车用柴油发动机的发展趋势
车用柴油发动机的发展趋势
何林华
(湖南长丰集团有限责任公司, 湖南 永州 425101)
摘 要: 分析柴油发动机与其他燃料发动机的优缺点、现状及其存在的问题; 介绍柴油发动机的主要
技术及其发展趋势。
关键词: 柴油发动机; 先进技术; 发展趋势
Abstract: This paper analyses the m erits and dem erits betw een the diesel engine and engines supp lied w ith o ther
fuels, and p resents the diesel engine techno logy and developm ent tendency.
Key words: D iesel engine; A dvanced techno logy; Developm ent tendency
中图分类号: U 4641172 文献标识码: A 文章编号: 100623331(2004) 0320001203
近 20 年来, 面对世界石油资源日趋枯竭给社会
发展带来的压力, 面对汽车保有量急剧增长对环境
的影响, 世界汽车界不停地在寻找实现汽车工业可
持续发展的解决方法。在不断的技术发展中, 人们对
车用柴油机及柴油车有了更新、更深入的认识, 也为
我国汽车工业发展提供了可借鉴的经验。
1 柴油机的特点
111 柴油机相对于汽油机的特点
柴油机与汽油机相比, 主要有三大优点:
(1) 经济。首先, 每单位柴油的能量含量比汽油
高; 其次, 柴油机的压燃特性, 使其热效率比汽油机
高。一般柴油机的油耗要比汽油机的低 30%～
40%。
(2) 环保。一般来说, 机动车的主要排放物有一
氧化碳、碳氢化合物、二氧化碳、颗粒物和氮氧化物。
相对而言, 柴油机的一氧化碳、碳氢化合物和二氧化
碳排放量极低, 但在颗粒物和氮氧化物的排放控制
上要比汽油机更难处理。这是柴油机本身的特性造
成的, 可通过现代技术处治。
(3) 柴油机低速大扭矩的特性, 为汽车提供了
更好的使用性能。通过采用先进的燃油喷射技术和
电控技术, 现代柴油机在动力性、加速性、舒适性指
标上已经无异于汽油机。
112 柴油动力与其它动力的比较
(1) 气体燃料具有低NO x、低微粒排放、蕴藏量
丰富等一些潜在的优点, 但是由于目前气体燃料技
术尚处于发展阶段, 特别是在中国, 还存在着一些难
以克服的难题。首先是安全问题, 气体燃料都是在一
定的压力下工作, 在运输和工作中可能会出现泄漏
和产生碰撞, 造成安全隐患; 其次是加气站的建设问
题。
(2) 相对于电动车, 生产电能产生的污染更大,
因为这仅仅是一种污染的转移, 况且由于电池技术
存在着瓶颈, 目前电动汽车还不具备大规模生产和
使用的条件。
现代柴油机已经是一种低排放、低油耗、可靠性
好、动力强劲的发动机, 因而具有无可替代的优势。
113 柴油发动机的主要问题
柴油发动机存在的主要问题就是氮氧化物和黑
色的碳烟。柴油机在燃烧时的压力和温度都高于汽
油机, 吸入燃烧室里的空气也较多, 燃烧室内剩余空
气中的氧气和氮气很容易在高温、高压的条件下发
生反应, 而生成氮氧化物。燃烧区域中油滴周围的含
氧量相对柴油汽较低, 影响了柴油的充分燃烧, 这将
导致碳烟(燃油中未燃烧的碳) 的排放, 也就是颗粒
物。
不过, 随着柴油机技术的进步, 其环保性能已大
有改善。自 1998 年以来, 新型公路用柴油机的颗粒
物排放量已降低了 83% , 氮氧化物的排放量也已降
低了 63% , 达到欧洲? 或欧洲ì 的柴油发动机已经
基本消除了黑烟。这主要得益于 90 年代以来柴油机
技术的不断创新发展, 燃油供给、燃烧室设计和涡轮
增压方面的改良。
2 车用发动机型式及主要技术
211 预燃式和直喷式柴油机
早期的柴油机较多采用涡流室式或预燃室式燃
烧室, 即在缸盖上增加了一个涡流室或预燃室, 柴油
先被喷入涡流室或预燃室与空气混合燃烧然后再与
客 车 技 术 与 研 究
第 2 6 卷 第 3 期 BUS TECHNOLOGY AND RESEARCH Vo l126 No13 2004
? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
气缸内的空气混合燃烧, 这种形式的柴油机就叫做
非直喷式。非直喷式柴油机噪声小, 运行平稳, 制造
成本较低。所谓直喷式柴油机就是把柴油直接喷入
气缸进行燃烧, 由于喷油压力的提高以及缸内压缩
空气旋转速度的加大, 使得直接喷射的燃烧状况大
大改善。
212 喷油泵2喷油器和单体泵技术
柴油机燃油系统主要是高压油泵和喷油器, 先
期广泛采用的是整体式高压泵, 通过单独的高压油
管将柴油经喷油器喷入气缸。其缺点是燃油的喷油
时机难以控制, 而且体积大, 管线长, 布置困难。
随着柴油机技术的发展, 现在又兴起一种单体
式喷油泵形式 (称为单体泵) , 它实际上是将整体式
喷油泵“化整为零”, 发动机每个气缸燃油喷射由各
自的独立喷射单元来完成。
213 泵喷嘴技术
对于单体泵而言, 喷油泵与喷油嘴之间用一根
很短的高压油管相连, 而对于泵喷嘴而言, 喷油泵与
喷油嘴组合为一体, 直接安装在柴油机气缸盖上, 由
顶置凸轮轴驱动。它的最大优点是能够减轻或者消
除在柴油流动和喷射的过程中, 在高压油管内所形
成的压力波影响。因为这个压力波会妨碍喷油系统
与负荷、转速的良好匹配, 并会随着高压管的长度增
长而增大。因此, 缩短高压油管的长度(喷油泵的设
计思想) 或干脆不要高压油管(泵喷嘴的设计思想) ,
减少柱塞与喷油嘴之间的高压容积, 可以得到接近
于凸轮轮廓线所规定的供油规律。尤其是泵喷嘴, 早
在十几年前已经应用在通用汽车上, 现在有电子技
术的精确控制, 使其性能得以提高。
高压泵喷嘴式喷油系统可以自由调节喷射定
时, 喷射压力高, 但是对于转速有较大的依赖, 适合
与较大型的柴油机匹配。 其代表是英国的卢卡斯
(L ucas) 公司载重车用柴油机喷油系统, 美国 GE 公
司开发的机车柴油机电控喷油系统等。
214 高压共轨技术
共轨式电控燃油喷射技术通过共轨直接或间接
地形成恒定的高压燃油, 分送到每个喷油器, 并借助
于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与
闭合, 定时、定量地控制喷油器喷射至燃烧室的油
量, 从而保证达到最佳的燃烧比和良好的雾化, 以及
最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排
放。
柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一种全新的
技术, 它集成了计算机控制技术、现代传感检测技术
以及先进的喷油结构于一身, 它有助于减少柴油机
的尾气排放量, 改善噪声, 并降低燃油消耗。该项新
技术已开始在国外以柴油机提供动力的汽车上投入
使用。
215 涡轮增压技术
废气涡轮增压技术是上世纪 60 年代后得到大
量应用的技术, 它利用排气的能量来驱动一个涡轮
压气机, 以增加进气压力, 从而大幅度提高发动机的
功率输出, 同时减少燃油消耗, 降低排放, 目前这一
技术在柴油机上得到广泛应用。 欧美的柴油机约
95% 都采用废气涡轮增压。但是增压器自身的惯量
使得发动机的加速响应和低速性能受到影响, 造成
低速扭矩下降、排烟增加。要想弥补这一缺陷, 简单
的方法是牺牲高速性能或牺牲一定的经济性。可变
截面涡轮增压系统可解决这个难题。该系统通过改
变取决于转速或流量的涡轮叶片角度, 可同时控制
由导向叶片中通道宽度所决定的有效涡轮面积和转
子的燃气进口角, 从而控制涡轮的可用能量。当发动
机低速运转时, 调节涡轮面积, 改善流经涡轮的废气
能量和利用程度, 从而使发动机的扭矩特性得到大
幅度提高, 废气排放品质也相应得到改善; 发动机高
速运转时, 由于增加了涡轮有效工作面积, 不存在增
压器超速和发动机超压的现象; 发动机加速运转时,
通过调节涡轮面积, 也可以在短时间内提供足够的
进气量, 改善其加速性能。
另外, 电辅助驱动涡轮增压器也可以改善发动
机的加速响应特性。其原理是在增压器轴上增设一
个电机, 当涡轮机的转速较低时, 电机启动提高转速
以增加空气流量。同时在某些时候电机也可以起阻
力作用, 以限制发动机的转速。
3 柴油发动机技术的发展趋势
从当今世界各主要汽车与发动机公司开发的新
一代柴油机的技术变化看来, 尽管各有特点, 但大体
上反映了以下发展趋势:
(1) 直喷式柴油机的比例不断提高, 直喷式柴
油机的缸径不断减小。如戴姆勒2克莱斯勒公司用于
SM A R T 车 的 BEN ZOM 2660 机 (D ?S = 6515?79
mm , 3 缸, 排量 018 L ) , 大众的 LU PO 机 (D ?S =
7615?8614 mm , 3 缸, 排量 1119 L )。
(2) 广泛采用增压、中冷与多气门技术。柴油机
气缸内能燃烧的燃料量取决于进入气缸的充气量,
为此车用柴油机上广泛采用了涡轮增压与中冷技术
( TA C ) , 以及多气门技术。 如德国 VW 公司的
2 客 车 技 术 与 研 究 第 2 6 卷
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LU PO 机与BEN ZOM 2660 机, 都采用四气门, 以提
高充气效率。
(3) 实现高压喷射与电控。为满足越来越严格
的排放法规(欧? 与欧ì 标准) , 喷油压力不断提高。
目前在传统的泵管嘴系统中, 喷油压力已普遍超过
100 M Pa, 在新的高压喷射系统中, 喷油压力已超过
150M Pa, 甚至达到 200M Pa。
(4) 排气再循环 (EGR ) 与排气后处理技术 (机
外净化)。实现排气再循环可降低NO x, 但不利于燃
油经济性, 若能实现 EGR 冷却与电控, 则有利于改
善综合性能。柴油机的排气后处理技术比汽油机困
难, 但是国外在微颗粒过滤及其再生技术与NO x 催
化还原技术方面已取得了长足的进步, 可以满足未
来欧ì 排放法规的要求。
(5) 优化结构设计, 减少摩擦与附件功率损失,
提高机械效率。柴油机的有效效率等于指示效率与
机械效率的乘积, 因此, 柴油机的燃油消耗率也直接
受到机械效率的影响, 国外在致力于完善缸内工作
过程的同时, 也十分重视减少摩擦损失和提高机械
效率的研究。此外, 以德国M TU 公司为代表的部分
停缸技术(CDA ) 也是一种有效手段。
4 结束语
先进柴油机技术的应用, 使柴油机的综合性能
有了极大的提高。90 年代中后期, 欧洲联盟国家车
用柴油机达到了欧ê 、欧? 排放标准; 与 1988 年相
比, 2005 年 (欧ì ) 轻型柴油车的微粒排放可降低
93%。
在欧洲, 柴油轿车的销售量已占总销量的 1?3
以上, 并且这一数字仍在不断增长。据预计, 整个欧
洲的柴油车市场份额将很快达到 40% , 在近 10 年
内, 有望达到 50%。在欧洲, 90% 以上的出租车采用
柴油机动力, 因为出租车更注重燃油成本。
在美国, 虽然目前柴油轿车所占的市场份额还
不足 1% , 但实际上, 除了目前全美 94% 的货物运
输、60% 的公共汽车都是以柴油机作为动力之外, 在
小轿车的柴油化方面也有进展。2002 年仅大众公司
就在美国销售了 2 800 辆柴油轿车。
因此, 在开发各种代用燃料汽车的同时, 先进技
术的柴油机汽车仍将得到广泛的采用。
收稿日期: 2004203223
全国“汽车加速行驶车外噪声控制与技术研讨会”在渝召开
由国家环境保护总局机动车排污监控中心主办, 国家客车质量监督检验中心和交通部客车技术信息网
承办的全国“汽车加速行驶车外噪声控制与技术研讨会”于 2004 年 5 月 13 日～ 14 日在重庆召开。有 84 个
单位的 130 余名代表参加了此次会议。
国家环境保护总局污控司大气处、机动车排污监控中心、国家客车质量监督检验中心的有关领导到会致
辞。会上国家环保总局的有关领导对汽车加速行驶车外噪声限值第二阶段的实施日期、标准限值要求及相关
的国家政策作了详细明确的阐述, 表明了国家环保总局对噪声治理的决心和实施力度, 打消了一些企业存在
的观望心理。
为了能使企业更好地了解汽车噪声的产生机理及相应的降噪控制措施, 国家环保总局和承办单位邀请
了在噪声降噪控制领域内的知名专家、教授进行了关于噪声控制的专题讲座和学术交流。与会代表在听取了
重庆大学机械学院副院长邓兆祥教授的“汽车噪声控制技术”、国家汽车质量监督检验中心 (襄樊) 杨正江高
级工程师的“发动机噪声及其控制”、丹麦B&K 公司叶志刚工程师的“汽车降噪法规对相关产业的影响及降
噪处理”、国家客车质量监督检验中心曹飞工程师的“客车噪声控制”以及日本本田公司的“日本的噪声法规
与中国噪声法规的比较”等讲座后, 对汽车噪声的产生机理、传播方式以及应该采取的控制措施有了更深入
的了解, 对今后的汽车噪声降噪处理也有了更为明确的方向。会议还邀请了在噪声控制方面做过一些探索的
企业代表就他们在汽车噪声降噪过程中的成败得失进行了经验交流; 最后, 专家们就汽车企业在噪声控制方
面存在的技术难题进行了详细的解答。
全国“汽车加速行驶车外噪声控制与技术研讨会”的召开, 表明了国家对噪声污染治理的重视, 加深了汽
车企业对噪声控制技术的了解, 随着汽车加速行驶车外噪声第二阶段标准实施日期的日益临近, 必将有力地
促进企业进行技术创新, 对提高我国汽车产品的噪声质量起到积极的推动作用。 (刘 剑)
第 3 期 何林华: 车用柴油发动机的发展趋势 3
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