国外轻型车用柴油机技术走向

作者：东风汽车有限公司研发中心 汪卫东

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 近年来，国外轻型车用柴油机取得了很大的发展，具体表现在功率增长、转速下降、增压和增压中冷比例上升，还包括多气门和中置缩口燃烧室、高压喷射和小孔径多喷孔、小压力室或VCO油嘴、废气再循环、电子控制等新结构、新技术的应用上。 功率增长 由于国外发达国家公路网络的迅速扩展，用户要求车用柴油机具有越来越高的功率，以提升车辆的行驶速度和加速性能，从而提高汽车的运输效益,同时,为提高汽车的行驶舒适性和安全性，就要带更多的附件，如空调压缩机、大容量发电机、转向油泵、排气制动阀等,这些附件增加了发动机功率消耗，使发动机功率增长。 提高功率的途径不外乎扩大缸径、增加排放量或者增压等，但采用大缸径、大排放量自然吸气机型可能会带来一些不利影响，如增加整机的外型尺寸、重量从而增加燃油消耗，而采取合适的技术措施可将这些不利因素的影响减少到最低程度。 转速呈下降趋势 降低转速对发动机的排放、噪声、燃油经济性、可靠性、寿命都有利，所以发动机转速呈下降的趋势。近几年，日本主要厂商生产的3～5L四缸车用柴油机的转速都在3000r/min以上，活塞的平均速度在12m/s以上，而欧美的这一档机型的转速却降到了2600r/min以下，活塞的平均速度在11.5m/s以下。最为典型的是奔驰OM904LA发动机，转速仅为2300r/min，但该机采用增压中冷，所以达到了较高的升功率。为了获得较高的车速和较宽的车速范围，该机还配用了六速变速器。由于转速较低以及缸孔采用感应淬火处理，发动机的使用寿命可达100万公里。 增压及增压中冷比例上升 增压不仅可以提高功率、改善燃油经济性，而且也是降低排放和噪声的主要措施之一。所以当今轻型车采用柴油机增压机型所占比例逐年上升。 由于各国的排放法规不同，自然吸气直喷式机型若采用EGR等技术也可以满足目前的排放法规要求。增压机型在价格、低速扭矩特性、加速响应性能等方面与自然吸气机型相比仍稍显逊色，但直喷式柴油机在增压中冷的基础上附加其他措施，性能则大为改善，所以原先自然吸气机型都发展了增压、增压中冷机型。最新开发的产品已没有自然吸气，如奔驰OM900系列、斯太尔M1等系列柴油机都是增压或增压中冷机型。由于轻型车柴油机转速有一定跨度，为了兼顾高低速性能，特别是改善发动机低速区域的烟度与油耗，往往使用带放气阀的增压器。近年来电控可变截面/可变喷嘴（VGT/VNT）增压器的问世使低速区域的扭矩、烟度和都油耗得到了进一步改善。 多气门结构 在小缸径柴油机中采用多气门技术是20世纪90年代才兴起的。当时有的用三气门，如雪铁龙的XUD11；也有的采用四气门，如道依茨的BF4M1010柴油机、福特的2.5L柴油机、丰田的15BF、AVL开发的LEADER2和LEADER3柴油机。近年新开发的机型主要采用四气门，如日野的J05C、里卡多公司的CERES2.2L直喷式柴油机等。在未来5～10年内，多气门技术还将继续发展和普及。 四气门的主要优点有：第一，油嘴垂直且中心布置，使油线分布均匀，相应的燃烧室也可以中心布置，中心燃烧室与偏置燃烧室相比，进气涡流动能的衰减要明显小得多，另外，中置油嘴加中置燃烧室可以改善混合气的形成，提高燃烧质量，获得低的排放和高的扭矩功率；第二，四气门增加了气门的流通面积和流通能力，进气面积可提高11%以上，排气面积可提高25%以上，从而降低了泵气损失，提高了充气系数，有助于降低燃油消耗率；第三，中置燃烧室使活塞顶上的热负荷趋于均匀，便于冷却油腔的布置，采用冷却油腔的活塞能承受更高的热负荷；第四，四气门采用两个独立的进气道，便于实现可变进气涡流，高转速、全负荷时两个进气道都打开，而在低速时只开一个进气道，从而提高了涡流比；最后，中置且垂直的油嘴安装位置可使用一种新概念的油嘴——可变流道面积喷嘴（VRD），有助于减少排放，特别是低转速、低负荷的颗粒排放。 喷油系统不断发展 1、传统喷油系统的改进 传统的直列泵和VE转子泵在提高喷射压力和可调性方面均取得了很大的进展，AS泵的嘴端喷射压力达到80bar，P型泵达100～120 bar，电控VE泵也达到了100 bar，同时，可变喷油定时和喷油率的电控技术具有可变预行程、最大喷油率高的特点，初期喷油率低的凹面凸轮、适应高压喷射而避免二次喷射的等压出油阀等新技术的应用也促进了传统直列泵的发展。 电控技术的采用可实现对喷油量、喷油定时、喷油率以及喷油压力的调整，并可根据外界条件，如发动机及车辆运转情况，对喷油系统进行优化控制。 随着排放法规的严格，必然要提高喷射压力。多孔小孔径油嘴的喷孔数量增加了，喷孔直径减小了，进气涡流比降低了，燃烧室的口径比也加大，这些改进都有利于提高喷射压力，而且随着气缸排放量的加大，这些趋势会越来越明显。 此外，小压力室油嘴和VCO油嘴的应用可以降低HC排放。双弹簧油嘴的应用可减少初期喷油率并降低NOX的排放量和燃烧噪声。 2、新型喷油系统的研发及应用 提高喷射压力是降低烟度和颗粒的主要技术。随着平均喷油压力的提高，烟度和颗粒排放直接下降。为了进一步提高喷射压力，世界主要厂家相继开发了一些新型燃油喷射系统，如高压电子转子泵、径向泵式燃料供给系统（最大喷油压力为1750bar，已装用在大众V6Tdi发动机中）和共轨式喷射系统（最大喷油压力大约为1500 bar，目前已成为直喷式柴油机燃油喷射系统的主流）。 近年德国博世公司和英国卢卡斯公司还开发调试出了一种新型燃油喷射技术——泵式喷油器，该系统的喷射压力大约高达2000 bar，在某些工况下甚至超过了2000 bar。 采用泵式喷油器后，柴油机上再不用安装喷油泵和与喷油器相连的高压油管，布置在缸盖内的油路直接给泵式喷油器供给燃料。 泵式喷油器主要由摇臂、柱塞和燃油控制电磁阀构成。柱塞由凸轮轴上的一个专用凸轮带动，其功能如同喷油器内的小活塞，当柱塞往下时，压力增大，可达到大约2000 bar。由于驱动凸轮形状特殊，所以增压速度特别快，而且压力越大，瞬间喷油量就越多，喷射时间不超过千分之几秒（甚至达每秒250次）。 一旦凸轮不与柱塞接触，有一根回位弹簧会把柱塞拉回到常态位置。为确保喷注效果最佳且无气泡，凸轮的斜面设计得特别平缓，柱塞的上升也是一个渐进的过程。 泵式喷油器靠一电磁阀增力，并由一ECU控制，这样可确保燃油的准确供给，特别是喷射的干脆利索。 采用泵式喷油器后，柴油机在柱塞每次上升时均有1～2mm3的燃油预喷，燃烧温度也得以大大降低，同时，发动机的工作噪声和NOX的生成量也得以减少。 此泵式喷油系统需要一种特定的发动机缸盖与之匹配，它与每缸四气门缸盖不相容，因为它们的尺寸与牢固度皆不相同。与配备常规喷油器的同档次柴油机相比，采用泵式喷油系统的发动机即使在低转速工况下的功率亦可增大5%，扭矩可增大20%，在大约1500r/min时就可获得最大扭矩。 表 泵式喷油器与共轨系统的优劣势比较 优势 泵式喷油器 1、燃油喷射压力特别高，燃油雾化效果好，喷射的油粒非常细小，有利于和空气的混合，这样，燃烧效果得到改善，减少了排放积炭与颗粒。 2、取消了喷油泵与高压油管，无需担心密封性问题。 3、低转速时输出的扭矩也较大，1500～1700 r/min均可输出大扭矩。 4、驾驶时发动机工况更稳定 共轨系统 1、制造成本相对来讲不高，因为此系统可与任何柴油机“简便”匹配。 2、无论发动机运转至哪一阶段，燃油喷射都控制得非常准确。 3、无论何时，都有预喷、喷射、后喷“三步曲”，有条不紊。 劣势 泵式喷油器 1、从经济角度看，很难将此技术运用到当前的柴油机上，因为它要求采用与常规发动机缸盖不同的特殊缸盖，并且还要求加强发动机的某些零部件（如连杆、曲轴等）的强度，成本太高。 2、加大了发动机的尺寸（由于缸盖高度加大）。 3、无法实现每缸四气门式缸盖。 共轨系统 1、燃油雾化效果不如泵式喷油器，因为喷射压力相对低了不少，所以黑烟与颗粒排放量以及NOX生成量均较多。 2、油耗比泵式喷油器的要高。 电控废气再循环 柴油机排放控制技术的难点是既要降低NOX的排放量，又要减少颗粒。NOX大多是在预混合燃烧阶段产生的，而颗粒主要是扩散燃烧阶段产生的，这就要求减小预混合燃烧，同时加速扩散燃烧，但往往采取降低NOX的措施会增加油耗，而减少颗粒排放的措施往往又会引起最大燃烧压力和燃烧强度的增加，反过来使NOX排放量增加。NOX是在高温富氧的情况下产生的，所以降低缸内燃烧温度和降低氧的含量是控制NOX的有效措施。目前主要四通过提高喷射压力来降低颗粒，再采取延迟喷油和使用废气再循环（EGR）等措施来降低NOX，因GER减少了进气量中的含氧量，故它只宜在低转速部分负荷或空燃比足够大的工况下采用，这样不会使烟度、HC和颗粒排放量明显增加。过高的废气再循环率可能导致发动机腐蚀和磨损，影响发动机的使用寿命。通常可以同时采取延迟喷油定时来降低NOX，这样只要较小的废气再循环率就能达到NOX的排放法规。另外，可对气缸套活塞环进行表面处理，以防过度磨损，确保发动机高的使用寿命；对废气再循环的关闭、开启大小也都必须进行有效控制，也就是根据发动机运行工况对废气再循环率实施电子控制。 缩口环形燃烧室 为了适应更严格的排放法规的要求，AVL公司开发的缩口环形燃烧室现在逐步在小缸径高速直喷式柴油机上被采用。著名的四角形燃烧室一直是五十铃公司的专利，从B系列到J系列都保留了这一特色。缩口环形燃烧室后来又发展成为缩口四角形燃烧室，但，为了适应日本的排放法规，20世纪90年代开发的H系列柴油机采有了缩口环形燃烧室。缩口环形燃烧室的特点是燃烧室中心有较大较高的锥形凸台，燃烧室大部分容积分布在四周圆形内，并带收口。由于燃烧室中部燃油分布较少，且进气涡流的切向速度和挤流都较小，四周环形内燃油发布较多，涡流速度较高，有利于提高空气利用率和油气混合质量。中间凸台对挤流起导向作用，在膨胀行程形成逆挤流时对喷油嘴的热冲刷还起到一定的屏蔽作用。缩口燃烧室除切向的进气涡流外，还形成轴向的较大挤流，因此，缩口燃烧室与直口燃烧室相比，在相同的进气涡流比和燃烧室口径下，燃油分布较多的燃烧室壁面和底部气流速度要高出50%左右，这对于促进油气混合、加速燃烧是十分有利的。在上止点后，缩口环形燃烧室比直口W型燃烧室的涡流保持性要好得多，所以缩口燃烧室比直口燃烧室的颗粒排放以及全负荷烟度和自由加速烟度都有较大的改善。 电子控制技术 微电子、传感器、执行器技术的发展促进了柴油机电控技术的发展。20世纪90年代推出的新型柴油机均不同程度地应用了很多电子控制系统，如五十铃4HG1的废气再循环电子控制、OM904LA的单体泵的电子控制、Sprint发动机对转子喷油泵和可变进气涡流的电子控制、奔驰公司的C250柴油机的全电子控制等。 电控柴油机的主要优点有：改善了发动机的性能，如提高了柴油机烟度限制下的功率，降低排放和燃油消耗率，提高发动机的冷起动性能；改善了车辆的驱动性能，如平稳运转的控制、颤动的控制等；最后，通过自动诊断、监控、自动关闭装置，提高了车辆的耐用性和安全性。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/27/2005)