日本的柴油機(jī)技術(shù).docx

日本的柴油機(jī)技術(shù)中田輝男1 前言1894年，魯?shù)婪虬l(fā)明的壓縮著火柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)成功，20世紀(jì)20年代柴油機(jī)在歐洲開始普及，而日本車用柴油機(jī)正式使用是在20世紀(jì)30年代。其后日本車用柴油機(jī)的發(fā)展史在山岡的著作中作了詳細(xì)敘述。柴油機(jī)經(jīng)過這樣的歷史過程發(fā)展起來，本文特別著眼于與歐美不同的方面，結(jié)合日本特有的道路和交通狀況以及排放法規(guī)對策，從技術(shù)方面對現(xiàn)代車用柴油機(jī)加以敘述。2 從商品看日本柴油機(jī)的特點(diǎn)2.1 非增壓柴油機(jī)為使柴油機(jī)功率大，燃油經(jīng)濟(jì)性好，采用了直噴式燃燒室、渦輪增壓和中冷以及電子控制等技術(shù)作為相應(yīng)的措施。圖1為從日本發(fā)動(dòng)機(jī)手冊中摘錄的車用柴油機(jī)機(jī)種數(shù)，按增壓和非增壓分類。對最新的2002年版和10年前的1992年版，的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。在這10年間，非增壓柴油機(jī)機(jī)種數(shù)減少了約40%，而增壓柴油機(jī)機(jī)種數(shù)幾乎不變。發(fā)展趨勢基本上是提高功率和提高燃油經(jīng)濟(jì)性，而同一發(fā)動(dòng)機(jī)與多種車型配套的機(jī)種數(shù)則減少了。圖2a為2002年日本商用車發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩時(shí)的平均有效壓力(BMEP)與排量的關(guān)系，顯示了非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的差別。當(dāng)然，非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力限于IMPa以下，但增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力有的甚至已超過2MPa。圖2b為以Ricardo公司資料為依據(jù)的歐洲商用車發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)。增壓和非增壓的區(qū)別不大，平均有效壓力至少在1MPa以上，即90%以上的發(fā)動(dòng)機(jī)是增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，其平均有效壓力水平很高。圖2 最大扭矩時(shí)的平均有效壓力對于提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和提高燃油經(jīng)濟(jì)性，采用增壓是有效的，而日本非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)依然很多的原因之一是要求的低速扭矩特性不同。圖3是最大扭矩大致相同而排量不同的兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的全負(fù)荷功率特性比較。一臺(tái)是排量約3L的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，另一臺(tái)是排量為5L的非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。小排量發(fā)動(dòng)機(jī)提高轉(zhuǎn)速后其最大功率就提高，而在2000r/rain以下的低速范圍內(nèi)，大排量非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)能保持高的扭矩。綜上所述，即使是商用車，特別是在城市內(nèi)低速運(yùn)行頻率高的車輛，也需重視起動(dòng)、加速時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性，這也是大排量非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)受歡迎的原因。圖3 全負(fù)荷功率特性的比較但是，考慮到今后排放法規(guī)的對策，因?yàn)榉窃鰤喊l(fā)動(dòng)機(jī)過量空氣系數(shù)()低，難以降低煙度，所以存在迅速發(fā)展增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的可能性。在這種情況下，確保對運(yùn)轉(zhuǎn)性能影響較大的低速扭矩成為今后課題之一。2.2 共軌式燃油噴射裝置對柴油機(jī)而盲，燃油噴射裝置是心臟，依靠Bosch式等噴油泵的開發(fā)，使發(fā)動(dòng)機(jī)真正能夠付諸實(shí)用。之后，一直在使用依靠機(jī)械式燃油泵和面對燃燒室定壓開啟噴油嘴噴油的機(jī)構(gòu)，基本上沒有變化。與此相反，在共軌式噴油裝置中，燃油一直以高壓保持在被稱為共軌的蓄壓室內(nèi)，依靠電子閥進(jìn)行噴射控制，對柴油機(jī)而官，這是革命性的變化。特別是在歐洲，轎車用柴油機(jī)正在迅速增加，而其中60%以上是裝有共軌式噴油裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)。在為提高功率而采用渦輪增壓的同時(shí)，共軌式噴油裝置正在成為歐洲柴油轎車迅速增加的原動(dòng)力。另外，世界上商用車用柴油機(jī)由于要求更長的壽命和高.的可靠性，因此共軌的普及程度比轎車柴油機(jī)遲后。圖4表示在從發(fā)動(dòng)機(jī)手冊摘錄的直噴式柴油機(jī)所有機(jī)種中，燃油噴射系統(tǒng)使用比例的變化。在2002年，大部分依然是原來的宜列式或分配式噴油泵，共軌式約占1/3。適用對象不管是轎車或商用車，由大型到小型機(jī)種都一樣。另外，可以看出歐洲的商用車與日本有明顯的不同，在2002年，共軌式還不到10%。與直列式泵和分配泵不同的電子泵噴嘴(EUI：ElectronicUnit Injector)和電子單體泵(EUP：Elec-tronicUnitPump)等是主流，而基本的燃油加壓和噴射機(jī)構(gòu)還是原來噴油泵的延續(xù)，與共軌式是不同的。圖4 燃油噴射裝置的使用比例之所以產(chǎn)生這樣的差異，共軌式噴射裝置從低速起就能產(chǎn)生高壓噴射的特征是關(guān)鍵如上節(jié)所述，日本的行駛條件特別重視低速區(qū)的扭矩特性。在低速區(qū)能實(shí)現(xiàn)高壓噴射，就可以降低煙度，結(jié)果使低速時(shí)增加扭矩成為可能。作為實(shí)例，有報(bào)告“稱，在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上有效利用共軌噴射裝置的特性，以求提高柴油機(jī)低速扭矩，使之適應(yīng)日本城市的交通。另外，歐洲商用車發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于高速公路行駛，追求高功率和低油耗，故應(yīng)選擇在額定點(diǎn)能產(chǎn)生高壓噴射的泵噴嘴等技術(shù)。2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲柴油機(jī)是壓縮著火，因而柴油機(jī)與汽油機(jī)相比，在噪聲及振動(dòng)方面肯定是不利的，這也成為研究開發(fā)的起因。在全球，柴油機(jī)振動(dòng)噪聲研究開發(fā)取得了豐碩成果。尤其對怠速時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲或車外噪聲進(jìn)行了廣泛研究，這可以說是日本柴油機(jī)研究的特點(diǎn)，反映了在日本城市中使用時(shí)頻繁起動(dòng)、停車的交通環(huán)境。圖5是記錄每2轉(zhuǎn)為一個(gè)循環(huán)的柴油車怠速車外噪聲的實(shí)例。圖中上部為記錄到的噪聲波形，下部是通過A特性濾波器除去低頻噪聲后的波形。除去低頻噪聲成分后，弄清了柴油機(jī)噪聲的特征。高頻波形是每到爆發(fā)上止點(diǎn)間斷發(fā)生的很大的聲音，因而對人的耳朵危害很大。在上止點(diǎn)附近，幾乎同時(shí)發(fā)生噴油和燃燒、進(jìn)排氣門開啟與關(guān)閉等，這都各自成為噪聲源。與此相反，在共軌式噴油系統(tǒng)中，由于燃油一直保持在高壓狀態(tài)，噴油定時(shí)完全可以自由設(shè)定。另外，燃燒一次所需的燃油可以分成多次噴射。采用的方法之一是通過應(yīng)用預(yù)噴射，抑制了成為燃燒噪聲起因的快速壓力升高，使之能控制燃燒，不致引起排氣的惡化。圖5 柴油車的怠速車外噪聲同樣，作為共軌系統(tǒng)本身對降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的效果，降低了噴油時(shí)噴油系統(tǒng)零件所產(chǎn)生的機(jī)械噪聲。在原來的燃油噴射裝置中，包括上述的電子泵噴嘴和電子單體泵，不能忽視由于伴隨燃油加壓和噴射中的機(jī)械振動(dòng)造成的噪聲。另外，儲(chǔ)存持續(xù)高壓的燃油井用閥門的開啟與關(guān)閉控制噴油，以與此完全不同的機(jī)構(gòu)進(jìn)行燃油噴射的共軌式噴油裝置也能大幅度降低這種噪聲。圖6是裝有原有噴油泵的發(fā)動(dòng)機(jī)與安裝共軌式噴油裝置的改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速噪聲不同聲源比率的比較實(shí)例。燃燒系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)引起的噪聲占能量的一半以下。報(bào)告顯示音質(zhì)也有大幅度的改善。由此可認(rèn)為，在日本，即使商用車發(fā)動(dòng)機(jī)也有必要加快采用共軌式噴油裝置的進(jìn)程。圖6 怠速噪聲的不同聲源比率3 排放法規(guī)與日本的柴油機(jī)技術(shù)3.1 排放法規(guī)的變遷-日、美、歐的比較隨著汽車的普及，大氣環(huán)境的惡化問題成為世界各國急于解決的課題，新車型的排放限值在逐步下降，以求改善環(huán)境。特別是柴油車，因?yàn)镹O，(與PM的排放量很多，限制這些排放物質(zhì)正成為非常重要的措施。對控制柴油機(jī)燃燒而言，NO)c和PM排放具有彼此相反的特性，存在所謂的折衷關(guān)系。以哪一方為優(yōu)先制定法規(guī)，以什么為目標(biāo)以及怎樣來改善環(huán)境，由于國家不同，考慮的思路也不同。圖7為大約在10年前公布實(shí)施的日本、美國和歐洲以大型柴油車為對象的NOxPM排放限值的比較。1994年實(shí)施短期法規(guī)時(shí)，采用排氣重量法(13工況)代替原來的排氣濃度法(6工況)，還增加了對PM的限制。由于試驗(yàn)方法不同，排放值不能作嚴(yán)格的比較，而從迄今應(yīng)用的法規(guī)限值看，相對歐美，日本的NO)c限值較低，而PM限值較高。作為NOx限值，經(jīng)常應(yīng)用世界上最低的限值。這是因?yàn)橐獙Ω洞蟪鞘械墓饣瘜W(xué)煙霧，實(shí)施了重點(diǎn)降低NO)(策略的緣故。圖7 日、美、歐的排放限值3.2 EGR的應(yīng)用在日本，為適應(yīng)降低NO，(的排放法規(guī)，很早就采用了EGR措施。在要求超長距離行駛可靠性的商用車上，從1994年實(shí)施的短期法規(guī)就開始采用EGR。在歐美，特別是大型車上，由于法規(guī)把可靠性和PM作為重點(diǎn)，因此采用EGR有點(diǎn)滯后的感覺?？梢哉f，日本在商品化方面的技術(shù)開放是很早的。在1999年實(shí)施的長期排放法規(guī)中，為力求適應(yīng)更低的NO)f限值，在NO)(排放量多的高負(fù)荷區(qū)有必要增加EGR。在高負(fù)荷區(qū)增加大量EGR時(shí)，由于新鮮空氣吸人量減少，造成氧氣不足，結(jié)果導(dǎo)致煙度惡化。作為相應(yīng)措施，在EGR回路中，設(shè)置利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水的熱交換器，即EGR冷卻器，EGR氣體的溫度下降后使其回流，確保新鮮空氣的吸人量，提高EGR率，這成為被采納的良策。在增壓柴油機(jī)上設(shè)置EGR，大多采用在排氣管的渦輪進(jìn)口和進(jìn)氣管的壓氣機(jī)出口之間接人EGR閥的方式，適當(dāng)?shù)膲翰钜子诳刂艵GR氣體的流量，也可避免壓氣機(jī)和中冷器的污染與腐蝕。在部分大型車用柴油機(jī)中，特別是在渦輪增壓器效率良好的高負(fù)荷區(qū)，雖然壓氣機(jī)出口的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力比從渦輪進(jìn)口的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣壓力高，也開發(fā)了多種實(shí)行EGR的方法。圖8作為一個(gè)實(shí)例，表示在EGR回路中設(shè)置止回閥。即使進(jìn)氣壓力平均值很高，特別是在排氣壓力比有脈沖的進(jìn)氣壓力高的瞬間，利用壓差開啟止回閥，可在高負(fù)荷的條件下使效率良好的EGR氣體流動(dòng)。圖8 應(yīng)用止回閥的EGR系統(tǒng)t6l在歐美的商用車發(fā)動(dòng)機(jī)中，2000年以后增加了EGR的應(yīng)用，而日本發(fā)動(dòng)機(jī)正在積累先行進(jìn)入市場的經(jīng)驗(yàn)。為適應(yīng)今后更加嚴(yán)格的排放法規(guī)，希望采用更大容量的EGR，以適應(yīng)更廣應(yīng)用范圍的要求。3.3 柴油燃燒EGR作為降低NOc的有效方法正被廣泛應(yīng)用，但過度的EGR會(huì)帶來氧氣不足，導(dǎo)致排氣煙度惡化。在柴油機(jī)的排放法規(guī)中，要求NOx和PM兩者都得到降低作為今后的目標(biāo)，目前正在大力研究能同時(shí)降低NOx和PM，特別是其主要成分煙度的燃燒方式。其有效方法之一就是所謂的預(yù)混合燃燒，實(shí)現(xiàn)了在不生成NOx的較低溫度下，并處于不產(chǎn)生黑煙的微觀非濃混合氣狀態(tài)的燃燒。從1995年起，由日本國內(nèi)和柴油相關(guān)的汽車公司等出資的研究機(jī)構(gòu)-新ACE等進(jìn)行了許多研究。證實(shí)了大幅度降低NOx和大致零煙度水平的燃燒形態(tài)，在這個(gè)領(lǐng)域，日本的研究開發(fā)處于世界領(lǐng)先水平。圖9表示在上止點(diǎn)附近噴油時(shí)預(yù)混合燃燒的實(shí)例。即使是十六烷值為57的普通燃油，通過采用大量EGR，也不會(huì)有HC、CO和燃油經(jīng)濟(jì)性的惡化，而NOx和煙度則得到大幅度的降低。圖9 在上止點(diǎn)附近噴油的預(yù)混合燃燒這種燃燒方式存在的問題是發(fā)動(dòng)機(jī)可運(yùn)轉(zhuǎn)的范圍限定在低負(fù)荷區(qū)域，對此，作為折衷，有壓縮比和燃燒室等許多方案，但實(shí)用性方面的問題依然很多，作為適應(yīng)今后更嚴(yán)格排放法規(guī)的基礎(chǔ)技術(shù)，預(yù)混合燃燒方式的潛力很大。4 展望作為未來的車用動(dòng)力，究竟哪一種最合適，提出了若干個(gè)從燃料效率和C02排放觀點(diǎn)研究的、所謂“Well-to-Wheel Analysis”的研究報(bào)告。將多種燃料、發(fā)動(dòng)機(jī)與燃料電池以及復(fù)合動(dòng)力裝置等組合起來，在相同車種、相同行駛循環(huán)條件下，比較燃油經(jīng)濟(jì)性與C02排放量。另外，若將生物物質(zhì)等做成可再生能源，氫燃料電池?fù)?jù)說是最好的，而內(nèi)燃機(jī)中最好的柴油復(fù)合動(dòng)力則稍差，這可以說是大概的結(jié)論9)。以在常溫常壓下呈液體狀，且不易著火、操作容易的輕油為燃料，在小型車、大型車乃至船用等廣闊的范圍內(nèi)，在各種不同的環(huán)境條件下都能高效率運(yùn)行的動(dòng)力是柴油機(jī)。通常人們認(rèn)為，柴油機(jī)是速度慢、使用麻煩、對環(huán)境污染大的發(fā)動(dòng)機(jī)，但通過與高性能渦輪增壓器和共軌式噴油裝置的配合，就能解決高功率和噪聲問題，提高柴油機(jī)的層次。柴油機(jī)剩下的問題就是排放問題，為此，通過采用高壓燃油噴射等措施，已達(dá)到肉眼看不見的黑煙水平。將來的排放法規(guī)，如美國Tier 2法規(guī)，有不按燃料區(qū)分的趨勢