原創(chuàng)  現(xiàn)代車(chē)用柴油機(jī)特點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展

　　幾十年前，人們?cè)欢确艞壛瞬裼蛙?chē)，那種體積大、噪聲高、發(fā)出難聞氣味的柴油機(jī)形象至今還留在許多人的記憶中。然而經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，現(xiàn)代的柴油機(jī)已成為一種排放清潔、節(jié)省能源的動(dòng)力，是一種可行的過(guò)渡性技術(shù)解決方案。在歐洲，柴油車(chē)銷(xiāo)量已占汽車(chē)總銷(xiāo)量的40%，美國(guó)市場(chǎng)的柴油車(chē)銷(xiāo)售量也在逐漸增加�！　� 　　2002年，美國(guó)市場(chǎng)柴油轎車(chē)的銷(xiāo)售量達(dá)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(guó)際汽車(chē)巨頭都對(duì)美國(guó)的柴油車(chē)市場(chǎng)，特別是柴油轎車(chē)市場(chǎng)表現(xiàn)出極大的興趣。當(dāng)然，我們這里所指的是現(xiàn)代的綠色柴油機(jī)。 　　一．柴油機(jī)的主要特點(diǎn) 　�。�1）　有能量密度高（大型低速增壓柴油機(jī)的有效熱效率已超過(guò)50%），燃油消耗率低，這對(duì)節(jié)約能源和提高經(jīng)濟(jì)效益都很重要。 　�。�2）　好的燃油經(jīng)濟(jì)性； 　�。�3）　溫室效應(yīng)氣體排放少，其二氧化碳的排放量比汽油機(jī)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(zhuǎn)速范圍很大（功率1—65580KW，轉(zhuǎn)速54—5000r/min），因此應(yīng)用領(lǐng)域?qū)? 　�。�5）　結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，零部件材料和工藝要求較高，制造成本較高，與汽油機(jī)相比質(zhì)量較大。 　�。�6）　新技術(shù)（電子控制，增壓，廢氣再循環(huán)，新材料）應(yīng)用多，發(fā)展快。產(chǎn)品研制開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)裝備的投資大，屬于技術(shù)密集和資金密集性產(chǎn)品。 　二．柴油機(jī)原理簡(jiǎn)介 　　柴油機(jī)所用燃料是柴油，起評(píng)價(jià)的指標(biāo)是： 　　1. 發(fā)火性：評(píng)價(jià)柴油的自燃能力，用十六烷值來(lái)表示。 　　2. 蒸發(fā)性 　　3. 粘度：燃料流動(dòng)性的尺度 。 　　4. 凝點(diǎn)：柴油開(kāi)始失去流動(dòng)性的溫度 　　在結(jié)構(gòu)方面，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)具有基本相同的結(jié)構(gòu)，都有氣缸體、氣缸蓋、活塞、氣門(mén)、曲柄、曲軸、凸輪軸、飛輪等。但前者用壓燃柴油作功，后者用點(diǎn)燃汽油作功，一個(gè)“壓燃”一個(gè)“點(diǎn)燃”，就是兩者的根本區(qū)別點(diǎn)。 　　汽油機(jī)的燃料是在進(jìn)氣行程中與空氣混合后進(jìn)入氣缸，然后被火花塞點(diǎn)燃作功；柴油機(jī)的燃料則是在壓縮行程接近終了時(shí)直接噴注入氣缸，在壓縮空氣中被壓燃作功。 這個(gè)區(qū)別造成了柴油機(jī)在燃料供給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有其自己的特點(diǎn)。柴油機(jī)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(jī)燃料輸送的簡(jiǎn)單過(guò)程是：輸油泵將柴油送到濾清器，過(guò)濾后進(jìn)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(jīng)低壓管回到油箱，其它部分柴油被噴油泵壓縮至高壓）經(jīng)過(guò)高壓油管進(jìn)入噴油器直接噴入氣缸燃燒室中壓燃。 　　為了柴油機(jī)能在怠速穩(wěn)定工作和限制柴油機(jī)超速，在噴油泵上還帶有調(diào)速器。噴油泵是柴油機(jī)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(jī)工況的變化調(diào)節(jié)柴油量，并提高柴油壓力，按規(guī)定的時(shí)間與規(guī)律將柴油供給噴油器。 　　三．柴油機(jī)新技術(shù) 　　高壓共軌電子控制燃油噴射技術(shù)簡(jiǎn)介 　　傳統(tǒng)的柴油機(jī)存在著供油不精確的問(wèn)題，解決的辦法是采用電子控制燃油噴射的技術(shù)。與汽油機(jī)相比柴油機(jī)的電子控制燃油噴射系統(tǒng)有很多相同之處，在整機(jī)電腦管理方面兩者基本相同，但因柴油機(jī)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(shí)柴油機(jī)需要對(duì)油量、定時(shí)、噴油壓力、噴油路等多參數(shù)進(jìn)行綜合控制，其軟件的難度也大于汽油機(jī)。 　　第一代柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)也稱(chēng)位置控制系統(tǒng)，它用電子伺服機(jī)構(gòu)代替調(diào)速器控制供油滑套位置以實(shí)現(xiàn)供油量的調(diào)整，這類(lèi)技術(shù)已發(fā)展到了可以同時(shí)控制定時(shí)和預(yù)噴射的 TICS 系統(tǒng)。 　　第二代系統(tǒng)也稱(chēng)時(shí)間控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是供油仍維持傳統(tǒng)的脈動(dòng)式柱塞泵油方式，但油量和定時(shí)的調(diào)節(jié)則由電腦控制的強(qiáng)力快速響應(yīng)電磁閥的開(kāi)閉時(shí)刻所決定。 　　第三代也稱(chēng)為直接數(shù)控系統(tǒng)，它完全脫開(kāi)了傳統(tǒng)的油泵分缸燃油供應(yīng)方式，通過(guò)共軌壓力和噴油壓力／時(shí)間的綜合控制，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的供油回路和特性。強(qiáng)力快速線(xiàn)形響應(yīng)電磁閥是各種系統(tǒng)共同的技術(shù)難點(diǎn)。 　　因柴油機(jī)的噴射系統(tǒng)形式多樣，國(guó)外柴油機(jī)的電控系統(tǒng)也形式多樣，有直列泵和分配泵的可變預(yù)行程 TICS 系統(tǒng)，有基于時(shí)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(shù)方案都在原有的基礎(chǔ)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(shù)的原理 　　共軌式電控燃油噴射技術(shù)通過(guò)共軌直接或間接地形成恒定的高壓燃油，分送到每個(gè)噴油器，并借助于集成在每個(gè)噴油器上的高速電磁開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)啟與閉合，定時(shí)、定量地控制噴油器噴射至柴油機(jī)燃燒室的油量，從而保證柴油機(jī)達(dá)到最佳的燃燒比和良好的霧化，以及最佳的點(diǎn)火時(shí)間、足夠的點(diǎn)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(cè)量的油軌壓力以及需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，高壓油軌內(nèi)的燃油經(jīng)過(guò)高壓油管，根據(jù)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)，由電控單元從預(yù)設(shè)的 map 圖中確定合適的噴油定時(shí)、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(xiàng)新技術(shù)已開(kāi)始在國(guó)外以柴油機(jī)提供動(dòng)力的汽車(chē)上投入使用。這是世界汽車(chē)工業(yè)為滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的必然趨勢(shì)。 　　共軌式電控燃油噴射技術(shù)的特點(diǎn)與現(xiàn)狀 　　柴油機(jī)共軌式電控燃油噴射技術(shù)是一種全新的技術(shù)，因?yàn)樗闪擞?jì)算機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)代傳感檢測(cè)技術(shù)以及先進(jìn)的噴油結(jié)構(gòu)于一身。該技術(shù)的主要特點(diǎn)是： 　　1. 采用先進(jìn)的電子控制裝置及配有高速電磁開(kāi)關(guān)閥； 　　2. 采用共軌方式供油； 　　3. 高速電磁開(kāi)關(guān)閥頻響高，控制靈活； 　　4. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)移植方便，適應(yīng)范圍寬。 　　這一技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)在于： 　　（ 1 ）如何解決高壓共軌系統(tǒng)的恒高壓密封問(wèn)題； 　　（ 2 ）如何解決高壓共軌系統(tǒng)中共軌壓力的微小波動(dòng)所造成的噴油量不均勻問(wèn)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(wèn)題； 　�。� 4 ）如何解決微結(jié)構(gòu)、高頻響電磁開(kāi)關(guān)閥設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。 　　共軌式電控燃油噴射技術(shù)對(duì)環(huán)境保護(hù)的促進(jìn)作用 　　共軌式燃油噴射技術(shù)有助于減少柴油機(jī)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(hù)的同時(shí)，也必將促進(jìn)柴油機(jī)工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)及與之相關(guān)工業(yè)的發(fā)展。 增壓中冷 　　增壓可使柴油機(jī)在排量不變，重量增加不大的情況下達(dá)到增加輸出功率的目的。與相同功率的非增壓柴油機(jī)相比，增壓柴油機(jī)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(shù)不僅廣泛應(yīng)用在柴油機(jī)上，而且還推廣到汽油機(jī)，是改善內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的重要技術(shù)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(huì)使空氣溫度也同時(shí)增高，這如同給輪胎打氣時(shí)泵會(huì)發(fā)熱一樣。發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器的出風(fēng)口溫度也會(huì)隨著壓力增大而升高，溫度提高反過(guò)來(lái)會(huì)限制空氣密度的提高，要進(jìn)一步提高空氣密度就要降低增壓空氣的溫度。據(jù)實(shí)驗(yàn)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(jī)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(dòng)機(jī)的低速性能。因此，也就產(chǎn)生了中間冷卻技術(shù)。 　　柴油機(jī)中間冷卻技術(shù)的類(lèi)型分兩種，一種是利用柴油機(jī)的循環(huán)冷卻水對(duì)中冷器進(jìn)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(dāng)利用冷卻水冷卻時(shí)，需要添置一個(gè)獨(dú)立循環(huán)水的輔助系統(tǒng)才能達(dá)到較好的冷卻效果，這種方式成本較高而且機(jī)構(gòu)復(fù)雜。因此，汽車(chē)柴油機(jī)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(gè)散熱器中，利用風(fēng)扇提供的冷卻空氣強(qiáng)行冷卻�？諝饫鋮s式中冷器可以安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)水箱的前面、旁邊或者另外安裝在一個(gè)獨(dú)立的位置上，它的波形鋁制散熱片和管道與發(fā)動(dòng)機(jī)水箱結(jié)構(gòu)相似，熱傳導(dǎo)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(shù)不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的技術(shù)，過(guò)熱無(wú)效果白費(fèi)工夫，過(guò)冷在進(jìn)氣管中形成冷凝水會(huì)弄巧成拙。因此要將中冷器和渦輪增壓器進(jìn)行精確的匹配，使得壓縮空氣達(dá)到要求的冷卻溫度。 　　柴油機(jī)發(fā)展展望 　　柴油機(jī)的大功率，低排放，良好的電子控制等顯著優(yōu)點(diǎn)將使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在新的時(shí)代有長(zhǎng)足的發(fā)展�，F(xiàn)在全球各大廠(chǎng)商正致力于新型綠色環(huán)保柴油機(jī)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(guān)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(yùn)用到新一帶柴油機(jī)上。而且在混合動(dòng)力方面柴油機(jī)也有起應(yīng)用特點(diǎn)，高扭矩配合電動(dòng)汽車(chē)的快速響應(yīng)和０排放，將是一種很不錯(cuò)的選擇。 　　而且柴油機(jī)普及也得到了各國(guó)政府的普遍支持和政策鼓勵(lì)，柴油機(jī)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和技術(shù)更新日新月異。所以在今后的汽車(chē)時(shí)常，柴油機(jī)將得到更普遍的應(yīng)用。