大眾都不會的技術(shù) 先進清潔柴油機技術(shù)解析

● 先進的柴油機技術(shù)解析

　　先進柴油機比舊時有著突破猛進的進步，除提升動力性能外，同時新技術(shù)可大大減輕柴油工作粗暴，減少噪音，更重要的是都是為了環(huán)保達(dá)標(biāo)。因此，現(xiàn)代柴油機不僅環(huán)保達(dá)標(biāo)，動力響應(yīng)好外，更明顯的優(yōu)勢是燃油經(jīng)濟性非常優(yōu)秀。與汽油機相比，同樣的排量下，柴油機轉(zhuǎn)矩更大，經(jīng)濟性更好。少了復(fù)雜的點火系統(tǒng)，發(fā)動機更加可靠耐用。下面看看究竟是哪些新技術(shù)讓柴油機重獲春天。

● 機內(nèi)技術(shù)層面

　　1、第三代柴油電子噴射系統(tǒng)-電控高壓共軌系統(tǒng)

　　20世紀(jì)90年代以來電控技術(shù)在柴油機應(yīng)用逐漸增多，控制精度不斷提高。從第一代-電子位置控制燃油噴射系統(tǒng)，到第二代-電子時間控制系統(tǒng)燃油噴射系統(tǒng)，現(xiàn)在到第三代-電子高壓共軌控制系統(tǒng)。足以讓柴油轎車和輕型車重獲春天的能力。

　　第三代-電控高壓共軌系統(tǒng)被譽為發(fā)動機行業(yè)公認(rèn)的三大突破之一。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)主要由電控單元ECU、高壓油泵、共軌管、高壓油管、電控噴油器以及各種傳感器和執(zhí)行器組成。

　　主要的工作原理是：低壓燃油泵將燃油充油箱輸入至高壓油泵，高壓油泵將燃油加壓送入高壓共軌管，高壓共軌管中的壓力有電控單元根據(jù)壓力傳感器以及需要進行調(diào)節(jié)，高壓共軌管內(nèi)的燃油經(jīng)過高壓油管，根據(jù)柴油機的運行狀態(tài)，由電控單元決定何時的噴油時間，最后由電子閥噴油器向缸內(nèi)噴射。

　　電控噴油器是高壓共軌系統(tǒng)最為重要的部件。高壓燃油需要通過噴油器進行霧化。由于采用電磁閥控制噴油，噴油壓力、噴油正時、噴油速率等所有噴油規(guī)律都可以全段柔性控制。

　　噴射壓力影響著燃油霧化性能，是對柴油機各方面性能有著重大影響。燃油霧化、貫穿和混合氣形成的能量主要依靠噴油的能量。噴油壓力越大，則噴油能量越高，噴霧越細(xì)、混合氣形成金額燃燒越明顯，從而使柴油機排放性能和動力性、經(jīng)濟性都得以改善?，F(xiàn)在電控高壓共軌噴射壓力普遍在120-200Mpa之間，甚至可達(dá)到250Mpa以上。一般高壓噴射會使氮氧化物NOx增加，但合理利用高壓噴射持續(xù)時間短特點，同時推遲噴油時刻或才用廢氣再循環(huán)等方法，可使微粒和NOx同時減低。

單位轉(zhuǎn)換：1Mpa兆帕=10bar巴=1000kPa千帕=145.03psi磅力/平方英寸=9.89個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓ATM

　　噴油規(guī)律同樣影響柴油機排放性和動力性。在保證適當(dāng)動力性的情況下，現(xiàn)在的噴射規(guī)律更多的照顧排放方面要求。減少燃燒過程中的粗暴現(xiàn)象出現(xiàn)，滯燃期中的噴油量影響著燃燒時的最高壓力、溫度和壓力升高率，因此需減少滯燃期燃燒速率較為重要。預(yù)噴射是實現(xiàn)柴油機初期緩慢燃燒的較好辦法，少量燃油預(yù)先噴射，使得在滯燃期內(nèi)形成有限的可燃混合氣量，同時只有較弱的初期燃燒放熱，使主噴射燃油的著火期縮短，同時避免燃燒初期急劇的壓力、溫度升高。主噴射則采用快速高壓的噴射以加快燃燒，防止生成大量微粒和降低燃燒噪聲；噴油后期則要快速結(jié)束噴射，避免低速噴射燃燒霧化變差，導(dǎo)致燃燒不完全而是碳?xì)浠衔颒C和微粒排放增多。因此噴油規(guī)律大致為“初期緩慢、中期急速、后期快斷”，噴射次數(shù)在3-5次，甚至高達(dá)9次。

　　噴油時刻間接通過滯燃期影響發(fā)動機性能。噴油提前角過大，燃油在壓縮行程就燃燒較多，不僅增加壓縮負(fù)功，使燃油經(jīng)濟性變差，功率下降，壓力升功率和最高壓力變大使得柴油機工作更加粗暴微粒氮氧化物排放增加。若噴油提前角過小，導(dǎo)致后燃期增長，排氣溫度和燃油消耗率增高，發(fā)動機容易過熱。柴油機的噴油時刻需要有更加細(xì)微的調(diào)節(jié)，不同發(fā)動機有著不一樣的噴油時刻，不同工況噴油時刻也不盡相同，不能一本通書讀到老。

　　電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)可以讓柴油機有著質(zhì)的飛躍，用汽油機發(fā)展歷程來比劃，如從化油器時代直接跨入缸內(nèi)直噴時代。電控噴油器、高壓油管等讓燃油噴射實現(xiàn)柔性、高壓噴射，同時減低微粒和NOx的排放，保證優(yōu)良動力性和經(jīng)濟性。可惜的是國內(nèi)并沒有乘用車廠商真正擁有該項技術(shù)，主要為博世所壟斷。

　　2、直噴式燃燒系統(tǒng)

　　直噴式燃燒系統(tǒng)也可以理解為直噴式燃燒室，其燃燒方式較為集中，以便燃油與空氣進行混合。事實上這類燃燒室與汽油機沒有太大差異，但相對于柴油機發(fā)展歷程來說卻有著深層影響，傳統(tǒng)柴油機一般采用非直噴燃燒，在汽缸蓋上有單獨的預(yù)燃室或渦流室。直噴式燃燒室有著燃油消耗率低、轉(zhuǎn)速高、起動性好等優(yōu)點。為了獲得更好的綜合性能指標(biāo)，必須對渦流強度、流場、噴油速率、噴孔數(shù)、噴孔直徑、噴射角度與燃燒室進行大量優(yōu)化匹配工作。

　　3、廢氣渦輪增壓技術(shù)

　　可能大伙都說這渦輪增加技術(shù)很普遍呀，一點都不創(chuàng)新。傳統(tǒng)意義上的柴油機的功率偏小一直被人們吐槽，廢氣渦輪增壓技術(shù)剛好彌補這一缺點，但同時改變了低速轉(zhuǎn)矩的性能變化。由于柴油機常處于空氣過量的情況下工作，再采用廢氣渦輪增壓可以再提升充氣量和工作壓力，在保持原有功率和高轉(zhuǎn)矩情況下，適當(dāng)降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速，減少機械損失和減少磨損，從而提高燃油經(jīng)濟性。

　　事實上在柴油機上廢氣渦輪增壓技術(shù)應(yīng)用除了提升功率和燃油經(jīng)濟性外，更重要原因來自于排放控制。廢氣渦輪增壓技術(shù)使缸內(nèi)充氣量進一步增大，燃料可以更加充分燃燒，使得一氧化碳CO和碳?xì)浠衔颒C排放更低，排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)比汽油機來得少。但增壓后燃燒溫度變高不利于氮氧化物NOx和微粒減少，因此需要中冷技術(shù)進行冷卻空氣，進而進一步減少氮氧化物NOx和降低45%或以上的微粒排放。

　　可變截面渦輪增壓器的可變?nèi)~片位于排氣渦輪上。根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速情況，通過控制膜盒進行葉片的開閉調(diào)節(jié)，使發(fā)動機時刻保持最佳的動力輸出。轉(zhuǎn)速較低時，采用小截面使得廢氣流速加快，從而使得渦輪轉(zhuǎn)速上升，大大減少渦輪遲滯現(xiàn)象，相當(dāng)于小直徑渦輪增壓；高轉(zhuǎn)速時，采用大截面，使得廢氣流動更加順暢，調(diào)節(jié)渦輪轉(zhuǎn)速，同時也能發(fā)揮發(fā)動機最大功率和轉(zhuǎn)矩。

　　4、電控EGR廢氣再循環(huán)系統(tǒng)

　　廢氣再循環(huán)系統(tǒng)一開始應(yīng)用汽油機上。傳統(tǒng)柴油機氮氧化物NOx排放，采用廢氣再導(dǎo)入燃燒可稀釋混合氣的氧氣，降低過量空氣系數(shù)，同時讓最高燃燒溫度適當(dāng)降低（NOx、氮氣、二氧化碳等其他比熱容大，吸熱能力強），從而讓NOx減少生成。EGR率廢氣量采用電控系統(tǒng)進行閉環(huán)控制，時刻檢測進氣中氧氣濃度進行檢測，從而不斷調(diào)整EGR率使其保持在最佳狀態(tài)。柴油機的NOx排放主要在大、中負(fù)荷時產(chǎn)生；EGR率15%時可減少50%的NOx排放；EGR率在25%時可減少80%的NOx排放。雖EGR廢氣再循環(huán)系統(tǒng)可減少NOx排放的，但會讓微粒排放增多，因此需結(jié)合其他技術(shù)同時應(yīng)用。

　　5、電子節(jié)氣門

　　采用過量空氣燃燒，傳統(tǒng)柴油機上根本不存在節(jié)氣門。由于排放法規(guī)越發(fā)越嚴(yán)格，柴油發(fā)動機不得不加入電子節(jié)氣門裝置。一般電子節(jié)氣門采用常開的狀態(tài)，以滿足動力輸出。當(dāng)出現(xiàn)特殊工況氮氧化物NOx排放增多，乃至EGR廢氣再循環(huán)系統(tǒng)無法滿足時，此時將電控單元調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度，適當(dāng)減少進氣量，以調(diào)整過量空氣系數(shù)，產(chǎn)生更大的EGR率，滿足排放需求。適當(dāng)調(diào)小電子節(jié)氣門開度，可以減少氮氧化物排放。因此，切記柴油機上的電子節(jié)氣門并不是為了調(diào)節(jié)負(fù)荷所用的。

　　6、進排氣系統(tǒng)

　　傳統(tǒng)柴油機主要采用兩氣門設(shè)計，是因為多氣門制造工藝無法滿足柴油機高強度需要?，F(xiàn)在制造水平上去了，高壓共軌柴油機主要采用多氣門技術(shù)，主要為四氣門，兩進連排。多氣門能保證較大的換氣流通面積，減少泵氣損失，增大充氣量系數(shù)，保證高質(zhì)量的燃燒效果。同時發(fā)動機低速運行時，可通過電控系統(tǒng)關(guān)閉一個進氣道，使缸內(nèi)進氣渦輪加強，讓混合氣均勻。改善進排氣系統(tǒng)可適當(dāng)改善燃燒效率，提高動力性。同時應(yīng)用在汽油機上的可變氣門正時和揚程系統(tǒng)同時也可以降低柴油機的壓縮比，從而降低柴油機的工作溫度，提升動力和排放性能。

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