重卡柴油发动机的发展方向及新技术

新疆农业大学机械交通学院
畜牧业机械学课程作业
姓名与学号：向龙113731621
指导教师：郭俊先
年级与专业：机制116班机械设计制造及其自动化所在学院：机械交通学院
课程评分：
二零一五年一月一日
重卡柴油发动机的发展方向及新技术
摘要:简述国产重型卡车用柴油机的发展现状与发展趋势以及新技术,分析了制约国产重卡柴油机发展的主要因素。

关键词:重卡柴油机；发展；趋势；新技术；制约因素
1我国国产重型卡车用柴油机情况简介
我国的重型卡车主要是以直列6缸柴油机为动力的。

国产机型与国外同类机型相比，活塞排量相差无几，但输出功率低，经济性和可靠性较差排放指标差，已不能满足更加严格的排放法规要求和现代化生产的需要。

全世界重型车柴油机排放法规，主要有欧洲、国和日本3个体系，已实行排放法规的国家和地区，大部分均采用美国或欧洲体系，而采用日本体系者很少。

在我国，对以柴油机为动力的汽车已经有循环工况法验证的排放限制，参照的是欧洲的排放标准。

目前的一些发动机和整车生产厂家通过采各种技术措施，已把目标瞄准为达到欧Ⅳ乃至欧Ⅴ标准改进其产品。

2重卡柴油发动机的发展方向
物流市场需求的提升也促使重卡朝着以下方向发展：
2.1是卡车马力逐渐增大
大马力的卡车，具有速度快，动力强的特点，同时，在最大扭矩区间运行可以保证各零部件的可靠性和相对的经济性。

所以，大马力重卡也符合现代物流高速度，高稳定性的要求。

2.2是稳定性要求更高
对货运车辆会要求保持稳定的出勤率，以达到更高的效率。

2.3是环保要求提高
汽车尾气作为一个主要的大气污染源，近年来也被越来越多的国家所重视，对汽车尾气的环保要求也更高，现在国内已经全面实施国三标准，重卡也将开始实施国四标准，排放标准的升级也带动了重卡的技术在不断升级。

人们常把发动机比作汽车的心脏，作为整车动力的来源，关系着一辆车能拉多重，跑多快，烧多少油等，这些也是体现整车性能的重要指标。

一汽针对国内市场的发动机升级的需求，2009年底推出的11升奥神CA6DM2发动机也没有辜负众人的期望，成为国内首款拥有自主知识产权的重型发动机。

作为国内首款自主研发的大马力发动机，6DM2也吸引了更多人的关注。

该机排量达到11升，功率通过不同的调教覆盖350～420马力段，大排量的发动机带来的是更强大的动力输出，输出扭矩相比小排量发动机更大，动力更为强劲，这点在起步、加速和在山路等情况下表现得更加明显；以下以国产CA6DM2等柴油机为例，介绍重卡柴油机近年发展的新技术。

3重卡柴油机的新技术
3.1配气系统新技术
3.1.1柴油机四气门技术
气门数多有利于发动机在高转速时的进排气效率，但影响低转速的扭矩；进排气的效率是决定发动机性能好坏的重要因素，当发动机正常运转时活塞的往复运动速度是非常快的，在3000r/min的转速下发动机完成每一个进气或排气行程的时间只有0.04s，要想在这么短的时间内吸进或排出更多的气体就要增大进、排气的有效面积。

每缸4气门的设计将得到更大的气门开启面积，提高充气效率，从而产生更大的额定功率。

现在人们对发动机性能指标要求越来越高以及尾气排放法规日益严格，每缸2气门这种结构已经显得有些落伍了，现在越来越多的发动机采用每缸4气门结构，如图1。

图1 4气门和新的气门驱动结构
采用四气门技术，相比之前重卡柴油机普遍采用的二气门结构更为先进。

四气门的布置是一个中央喷嘴架周围有两个进气门和两个排气门。

喷嘴在中央垂直位置，再加上当中的活塞凹腔，燃油就会均匀地进入燃烧室。

进气道的形状和布置有助于进气并可使吸入的空气在燃烧室内形成涡流，保证燃油与空气充分混合，从而使燃烧更充分，减少了尾气排放。

进气道分涡旋道和充气道。

涡旋道形状须使吸入的空气呈涡旋运动，从而使汽缸内的空气的涡旋运动更强。

充气道形状须使吸入的空气直接进入汽缸，从而能保汽缸在转速很高时快速充气。

排气道汇成一个总通道，因此称为叉形管道。

燃油的燃烧更加充分也使得发动机在节油性和稳定性方面的表现更加突出。

四气门发动机的进排气门都增加到两个，相比两气门，气体流通面积更大，发动机的充气效率更高，进入汽缸中的空气越多，燃烧就更充分，燃油效率就更高，表现出来的就是更省油。

采用四气门技术，柴油机充气效率得到了大大提高的同时，为功率的进一步提升奠定了坚实的基础。

既兼顾了功能要求，又尽量保证结构布置合理性及美观性。

重卡柴油机不断提高功率的趋势使得需要同时满足油耗低、排放少、寿命长等要求变得更为困难了。

目前，重卡柴油机采用四气门技术在欧洲仍很少见，但在美国早已屡用不鲜，且还有继续发展的趋势。

3.1.2顶置凸轮轴。

发动机的凸轮轴安装位置有下置、中置、顶置三种形式。

轿车发动机由于转速较快，每分钟转速可达5000r以上，为保证进排气效率，都采用进气门和排气门倒挂的形式，即顶置式气门装置，这种装置都适合用凸轮轴的三种安装形式。

但是，如果采用下置式或者中置式的凸轮轴，由于气门与凸轮轴的距离较远，需要气门挺杆和挺柱等辅助零件，造成气门传动机件较多，结构复杂，发动机体积大，而且在高速运转下还容易产生噪声，而采用顶置式凸轮轴则可以改变这种现象。

所以，现代轿车发动机一般都采用了顶置式凸轮轴，将凸轮轴配置在发动机的上方，缩短了凸轮轴与气门之间的距离，省略了气门的挺杆和挺柱，简化了凸轮轴到气门之间的传动机构，将发动机的结构变得更加紧凑。

更重要的是，这种安装方式可以减少整个系统往复运动的质量，提高了传动效率。

按凸轮轴数目的多少，可分为单顶置凸轮轴和双顶置凸轮轴两种，由于中高档轿车发动机一般是多气门及V型气缸排列，需采用双凸轮轴分别控制进排气门，因此双顶置凸轮轴被不少名牌发动机所采用，如图2.
图2 双顶置凸轮轴
气门顶置式配气机构的工作情况是：当气缸的工作循环需要将气门打开进行换气时，由曲轴通过传动机构驱动凸轮轴旋转，使凸轮轴上的凸轮凸起部分通过挺柱、推杆、调整螺钉推动摇臂摆转，摇臂的另一端便向下推开气门，同时使弹簧进一步压缩。

当凸轮的凸起部分的顶点转过挺柱以后，便逐渐减小了对挺柱的推力，气门在弹簧张力的作用下开度逐渐减小，直至最后关闭。

压缩和做功行程中，气门在弹簧张力的作用下严密关闭。

柴油机配气系统采用顶置凸轮轴技术，这在重卡发动机领域也是国内首创。

顶置凸轮轴较常见的是在轿车领域，因为凸轮轴里曲轴中心线更远，所以对定时传动机构要求更高，同时，汽缸盖的结构布置也更为复杂。

一汽在解决了以上技术难题后推出了国内首款顶置凸轮轴重卡柴油机，这也被认为是这款重卡柴油机最大的亮点，从传动路线上来说，顶置凸轮轴取消了气门推杆，气门挺柱等中间环节，直接接触气门摇臂控制气门的闭合，反应快，进气效率更高，正时控制也更精确可靠。

3.1.3燃油系统高压共轨新技术
排放标准其实是促进技术升级最直接的因素之一，若排放不达标，重卡司机可能在进入某些城市的时候受到限制。

提高柴油机动力性，实现低污染、低油耗的中心任务就是改善重卡柴油机的燃烧过程。

也就是要保证组成燃烧过程的进气、喷油、燃烧三要素中的油、气良好混合和在不同工况下满足不同的燃烧和放热要求，其中喷油是最重要的因素。

高压共轨电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制单元(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，如图3。

图3 燃油系统高压共轨
高压共轨系统利用较大容积的共轨腔将油泵输出的高压燃油蓄积起来，并消除燃油中的压力波动，然后再输送给每个喷油器，通过控制喷油器上的电磁阀实现喷射的开始和终止。

其主要特点可以概括如下：共轨腔内的高压直接用于喷射，可以省去喷油器内的增压机构；而且共轨腔内是持续高压，高压油泵所需的驱动力矩比传统油泵小得多。

通过高压油泵上的压力调节电磁阀，可以根据发动机负荷状况以及经济性和排放性的要求对共轨腔内的油压进行灵活调节，尤其优化了发动机的低速性能。

通过喷油器上的电磁阀控制喷射定时，喷射油量以及喷射速率，还可以灵活调节不同工况下预喷射和后喷射的喷射油量以及与主喷射的间隔。

主喷射初期降低喷射速率，也可以减少着火延迟期内喷入气缸内的油量。

提高主喷射中期的喷射速率，可以缩短喷射时间从而缩短缓燃期，使燃烧在发动机更有效的曲轴转角范围内完成，提高输出功率，减少燃油消耗，降低碳烟排放。

主喷射末期快速断油可以减少不完全燃烧的燃油，降低烟度和碳氢排放。

为了提高重卡动力性、经济性、安全性以及减少排放污染、增强舒适性等原因，近几年来，较多发达国家在重卡柴油机上采用了电控高压共轨喷油技术，目前已累计在全球数以百万计的车辆上应用。

它与常规汽
油机相比，装配有共轨系统的现代柴油机油耗降低30%以上、二氧化碳排放减少约25%、扭矩提高约50%。

高压共轨是2l世纪新一代绿色柴油机的燃油系统，从而达到节能减排和为用户提供更愉悦的驾车体验。

柴油机共轨系统的诸多优势，使越来越多的中国本土汽车厂商已经开始积极采用，自立品牌阵营日趋壮大。

先进柴油机技术的研发，尤其是智能高压共轨柴油机的上市，标志着中国发动机技术日趋完善并逐步达到国际水平。

如一汽CA6DM2重卡发动机燃油系统采用的是博世公司第二代CP2.2+共轨燃油喷射系统。

采用高压共轨技术的排放满足国Ⅲ标准，采用SCR技术可以轻松达到国Ⅳ标准，具有国Ⅴ潜力。

同时，全负荷最低燃油消耗率小于193g/kwh，燃油经济型较高，博世共轨系统具有技术先进，对燃油控制精确的特点，这套系统的应用也是发动机在燃油控制方面达到了世界先进水平，如图4。

图4 电控高压共轨燃油喷射系统
电控高压共轨燃油喷射系统是全新一代的燃油控制系统，它的主要特点是燃油压力与发动机的转速、负荷无关，具有独立控制燃油压力的蓄压器，合适的喷油量、喷油时刻等直接由电子计算机控制各缸电控喷油器来实施。

目前世界上主要有三大公司在研发和生产柴油机高压共轨系统，日本电装、德国博世和美国福特。

共轨系统将燃油压力产生和燃油喷射分离开来。

共轨系统开辟了降低柴油发动机排放和噪音的新途径。

日趋严重的能源危机，成为全世界内燃机行业关注的焦点，也使柴油机越来越受到用户青睐。

为满足排放标准，柴油机先进的燃油喷射系统——高压共轨技术成为业内人士关注的焦点。

当今提高柴油机功率、节约能源和改善排放成为柴油机发展的必然趋势，因此，要求柴油机喷射系统向高性能方向发展。

3.1.4 曲轴箱通风系统新技术
柴油机曲轴箱通风是非常必要的，因为燃烧过程的每个活塞行程中，发动机废气是从活塞环与汽缸套之间的间隙进入到曲轴箱中。

在涡轮增压发动机应用中，空气也会通过涡轮增压器的回油管进入到曲轴箱。

如果没有通风，这些所谓的窜气会导致曲轴箱中的压力过大。

在许多国家，有关发动机排放的规定都明确了曲轴箱窜气不能进入到空气中，因此汽车发动机中的窜气通过所谓的
闭式曲轴箱通风系统改道进入进气管中，然后进行燃烧。

目前国际上没有有效的标准法规来规范商用或工业柴油发动机的排放，但是由于环境因素，使用闭式曲轴箱通风系统已经逐渐成为一种趋势。

闭式曲轴箱通风系统意味着窜气不会进入空气中，而是返回到进气歧管。

然而，窜气在返回之前需要得到净化，以保护敏感的发动机部件(如涡轮增压器)免受污染。

封闭式通风可减少发动机的总体排放，还起到了降低油耗的积极作用，如图5。

图5 曲轴箱通风系统
全新气缸体内集成的曲轴箱通风系统；一种空气滤清器、曲轴箱强制通风管路和气缸盖罩的集成，包括气缸盖罩、曲轴箱强制通风管路，以及一端通向外部空间、另一端与发动机燃烧室进气系统和曲轴箱连通的进气管路，进气管路中设有滤芯；该集成还包括固定在气缸盖罩上表面的空滤盖，进气管路可设于空滤盖上；曲轴箱强制通风管路设于气缸盖罩上。

新型结构紧凑，改善了汽车仓体的空间利用率，同时有利于降低成本，提高制造和装配效率。

空滤盖覆盖在气缸盖罩的上表面还可进一步降低噪音。

新型曲轴箱通风系统，包括曲轴箱引出的通风环带，通风环带连接第一油气分离器进口。

还设置第二油气分离器，第一油气分离器气出口连接第二油气分离器进口。

第一油气分离器气出口连接第二油气分离器进口之间设置单向阀。

第一油气分离器是油压驱动式油气分离器，第二油气分离器是滤芯式油气分离器。

设置集成回油旁通管，第一油气分离器油出口与第二油气分离器油出口通过集成回油旁通管汇流连接。

由于采用串联的两个油气分离器，而且选用的油气分离器都各有特点，进行二次的精滤和吸附，分离后的气体会更清洁。

3.2重卡柴油机其他新技术
3.2.1排气再循环(EGR)技术
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，但对重卡柴油机而言，
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，如图6。

图6排气再循环(EGR)技术
3.2.2柴油机增压中冷
增压可使柴油机在排量不变，重量增加不大的情况下达到增加输出功率的目的。

与相同功率的非增压柴油机相比，增压柴油机不仅体积小，重量轻，功率大，而且还降低了单位功率的成本。

图7 增压中冷技术
因此，增压技术不仅广泛应用在柴油机上，而且还推广到汽油机，是改善内燃发动机的重要技术手段。

但是事物总有矛盾性，空气压力的提高就是空气密度的提高，空气密度的提高必然会使空气温度也同时增高，这如同给轮胎打气时泵会发热一样。

发动机涡轮增压器的出风口温度也会随着压力增大而升高，温度提高反过来会限制空气密度的提高，要进一步提高空气密度就要降低增压空气的温度。

据实验显示，在相同的空燃比条件下，增压空气温度每下降10℃，柴油机功率能提高3%～5%，还能降低排放中的氮氧化合物(NOx)，改善发动机的低速性能。

因此，也就产生了中间冷却技术。

重卡柴油机大都采用空气冷却式中冷器。

空气冷却式中冷器利用管道将压缩空气通到一个散热器中，利用风扇提供的冷却
空气强行冷却。

空气冷却式中冷器可以安装在发动机水箱的前面、旁边或者另外安装在一个独立的位置上，它的波形铝制散热片和管道与发动机水箱结构相似，热传导效率高，可将增压空气的温度冷却到50～60℃。

中间冷却技术不是一项简单的技术，过热无效果白费工夫，过冷在进气管中形成冷凝水会弄巧成拙。

因此要将中冷器和涡轮增压器进行精确的匹配，使得压缩空气达到要求的冷却温度。

3.2.3冷却系统横流水双层水套设计
CA6DM2柴油机冷却系统采用一汽专利技术的横流水双层水套设计，优化了发动机冷却系统，气缸盖冷却更均匀，整体刚度更高，可以满足200巴以上的缸内爆发压力，可靠性更高，解决了缸盖的刚度及热负荷等问题，使其在正常工作的状态下较大的避免了整体式气缸盖“鼻梁区”开裂问题，保证了高速运行时发动机维持在正常的温度，这在高温季节显得尤为重要。

CA6DM2柴油机采用集成式冷却、滤清模块化设计，其中机油滤清器、机油压力调压阀等均同CA6DN1(奥霸)柴油机，具有较高的通用性。

前端附件驱动系统结构紧凑、功能齐全，整机零件具有较高的互换性和通用性。

图7 CA6DM2柴油机冷却系统
3.2.4可变喷嘴涡轮增压器(VNT)
如图8所示，VNT是通过ECU发出的指令改变喷嘴环截面来调节进入涡轮的废气，以使涡轮始终保持在高效率区工作，并达到与发动机在各种工况下的最佳匹配。

图8可变喷嘴涡轮增压器(VNT)
当柴油机处于低速状态运行时，可以通过改变喷嘴环上导向叶片的方向，调节驱动涡轮的废气量，使压气机的压缩比保持在较高水平，这样柴油机在低速时也能保持较高的增压压力，从而提高柴油机的低速扭矩，降低油耗，减少碳烟排放；而在柴油机高速运行时，通过喷嘴环上导向叶片的分流，又能使增压压力不至于过高，避免使柴油机产生过高的热负荷和机械负荷，并将增压压力保持在合理的范围内。

4结束语
随着排放标准的逐渐严格和市场的需求，各种新技术在柴油机上应用越来越多，使得先进的柴油机技术逐步在国内重卡上得到推广应用。

重卡柴油机的升功率、燃油消耗率、排放性能、可靠性等指标有了大幅度的提高，开始了从传统机械产品向机械电子技术产品的过渡。

在技术上，应广泛使用中冷增压技术，改善进气和喷油控制，大量使用电子控制技术等，缩小与发达国家的差距。

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