提高柴油機熱效率的新技術(shù)

楊 雄,冉小豐,翟克仁,陽 婷 (長江大學(xué)機械工程學(xué)院,湖北荊州434023)

隨著人們環(huán)保意識的加強和全球石油能源臨近枯竭,降低柴油機的排放和提高其經(jīng)濟性成為十分緊迫的要求。近年來,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,世界各國都在進行著提高內(nèi)燃機效率的研究。大、中、小型柴油機作為內(nèi)燃機的一個種類,普遍應(yīng)用于國民生產(chǎn)和交通的各個領(lǐng)域。為了提高柴油機的效率尤其是熱效率,在柴油機的設(shè)計和改進中采用了很多新技術(shù)。柴油機熱效率是指轉(zhuǎn)變?yōu)橛行ЧΦ臒崃颗c加入氣缸總熱量的比值。近年來,對提高熱效率的研究主要集中在優(yōu)化燃油噴射、燃燒和增壓過程中,出現(xiàn)了一系列的先進技術(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)主要歸結(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、預(yù)混合氣均質(zhì)壓燃等。為此,筆者對提高柴油機熱效率的相關(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,所以熱效率相對較低;直接噴射式燃燒系統(tǒng)則將燃油直接噴進燃燒室,因而燃燒效率高,但該系統(tǒng)要求發(fā)動機吸入較多的空氣,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%。直噴式柴油機在提高燃油經(jīng)濟性和降低油耗方面具有較大優(yōu)勢。目前,除了轎車少量使用直噴式柴油機外,其他用途的柴油機幾乎全部直噴化。

圖1 花瓣燃燒室示意圖

圖2 RGB型燃燒室示意圖

對于直噴柴油機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)燃機研究所開發(fā)的花瓣式燃燒室等[2](見圖1)。目前最新形式的直噴式燃燒室為RGB燃燒室[2](見圖2),在萊動4035B等柴油機上已有應(yīng)用,AVL、里卡多等著名內(nèi)燃機公司對此均有研究和成果報告,普遍認為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而增加進氣量,而且便于調(diào)節(jié)進氣渦流,實現(xiàn)進氣渦流的電子控制[3]。多氣門結(jié)構(gòu)能在不同的負荷和轉(zhuǎn)速下得到不同的渦流比,因而使氣缸內(nèi)的空氣運動在整個轉(zhuǎn)速和負荷范圍內(nèi)適應(yīng)相應(yīng)的噴油規(guī)律的要求,即在高負荷和高轉(zhuǎn)速時,得到較低的渦流比以減少氮氧化物排放;而在低負荷和低轉(zhuǎn)速時,可以提高渦流強度來補償噴油質(zhì)量的不足。常見的多氣門有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)動機中應(yīng)用較廣,是一種成熟技術(shù)。為進一步提高4氣門的進排氣效率,可采取如下方法:①進一步增加每一個氣門的直徑。但該方法會導(dǎo)致燃燒室扁平化,降低燃燒效率;②增加氣門數(shù)。因為氣門數(shù)越多,單位時間內(nèi)進排氣量也越大,進排氣效率就越高,5氣門發(fā)動機就是基于上述原因而研制的,每缸3進2出,其燃燒壓力較4氣門發(fā)動機有很大的提升,具有良好的動力性能,同時該發(fā)動機的油耗比4氣門發(fā)動機降低10%左右。因此,5氣門發(fā)動機將是今后發(fā)動機研發(fā)的一個重要方向。

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。增壓中冷柴油機與非增壓柴油機相比,其功率可提高20%～50%,高增壓柴油機的功率最大可提高1倍,而且可以使柴油機在中低速下的扭矩高于汽油發(fā)動機,其體積功率與汽油發(fā)動機機相近。美、日等國家的重型柴油機已全部采用增壓中冷技術(shù);中小排量柴油機采用增壓中冷技術(shù)的比例也逐年上升,目前已達到80%;轎車用直噴式柴油機中采用增壓中冷技術(shù)的也已達到44%[5],這樣提高了車輛的動力性和經(jīng)濟性。

2 智能化技術(shù)

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

2.1 可變氣門定時技術(shù)

可變氣門定時技術(shù)是柴油發(fā)動機技術(shù)發(fā)展的一個重要里程碑?？勺儦忾T定時技術(shù)指的是發(fā)動機氣門升程和配氣相位定時可以根據(jù)發(fā)動機工況作實時的調(diào)節(jié),巧妙地實現(xiàn)可變壓縮比。在大負荷時,發(fā)動機容易發(fā)生自燃引起的爆震,通過推遲進氣門關(guān)閉的時間來達到降低有效壓縮比的目的,從而避免爆震;在中小負荷時,可以通過調(diào)整氣門關(guān)閉時間達到提高有效壓縮比的目的,從而使發(fā)動機在中小負荷時有優(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,采用可變氣門定時技術(shù)可產(chǎn)生3.28%的BSFC效益 (制動燃料消耗比量),并分析其原因是由于可變氣門柴油機在高速柴油機的效率和低速燃油經(jīng)濟性之間可進行自動調(diào)節(jié)的緣故。

可變氣門定時技術(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)動機運轉(zhuǎn)時能整體相對曲軸轉(zhuǎn)過一個角度,在結(jié)構(gòu)上要采取雙頂置凸輪軸的氣缸蓋;②移動搖臂。通過凸輪從動件或者搖臂總成中具有特殊形狀的相配零件來實現(xiàn)該過程。在國外已有用電磁力或液壓直接驅(qū)動氣門的可變氣門定時機構(gòu),即所謂無凸輪氣門機構(gòu),其控制自由度更大,能對氣門正時的所有因素進行控制,在各種工況下獲取最佳氣門正時。另外,該方式能關(guān)閉部分氣缸的氣門,實現(xiàn)可變排量。無凸輪驅(qū)動可變配氣相位機構(gòu)可分為電磁驅(qū)動可變配氣相位機構(gòu)、電液驅(qū)動可變配氣相位機構(gòu)、電氣驅(qū)動可變配氣相位機構(gòu)[7],如圖4所示。

圖4 可變配氣相位機構(gòu)圖

無凸輪軸可變配氣相位機構(gòu)由于去掉了凸輪,系統(tǒng)由ECU控制,其氣門正時、開啟持續(xù)期、升程及運動速度可全柔性調(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構(gòu)。

2.2 可變截面渦輪增壓技術(shù)

為了解決低轉(zhuǎn)速時發(fā)生的渦輪遲滯,研究者在增壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面研發(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分段或連續(xù)改變渦輪截面,從而提高發(fā)動機低工況時的過量空氣系數(shù)。燃氣通過渦輪噴嘴葉片時,根據(jù)柴油機外界負荷的變化來改變噴嘴環(huán)葉片的角度,使進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型艦用柴油機監(jiān)控系統(tǒng),可對該機的可調(diào)噴嘴渦輪增壓器進行隨機控制,即根據(jù)檢測到的柴油機工況參數(shù) (轉(zhuǎn)速、負荷、環(huán)境條件)的變化情況發(fā)出控制指令,通過傳動機構(gòu)去控制可調(diào)噴嘴渦輪增壓器的噴嘴面積以實現(xiàn)增壓系統(tǒng)與柴油機的最佳匹配。蓋瑞特公司、KKK公司均研制了可變截面渦輪增壓器,可在增壓柴油機全工況范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)[9]。美、日等國的研究者在設(shè)計增壓器時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小型渦輪增壓器,隨著柴油機工況的提高,按秩序地投入運行,改變了常規(guī)串聯(lián)增壓系統(tǒng)在低工況時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,柴油機的每臺增壓器都在高效區(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氣量,從而使柴油機在全工況下有較大的過量空氣系數(shù)和較低的燃油消耗率,改善了柴油機的動力性與經(jīng)濟性。

國外柴油機相繼增壓技術(shù)已經(jīng)比較成熟,德國MT U公司[10]、法國SEMT.Pielstick柴油機公司[11]等使用相繼增壓技術(shù),獲得了較好的動力性和燃油經(jīng)濟性指標(biāo)。國內(nèi)一些大學(xué)或科研機構(gòu)也對相繼增壓技術(shù)的應(yīng)用進行了實驗研究或者理論分析。張哲等[12]采用兩臺不同尺寸渦輪增壓器的三階段相繼增壓系統(tǒng)的性能進行了試驗研究,結(jié)果表明其性能有較大的改善,尤其是在低速大負荷工況,燃油消耗率最高降低約7.1%,碳煙排放最高降低達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)生和噴射過程彼此完全分開,發(fā)動機在任何工況下都能獲得較高的燃油噴射壓力,一般能達到1600bar以上;共軌指發(fā)動機的各噴油器燃油由公共供油管道提供,確保了各個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,使發(fā)動機運轉(zhuǎn)更為平順;電控指通過ECU精確控制噴油器電磁閥開啟時刻和持續(xù)時間,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)點是能夠自由控制噴油量、噴油壓力、噴射正時、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)代柴油機可降低25～30%的油耗,減少至少20%的CO2排放量,是目前公認的最有前途的車用柴油機燃油供給系統(tǒng)[13]。

高壓共軌發(fā)動機中最關(guān)鍵的燃油噴射系統(tǒng)的技術(shù)幾乎被德國BOSCH、日本電裝、美國DELPHI等少數(shù)幾家國外公司所壟斷[14],其中最為先進的要數(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,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,國內(nèi)北京理工大學(xué)、長春汽車研究所、天津大學(xué)和上海交通大學(xué)內(nèi)燃機研究所等都對電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的部分結(jié)構(gòu)進行了實驗研究,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),其綜合了汽油機均質(zhì)點燃和柴油機壓縮自燃的特點,是柴油機能像汽油機一樣在進氣及壓縮行程形成均質(zhì)混合氣,當(dāng)壓縮到上止點附近時均質(zhì)混合氣自燃著火,在缸內(nèi)形成多點火核,從而有效地維持著火燃燒的穩(wěn)定性[13]。柴油機與汽油機與預(yù)混合氣均質(zhì)壓燃技術(shù)發(fā)動機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)柴油機存在的燃油經(jīng)濟性差和尾氣排放高的問題。與傳統(tǒng)火花點火汽油機相比,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%,無碳煙的排放也得到降低[17]。

20世紀90年代后期,由于預(yù)混合氣均質(zhì)壓燃技術(shù)在內(nèi)燃機節(jié)能和降低排放方面具有巨大潛力,引起了內(nèi)燃機界研究者的高度關(guān)注。經(jīng)過長期的研究,目前已有少量投入生產(chǎn)。如日本Nissan公司開發(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)面臨的主要問題包括發(fā)動機冷啟動困難、運行工況范圍小、著火時刻和燃燒率控制難度大等方面。因此,今后一段時期內(nèi)的研究重點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)工況過渡等[19]。

圖8 柴油機與汽油機與預(yù)混合氣均質(zhì)壓燃發(fā)動機的燃燒方式比較圖

3 結(jié) 語

由于其高扭矩、高壽命、低油耗、低排放的特點,柴油機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)動機上的應(yīng)用,大大提高了現(xiàn)代柴油機的熱效率。其在節(jié)能的同時也改善了柴油機的排放狀況,并克服了振動和噪音大等不足。目前柴油機研發(fā)已經(jīng)進入智能化時代,燃油系統(tǒng)、控制技術(shù)和整機技術(shù)是柴油機技術(shù)研究最受關(guān)注的3個方面。相信在研究者的不斷努力下,更多柴油機新技術(shù)將會被研發(fā)出來,從而達到提高效率、節(jié)能減排的目的。

[1]SHI Shao-xi.Recent Progress in Combustion Technologies for Automotive Engines[J].Journal of combustion science and technology,2007,7(1):1～15.

[2]王素英,程鐵仕.直噴式柴油機燃燒室的發(fā)展與應(yīng)用[J].柴油機,2001,36(1):24～28.

[3]平銀生.國外轎車柴油機技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展 [A].中國內(nèi)燃機學(xué)會第四屆青年學(xué)術(shù)年會論文集 [C].哈爾濱:中國內(nèi)燃機學(xué)會,2006.5～9.

[4]張宏.從隆鑫系列發(fā)動機談多氣門技術(shù)的應(yīng)用[J].摩托車信息,2004,(2):26～27.

[5]徐春龍,向建華.轎車用直噴式柴油機技術(shù)分析[J].公路與汽運,2001,84(3):1～4.

[6]Deng J,Stobart R.13 Mode Fuel Benefit Investigation Using Variable Valve Timing in a Heavy Duty Diesel Engine[A].Power and Energy Engineering Conference[C].Asia-Pacific:APPEEC,2009.1～6.

[7]葛郢漢.淺談發(fā)動機的可變配氣相位技術(shù) [J].內(nèi)燃機,2008,15(6):17～20.

[8]田山經(jīng)二郎,若月祐之.三菱 UEC85LSⅡ型船用柴油機的研制 [J].柴油機,1992,13(2):12～16.

[9]周慧斌.瘋狂蝸牛--名牌渦輪樣樣看 [J].汽車雜志,2009,(7):278～279.

[10]郭連振.M TU8000系列柴油機 [J].柴油機,2001,(5):16～18.

[11]顧宏中.艦船大功率柴油機的發(fā)展 [A].紀念中國造船工程學(xué)會成立60周年中國船舶工業(yè)發(fā)展論壇 [C].北京:中國造船工程學(xué)會,2003.153～159.

[12]張哲,鄧康耀,錢躍華.大小渦輪三階段相繼增壓系統(tǒng)性能試驗研究 [J].內(nèi)燃機學(xué)報,2010,28(1):68～73.

[13]韓志玉,陳征,劉敬平,等.現(xiàn)代乘用車柴油機技術(shù) [J].中國工程科學(xué),2009,11(11):30～36.

[14]Kato T,Koyama T,Sakai K,et al.Common Rail Fuel Injection System for Improvement of Engine Perfo rmance on Heavy Duty Diesel Engine[A].SAE World Cong ress&Ex hibition[C].Detroit,MI,USA:SAE,1998.58～66.

[15]陳建國,陳澄.柴油機電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)原理 [J].汽車維修,2008,(6):4～6.

[16]黃茂楊.柴油機高壓共軌燃油噴射系統(tǒng) [D].南京:東南大學(xué),2005.

[17]王志,張志福,樣俊偉,等.均質(zhì)壓燃發(fā)動機研究開發(fā)新進展 [J].車用發(fā)動機,2007,169(3):1～7.

[18]向紅,梁政文.柴油機HCCI燃燒特點及影響因素 [J].城市車輛,2006,39(6):48～50.

[19]Tian Guo-hong,Wang Zhi,Wang Jian-xin.Mode Switch of SI-HCCI Combustion on a GDI Engine[A].SAE World Cong ress&Exhibition[C].Detroit,MI,USA:SAE,2007.82～89.