特點與現(xiàn)狀 　　柴油機共軌式電控燃油噴射技術是一種全新的技術，因為它集成了計算機控制技術、現(xiàn)代傳感檢測技術以及先進的噴油結構于一身。該技術的主要特點是： 　　1. 采用先進的電子控制裝置及配有高速電磁開關閥； 　　2. 采用共軌方式供油； 　　3. 高速電磁開關閥頻響高，控制靈活； 　　4. 系統(tǒng)結構移植方便，適應范圍寬。 　　這一技術的研究與開發(fā)熱點在于： 　　（ 1 ）如何解決高壓共軌系統(tǒng)的恒高壓密封問題； 　　（ 2 ）如何解決高壓共軌系統(tǒng)中共軌壓力的微小波動所造成的噴油量不均勻問題； 　�。� 3 ）如何解決高壓共軌系統(tǒng)的多 MAP （三維控制數(shù)據(jù)表）優(yōu)化問題； 　　（ 4 ）如何解決微結構、高頻響電磁開關閥設計與制造過程中的關鍵技術問題。 　　共軌式電控燃油噴射技術對環(huán)境保護的促進作用 　　共軌式燃油噴射技術有助于減少柴油機的尾氣排放量，以及改善噪聲、燃油消耗等方面的綜合性能；它在有利于地球環(huán)境保護的同時，也必將促進柴油機工業(yè)、汽車工業(yè)及與之相關工業(yè)的發(fā)展。 增壓中冷 　　增壓可使柴油機在排量不變，重量增加不大的情況下達到增加輸出功率的目的。與相同功率的非增壓柴油機相比，增壓柴油機不僅體積小，重量輕，功率大，而且還降低了單位功率的成本。因此，增壓技術不僅廣泛應用在柴油機上，而且還推廣到汽油機，是改善內燃發(fā)動機的重要技術手段。 　　但是事物總有矛盾性，空氣壓力的提高就是空氣密度的提高，空氣密度的提高必然會使空氣溫度也同時增高，這如同給輪胎打氣時泵會發(fā)熱一樣。發(fā)動機渦輪增壓器的出風口溫度也會隨著壓力增大而升高，溫度提高反過來會限制空氣密度的提高，要進一步提高空氣密度就要降低增壓空氣的溫度。據(jù)實驗顯示，在相同的空燃比條件下，增壓空氣溫度每下降10攝氏度，柴油機功率能提高3%－5%，還能降低排放中的氮氧化合物（NOx），改善發(fā)動機的低速性能。因此，也就產生了中間冷卻技術。 　　柴油機中間冷卻技術的類型分兩種，一種是利用柴油機的循環(huán)冷卻水對中冷器進行冷卻，另一種是利用散熱器冷卻，也就是用外界空氣冷卻。當利用冷卻水冷卻時，需要添置一個獨立循環(huán)水的輔助系統(tǒng)才能達到較好的冷卻效果，這種方式成本較高而且機構復雜。因此，汽車柴油機大都采用空氣冷卻式中冷器。 　　空氣冷卻式中冷器利用管道將壓縮空氣通到一個散熱器中，利用風扇提供的冷卻空氣強行冷卻�？諝饫鋮s式中冷器可以安裝在發(fā)動機水箱的前面、旁邊或者另外安裝在一個獨立的位置上，它的波形鋁制散熱片和管道與發(fā)動機水箱結構相似，熱傳導效率高，可將增壓空氣的溫度冷卻到50至60攝氏度。 　　中間冷卻技術不是一項簡單的技術，過熱無效果白費工夫，過冷在進氣管中形成冷凝水會弄巧成拙。因此要將中冷器和渦輪增壓器進行精確的匹配，使得壓縮空氣達到要求的冷卻溫度。 柴油機發(fā)展展望 　　柴油機的大功率，低排放，良好的電子控制等顯著優(yōu)點將使柴油發(fā)動機在新的時代有長足的發(fā)展。 　　現(xiàn)在全球各大廠商正致力于新型綠色環(huán)保柴油機的研發(fā)，在ＮＯ和顆粒物的排放方面將得到近一步改善。而起關鍵是在燃油的精確配置和廢氣的后置處理，各多的電子新科技將運用到新一帶柴油機上。而且在混合動力方面柴油機也有起應用特點，高扭矩配合電動汽車的快速響應和０排放，將是一種很不錯的選擇。 　　而且柴油機普及也得到了各國政府的普遍支持和政策鼓勵，柴油機技術的開發(fā)和技術更新日新月異。所以在今后的汽車時常，柴油機將得到更普遍的應用