楊 雄,冉小豐,翟克仁,陽(yáng) 婷 (長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北荊州434023)

隨著人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)和全球石油能源臨近枯竭,降低柴油機(jī)的排放和提高其經(jīng)濟(jì)性成為十分緊迫的要求。近年來(lái),不管是在路上交通工具、還是航海、航空工具方面,為了改善燃油消耗和降低排放,世界各國(guó)都在進(jìn)行著提高內(nèi)燃機(jī)效率的研究。大、中、小型柴油機(jī)作為內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)種類,普遍應(yīng)用于國(guó)民生產(chǎn)和交通的各個(gè)領(lǐng)域。為了提高柴油機(jī)的效率尤其是熱效率,在柴油機(jī)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)中采用了很多新技術(shù)。柴油機(jī)熱效率是指轉(zhuǎn)變?yōu)橛行ЧΦ臒崃颗c加入氣缸總熱量的比值。近年來(lái),對(duì)提高熱效率的研究主要集中在優(yōu)化燃油噴射、燃燒和增壓過(guò)程中,出現(xiàn)了一系列的先進(jìn)技術(shù)和工藝。其中,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用或者即將被應(yīng)用的新技術(shù)主要?dú)w結(jié)為高功率密度技術(shù)和智能化技術(shù)。其中高功率密度技術(shù)包括直接噴射、多氣門、增壓中冷等,而智能化技術(shù)包括可變截面渦輪增壓、相繼增壓、電控高壓共軌燃油噴射、可變氣門定時(shí)、預(yù)混合氣均質(zhì)壓燃等。為此,筆者對(duì)提高柴油機(jī)熱效率的相關(guān)新技術(shù)加以闡述。

1 高功率密度技術(shù)

高功率密度技術(shù)包括高增壓、高壓燃油噴射、燃燒優(yōu)化等技術(shù),其中能夠提高柴油機(jī)熱效率的典型技術(shù)有直接噴射技術(shù)、多氣門技術(shù)和增壓總冷技術(shù)。

1.1 直接噴射技術(shù)

柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)分為間接噴射式和直接噴射式兩種類型。間接噴射式燃燒系統(tǒng)具有較低的氮氧化物排放和燃燒噪聲,但由于散熱面積和通道節(jié)流損失大,所以熱效率相對(duì)較低;直接噴射式燃燒系統(tǒng)則將燃油直接噴進(jìn)燃燒室,因而燃燒效率高,但該系統(tǒng)要求發(fā)動(dòng)機(jī)吸入較多的空氣,其熱效率比間接噴射式燃燒系統(tǒng)高12%～15%[1],所以采用直噴式燃燒系統(tǒng)比分隔式系統(tǒng)可節(jié)油 5%～10%。直噴式柴油機(jī)在提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低油耗方面具有較大優(yōu)勢(shì)。目前,除了轎車少量使用直噴式柴油機(jī)外,其他用途的柴油機(jī)幾乎全部直噴化。

圖1 花瓣燃燒室示意圖

圖2 RGB型燃燒室示意圖

對(duì)于直噴柴油機(jī)的研究如今主要集中在燃燒室的形狀上,傳統(tǒng)的有淺抗形、ω形、球形、U形等,現(xiàn)代直噴式燃燒室有上海內(nèi)燃機(jī)研究所開(kāi)發(fā)的花瓣式燃燒室等[2](見(jiàn)圖1)。目前最新形式的直噴式燃燒室為RGB燃燒室[2](見(jiàn)圖2),在萊動(dòng)4035B等柴油機(jī)上已有應(yīng)用,AVL、里卡多等著名內(nèi)燃機(jī)公司對(duì)此均有研究和成果報(bào)告,普遍認(rèn)為RGB形燃燒室具有良好的匹配性能和綜合指標(biāo)。

1.2 多氣門技術(shù)

采用多氣門結(jié)構(gòu)不僅可以提高體積效率進(jìn)而增加進(jìn)氣量,而且便于調(diào)節(jié)進(jìn)氣渦流,實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣渦流的電子控制[3]。多氣門結(jié)構(gòu)能在不同的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速下得到不同的渦流比,因而使氣缸內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)在整個(gè)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍內(nèi)適應(yīng)相應(yīng)的噴油規(guī)律的要求,即在高負(fù)荷和高轉(zhuǎn)速時(shí),得到較低的渦流比以減少氮氧化物排放;而在低負(fù)荷和低轉(zhuǎn)速時(shí),可以提高渦流強(qiáng)度來(lái)補(bǔ)償噴油質(zhì)量的不足。常見(jiàn)的多氣門有3氣門、4氣門等結(jié)構(gòu)[4],如圖3所示。

圖3 氣門布置示意圖

目前,單缸4氣門技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用較廣,是一種成熟技術(shù)。為進(jìn)一步提高4氣門的進(jìn)排氣效率,可采取如下方法:①進(jìn)一步增加每一個(gè)氣門的直徑。但該方法會(huì)導(dǎo)致燃燒室扁平化,降低燃燒效率;②增加氣門數(shù)。因?yàn)闅忾T數(shù)越多,單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)排氣量也越大,進(jìn)排氣效率就越高,5氣門發(fā)動(dòng)機(jī)就是基于上述原因而研制的,每缸3進(jìn)2出,其燃燒壓力較4氣門發(fā)動(dòng)機(jī)有很大的提升,具有良好的動(dòng)力性能,同時(shí)該發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗比4氣門發(fā)動(dòng)機(jī)降低10%左右。因此,5氣門發(fā)動(dòng)機(jī)將是今后發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的一個(gè)重要方向。

1.3 增壓中冷技術(shù)

由于增壓中冷技術(shù)可以增加進(jìn)氣量,縮短著火提前期,使燃燒得到明顯改善。因此,增壓中冷是提高升功率、降低燃燒噪聲和改善排放的重要措施。增壓中冷柴油機(jī)與非增壓柴油機(jī)相比,其功率可提高20%～50%,高增壓柴油機(jī)的功率最大可提高1倍,而且可以使柴油機(jī)在中低速下的扭矩高于汽油發(fā)動(dòng)機(jī),其體積功率與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)相近。美、日等國(guó)家的重型柴油機(jī)已全部采用增壓中冷技術(shù);中小排量柴油機(jī)采用增壓中冷技術(shù)的比例也逐年上升,目前已達(dá)到80%;轎車用直噴式柴油機(jī)中采用增壓中冷技術(shù)的也已達(dá)到44%[5],這樣提高了車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

2 智能化技術(shù)

電子、信息化技術(shù)與機(jī)械相結(jié)合,使柴油機(jī)進(jìn)入了智能化時(shí)代。智能化技術(shù)是近期柴油機(jī)研發(fā)中最熱門技術(shù)之一,主要包括柴油機(jī)電控和電子管理兩個(gè)方面。研究證明,智能化技術(shù)能顯著提高柴油機(jī)熱效率,節(jié)省燃油。

2.1 可變氣門定時(shí)技術(shù)

可變氣門定時(shí)技術(shù)是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑?？勺儦忾T定時(shí)技術(shù)指的是發(fā)動(dòng)機(jī)氣門升程和配氣相位定時(shí)可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況作實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié),巧妙地實(shí)現(xiàn)可變壓縮比。在大負(fù)荷時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)容易發(fā)生自燃引起的爆震,通過(guò)推遲進(jìn)氣門關(guān)閉的時(shí)間來(lái)達(dá)到降低有效壓縮比的目的,從而避免爆震;在中小負(fù)荷時(shí),可以通過(guò)調(diào)整氣門關(guān)閉時(shí)間達(dá)到提高有效壓縮比的目的,從而使發(fā)動(dòng)機(jī)在中小負(fù)荷時(shí)有優(yōu)異的熱效率。Deng J等[6]研究發(fā)現(xiàn),在不同轉(zhuǎn)速和扭矩下,當(dāng)EGR和VGT閉環(huán)控制時(shí),采用可變氣門定時(shí)技術(shù)可產(chǎn)生3.28%的BSFC效益 (制動(dòng)燃料消耗比量),并分析其原因是由于可變氣門柴油機(jī)在高速柴油機(jī)的效率和低速燃油經(jīng)濟(jì)性之間可進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的緣故。

可變氣門定時(shí)技術(shù)的工作原理基本可分成如下兩種方式:①控制凸輪軸。使凸輪軸在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能整體相對(duì)曲軸轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度,在結(jié)構(gòu)上要采取雙頂置凸輪軸的氣缸蓋;②移動(dòng)搖臂。通過(guò)凸輪從動(dòng)件或者搖臂總成中具有特殊形狀的相配零件來(lái)實(shí)現(xiàn)該過(guò)程。在國(guó)外已有用電磁力或液壓直接驅(qū)動(dòng)氣門的可變氣門定時(shí)機(jī)構(gòu),即所謂無(wú)凸輪氣門機(jī)構(gòu),其控制自由度更大,能對(duì)氣門正時(shí)的所有因素進(jìn)行控制,在各種工況下獲取最佳氣門正時(shí)。另外,該方式能關(guān)閉部分氣缸的氣門,實(shí)現(xiàn)可變排量。無(wú)凸輪驅(qū)動(dòng)可變配氣相位機(jī)構(gòu)可分為電磁驅(qū)動(dòng)可變配氣相位機(jī)構(gòu)、電液驅(qū)動(dòng)可變配氣相位機(jī)構(gòu)、電氣驅(qū)動(dòng)可變配氣相位機(jī)構(gòu)[7],如圖4所示。

圖4 可變配氣相位機(jī)構(gòu)圖

無(wú)凸輪軸可變配氣相位機(jī)構(gòu)由于去掉了凸輪,系統(tǒng)由ECU控制,其氣門正時(shí)、開(kāi)啟持續(xù)期、升程及運(yùn)動(dòng)速度可全柔性調(diào)節(jié),到目前為止是最有潛力、自由度最大的可變配氣相位機(jī)構(gòu)。

2.2 可變截面渦輪增壓技術(shù)

為了解決低轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)生的渦輪遲滯,研究者在增壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面研發(fā)出可變截面渦輪增壓系統(tǒng),如圖5所示。

可變截面渦輪增壓系統(tǒng)的基本工作原理是從低速到高速通過(guò)分段或連續(xù)改變渦輪截面,從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)低工況時(shí)的過(guò)量空氣系數(shù)。燃?xì)馔ㄟ^(guò)渦輪噴嘴葉片時(shí),根據(jù)柴油機(jī)外界負(fù)荷的變化來(lái)改變噴嘴環(huán)葉片的角度,使進(jìn)入渦輪葉片的氣流參數(shù)發(fā)生變化,從而使渦輪增壓器與柴油機(jī)在各工況下有良好的匹配。如圖6所示。

圖5 可變截面渦輪增壓器內(nèi)部構(gòu)造圖

日本三菱公司[8]研制的 UEC85LSⅡ型艦用柴油機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),可對(duì)該機(jī)的可調(diào)噴嘴渦輪增壓器進(jìn)行隨機(jī)控制,即根據(jù)檢測(cè)到的柴油機(jī)工況參數(shù) (轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、環(huán)境條件)的變化情況發(fā)出控制指令,通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)去控制可調(diào)噴嘴渦輪增壓器的噴嘴面積以實(shí)現(xiàn)增壓系統(tǒng)與柴油機(jī)的最佳匹配。蓋瑞特公司、KKK公司均研制了可變截面渦輪增壓器,可在增壓柴油機(jī)全工況范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)[9]。美、日等國(guó)的研究者在設(shè)計(jì)增壓器時(shí)已大量采用可變截面渦輪增壓系統(tǒng)。

圖6 VGT渦輪正面視圖與側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 相繼增壓技術(shù)

利用可變截面渦輪增壓器,可使低工況時(shí)渦輪流通截面減少,但渦輪流通截面變化不能太大,否則渦輪效率會(huì)大幅度降低。為此,研究者研制了相繼增壓系統(tǒng)。

相繼增壓系統(tǒng)的基本工作原理是采用多個(gè)小型渦輪增壓器,隨著柴油機(jī)工況的提高,按秩序地投入運(yùn)行,改變了常規(guī)串聯(lián)增壓系統(tǒng)在低工況時(shí)由于排氣能量減少而使渦輪轉(zhuǎn)速下降、增壓壓力不足,從而出現(xiàn)燃燒惡化、功率下降的現(xiàn)象。使用相繼增壓系統(tǒng)后,在標(biāo)定工況,柴油機(jī)的每臺(tái)增壓器都在高效區(qū)工作,燃油消耗率低;在部分工況,減少投入使用的渦輪增壓器數(shù)量,使得投入使用的增壓器仍然在高效率區(qū)附近工作,最大限度地增加了氣缸的進(jìn)氣量,從而使柴油機(jī)在全工況下有較大的過(guò)量空氣系數(shù)和較低的燃油消耗率,改善了柴油機(jī)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性。

國(guó)外柴油機(jī)相繼增壓技術(shù)已經(jīng)比較成熟,德國(guó)MT U公司[10]、法國(guó)SEMT.Pielstick柴油機(jī)公司[11]等使用相繼增壓技術(shù),獲得了較好的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。國(guó)內(nèi)一些大學(xué)或科研機(jī)構(gòu)也對(duì)相繼增壓技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究或者理論分析。張哲等[12]采用兩臺(tái)不同尺寸渦輪增壓器的三階段相繼增壓系統(tǒng)的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明其性能有較大的改善,尤其是在低速大負(fù)荷工況,燃油消耗率最高降低約7.1%,碳煙排放最高降低達(dá)70.2%,渦前排溫最高降低近12.6%。

2.4 電控高壓共軌燃油噴射技術(shù)

電控高壓共軌燃油噴射技術(shù)包括高壓、共軌和電控3個(gè)方面。高壓指在由高壓油泵、公共供油管道和噴油器等部件組成的封閉系統(tǒng)里,噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過(guò)程彼此完全分開(kāi),發(fā)動(dòng)機(jī)在任何工況下都能獲得較高的燃油噴射壓力,一般能達(dá)到1600bar以上;共軌指發(fā)動(dòng)機(jī)的各噴油器燃油由公共供油管道提供,確保了各個(gè)噴油器燃油壓力一致,避免了噴油器各自供油產(chǎn)生的振動(dòng),使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更為平順;電控指通過(guò)ECU精確控制噴油器電磁閥開(kāi)啟時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間,從而控制噴射提前角和燃油噴射量,確保以最小的燃油消耗獲得最理想的動(dòng)力輸出。

高壓共軌系統(tǒng)由高壓油泵、共軌腔及高壓油管、噴油器、電控單元、各類傳感器和執(zhí)行器組成,如圖7所示。

圖7 共軌電控噴射系統(tǒng)

采用電控高壓共軌燃油噴射技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是能夠自由控制噴油量、噴油壓力、噴射正時(shí)、噴油速率和多次噴射 (預(yù)噴射、主噴射和后噴射)。與同類燃油噴射汽油機(jī)相比,裝配有電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的現(xiàn)代柴油機(jī)可降低25～30%的油耗,減少至少20%的CO2排放量,是目前公認(rèn)的最有前途的車用柴油機(jī)燃油供給系統(tǒng)[13]。

高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)中最關(guān)鍵的燃油噴射系統(tǒng)的技術(shù)幾乎被德國(guó)BOSCH、日本電裝、美國(guó)DELPHI等少數(shù)幾家國(guó)外公司所壟斷[14],其中最為先進(jìn)的要數(shù)博世公司的電控高壓共軌技術(shù),其代表著該領(lǐng)域的最高技術(shù)水平。2003年該公司開(kāi)始批量生產(chǎn)第3代電噴共軌噴射系統(tǒng),是以高、精、尖的技術(shù)內(nèi)涵為特征的技術(shù)飛躍。據(jù)資料介紹,采用第3代共軌噴射系統(tǒng)的柴油機(jī),其廢氣排放可降15%～20%,功率可提高5%～7%,噪聲可降低3%[15]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)北京理工大學(xué)、長(zhǎng)春汽車研究所、天津大學(xué)和上海交通大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所等都對(duì)電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,取得了一定的成果[16]。

2.5 預(yù)混合氣均質(zhì)壓燃技術(shù)

預(yù)混合氣均質(zhì)壓燃技術(shù)也稱均質(zhì)充量壓縮燃燒技術(shù),其綜合了汽油機(jī)均質(zhì)點(diǎn)燃和柴油機(jī)壓縮自燃的特點(diǎn),是柴油機(jī)能像汽油機(jī)一樣在進(jìn)氣及壓縮行程形成均質(zhì)混合氣,當(dāng)壓縮到上止點(diǎn)附近時(shí)均質(zhì)混合氣自燃著火,在缸內(nèi)形成多點(diǎn)火核,從而有效地維持著火燃燒的穩(wěn)定性[13]。柴油機(jī)與汽油機(jī)與預(yù)混合氣均質(zhì)壓燃技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒方式比較圖如圖8所示。這種燃燒方式能有效地解決傳統(tǒng)柴油機(jī)存在的燃油經(jīng)濟(jì)性差和尾氣排放高的問(wèn)題。與傳統(tǒng)火花點(diǎn)火汽油機(jī)相比,采用該技術(shù)可使燃油消耗率降低15%～20%,氮氧化物排放降低90%～99%,無(wú)碳煙的排放也得到降低[17]。

20世紀(jì)90年代后期,由于預(yù)混合氣均質(zhì)壓燃技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)節(jié)能和降低排放方面具有巨大潛力,引起了內(nèi)燃機(jī)界研究者的高度關(guān)注。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究,目前已有少量投入生產(chǎn)。如日本Nissan公司開(kāi)發(fā)的MK(Modulated Kinetics)燃燒系統(tǒng)和豐田公司的成片均質(zhì)燃燒系統(tǒng)等[18]。研發(fā)預(yù)混合氣均質(zhì)壓燃技術(shù)面臨的主要問(wèn)題包括發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)困難、運(yùn)行工況范圍小、著火時(shí)刻和燃燒率控制難度大等方面。因此,今后一段時(shí)期內(nèi)的研究重點(diǎn)將主要集中在燃燒技術(shù)的控制方面,包括燃燒診斷、燃燒模式切換和瞬態(tài)工況過(guò)渡等[19]。

圖8 柴油機(jī)與汽油機(jī)與預(yù)混合氣均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒方式比較圖

3 結(jié) 語(yǔ)

由于其高扭矩、高壽命、低油耗、低排放的特點(diǎn),柴油機(jī)被廣泛使用在各種大中小型設(shè)備及車、船上。電控直噴、高壓共軌、渦輪增壓、中冷、STC、HCCI等新技術(shù)在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用,大大提高了現(xiàn)代柴油機(jī)的熱效率。其在節(jié)能的同時(shí)也改善了柴油機(jī)的排放狀況,并克服了振動(dòng)和噪音大等不足。目前柴油機(jī)研發(fā)已經(jīng)進(jìn)入智能化時(shí)代,燃油系統(tǒng)、控制技術(shù)和整機(jī)技術(shù)是柴油機(jī)技術(shù)研究最受關(guān)注的3個(gè)方面。相信在研究者的不斷努力下,更多柴油機(jī)新技術(shù)將會(huì)被研發(fā)出來(lái),從而達(dá)到提高效率、節(jié)能減排的目的。

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