大眾都不會的技術 先進清潔柴油機技術解析

● 先進的柴油機技術解析

　　先進柴油機比舊時有著突破猛進的進步，除提升動力性能外，同時新技術可大大減輕柴油工作粗暴，減少噪音，更重要的是都是為了環保達標。因此，現代柴油機不僅環保達標，動力響應好外，更明顯的優勢是燃油經濟性非常優秀。與汽油機相比，同樣的排量下，柴油機轉矩更大，經濟性更好。少了復雜的點火系統，發動機更加可靠耐用。下面看看究竟是哪些新技術讓柴油機重獲春天。

● 機內技術層面

　　1、第三代柴油電子噴射系統-電控高壓共軌系統

　　20世紀90年代以來電控技術在柴油機應用逐漸增多，控制精度不斷提高。從第一代-電子位置控制燃油噴射系統，到第二代-電子時間控制系統燃油噴射系統，現在到第三代-電子高壓共軌控制系統。足以讓柴油轎車和輕型車重獲春天的能力。

　　第三代-電控高壓共軌系統被譽為發動機行業公認的三大突破之一。高壓共軌燃油噴射系統主要由電控單元ECU、高壓油泵、共軌管、高壓油管、電控噴油器以及各種傳感器和執行器組成。

　　主要的工作原理是：低壓燃油泵將燃油充油箱輸入至高壓油泵，高壓油泵將燃油加壓送入高壓共軌管，高壓共軌管中的壓力有電控單元根據壓力傳感器以及需要進行調節，高壓共軌管內的燃油經過高壓油管，根據柴油機的運行狀態，由電控單元決定何時的噴油時間，最后由電子閥噴油器向缸內噴射。

　　電控噴油器是高壓共軌系統最為重要的部件。高壓燃油需要通過噴油器進行霧化。由于采用電磁閥控制噴油，噴油壓力、噴油正時、噴油速率等所有噴油規律都可以全段柔性控制。

　　噴射壓力影響著燃油霧化性能，是對柴油機各方面性能有著重大影響。燃油霧化、貫穿和混合氣形成的能量主要依靠噴油的能量。噴油壓力越大，則噴油能量越高，噴霧越細、混合氣形成金額燃燒越明顯，從而使柴油機排放性能和動力性、經濟性都得以改善。現在電控高壓共軌噴射壓力普遍在120-200Mpa之間，甚至可達到250Mpa以上。一般高壓噴射會使氮氧化物NOx增加，但合理利用高壓噴射持續時間短特點，同時推遲噴油時刻或才用廢氣再循環等方法，可使微粒和NOx同時減低。

單位轉換：1Mpa兆帕=10bar巴=1000kPa千帕=145.03psi磅力/平方英寸=9.89個標準大氣壓ATM

　　噴油規律同樣影響柴油機排放性和動力性。在保證適當動力性的情況下，現在的噴射規律更多的照顧排放方面要求。減少燃燒過程中的粗暴現象出現，滯燃期中的噴油量影響著燃燒時的最高壓力、溫度和壓力升高率，因此需減少滯燃期燃燒速率較為重要。預噴射是實現柴油機初期緩慢燃燒的較好辦法，少量燃油預先噴射，使得在滯燃期內形成有限的可燃混合氣量，同時只有較弱的初期燃燒放熱，使主噴射燃油的著火期縮短，同時避免燃燒初期急劇的壓力、溫度升高。主噴射則采用快速高壓的噴射以加快燃燒，防止生成大量微粒和降低燃燒噪聲；噴油后期則要快速結束噴射，避免低速噴射燃燒霧化變差，導致燃燒不完全而是碳氫化合物HC和微粒排放增多。因此噴油規律大致為“初期緩慢、中期急速、后期快斷”，噴射次數在3-5次，甚至高達9次。

　　噴油時刻間接通過滯燃期影響發動機性能。噴油提前角過大，燃油在壓縮行程就燃燒較多，不僅增加壓縮負功，使燃油經濟性變差，功率下降，壓力升功率和最高壓力變大使得柴油機工作更加粗暴微粒氮氧化物排放增加。若噴油提前角過小，導致后燃期增長，排氣溫度和燃油消耗率增高，發動機容易過熱。柴油機的噴油時刻需要有更加細微的調節，不同發動機有著不一樣的噴油時刻，不同工況噴油時刻也不盡相同，不能一本通書讀到老。

　　電控高壓共軌燃油噴射系統可以讓柴油機有著質的飛躍，用汽油機發展歷程來比劃，如從化油器時代直接跨入缸內直噴時代。電控噴油器、高壓油管等讓燃油噴射實現柔性、高壓噴射，同時減低微粒和NOx的排放，保證優良動力性和經濟性。可惜的是國內并沒有乘用車廠商真正擁有該項技術，主要為博世所壟斷。

　　2、直噴式燃燒系統

　　直噴式燃燒系統也可以理解為直噴式燃燒室，其燃燒方式較為集中，以便燃油與空氣進行混合。事實上這類燃燒室與汽油機沒有太大差異，但相對于柴油機發展歷程來說卻有著深層影響，傳統柴油機一般采用非直噴燃燒，在汽缸蓋上有單獨的預燃室或渦流室。直噴式燃燒室有著燃油消耗率低、轉速高、起動性好等優點。為了獲得更好的綜合性能指標，必須對渦流強度、流場、噴油速率、噴孔數、噴孔直徑、噴射角度與燃燒室進行大量優化匹配工作。

　　3、廢氣渦輪增壓技術

　　可能大伙都說這渦輪增加技術很普遍呀，一點都不創新。傳統意義上的柴油機的功率偏小一直被人們吐槽，廢氣渦輪增壓技術剛好彌補這一缺點，但同時改變了低速轉矩的性能變化。由于柴油機常處于空氣過量的情況下工作，再采用廢氣渦輪增壓可以再提升充氣量和工作壓力，在保持原有功率和高轉矩情況下，適當降低發動機轉速，減少機械損失和減少磨損，從而提高燃油經濟性。

　　事實上在柴油機上廢氣渦輪增壓技術應用除了提升功率和燃油經濟性外，更重要原因來自于排放控制。廢氣渦輪增壓技術使缸內充氣量進一步增大，燃料可以更加充分燃燒，使得一氧化碳CO和碳氫化合物HC排放更低，排放量遠遠比汽油機來得少。但增壓后燃燒溫度變高不利于氮氧化物NOx和微粒減少，因此需要中冷技術進行冷卻空氣，進而進一步減少氮氧化物NOx和降低45%或以上的微粒排放。

　　可變截面渦輪增壓器的可變葉片位于排氣渦輪上。根據發動機的轉速情況，通過控制膜盒進行葉片的開閉調節，使發動機時刻保持最佳的動力輸出。轉速較低時，采用小截面使得廢氣流速加快，從而使得渦輪轉速上升，大大減少渦輪遲滯現象，相當于小直徑渦輪增壓；高轉速時，采用大截面，使得廢氣流動更加順暢，調節渦輪轉速，同時也能發揮發動機最大功率和轉矩。

　　4、電控EGR廢氣再循環系統

　　廢氣再循環系統一開始應用汽油機上。傳統柴油機氮氧化物NOx排放，采用廢氣再導入燃燒可稀釋混合氣的氧氣，降低過量空氣系數，同時讓最高燃燒溫度適當降低（NOx、氮氣、二氧化碳等其他比熱容大，吸熱能力強），從而讓NOx減少生成。EGR率廢氣量采用電控系統進行閉環控制，時刻檢測進氣中氧氣濃度進行檢測，從而不斷調整EGR率使其保持在最佳狀態。柴油機的NOx排放主要在大、中負荷時產生；EGR率15%時可減少50%的NOx排放；EGR率在25%時可減少80%的NOx排放。雖EGR廢氣再循環系統可減少NOx排放的，但會讓微粒排放增多，因此需結合其他技術同時應用。

　　5、電子節氣門

　　采用過量空氣燃燒，傳統柴油機上根本不存在節氣門。由于排放法規越發越嚴格，柴油發動機不得不加入電子節氣門裝置。一般電子節氣門采用常開的狀態，以滿足動力輸出。當出現特殊工況氮氧化物NOx排放增多，乃至EGR廢氣再循環系統無法滿足時，此時將電控單元調節節氣門開度，適當減少進氣量，以調整過量空氣系數，產生更大的EGR率，滿足排放需求。適當調小電子節氣門開度，可以減少氮氧化物排放。因此，切記柴油機上的電子節氣門并不是為了調節負荷所用的。

　　6、進排氣系統

　　傳統柴油機主要采用兩氣門設計，是因為多氣門制造工藝無法滿足柴油機高強度需要。現在制造水平上去了，高壓共軌柴油機主要采用多氣門技術，主要為四氣門，兩進連排。多氣門能保證較大的換氣流通面積，減少泵氣損失，增大充氣量系數，保證高質量的燃燒效果。同時發動機低速運行時，可通過電控系統關閉一個進氣道，使缸內進氣渦輪加強，讓混合氣均勻。改善進排氣系統可適當改善燃燒效率，提高動力性。同時應用在汽油機上的可變氣門正時和揚程系統同時也可以降低柴油機的壓縮比，從而降低柴油機的工作溫度，提升動力和排放性能。

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