现代车用柴油机特点和技术发展

几十年前，人们曾一度放弃了柴油车，那种体积大、噪声高、发出难闻气味的柴油机形象至今还留在许多人的记忆中。然而经过几十年的发展，现代的柴油机已成为一种排放清洁、节省能源的动力，是一种可行的过渡性技术解决方案。在欧洲，柴油车销量已占汽车总销量的40%，美国市场的柴油车销售量也在逐渐增加。　　
　　2002年，美国市场柴油轿车的销售量达到31220辆，比2001年增加了35%。戴姆勒-克莱斯勒、大众、宝马、福特和通用等国际汽车巨头都对美国的柴油车市场，特别是柴油轿车市场表现出极大的兴趣。当然，我们这里所指的是现代的绿色柴油机。

　　 一．柴油机的主要特点

　　（1）　有能量密度高（大型低速增压柴油机的有效热效率已超过50%），燃油消耗率低，这对节约能源和提高经济效益都很重要。
　　（2）　好的燃油经济性；
　　（3）　温室效应气体排放少，其二氧化碳的排放量比汽油机大约低30-35%，但废气中含有害成分（NO，颗粒物等）较多，噪声较大，在环境环抱方面已引起重视。
　　（4）　功率和转速范围很大（功率1—65580KW，转速54—5000r/min），因此应用领域宽
　　（5）　结构较复杂，零部件材料和工艺要求较高，制造成本较高，与汽油机相比质量较大。
　　（6）　新技术（电子控制，增压，废气再循环，新材料）应用多，发展快。产品研制开发和生产装备的投资大，属于技术密集和资金密集性产品。

　 二．柴油机原理简介

　　柴油机所用燃料是柴油，起评价的指标是：

　　1. 发火性：评价柴油的自燃能力，用十六烷值来表示。
　　2. 蒸发性
　　3. 粘度：燃料流动性的尺度 。
　　4. 凝点：柴油开始失去流动性的温度

　　在结构方面，柴油发动机与汽油发动机具有基本相同的结构，都有气缸体、气缸盖、活塞、气门、曲柄、曲轴、凸轮轴、飞轮等。但前者用压燃柴油作功，后者用点燃汽油作功，一个“压燃”一个“点燃”，就是两者的根本区别点。

　　汽油机的燃料是在进气行程中与空气混合后进入气缸，然后被火花塞点燃作功；柴油机的燃料则是在压缩行程接近终了时直接喷注入气缸，在压缩空气中被压燃作功。
这个区别造成了柴油机在燃料供给系统的结构有其自己的特点。柴油机的燃料喷射系统是由喷油泵、喷油器、高压油管及一些附属辅助件组成。

　　柴油机燃料输送的简单过程是：输油泵将柴油送到滤清器，过滤后进入喷油泵（为了保证充足的燃料并保持一定的压力，要求输油泵的供油量比喷油泵的需要量要大得多，多余的柴油就经低压管回到油箱，其它部分柴油被喷油泵压缩至高压）经过高压油管进入喷油器直接喷入气缸燃烧室中压燃。

　　为了柴油机能在怠速稳定工作和限制柴油机超速，在喷油泵上还带有调速器。喷油泵是柴油机燃料供给系统中最精密的部件，它的作用就是根据柴油机工况的变化调节柴油量，并提高柴油压力，按规定的时间与规律将柴油供给喷油器。

　　 三．柴油机新技术

　　 高压共轨电子控制燃油喷射技术简介

　　传统的柴油机存在着供油不精确的问题，解决的办法是采用电子控制燃油喷射的技术。与汽油机相比柴油机的电子控制燃油喷射系统有很多相同之处，在整机电脑管理方面两者基本相同，但因柴油机的喷射系统形式多样，电控系统的硬件也呈多样形式，同时柴油机需要对油量、定时、喷油压力、喷油路等多参数进行综合控制，其软件的难度也大于汽油机。

　　第一代柴油机电控燃油喷射系统也称位置控制系统，它用电子伺服机构代替调速器控制供油滑套位置以实现供油量的调整，这类技术已发展到了可以同时控制定时和预喷射的 TICS 系统。

　　第二代系统也称时间控制系统，其特点是供油仍维持传统的脉动式柱塞泵油方式，但油量和定时的调节则由电脑控制的强力快速响应电磁阀的开闭时刻所决定。

　　第三代也称为直接数控系统，它完全脱开了传统的油泵分缸燃油供应方式，通过共轨压力和喷油压力／时间的综合控制，实现各种复杂的供油回路和特性。强力快速线形响应电磁阀是各种系统共同的技术难点。

　　因柴油机的喷射系统形式多样，国外柴油机的电控系统也形式多样，有直列泵和分配泵的可变预行程 TICS 系统，有基于时间控制泵喷嘴系统，有蓄压共轨系统和高压共轨系统等。各种技术方案都在原有的基础上发展，但高压共轨系统是总的发展方向。　

　　 共轨式电控燃油喷射技术的原理

　　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柴油机燃烧室的油量，从而保证柴油机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。

　　其主要由电控单元、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨，高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元从预设的 map 图中确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入气缸。

　　现在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。这是世界汽车工业为满足日益严格的废气排放标准的必然趋势。

　　 共轨式电控燃油喷射技术的特点与现状

　　柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一种全新的技术，因为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。该技术的主要特点是：

　　1. 采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀；
　　2. 采用共轨方式供油；
　　3. 高速电磁开关阀频响高，控制灵活；
　　4. 系统结构移植方便，适应范围宽。

　　这一技术的研究与开发热点在于：

　　（ 1 ）如何解决高压共轨系统的恒高压密封问题；
　　（ 2 ）如何解决高压共轨系统中共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀问题；
　　（ 3 ）如何解决高压共轨系统的多 MAP （三维控制数据表）优化问题；
　　（ 4 ）如何解决微结构、高频响电磁开关阀设计与制造过程中的关键技术问题。

　　 共轨式电控燃油喷射技术对环境保护的促进作用

　　共轨式燃油喷射技术有助于减少柴油机的尾气排放量，以及改善噪声、燃油消耗等方面的综合性能；它在有利于地球环境保护的同时，也必将促进柴油机工业、汽车工业及与之相关工业的发展。
增压中冷

　　增压可使柴油机在排量不变，重量增加不大的情况下达到增加输出功率的目的。与相同功率的非增压柴油机相比，增压柴油机不仅体积小，重量轻，功率大，而且还降低了单位功率的成本。因此，增压技术不仅广泛应用在柴油机上，而且还推广到汽油机，是改善内燃发动机的重要技术手段。

　　但是事物总有矛盾性，空气压力的提高就是空气密度的提高，空气密度的提高必然会使空气温度也同时增高，这如同给轮胎打气时泵会发热一样。发动机涡轮增压器的出风口温度也会随着压力增大而升高，温度提高反过来会限制空气密度的提高，要进一步提高空气密度就要降低增压空气的温度。据实验显示，在相同的空燃比条件下，增压空气温度每下降10摄氏度，柴油机功率能提高3%－5%，还能降低排放中的氮氧化合物（NOx），改善发动机的低速性能。因此，也就产生了中间冷却技术。

　　柴油机中间冷却技术的类型分两种，一种是利用柴油机的循环冷却水对中冷器进行冷却，另一种是利用散热器冷却，也就是用外界空气冷却。当利用冷却水冷却时，需要添置一个独立循环水的辅助系统才能达到较好的冷却效果，这种方式成本较高而且机构复杂。因此，汽车柴油机大都采用空气冷却式中冷器。

　　空气冷却式中冷器利用管道将压缩空气通到一个散热器中，利用风扇提供的冷却空气强行冷却。空气冷却式中冷器可以安装在发动机水箱的前面、旁边或者另外安装在一个独立的位置上，它的波形铝制散热片和管道与发动机水箱结构相似，热传导效率高，可将增压空气的温度冷却到50至60摄氏度。

　　中间冷却技术不是一项简单的技术，过热无效果白费工夫，过冷在进气管中形成冷凝水会弄巧成拙。因此要将中冷器和涡轮增压器进行精确的匹配，使得压缩空气达到要求的冷却温度。

　　 柴油机发展展望

　　柴油机的大功率，低排放，良好的电子控制等显著优点将使柴油发动机在新的时代有长足的发展。现在全球各大厂商正致力于新型绿色环保柴油机的研发，在ＮＯ和颗粒物的排放方面将得到近一步改善。而起关键是在燃油的精确配置和废气的后置处理，各多的电子新科技将运用到新一带柴油机上。而且在混合动力方面柴油机也有起应用特点，高扭矩配合电动汽车的快速响应和０排放，将是一种很不错的选择。

　　而且柴油机普及也得到了各国政府的普遍支持和政策鼓励，柴油机技术的开发和技术更新日新月异。所以在今后的汽车时常，柴油机将得到更普遍的应用。