柴油机节能技术

二、柴油机节能技术

随着先进柴油技术的发展，柴油发动机冒黑烟，噪声高，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。

在全球节能减排趋势的推动下，柴油机动力技术经历了如下几个主要的发展演变过程：①供油方式从机械式直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。②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。③燃烧过程组织从涡流室式燃烧系统到缸内直喷+冷却EGR演变，并伴有从传统的预混—扩散燃烧方式衍变的预混压燃点火燃烧系统的演变。

下面主要介绍涡轮增压技术、电控燃油喷射技术、稀薄燃烧技术等先进柴油机节能技术。

1.涡轮增压技术

由于小型高速涡轮增压器技术日趋成熟以及增压与中冷的结合，推动了涡轮增压在车用柴油机上的应用。涡轮增压装置主要是由涡轮室和增压器组成。废气进入涡轮膨胀做功，驱动增压器压缩新鲜空气，从而提高进气压力。为满足不断严格的排放法规和提高发动机的全工况性能，车用增压器正朝着小型、高效、灵敏等方向发展。

最近几年发展起来的可变喷嘴涡轮增压器通过对执行器的控制来改变涡轮流通截面积大小，从而实现增压器与发动机良好匹配的目的。Garrett公司开发的液压控制AVNT技术，进一步提高了控制的精确度。博格华纳公司开发的由两个串联的涡轮增压器组成的R2S可控两级涡轮增压系统很大程度上改善了燃油经济性并提高了发动机性能。

华晨1.8T系列发动机

我国大中型柴油机多已采用增压技术，中型柴油车采用增压技术占40%，轻型柴油车增压仅占7%，而轿车汽油机涡轮增压技术还比较落后。近年来，这一技术在国产品牌轿车上的应用也有所突破，华晨联手德国FEV历时三年成功研制了自主涡轮增压发动机——华晨1.8T系列发动机。并于2006年6月投入批量生产，实现了我国汽车核心技术研发的重要突破。

2.电控燃油喷射技术

新一代车用柴油机关键技术的核心和基础就是电控燃油喷射技术。目前，车用柴油机燃油系统主要有四种：电控泵喷嘴(EUI)、高压共轨(CR)、电控单体泵(EUP)、电控直列泵+EGR。EUI技术将喷油泵和喷油器组成一个单元，由ECU也就是电脑控制摇臂或者间接地由发动机凸轮轴通过推杆来驱动喷油器准确喷油。CR技术由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对公共供油管内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。EUP工作方式跟泵喷嘴相同，不同在于其喷油器和油泵用一根较短的喷射油管连接，由发动机的凸轮轴驱动。电控直列泵+EGR技术采用电控供油速率燃油喷射泵精确控制喷油，EGR控制高温富氧条件下NO_x的生成。

长期以来，国内电控燃油喷射供油系统的核心技术由跨国公司垄断，美国德尔福公司在中国市场针对中轻型车推广共轨技术，针对重型车提供泵喷嘴和单体泵技术；德国博世公司电喷系统技术已经由电控共轨发展到电控液力放大系统，在中国市场主推高压共轨系统；日本电装目前正在研发第三代、第四代共轨系统，它将针对中国市场需求研发并推广共轨系统。

由于研发滞后，我国车用柴油机行业在电控燃油喷射技术方面仍存在很大的差距。目前，国内相关企业正在努力改变这种状况。一汽集团无锡油泵油嘴研究所经过多年研制，成功开发出具有自主产权的电控共轨系统，成都威特公司联合清华大学于2004年成功研制出具有自主产权的电控单体泵系统，并于当年开始提供成套产品，这是国内目前批量生产电控柴油喷射系统的第一个厂家。2008年上海国际发动机及制造技术展览会上，成都威特公司展出了新研制的电控直列组合泵技术，它符合我国柴油发动机企业的实际情况及老机型的欧Ⅲ升级改造需要，满足了欧Ⅲ对喷油系统的最低要求，可靠性高，价格低，机械接口与P型泵相同，且安装方便，系统标定过程简单，是目前满足欧Ⅲ排放的低成本解决方案。

3.稀薄燃烧技术(HCCI)

在HCCI燃烧概念提出的最初，就有研究将柴油作为HCCI燃料，但效果较汽油差距很大。究其原因，一是柴油黏度大，挥发性差，形成预混合均质混合气困难；二是柴油作为高十六烷值燃料，容易发生低温自燃反应，均质预混合气的燃烧速率控制困难，易造成粗暴燃烧。但为满足日益严格的节能和环保的要求，高效低污染燃烧技术的新型柴油机的研究引入了新燃烧的概念，其中具有代表性的就是柴油HCCI燃烧方式。

在HCCI燃烧方式下柴油和空气在燃烧开始前已充分混合，形成均质预混合气。混合气被活塞压缩并发生自燃，呈分布均匀、稀混合的低温、快速燃烧状态，可同时保持较高的动力性和燃油经济性，从根本上消除了产生NO_x的局部高温区和产生PM的过浓混合区。但目前还无法实现柴油机全工况的HCCI燃烧过程，从实用化角度出发，必然要采用双模式运行方案，即在中低负荷，采用HCCI燃烧方式，在高负荷，仍然采用传统的燃烧方式。

美国、日本、欧洲等国的主要汽车公司及核心研究机构都在开展柴油机HCCI燃烧的研究，均未能实现大规模商品化，只有少量的投入生产。在HCCI柴油机产业化技术的研究方面，今后一段时期内的工作将主要集中在燃烧技术的控制方面，包括燃烧诊断、燃烧模式切换和瞬态工况过渡。我国的天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室、清华大学等单位也在进行相关研究。

4.其他节能技术

除了以上柴油机节能技术，改进进排气系统、优化燃烧室设计等也具有很大的节能潜力，下面主要介绍柴油机多气门技术和缩口环形燃烧室。

(1)多气门技术在大、中、小型汽油轿车上，多气门技术已经作为成熟技术得到了应用，目前采用多气门技术的车型已占汽油机的85%，在柴油机上的应用更是国际学术界研究热点之一。多气门可增大柴油发动机的进气量，使柴油的燃烧更完全，排气更快、更彻底，从而提高柴油发动机的输出功率。国外大型柴油机的气门最多时已达到每缸5个、目前已开始在小型柴油机上应用，国内在这方面的研究尚不成熟。

(2)缩口环形燃烧室改变燃烧室形状，优化涡流形成，既有利于提高燃油经济性，也能降低排放。缩口燃烧室具有较大的气流强度和较合理的涡流分布，可以产生较高的缸内压力和温度，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。