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据专家预测,在今后20年,甚至更长的时间内柴油机将成为世界车用动力的主流。
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。
一、国外柴油机技术的现状与发展
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。
最近,美国联邦政府能源部和以美国三大汽车公司为代表的美国汽车研究所理事会正在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。
下面是国外柴油机应用的一些先进技术:
(一)共轨与四气门技术
国外柴油机目前一般采用共轨新技术、四气门技术和涡轮增压中冷技术相结合,使发动机在性能和排放限值方面取得较好的成效,能满足欧3排放限值法规的要求。
四气门结构(二进气二排气)不仅可以提高充气效率,更由于喷油嘴可以居中布置,使多孔油束均匀分布,可为燃油和空气的良好混合创造条件;
同时,可以在四气门缸盖上将进气道设计成两个独立的具有为同形状的结构,以实现可变涡流。
这些因素的协调配合,可大大提高混合气的形成质量(品质),有效降低碳烟颗粒、HC和NOX排放并提高热效率。
(二)高压喷射和电控喷射技术
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(车)性能。
(三)增压中冷技术
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。
(责任编辑:
秦岭)
(四)排气再循环(EGR)技术的应用
EGR是目前发达国家先进内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内,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,缸内最高燃烧温度下降,破坏NOX的生成条件。
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。
(五)后处理技术
柴油机后处理的目标是进一步改善PM和NOX的排放。
目前主要采用加装氧化型催化转化器和研究开发NOX催化转化器以及具有良好再生能力的微粒捕集器。
(六)柴油
柴油的生产和贮存条件,是保证柴油发动机(车)正常运转延长使用寿命和保持低排放的重要保证。
例如瑞典的一级柴油使用中可减少CO排放达54%,HC和NOX排放达10%,PM排放减少14%~47%。
发达国家已普遍使用燃料清净剂,既能节省燃料,又能清除积碳、降低排放。
(七)乳化柴油的应用
柴油加水掺合乳化剂,使其形成较为稳定的含水乳化柴油,这类改进型燃料的使用可明显降低柴油机(车)的排放,尤其是NOX和PM。
目前美国报道这方面进展较多,我国也在这方面进行研究,且已取得可喜进展。
加水20%乳化柴油(70天不分层),在大型柴油机上100%负载工况下,功率不减,节油明显,动力输出比柴油上升4.3%,且烟度和NOX排放下降明显。
然而,尽管这项技术对低排放有好处,但其潜在的问题如水结冰、水对发动机的腐蚀等问题尚待解决。
(八)降低机油消耗
柴油机排放的颗粒物中,有相当一部分来自馏分较重的机油的燃烧。
为了满足日益严格的柴油机(车)排放限值标准的要求,必须把来自机油的燃烧降至最低限度,即在保证发动机正常运转的前提下,最大限度地减少机油的消耗。
为了降低柴油机的机油消耗,活塞环的优化设计和制造及缸套间的科学配置非常重要
2、我国柴油机产业的现状与发展
我国柴油机产业自20世纪80年代以来有了较快的发展,随着一批先进机型和技术的引进,我国柴油机总体技术水平已经达到国外80年代末90年代初水平,一些国外柴油机近几年开始采用的排放控制技术在少数国产柴油机上也有应用。
最新开发投产的柴油机产品的排放水平已经达到欧1排放限值要求,一些甚至可以达到欧2排放限值要求。
但我国柴油机产业的整体发展仍然面临着许多问题。
(一)我国重型柴油车的产量在逐年增加,中型、轻型车柴油化步伐也在加快,但在微型汽车、轿车领域,柴油车所占比例仍为零。
而另一方面,我国中型柴油机市场已呈现供大于求,轻型柴油机市场也趋向饱和,但骨干企业正在生产的多数产品从技术角度已应是淘汰产品,发展潜力不大。
(二)柴油机行业投入不足,严重制约了生产工艺水平、规模发展和自主开发能力的提高。
现在,我国柴油机技术基础薄弱,整体技术水平落后于国际先进水平10至20年,也落后于国内车用汽油机的发展,还不具备完整的全新柴油机产品和关键零部件开发能力。
许多国外已经普遍采用的技术在我国仍处于研究阶段,有些甚至仍是空白。
(三)我国柴油机技术的落后、产品质量差以及车辆使用中维修保养措施不力,导致低性能、高排放柴油车在使用中对城市环境和大气质量造成不良影响,使社会产生"
厌柴"
心理。
(四)柴油品质差、柴油标准的制修订严重滞后于汽车工业发展的需要,对柴油机技术的发展以及各种新技术、改善柴油机排放措施的应用造成障碍。
有关专家近日指出,应逐步减少行政干预,加强宏观调控。
不同类型的车辆均应以满足法规作为统一标准,鼓励和支持技术先进柴油车的使用;
做好车用柴油机发展的全面规划,有步骤、有计划地解决技术水平落后、产品不全、"
缺重少轿"
等问题,从而提高柴油机的产品质量;
加大对柴油机的科技投入,开展重点科技项目的攻关工作;
尽快建立和完善排放及能源法规;
尽快实施燃油税,汽油和柴油的燃油税应同时实施,对高品质的燃油实行税收优惠政策;
采取切实可行的措施以提高车用柴油的品质,并尽快制定车用柴油标准。
科技部、中国内燃机、中国汽车工程学会、大众汽车公司以及国内柴油机生产企业等国内外知名汽车专家们呼吁:
应当用一分为二的观点来看待各种车用动力的发展,以完善的法规、科学的政策引导车辆的使用,以是否满足标准限值作为衡量一个产品能否在市场销售的唯一标准,有效发挥各种车用动力形式在不同运输环境中的作用。
我国柴油机技术的攻关重点应放在电控技术、排放后处理技术、整机开发和匹配技术等关键技术研究和材料开发上;
提高柴油品质,为各类柴油机新技术的应用奠定基础;
把高速公路使用8吨以上柴油载货车作为我国柴油车发展的重点,并为发展柴油轿车做好前期准备。
3、一.柴油机的诞生
自从18世纪末瓦特改良蒸汽机以来,蒸汽机成为推动世界发展的动力。
1805年,富尔顿发明了实用的蒸汽机船,从此以后很多船舶开始用上了蒸汽机。
不过早期的蒸汽机工作压力很低,结构极其笨重,效率不到5%。
19世纪初,改进蒸汽机,提高热效率就成为许多科学家和工程师毕生追求的目标。
法国人萨迪.卡诺(SadiCarnot,1796-1832)就是其中杰出的代表。
卡诺认为,要想改进热机,只有从理论上找出依据。
因此他从热力学理论的高度着手研究热机效率,提出了著名的“卡诺循环”。
图1.1热力学大师萨迪.卡诺
图1.2“卡诺循环”P-V(压力-体积)图
“卡诺循环”是一个理想的过程,分四个阶段。
1-2,可逆等温膨胀过程。
2-3,等熵膨胀过程。
3-4,可逆等温压缩过程:
4-1,等熵压缩过程。
工质经过这四个过程循环后,吸收能量,对外做功,随后又回到原来的状态。
卡诺循环只是一个理想状态的热机,现实中没有任何热机的效率可以达到卡诺热机的效率,但它却为分析热机效率提供了基础的方法。
从卡诺循环的分析可以看出,增大工质循环的初始温度与循环终了温度之间的差值,是提高热机效率最为简便的途径。
迄今为止,热机效率所有重大的提升和改进都是在这个准则指导下进行的。
有了理论指导后,蒸汽机功率和效率都得以提高,这种提高主要取决于蒸汽参数的提高。
初期蒸汽机的蒸汽压力仅为0.11~0.13兆帕(一标准大气压=0.101325兆帕,仅相当于大气压)。
19世纪初蒸汽压力达到0.35~0.7兆帕,到1840年,最好的凝汽式蒸汽机总效率已经能达到8%。
随着蒸汽参数和功率的提高,蒸汽已不可能只在一个汽缸中膨胀,必须在相连的汽缸中继续膨胀,于是出现了多级膨胀的蒸汽机。
由于蒸汽机受到润滑油闪点的限制,所用蒸汽的最高温度一般都不超过400℃。
机车,轮船等移动式蒸汽机的工作温度还要略低一些,多数不高于350℃。
考虑到膨胀的可能性和结构的经济性,常用蒸汽压力在2.5兆帕以下。
由于蒸汽参数受到限制,从而也限制了蒸汽机功率和效率的进一步提高。
为了避免蒸汽机粗大笨重、结构复杂、难以小型化的缺点,欧洲的发明家们纷纷开始研究新型热机。
德国工程师奥托(N.AOtto1832~1891)通过效仿卡诺循环的研究方法,提出了“奥托循环”,即定容加热循环原理。
“奥托循环”的基本工作原理为,将可燃气体在气缸中压缩,再点燃压缩可燃气体,产生很强的推力,从而提高热效率和输出功率。
奥托创建的内燃机工作原理一直在现代汽车发动机(汽油机)上沿用至今。
1876奥托的第一台内燃机为单缸卧式,功率3.2千瓦(4.4马力),四冲程,转速为156转/分,压缩比为2.66,热效率达到14%,大大超过了蒸汽机。
不过当时石油工业还处于襁褓时期,更谈不上汽油(第一台汽油机还要等到1883年才问世),因此这台发动机采用的燃料是煤气。
由于煤气存储不便,存在安全性较差的缺点。
同时由于奥托的内燃机采用的是点燃方式,当时完善的电点火装置还没有发明,点火装置可靠性也不佳。
图1.3内燃机的发明人-奥托
一名德国裔的法国工程师决定改进内燃机,他就是鲁道夫.狄塞尔(RudolfDiesel,1858-1913)。
狄塞尔1856年出生于法国巴黎,父母是德国移民。
1870年普发战争爆发后,他移居到德国奥格斯堡的叔叔家,在那里他就读职业学校。
1875年,他进入慕尼黑科技大学学习,5年后以第一名的成绩毕业并返回巴黎从事制冷专业。
在工作中,他深感蒸汽机的效率低下,于是萌发了设计新型发动机的念头。
1890年他回到柏林,不久后他建造了一台以氨气为动力的发动机并进行研究,但不幸的是,发动机的爆炸差点要了他的命。
出院后他继续研究工作,并在1893年发表了著名的论文《TheoryandConstructionofaRationalHeat-enginetoReplacetheSteamEngineandCombustionEnginesKnownToday》(《取代现有蒸气发动机和内燃发动机的合理的热发动机理论和设计》),在论文中他提出了定压加热
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