简述现代柴油机采用的先进技术

简述现代柴油机采用的先进技术

摘要:柴油机发展到今天,无论从材质、加工方式、进气形式、控制、排放都发生了巨大的变化。柴油机已经向小型化、自动化方向发展,逐步摆脱了高噪声、冒黑烟等的弊端。

关键词:蠕墨铸铁半固态铸造多气门电控燃油喷射挤压螺纹排放柴油机自诞生至今已历经百年,不但没有被淘汰反而日渐兴盛。这与柴油机的经济性、动力性及技术的不断进步密不可分。本文将简述几种柴油机制造的各个环节采用的先进技术。

1、零件的材质

灰铸铁是制造柴油机的传统材质,对于成本有严格要求的柴油机,仍在使用。虽然灰铁能满足一定的使用要求,但随着升功率的不断提高和轻量化的要求,灰铁已逐步被其他材质所替代。替代的材质主要为蠕墨铸铁、铝合金。

蠕墨铸铁,因铸铁中的石墨呈蠕虫状而得名,兼具球墨铸铁的高强度和灰铸铁的铸造特性。在对于升功率要求高的商用柴油机上,蠕墨铸铁已经得到广泛的应用。部分乘用车用柴油机,出于成本考虑,在缸体不使用铝合金时,为降低发动机的质量,保证缸体有足够的强度,蠕墨铸铁也被广泛的使用。

对于轻量化要求较高,但是成本没有严格要求的乘用车用柴油机,铝合金就被广泛的应用。铝合金成分一般为铝硅合金、铝镁合金。通过优化结构、采用半固态铸造等措施,其强度在不断提高,全铝合金发动机甚至应用在对升功率有极高要求的赛车领域。

另外,塑料等其他非金属材质也已广泛的应用。除了外附件使用非金属材料为,轴瓦、活塞环的表面处理上也开始使用树脂、聚四氟乙烯等材质用来降低摩擦。

2、零件的铸造

浇铸是制造缸体、缸盖、曲轴箱等发动机主要零部件的传统方式。但是浇铸成型的零件的密度和强度较低。随着柴油机升功率的不断攀升,浇铸日渐不能满足高强度、轻质的零件制造要求,而半固态铸造因能大幅提高铸件的性能而成为广泛关注的铸造方式。

20世纪70年代,美国麻省理工学院Flemings与Spencer等人发现了金属凝固过程中的特殊力学行为,并据强力搅拌半凝固金属所呈现的流变学性质,成功用搅拌方法制备出了半固态金属并进行了铸造成形,称之为流变铸造。

半固态成形技术虽然对金属的合金成分有一定的要求,而且对冶炼的控制要求也高,但是半固态成型技术具有大幅提高零件的尺寸精度、缩短凝固时间,所以十分有利于提高生产效率,并且通过半固态成型的零件的强度已接近锻造。因此半固态成型有望成为今后广泛应用的技术。

另外,电渣重融技术已成熟。电渣重融技术能将材质中的硫、磷等有害杂质的含量降低到极低的水平,并且能控制晶粒的长大、晶粒的方向,因此用电渣重融生产的材质的强度接近甚至超过锻造。如采用电渣重融技术生产曲轴等轴类零件,将有效的降低生产成本。虽然该技术广泛的应用在军品领域,但相信今后该技术会被广泛的应用。

3、挤压内螺纹

螺栓连接对柴油机的可靠性至关重要。传统的内螺纹通过切削成形,成形过

程中会产生毛刺,而螺纹副在工作一段时间后因螺纹被挤压产生塑性变形,造成螺栓扭矩降低甚至造成螺栓松动。而挤压螺纹是塑性变形,在加工时就形成了高强度的螺纹副,所以大大降低了螺栓扭矩减小的风险。不过挤压螺纹仅适合塑性变形大的材质,例如铝合金、不锈钢等。对于使用铸铁材质的零件,还需通过优化装配的过程控制来保证连接的可靠性。

4、涡轮增压

为提高柴油机的升功率,涡轮增压技术已广泛应用。涡轮增压器的能量来源于柴油机排出的废气。柴油机的废气能量占燃料燃烧热能的20%左右,而涡轮增压器的效率能达到70%～90%,因此采用涡轮增压技术是,柴油机的热效率能提高15%以上。

但是涡轮增压技术也有缺点,如不可变截面的涡轮增压器的高效工作区域较窄,采用涡轮增压器时柴油机的动力响应会延迟,当柴油机低负荷工作时,涡轮增压器基本不起作用甚至会增加排气阻力,发动机热负荷、机械负荷增加等。

为解决这些问题,可变截面涡轮的涡轮增压器、双增压器技术等应运而生。增大散热面积解决了热负荷问题,提高机体、曲轴、轴瓦的强度,提高螺栓连接的轴向力则解决了机械负荷增加的问题。

5、多气门技术

提高功率,就要提高进气量。提高进气压力、降低进气温度、增大进气截面是有效提高进气量的手段。

为提高燃油与空气的混合,柴油机进气必须有涡流。但气流旋转必然有能量损失,就不利于提高充量系数。所以两气门柴油机无法解决这一矛盾。

如果采用两个气门或3气门进气,那么只须要一个气门形成涡流,其他进气门则不须产生进气涡流,因此采用多气门进气就能有效的调高充量系数。

另外,采用多气门技术可以使喷油器布置到气缸的中央,因此燃油喷射时能形成更加均匀的混合气,可以进一步优化燃烧。

6、先进的轴向力控制

螺栓副连接是非常重要并广泛使用的连接方式。螺栓副连接的关键是要控制轴向力的分布。最早的轴向力分布控制是通过控制螺栓扭矩实现的,并且沿用至今。但是,我们须要的不是螺栓扭矩的一致性,而是螺栓轴向力的一致性。因为存在粗糙度、润滑条件等因素的影响,扭矩法已日渐不能够满足高的产品一致性要求。为提高螺栓轴向力的一致性,发展了扭矩—转角法,并进一步发展了屈服点法来控制螺栓的轴向力。

通过扭矩—转角法或屈服点法控制的螺栓轴向力,不仅提高了轴向力的一致性,更重要的是提高了材料的利用率,为进一步降低结构质量提供了技术支持。

除了采用先进的拧紧方式,螺栓的布置也很重要。为降低变形,螺栓甚至可以贯穿缸盖、缸体、曲轴箱。

7、电控燃油喷油技术

电控然后喷射技术是通过各种传感器采集进气流量、进气压力、燃油温度、水温、曲轴位置、喷油压力等参数通过微电脑来对喷油量、喷油规律、喷油时刻进行控制的技术。

当今电控燃油喷射技术主要包括电控高压共轨、电控泵喷嘴、电控单体泵,尤其以高压共轨技术最先进。

电控燃油喷射技术能使发动机始终工作在最优空燃比状态,并实现多次喷射优化喷油曲线、保证缸供油量的一致性。所以,电控燃油技术能降低排放、燃油

耗、噪声和振动。

为降低排放,提高升功率,燃油喷射压力也从最初的1200ba提高到2500ba甚至更高。特别是用压电晶体替代电磁阀后,喷油器的反应时间提高了一倍,真正实现了喷油曲线的自由控制。甚至最新一代的压电晶体喷油器能对燃油进行二次加压,使喷油压力能提高到3000ba。

8、尾气处理

随着排放指标日渐提高,颗粒捕捉器、废气再循环、选择性氧化催化技术已广泛应用。

目前为止,柴油机在各个工况下都会产生颗粒。为防止颗粒排进大气,就需要对颗粒进行捕捉。一般的颗粒捕捉器为多孔堇青石,在堇青石内加加热棒和喷油装置,在排气被压增大到一定值后将颗粒燃烧掉,以使颗粒捕捉器可以循环使用。

为降低NOx的排放,一般通过采用废气再循环和选择性氧化催化来实现。

废气再循环是就将燃烧后的废气在冷却后重新进入气缸参与燃烧。因废气中的CO2的比热高,因此会降低最高燃烧温度,从而抑制NOx的产生。

选择性氧化催化是通过在化学反应,使用NH3在催化与高温条件下与NOx 反应,产生N2和H2O,从而实现降低NOx排放的目的。

一般颗粒捕捉器与废气再循环或选择性氧化催化配合使用,随着排放指标的不断提高,不排除这三种技术同时使用的可能。

9、结语

当今先进的柴油机是一种集冶金、材料、加工、自动控制、传感器、化工为一体的高科技产品。随着技术的进步和柴油机可靠性要求的不断提高,新技术、新材料将会层出不穷。

参考文献

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