浅析柴油发动机的性能优势与发展趋势

【摘 要】本文介绍了柴油发动机的性能特点，并通过与汽油发动机进行对比，阐明了柴油发动机的性能优势，以及发动机柴油化的发展现状。进而分析现阶段车用柴油机的技术特点，对柴油机电控技术、排放控制等新技术的应用发展趋势进行研究。

【关键词】柴油机；性能；技术研究；发展趋势

1.发动机柴油化的发展现状

柴油发动机的保有量逐渐上升，逐步取代汽油机成为今后新设计车型的首选动力配置，已成为今后汽车行业不可阻挡的发展趋势。与汽油发动机相比，柴油发动机具有优异的燃油经济性和较大的排放性能改进潜力。最新研究表明，今后10年乃至更长的阶段内，全球柴油发动机市场规模将持续壮大，除中重型载货车全部采用柴油机外，过去主要搭载汽油机的轿车和轻型车市场也将更多地装配柴油机。专家预测，到2015年柴油轿车将成为欧洲的主力车型；到2018年，柴油发动机在欧洲的市场份额将会超过63%。

在国内，柴油机凭借优良的性能表现也得到了市场越来越多的的青睐。按照2012年实际销售统计，在重型载货汽车市场中柴油发动机的使用率已经接近100%，大型客车市场达到94%。如果把农用运输车也计算在内的话，该领域柴油发动机的使用率也已经达到100%。2011年，我国商用车的柴油发动机使用率约为61%。需要指出，这是按照当年车辆实际销售数量计算的，如果以柴油汽车与汽车总保有量之比来计算，我国的车用动力柴油化的比例要低一些。

2.柴油发动机的性能优势

在相当长的时间内，车用柴油机的技术发展重点主要放在提高动力性、经济性、可靠性和寿命等方面。而目前的发展重点则转向以排放、噪声为首位，几乎所有的重大发展和改进工作都是围绕这一要求或与这一要求相结合进行的。轻型车、轿车用柴油机自上世纪80年代以来有了较大发展。欧洲是柴油轿车的最大市场和生产地，特别是法国和德国。此外，亚洲的日本也生产部分柴油轿车。

随着近年来的大气环境恶化，雾霾天气连续出现，汽车排放性能成为评价发动机的首要因素。汽油机成为车用动力源已有100余年的历史；而柴油机则是近十几年的事，因此针对柴油机的排放技术研究远没有汽油机深入。最新的研究资料表明，与汽油机相比，柴油机在排放性能方面也有一定的优势，而且改进潜力还很大。这主要表现在：因为柴油机采用的是富氧燃烧和高压缩比，一氧化碳的排放量比汽油机要低得多，大约只是汽油机的十分之一。对于碳氢化合物的排放，在冷机工况下，几乎为零；在燃烧工况下，碳氢化合物的排放量也要低得多。1台现代柴油轿车排放的HC比1台使用三效催化剂（TMC）的汽油车还要低。二氧化碳因为无毒，其排放一直没有放在控制之列。但二氧化碳的大量增加会导致地球温室效应，它的控制已成为本世纪的全球性危机。由于柴油机热效率高，其二氧化碳排放明显低于汽油机。

众所周知，柴油机的热效率比汽油机高，故其燃油消耗比汽油机低。对于装柴油机的车辆，由于扭矩曲线平坦，在较大的负荷变化范围内经济性普遍较好，加上其驾驶性能好，故整车燃油消耗更低。当今技术先进的柴油车，比同类汽油车节油达1/3，有时甚至更多。

3.柴油发动机的研发现状与重点

3.1增压及中冷技术

柴油机通过增压和增压中冷可达到或接近相同排量汽油机的功率，并且在低、中转速的扭矩明显高于汽油机。此外，采用增压和增压中冷的柴油机比一般柴油机的经济性也有很大改善。更重要的是，因为增压中冷可降低进气温度从而大大减少了氮氧化合物排放。随着发动机的轻量化与小型化，为了降低车辆油耗，提高车辆装载效率，必须继续提高增压比及增压器效率。进一步提高大负荷区的过量空气系数可以减少颗粒排放，同时通过稀燃化，减少热损失，提高循环效率，进而同时降低油耗。随着高增压化趋势，组装有多个增压器的复合系统已成为可能。另外，增压器固定的喷嘴几何形状也将由可用于多用途的电控可变几何形状所取代。

目前，该技术不仅在中、重型车用柴油机上得到广泛应用，在轻型车、轿车用柴油机上也越来越多地被采用。

3.2多气门结构

多气门结构一般是指3个或3个以上的进排气门布置。目前最为流行的是2进2排的4气门布置结构。4气门在大型柴油机上应用较早，现在逐渐向小型柴油机领域发展。4气门可以减少换气损失，特别是可以提高低速范围内的充气效率，从而改善低速扭矩；又可使活塞上燃烧室凹坑和缸盖上的喷油器位置布置在气缸中央，从而改善了进气涡流及油雾分布的均匀，以及改善活塞和喷油器的冷却条件。

另外，因为可在不同转速下实现涡流比可变，空气利用率高，从而使N0x和颗粒排放达到最低效果。

3.3提高喷射压力

面对日趋严格的排放法规，欧美日有关厂家正在加紧柴油机新技术的研究与开发，其中将喷油系统的开发作为首选课题之一。研究人员通过大量试验证实：提高喷油压力，可以改善燃油的雾化和分布均匀，改善燃烧，从而降低颗粒排放。中小排量的机型采用120-140MPa，较大排量的机型采用120-180MPa，可以达到欧洲4号排放标准的要求。目前有3种可供选择的高压喷油装置：装电控电磁阀的泵喷嘴、带电控电磁阀的单体泵和共轨式喷油装置。

3.4共轨式供油系统

共轨式供油系统是在一条共用轨道上分别产生压力和喷射。喷射压力可高达160MPa。利用ECU将脉冲喷射信号导入电磁阀而引发一次喷射，通过喷嘴开启持续时间来调节油量。该装置属近年研制成功并被认为是最理想的一种高压喷油装置，具有供油规律与发动机转速因素无关，直接受控于电控系统优点。目前，该装置在欧洲各类汽车柴油机上得到了大量采用，且专家认为这是一种能够满足未来欧V，最有改进潜力的喷油装置。同时，减小喷孔直径和增加孔数可以改善燃油的雾化和均匀分布，减少着火滞后，降低NOx及颗粒排放。

4.柴油机电控技术的应用研究

电子控制技术在柴油机上的应用相对较迟，但近10年来有较快的发展，并逐步扩展到较小的机型上，尤其是轿车用柴油机。目前对燃油喷射时间、喷射量、增压器、进气涡流及废气再循环等都能实现电子优化的可变控制，从而对降低排放、减少油耗、提高输出功率和启动性能等有很大作用。但还有很多技术不够完善，有待进一步研究和开发。今后还将继续开发其它方面的电子可变控制结构，尤其是与整车协调统一的综合化的全电子控制系统。借助电控系统可以根据需要达到以下目的：

（1）在运转中，控制保持最佳的供油量、喷油定时甚至供油速率，也可实现预喷射，以保证在各种工况下的动力性、经济性及排放性能都能得到综合的优化结果，并同时保证所要求的加速性能、调速性能及其它特定的性能。

（2）对整个增压系统进行控制，包括放气阀、可变几何喷嘴截面装置、中冷器旁通等。

（3）控制烟度极限功率，得到所需各种不同的功率和扭矩特性曲线。

（4）控制启动和暖车过程，得到良好的启动性能和消除启动冒烟。

（5）自动进行高海拔条件下的补偿以及根据油温进行自动补偿。

5.柴油机排放控制及降噪技术的研究

对柴油机来说，主要排放物是一氧化碳，碳氢化合物，氮氧化合物及颗粒，其主攻方向是降低氮氧化合物及颗粒。当前对策：一是采用机内净化技术，即从根本上避免生成氮氧化合物及颗粒。如避免产生缸内高温条件，改进燃烧室形状、供油系和改善缸内的空气流动等。再就是采用机外净化技术，即排气后处理技术等。

目前流行的主要排放控制措施：

（1）改善燃油喷射正时特性，采用电子控制喷油泵，根据发动机负荷选取最佳喷射时间与压力。还可采用预喷射法。

（2）采用陶瓷材料，提高燃料着火性能；采用副喷嘴，改善紊流强度和燃烧。

（3）开发各种带有紊流发生罐式的燃烧室，通过调整喷嘴、紊流强度来改善燃烧，控制排放。 [科]

【参考文献】

[1]李今举.汽车工程电子新技术[M].北京：人民交通出版杜，2005.

[2]陈新轩，展朝勇.现代工程机械发动机.北京：人民交通出版杜，2008.

[3]孟嗣宗，庄一方.现代汽车电子控制[M].北京：北京理工大学出版社，2007.

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