《柴油机节能技术及发展趋势》由会员分享，可在线阅读，更多相关《柴油机节能技术及发展趋势（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、. . . . 柴油机节能技术及发展趋势摘要：随着能源紧缺和环境污染问题的日益严重，当前国外法规对柴油机节能与排放的要求越来越高，柴油机节能减排技术发展面临着新的挑战。文章主要从柴油机节能减排技术的几个方面介绍了柴油机技术的发展现状，分析了当前柴油机在节约能源以及降低污染物排放方面的研究进展，讨论了二十一世纪柴油机环保与节能技术的发展趋势。关键词：柴油机、节能技术、电控喷射、涡轮增压1.引言1882年德国人狄赛尔提出了柴油机工作原理，1896年制成了第一台四冲程柴油机。一百多年来，柴油机技术得以全面的发展，应用领域起来越广泛。大量研究成果表明，柴油机是目前被产业化应用的各种动力机械中热效率最高
2、、能量利用率最好、最节能的机型。由于它的高效、节能等性能在汽车动力中受到高度重视,特别在近现代,柴油机的应用趋势在逐渐扩大,由于柴油机对能源消耗较大,对环境污染特别严重,所以对该项污染问题不能忽视,全世界的能源枯竭和发动机尾气对世界的污染日益严重,全世界在对节约能源和汽车尾气排放上有了更高的规定。柴油机燃油经济性和排放关系未来柴油机发展的关键问题。在美国、日本以及欧洲100%的重型汽车使用柴油机为动力。在欧洲，90%的商用车及33%的轿车为柴油车。在美国，90%的商用车为柴油车。在日本，38%的商用车为柴油车， 9.2%的轿车为柴油车。据专家预测，在今后20年，甚至更长的时间柴油机将成为世界车
3、用动力的主流。世界汽车工业发达国家政府对柴油机发展也给予了高度重视，从税收、燃料供应等方面采取措施促进柴油机的普及与发展。 随着先进柴油技术的发展，柴油发动机冒黑烟，噪音高，振动大等问题得到解决，柴油机较同排量汽油机可节油25%以上的优势得以显现。近年来，柴油轿车在国际上，特别是欧洲，取得了很大发展。到2007年，西欧柴油轿车销售已占轿车销售市场份额的54%，在部分国家（如法国）已占70%以上。我国柴油机产业自20世纪80年代以来有了较快的发展，但就其技术来源而言，引进系列和自主开发系列基本上是平分秋色。在全球节能排减趋势的推动下，柴油机动力技术经历了如下主要的发展演变过程:供油方式从机械式直
4、列分配泵经历了单体泵、泵喷嘴到第一代、第二代、第三代、第四代电控高压共轨系统演变;喷油压力、喷孔数目、喷油时刻与循环喷油量的计量控制均发生了演变。进气系统从传统的自然吸气式到放气阀式涡轮增压中冷、可变结构涡轮增压中冷到串联式二级增压二级中冷增压系统演变。燃烧过程组织从涡流式燃烧系统到缸直喷+冷却EGR演变，并伴有从传统的预混一扩散燃烧方式衍变的预混压燃点火燃烧系统的演变。2.柴油机节能技术现代的调整高性能柴油机由于热效率比汽油机高、污染物排放比汽油机少，作为汽车动力应用日益广泛。西欧国家不但载货汽车和客车使用柴油发动机， 而且轿车采用柴油机的比例也相当大。美国联邦政府能源部和以美国三大汽车公司
5、为代表的美国汽车研究所理事会也开发新一代经济型轿车同样将柴油机作为动力配置。经过多年的研究、大量新技术的应用，柴油机最大的问题烟度和噪声取得重大突破，达到了汽油机的水平。在未来的20年,燃机仍是各种通用机械的主要动力,随着汽油和柴油的质量越来越高以及燃机技术的快速发展,能量利用效率得到了明显的提高,同时代用燃料也会得到迅速运用,小型的废气涡轮增压燃机的研制,必将对我国燃机行业的发展及节约能源方面起到重要的作用。因此,如何结合我国国情来发展燃机行业及中国的燃料,开发研究新的节能技术,制定科学的、符合发展的战略,是我国燃机行业科研单位乃至国家政府必须重视的问题。2.1共轨技术经过多年的发展完善，柴
6、油机电控喷射系统已由第一代的位移控制到第二代的时间控制一直发展到了现在的压力时间控制，也就是大家所熟知的共轨喷射技术。共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式，由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对公共供油管的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，因此也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。 在汽车柴油机中，高速运转使柴油喷射过程的时间只有千分之几秒，实验证明，在喷射过程中高压
7、油管各处的压力是随时间和位置的不同而变化的。由于柴油的可压缩性和高压油管中柴油的压力波动，使实际的喷油状态与喷油泵所规定的柱塞供油规律有较大的差异。油管的压力波动有时还会在主喷射之后，使高压油管的压力再次上升，达到令喷油器的针阀开启的压力，将已经关闭的针阀又重新打开产生二次喷油现象，由于二次喷油不可能完全燃烧，于是增加了烟度和碳氢化合物（HC）的排放量，油耗增加。此外，每次喷射循环后高压油管的残压都会发生变化，随之引起不稳定的喷射，尤其在低转速区域容易产生上述现象，严重时不仅喷油不均匀，而且会发生间歇性不喷射现象。为了解决柴油机这个燃油压力变化的缺陷，现代柴油机采用了一种称为“高压共轨”的技术
8、。2.2高压喷射和电控喷射技术 在电控喷射方面柴油机与汽油机的主要差别是，汽油机的电控喷射系统只是控制空燃比（汽油与空气的比例），而柴油机的电控喷射系统则是通过控制喷油时间来调节负荷的大小。 柴油机电控喷射系统由传感器、ECU（控制单元）和执行机构三部分组成。其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、温度、压力等传感器，将实时检测的参数同步输入计算机，与ECU储存的参数值进行比较，经过处理计算按照最佳值对执行机构进行控制，驱动喷油系统，使柴油机运作状态达到最佳。高压喷射和电控喷射技术是目前国外降低柴油机排放的重要措施之一， 高压喷射和电控喷射技术的
9、有效采用，可使燃油充分雾化，各缸的燃油和空气混合达到最佳， 从而降低排放，提高整机性能。目前公认的最有前途的电控高压共轨燃油喷射系统可以降低汽车碳烟和颗粒排放,提高发动机动力性和燃油经济性,改善起动性能和降低燃烧噪声,它的高度柔性的燃油喷射系统,在柴油机的结构设计和性能优化上了广阔的自由空间,但系统量的基本参数的可变对于废气排放、噪声水平、经济性和动力性折衷优化配带来了困难。在机械方面,对于电控高压共轨式喷射系统,国外开发商正在着眼于提高燃油喷射压力和精确性,以使燃油更充分燃烧,其中最高压力可达260Mpa。在高压油泵、油路,喷嘴的材料和加工过程上进行改进方法有:（1）对泵轴及驱动系统进行专门
10、设计以增强其刚度和硬度。（2）减小喷油孔直径,该直径小于0.2mm,最小可达0.12mm 和增加油孔数目。（3）减小喷油提前角,增大燃烧室直径和提高压缩比。（4）进一步减少零部件,因为较少的零部件意味着较少的管路、接头和振动。在电气方面,重点在于执行器和 ECU 的设计。国对柴油机电控燃油喷射系统的研究起步较晚,在20 世纪90 年代才开始有几家单位研究,但呈后起直追之势,在控制理论、系统组成、关键零部件研究等方面取得了一些进展。高压共轨燃油喷射系统在现代发动机对燃油喷射系的要求达到了所需目标,只要对现有发动机作较小改动的就可满足欧IV排放标准,它被燃机行公认为是20 世纪二大突破技术之一,被
11、汽车工业界认为柴油机动力车领域最具发展前途的燃油喷射技术。2.3涡轮增压技术 （1）两级涡轮增压技术 以往的柴油机采用的是一级涡轮增压技术，其产生的压力相对较低，使压缩进汽缸的空气量有限，汽缸中的燃料不能充分燃烧。这不仅浪费了大量的燃料，也使柴油机的废气排放量偏高。瓦锡兰集团和MAN柴油机公司都成功开发出新型的涡轮增压技术，通过使用两级涡轮增压器来增大压力，增加汽缸中的空气量，解决一级涡轮增压器压力不足的问题。 两级涡轮增压系统是由两个大小不同的涡轮增压器串联组成。其工作原理是：利用发动机工作产生的废气的能量，驱动体积较小、增压度较高的涡轮增压器，然后再驱动体积较大的、增压度较低的涡轮增压器。
12、低压比涡轮增压器的压缩机将周围的空气压缩，然后经过一个直接相连的冷却器，将压缩后的空气传送到高压比涡轮增压器的压缩机中；在此之前被压缩过的空气再次被压缩，再经过一个空气冷却器，传送到发动机汽缸。经过两次压缩，可以大大增加进入汽缸的空气量，从而使发动机中的燃料燃烧更充分，大大提高发动机的输出功率和功率密度，并大幅减少有害气体的排放量。该技术能大幅提高柴油机的效率，输出功率和功率密度能够提升近10个百分点，同时降低燃油消耗和二氧化碳排放量。 （2） VTA(Variable Turbine Area）涡轮增压技术 涡轮增压柴油机的最大优点是它可实现小排量、高功率、大扭矩，尤其是其扭矩输出增加明显。
13、但由于涡轮介入程度取决于转速高低，在柴油机低负荷和低速运行下，涡轮增压器不能以最大的效率工作，因而压缩至汽缸的空气量有限，不能使燃料充分燃烧。这是传统涡轮增压技术的严重缺陷。MAN柴油机公司开发了VTA涡轮增压技术，有效地解决了这一问题。VTA技术使得柴油机处在任何负荷和速度运行时，都能根据燃油的喷入量自动、持续、精确地匹配压缩空气的进入量，解决了传统涡轮增压器只能在事先设定的发动机负荷点实现最大效率的问题。这大大提高了燃料燃烧的效率，节约了燃油，大幅削减了碳氢化合物、二氧化碳、煤烟的排放量。MAN柴油机公司已经成功地将VTA技术应用到大型涡轮增压器上，该涡轮增压器将安装在燃烧重质燃油的大型柴
14、油机上。船用柴油机生产的6S50ME-B型柴油机和三井造船柴油机生产的SK80ME-C型柴油机，都将安装采用VTA技术的高效废气涡轮增压器。2.4涡轮增压中冷技术 柴油机的涡轮增压中冷技术就是当涡轮增压器将新鲜空气压缩经中段冷却器冷却，然后经进气歧管、进气门流至汽缸燃烧室。采用涡轮增压增加柴油机的空气量，提高燃烧的过量空气因数是降低大负荷工况排气烟度、 PM 排放量以及燃油消耗的有效措施。有效的空-空中冷系统，可使增压空气温度下降到50以下， 工作循环温度的下降有助于NOX的低排放和PM的下降，故目前重型车用柴油机都普遍是增压中冷型， 不仅有助于低排放而且燃油经济性良好。此外，涡轮前排气旁通阀
15、的应用，不仅能降低PM和CO排放， 还可以改善涡轮增压柴油机的瞬态性能和低速扭矩。 2.5排气再循环（EGR）技术的应用 EGR 是目前先进燃机中普遍采用的技术，其工作原理是将少量废气引入气缸， 这种不可再燃烧的 CO2 及水蒸汽废气的热容量较大，能使燃烧过程的着火延迟期增加，燃烧速率变慢， 缸最高燃烧温度下降，破坏 NOX 的生成条件。中冷EGR 技术是取得降低柴油机NOx 排与改善燃油经济性折衷效果的一种有效措施。自2000 年起,中冷EGR 的应越来越多, 以取得最佳的NOx 和燃油消耗率的衡关系。对于小型柴油机来说,中冷EGR 增加了发动机管路的复杂性, 并产生布置问题。ECOTEC 发动机采用了利用气缸盖部冷却通道来输送EGR的方法以解决此问题。在一个典型的高速直喷式柴油机中, EGR 取自涡轮增压器涡轮前的排气, 并被输送到涡轮增压器压气机和中冷器的下游以避免在压气机和中冷器中堆积积碳。由于涡轮增压器和发动机的不同特性,在排气和进气之间可能会发生因压力差不足而不能提供足够的EGR 气流量的情况。这个问题的解决方法是使用一个进气节流阀,这样会对发动机增加一些节流损失, 或者使用可变截面涡轮增压器。EGR技术可使机动车NOX排放明显降低， 但对重型车用柴油机而言，目前倾向于使用中冷EGR技术，因为其不仅能明显降低NOX， 还能保持其他污染物的低水平。 2.6排放后处
