柴油机关键技术其发展论文

柴油机关键技术及其发展
[摘要]随着世界性石油资源的日益枯竭和大气污染日益严重，柴油机的发展越来越受到环境的影响。

在所有热机中，柴油机的效益最高、co2排放量最少，加之先进技术不断引入，使其技术水平不断提高，可适应愈来愈严格的排放法规。

因此，柴油机在今后几十年内仍将是交通运输和固定动力装置的主要动力。

本文对柴油机关键技术进行了介绍和剖析，介绍了高压喷射技术、废气再循环技术、排气后处理技术和多气门及可变技术，探讨未来柴油机的发展趋势可能是柴油的改性和燃烧系统的改进。

[关键词]柴油机关键技术未来发展
中图分类号：tk421 文献标识码：a 文章编号：1009-914x（2013）04-0216-02
1、前言
目前内燃机的发展主要受来自环境方面的影响。

全球气候变暖备受关注，众所周知，地球变暖是由于co2造成温室效应的缘故。

柴油机广泛应用于车用和固定动力装置，其热效率是各种热机中最高的，柴油机的燃烧消耗比汽油机低15-30%，从而使co2排放量也大幅度降低。

柴油发动机以其经济性、耐久性和优异动力性能，成为一种国际新趋势。

如今在燃油最为昂贵的欧洲，路上跑着的汽车50%以上装着柴油发动机。

不过在中国，目前汽车使用柴油机的比例（2008年）还只有23.18%，且这部分采用柴油机的汽车几乎全部都是商用车，而2008年乘用车的柴油机采用率仅为6.3%[1]。

随
着世界各国排放法规日益变严，nox和pm的降低已成为柴油机发展的主要挑战。

2、柴油机关键技术
排放法规不断严格推动了柴油机技术进步：对于柴油机结构，从自然吸气到涡轮增压，再到涡轮增压加中冷，到废气再循环；在控制策略上，从机械控制过渡到电子控制；燃烧过程也从两气门到多气门，并提高燃油喷射压力；油品水分和含硫量也得到改善。

2.1 高压喷射技术
在技术路线方面，有高压共轨、单体泵、泵喷嘴和电控直列泵+ egr 4种，从国外发展来看，共轨和单体泵是比较成熟技术。

2.1.1 共轨系统（cr）
共轨电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制装置（ecu）组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式，它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管，通过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，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速变化的程度。

ecu控制喷油器的喷油量，其大小取决于燃油轨道（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。

该技术不再采用传统的柱塞泵脉动供油的原理，而是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启闭，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
及最佳的发火时间、足够的能量和最少的污染排放[2]。

高压共轨燃油系统的压力建立与转速和负荷没有关系，提前角可以灵活调节，能够多次喷射。

但是，该燃油系统的油轨压力调整十分复杂，存在建立时间和建立精度的矛盾，即缩短调节时间将很可能导致油轨内的燃油压力超调，一般油轨压力需要在柴油机的几个循环内才能完成调整，在一个循环中不能实现各缸的独立调节。

高压共轨燃油系统的喷射规律调节能力有限，一般为矩形喷射规律，为了获得先缓后急的喷射规律，必须多次喷射。

2.1.2 电控单体泵（eup）
电控单体泵燃油喷射系统是一种时间控制式电控喷油系统。

它包括电子控制系统和机械液力系统两大部分，这两部分之间以电磁控制旁通阀为接口，将电磁阀和油泵组合在一起，利用电磁阀直接控制柱塞腔内燃油压力的建立和泄流，从而实现对喷油量和喷油时刻的控制。

其基本工作过程为：控制器ecu将所收集到的柴油机传感器信息处理后，发出启喷指令，给电磁阀通电，控制阀杆闭合泄油回路，建立高压，燃油经过高压油管，通过喷油器喷射雾化进入气缸燃烧；当电磁阀持续电流断开时，阀杆在弹簧的作用下开通泄油通路，高压燃油迅速经回油孔泄压，停止喷油。

电控单体泵的喷射压力可达150mpa，其电磁阀响应时间在0.5ms以内[3]。

电控单体泵是我国已经具有自主知识产权的电控燃油系统。

该燃油系统对发动机改造较小，能够实现电控高压燃油喷射，具有广泛的应用前景。

单体泵系统的另一个优势就是它的可靠性和寿命，
这些性能已经在欧洲和北美市场上得到了15年左右的实际使用时间及数百万辆整车使用的证明。

但是传统的单体泵通过泵端的单电磁阀实现燃油喷射控制；油压的建立过程依赖于曲轴转速；不具备多次喷射的能力；而且一旦燃油系统和整机的匹配设计完成，在每一个工况点下，燃油系统的特性将不能调节。

从国外发展来看，共轨和单体泵是比较成熟技术，但是由于其核心零部件由博世、电装和德尔福等国外企业垄断，不但价格高，而且供应量也成问题。

为了解决这个问题，国内整车厂和零部件企业合作开发出电控直列泵+egr技术。

这一技术在成本和维修方面优势明显，目前已经批量用于整车之上，不少企业正在积极开发之中。

目前，高压共轨和单体泵两种技术都有各自的市场，高压共轨系统多用于中小功率的柴油机，而单体泵多用于大功率的重型柴油机。

欧洲市场85%以上的重型柴油机均采用电控单体泵技术。

从使用看，电控单体泵对油品的要求不高，而电控共轨技术要求油品必须达到欧ⅲ或以上排放所需要的标准。

在我国油品质量普遍难以达到欧ⅲ或以上要求的条件下，电控单体泵技术不挑剔燃油的优势已被公众普遍认可[4]。

2.2 废气再循环技术
废气再循环egr（exhaust gas recirculation）是目前用于降低直喷式柴油机nox排放的主要技术措施之一。

现代排放控制理念不仅要求控制有害物质的排放，而且要求提高发动机的热效率。

但是，通过优化燃烧过程提高热效率的方法，通常会导致燃烧过程加
速，最高燃烧温度升高，造成nox排放增加，在加速和全负荷工况，问题尤其突出。

为了既提高热效率，同时又降低nox排放，办法之一就是使一部分废气留在气缸中参加下一个工作循环，或者将一部分废气从进气门后面注入进气系统，送回气缸参加下一个工作循环，这就是废气再循环。

前者叫“内部废气再循环”，可以通过可变气门定时技术实现，该系统不需外加其他设备，结构简单，应用方便，但由于是在进气行程内直接开启排气阀使废气回流，因此难以精确控制egr率；后者叫“外部废气再循环”。

外部egr技术对原机改动小、设计自由度较大，可以通过电控单元ecu控制egr率，实现智能控制，所以较为常用。

对其使用冷却技术将回流废气冷却后送人气缸可进一步降低废气温度，降低燃烧峰值温度，使nox排放更小。

egr的实质是利用废气中的co2使混合气稀释，降低了最高燃烧温度，进而降低nox排放。

另外，egr减少了直接排入大气的废气量，即使排气中的nox浓度相同，由于排气总量的减少，也使得排气中nox的质量比例减少。

但是，由于燃烧温度的降低，使燃料不完全燃烧的机会增加，尾气中的碳烟排放增加，因此必须进一步采取净化措施，例如德国的man公司采用10%的egr技术以降低nox，用排气后处理pm-kat技术处理pm，达到了欧ⅳ排放法规要求[5]。

2.3 排气后处理技术
2.3.1 颗粒物过滤（dpf）技术
微粒过滤技术dpf（diesel particulate filter）是使柴油机
排气流经过滤体后再排入大气，当柴油机从过滤体中通过时，其中的微粒会被过滤下来，从而达到净化的目的。

dpf是柴油机尾气pm 后处理的主要方式，它主要由收集排气微粒的过滤材料和再生系统组成。

过滤材料是排气过滤技术的重要部分，先后出现过多孔金属、陶瓷纤维、泡沫陶瓷过滤体、壁流式蜂窝陶瓷过滤体等，其中壁流式蜂窝陶瓷是目前各种综合性能最好的过滤体，已经成为过滤材料的主体。

在过滤过程中，随着过滤体内微粒的不断积累，柴油机排气阻力必然逐渐增加，会导致柴油机燃烧恶化和油耗增加。

所以，当微粒积累到一定量时，就必须及时清除，这就是过滤器的再生。

柴油机排气中的微粒收集相对容易，难的是再生系统的设计。

根据再生原理不同，可将柴油机微粒过滤体再生方法分为主动再生（强制再生）和被动再生。

2.3.1.1 被动再生技术
被动再生即为催化再生，是在过滤器载体上浸渍催化剂或在燃油中加入添加剂来降低颗粒的氧化反应的活化能，降低碳粒的起燃温度来实现颗粒过滤器的再生。

crt（连续再生捕集器）系统是一个重要的发展方向，但就我国而言，由于受柴油中的硫含量太高的影响，国内在相当长的时间内受化工技术的影响不能使用。

2.3.1.2 主动再生技术
主动再生又称为“热再生”，即外加能量（热能）的再生方式，利用外部热源使积存在过滤体内的微粒升温、自燃，以减少过滤器内的微粒pm。

根据外加能量的形式可分为：微波加热再生、喷油助
燃再生、电加热再生等利用外部热能再生，大负荷再生、节流再生、氧化再生等利用发动机热能再生和逆向喷气再生、机械振动再生等非加热机械再生方式。

就目前而言，在再生过滤器的研究中需进一步解决的问题有：降低再生温度，进一步降低再生所需要的能量。

在柴油机的排气温度下使其能有效地再生，达到减少能量损耗和简化机构的目的。

目前来看，微波加热再生技术应用较广。

对于使用气压制动的车辆，逆向喷气再生技术是今后的一个发展方向，但其结构和能量的来源以及可靠性都有待于进一步深入研究。

2.3.2 选择性催化还原（scr）技术
选择性还原技术scr （selective catalytic reduction）已经在电站和发电机组等固定设备上使用了几十年，其过程的基本原理就是用氨还原nox，氨的来源可以是液氨或者氨气，也可以用液态尿素从排气中分解出氨。

汽车使用的scr还原剂通常为32.5%（重量百分比）的液态尿素溶液，其nox去除率一般可达65%以上。

由于scr要使用非排气中存在的还原剂，因此需要附加还原剂存储和计量装置[6]。

尿素的主要优点是应用厂泛、易购、无毒。

缺点是尿素水溶液的凝固点相对较高（-11℃），不过，这可以通过采用尿素计量系统的适当加热措施来解决。

a. scr系统简介
发动机的排气首先进人氧化催化器，其目标是把约50%的nox氧化成no2。

no对no2的比率1：1最有利于还原nox。

此外，排气中的hc被氧化成co2和h2o，这种预催化器有助于提高scr催化器的
转化率。

然而，为了避免形成硫酸盐增加颗粒排放，该过程要求燃料中硫的含量要低、尿素水溶液从储液罐进人计量阀，为了保证尿素水溶液达到随时确定的计量，要通过ecu控制水溶液的压力。

同时，空气流的压力也要控制在要求的水平。

两者在混合室汇合。

必要数量的尿素通过压缩空气输送到计量管，在氧化催化器的下游，尿素水溶液通过喷头喷进排气中。

scr催化器进口处尿素分解成氨（水解作用），然后氨把nox还原成n2和h2o。

在scr下游设置一个氧化催化器避免过量的氨随废气排出。

b.scr系统基本化学反应方程：
尿素热解：（nh2）2co——hnco+nh3
水解：hnco+h2o——co2+nh3
合成：（nh2）2co + h2o——co2+2nh3
转换：4no+4 nh3+o2——4n2+6 h2o
6no2+8 nh3——7n2+12 h2o
c.scr技术难点：
为了在宽泛的温度范围内使nox具有较高的转化率，scr的催化剂多是不含钒的金属沸石基、沸石能够吸收nh3且吸收能力随温度的升高而降低，这可能导致nh3在流经scr时逸出。

沸石也会吸收hc，尤其在冷启动时，大量的hc被沸石吸收，这不利于nox的还原。

硫也是目前存在于柴油和机油中的有毒物之一，影响催化剂的耐久性。

其中热管理是影响scr系统的关键。

对于国ⅲ以上产品开发，有两种可选路线，egr+pdf和scr。

两
种路线各有劣势，scr与其它降低nox的方法相比，它在降低nox 的同时可以降低燃油消耗5%-7%，易于改装，不过scr需要车载尿素容器，重量和体积较大，占据车上空间，应用于轿车是困难的，并需要加油站建立加尿素基础设施；而egr需要较高喷油压力、更高压力增压、加大冷却系统能力以及更好的润滑油，并且油耗比scr 高。

目前，国内玉柴和很多企业选择了scr路线。

2.4 多气门及可变技术
2.4.1 变几何涡轮增压（vgt）技术
为了使柴油机动力强劲高效，制造厂家已经开始采用变几何涡轮增压和双级连续涡轮增压技术。

vgt技术是通过控制废气涡轮的入口压力来实现增压的，在发动机低速运转时，由应用变几何涡轮增压技术所产生的压力比传统的增压技术产生的推进力更大。

这种先进的技术消除了以往涡轮增压柴油机的延迟以及常见的冲击现象。

2.4.2 多气门技术
采用多气门设计主要是为了扩大进排气门的总流通面积，提高进气充量，使柴油的燃烧更彻底，实现进气涡流比可变。

在实现这些目标时，它对柴油机排放亦产生较大影响。

该影响来自两个方面，一是采用四气门技术时有利于喷油器布置在气缸轴线附近，使油气混合均匀，燃烧及早结束，有利于降低nox，另外，四气门使燃烧室凹坑内产生较大涡流，减少涡流死区，有利于降低 pm。

二是可关闭部分通道，形成与柴油机转速相适应的进气涡流强度。

在低转
速时，关闭切向气道，即可获高涡流比，从而提高低速时的混合气质量，改善柴油机的经济性、动力性和排放。

3、未来发展
3.1 柴油的改性
降低柴油中的硫的含量，可使pm降低20%，同时先进的排气后处理技术也要求柴油机采用超低硫柴油（s<30ppm）。

降低柴油中多环芳香烃的含量并降低终镏点可使pm降低30～60%。

降低密度。

降低柴油的密度，可减少hc和pm。

提高十六烷值。

柴油的十六烷值越高，着火延迟期越短，点火质量越好；十六烷值不足，着火延迟期缩短，点火质量差，预混合燃烧量过多，运转粗暴，噪声加大，黑烟和co排放增加。

3.2 采用新的燃烧方式
近几年来经常被人提及均质充量压缩点火“hcci”（homogeneous charge compression ignition）技术，但较为恰到好处的译法似为“预混合压缩自点火”燃烧方式。

这是因为所谓hcci燃烧方式，就是指首先使燃油与进气预先混合，在接下来阶段不采用火花塞点火，而是依靠本身自己着火。

就是说，这种燃烧方式兼有汽油机与柴油机的功能，减少或消除了扩散燃烧，稀混合气可降低燃烧温度，大幅度降低nox，比一般柴油机降低98%；由于气缸内混合气均匀，无局部过浓混合气，可使pm排放比一般柴油机降低27%[6]。

3.3 代用燃料
近年来，全球汽车业都在迫切地寻求节油以及替代能源的方案，并且认识逐步趋于一致，即“三步走”：近期，推广柴油，以及非石油产品的天然气、乙醇等；中期，油电混合动力；远期为资源丰富、污染为零的氢动力燃料电池。

参考文献
[1] 司康.柴油机行业发展动态研究报告[j].商用车与发动机，2009，12（8）16.
[2] 胡林峰.新型共轨喷油系统的开发和应用[j].现代车用动
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[3] 付海燕.电控单体泵燃油喷射系统的研究[j].机械管理开
发2006，6（6）24～26.
[4] 宋光友.柴油机高压共轨与单体泵技术的特点及应用[j].
工程机械与维修2008，12（9）173.
[5] jacob e lammermann，r pappenheimer a.欧ⅳ载货车用柴油机的排气后处理系统[j].国外内燃机，2006，6（6）：49～52.
[6] 邵佩. 柴油机尾气控制技术的发展趋势[j].农村科技2009，12（1）66.。