高功率密度柴油機關鍵技術及其應用

孫丹紅，張然治，田永海

（中國北方發(fā)動機研究所，山西大同037036）

軍用動力的快速發(fā)展得益于柴油機關鍵技術在更高層次上不斷取得新的突破，使柴油機的單位體積和質量功率密度、燃油消耗率等性能指標都有明顯改善，單位體積功率可以達到1 200～1 360kW／m3，單位功率質量≤1 kg／kW，燃油消耗率最低達到190g／（kWh）的水平，為軍用車輛動力向更高水平沖刺提供了強有力的技術推動。本文僅對幾項主要的關鍵技術作一簡要介紹。

1 系統(tǒng)集成技術

系統(tǒng)集成技術是實現高結構緊湊性、高功率密度和提高動力總成性能的核心技術之一，其內容包括兩個方面：發(fā)動機本體與附件的集成，發(fā)動機與傳動系統(tǒng)的集成。

通過發(fā)動機本體與進排氣系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)等的性能匹配和結構優(yōu)化設計，可以有效地提高整體性能。同時，各系統(tǒng)效率的提高有助于簡化結構，大大減少各自的體積和質量，進而達到減少發(fā)動機體積和質量的目的。上述各系統(tǒng)的集成設計可以有效地縮小發(fā)動機本體的體積。

6V890柴油機將整個干式油底殼（包括機油容積、機油泵、機油換熱器、機油濾清器、機油管道）和進氣支管等零件都集成在曲軸箱上，在發(fā)動機上沒有外部管路。發(fā)動機與傳動系統(tǒng)的集成可以進一步減少無效空間，減少體積和質量，提高動力裝置的緊湊性和傳動效率，增強可靠性、可使用性、可維護性和耐久性。

在集成設計時，要充分利用現代設計技術，通過計算機輔助設計、輔助分析和虛擬仿真可以對發(fā)動機本體及傳動裝置進行優(yōu)化，顯著提高結構緊湊性。同時，通過在計算機上進行發(fā)動機的虛擬裝配和仿真試驗，可以極大地提高設計效率和質量，縮短研制周期，降低研制成本。美國藍綬帶咨詢委員會特別建議美國陸軍坦克機動車輛局（TACOM）盡量采用系統(tǒng)仿真技術來進行HPD柴油機的研發(fā)。

對于柴油機動力裝置，美國陸軍TACOM／TARDEC未來作戰(zhàn)系統(tǒng)有人地面車輛鏈輪功率密度目標PD＝158kW／m3；未來發(fā)展研究目標PD＞211～264 kW／m3。這就需要從發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)的角度全面考慮動力裝置的系統(tǒng)集成，實現各個子系統(tǒng)之間的優(yōu)化匹配，減小功率損失，縮小無用空間，有效提高鏈輪功率密度，進而改善動力裝置的動力性、可靠性、耐久性以及可維護性。美國先進的整體式推進系統(tǒng)（AIPS）就是動力裝置系統(tǒng)集成的一個范例。

2 高速快速燃燒過程

2.1 新型快速燃燒技術

提高排量利用率可以改善系統(tǒng)的結構緊湊性，是實現HPD的關鍵。而提高發(fā)動機轉速和減小缸徑是提高排量利用率的最有效的方法。

德國MTU公司開發(fā)的890系列柴油機，排量較880系列減小50%。該系列柴油機采用先進的高效快速燃燒技術，標定轉速達到3 600～4 250r／min，活塞平均速度達到15m／s左右，平均有效壓力達到2.6MPa，最高燃燒壓力高于20MPa，實現了92kW／L的HPD目標。此外，燃燒過程優(yōu)化研究也是實現HPD的關鍵之一。

2.2 均質充量壓燃（HCCI）

均質充量壓燃（HCCI）綜合汽油機和柴油機兩者的特性，燃燒自動在幾個點開始，不需要采用常規(guī)汽油機中的火花塞；降低最高溫度以獲得非常低的NOx排放，但HC和CO排放較高；具有柴油機的效率和汽油機的排放水平。

HCCI的正時控制仍然是一個主要問題。采用HCCI的常規(guī)發(fā)動機設計功率范圍有限。目前已經采用了多種途徑克服這些不足，不過仍處于初級階段。梅賽德斯已經演示驗證了“DiesOtto”概念；通用汽車公司（GM）公開了演示驗證的各種HCCI方案；此外還有弗羅斯特和沙利文（Frost and Sullivan）公司的HCCI方案。

柴油機實現HCCI比較困難，主要在汽油機的基礎上進行研究。國外通過發(fā)展電控HCCI和柴油機－汽油機聯合循環(huán)的方式實現HCCI。這種方案主要技術挑戰(zhàn)是爆發(fā)過程非常難以駕馭，控制系統(tǒng)非常復雜；例如梅賽德斯（DiesOtto－ Mercedes）概念，這是一種目前可以在工程上實現的HCCI概念。這是一種1.8L柴油－汽油技術的混合，裝于奔馳F－700，功率175 kW，采用汽油直噴、增壓、可變壓縮比、可控自動點火的HCCI以及變氣門控制；

另外一種方案是CCS和HCCI，德國大眾公司用2.0L柴油機燃燒生物燃料聯合系統(tǒng)，仍用180MPa共軌供油，70%的EGR，經濟高5%～8%，排放達到與HCCI相當的水平。

3 高噴射壓力供油技術

高噴壓可調供油技術是實現高功率密度的關鍵。美國陸軍TACOM（坦克機動車輛局）的試驗研究表明，通過優(yōu)化參數和將噴射壓力提高到200MPa，可將功率密度提高26%。目前，柴油機高噴射壓力供油系統(tǒng)的應用日益增多，應用廣泛并且發(fā)展前景看好的高壓噴射技術主要有高壓共軌噴油系統(tǒng)和泵噴嘴噴油系統(tǒng)。

3.1 高壓共軌噴油系統(tǒng)

目前，德國MTU公司的MT880和MT890系列HPD柴油機均采用了160～180MPa的噴油定時和噴油量可調的高壓共軌噴油系統(tǒng)。采用共軌噴油系統(tǒng)可以使發(fā)動機在低轉速范圍工作時獲得高的噴射壓力，以保證在所有運行工況均可實現高效燃燒。特別是在890系列全面擴缸后，890系列V型機的功率和扭矩特性均獲得大幅度改善，廠方目前尚沒有公布噴油壓力的變化，但估計噴油壓力應該有較大提升。

目前，許多民用柴油機都采用了噴油壓力200MPa的高壓共軌噴油系統(tǒng)，如福特的2010款6.7L柴油機。

國際上馳名的噴油系統(tǒng)研發(fā)設計公司，如德國的博世、美國的德爾福以及日本的電裝等，都致力于更高噴油壓力噴油系統(tǒng)的研究。博世（Bosch）公司宣稱，該公司將于2011年批量生產200MPa電磁閥式噴油器CRI 2.6，而壓電式噴油器將繼續(xù)在大型大功率發(fā)動機上發(fā)揮關鍵作用。該公司下一代壓電式噴油器CRI 5的最高噴油壓力可達220MPa。

德爾福（Delphi）公司、西門子（Siemens）公司和日本電裝（Denso）公司均在進行160～200MPa壓電晶體共軌系統(tǒng)的研發(fā)，噴射間隔期將由現在的0.4ms減少到0.1ms。

共軌燃油系統(tǒng)可以根據需要設置噴油正時、噴油量、噴油壓力和噴油速率曲線形狀，能夠進行分段噴射，靈活地適應各種工況的變化。這一特性也決定了噴油規(guī)律不會受發(fā)動機轉速和載荷的影響，能夠更精確地對燃燒過程進行控制，可以在整個發(fā)動機工作轉速范圍內實現高效燃燒。

德國慕尼黑技術大學的研究人員近來在一臺LVK單缸發(fā)動機上進行了一項軌壓增加對噴油器噴嘴流場影響的研究。研究中采用的噴油壓力高達320MPa，見圖1。

圖1 德國慕尼黑技術大學320MPa噴油壓力LVK單缸機

3.2 高壓泵噴嘴噴油系統(tǒng)

高壓泵噴嘴噴油系統(tǒng)目前也是應用較多的一種高壓噴油系統(tǒng)。德國大眾2.0LTDI渦輪增壓柴油機的燃油噴射壓力高達192MPa，TDI發(fā)動機每缸一個泵噴嘴，每個氣缸作功沖程所需的柴油量被分成預噴射和主噴射兩部分，主噴射在預噴射開始之后曲軸轉過幾度之后才進行，其間隔由一個液壓機構控制。噴射正時、噴油量以及停噴時刻都由電磁閥控制。高壓噴射技術使柴油發(fā)動機達到了平穩(wěn)、高效燃燒的理想狀態(tài)，并降低了燃燒噪聲、降低了尾氣中的氮氧化合物的含量。

4 智能化電控和管理技術

電控技術是柴油機智能化的基礎。目前，發(fā)動機電控的范圍已經擴展到所有要求可調的部位，構成所謂的發(fā)動機管理系統(tǒng)。

MTU公司MT890系列柴油機采用自行研發(fā)的CDS全數字化管理系統(tǒng)，CDS包含柴油機控制、調節(jié)和監(jiān)測功能。其控制內容主要包括燃油供給系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、故障診斷、傳動的匹配等。診斷功能明確給出故障發(fā)生的時間、原因和程度，可選擇的預診斷功能能夠提供有關發(fā)動機及其零部件未來狀態(tài)的預測信息。在發(fā)動機運轉不正常時，電控裝置可以暫時降低發(fā)動機功率，如有必要可使發(fā)動機完全停機，以防發(fā)動機損壞。在緊急情況下可人工干預。CDS具有與動力裝置中所有系統(tǒng)的接口，允許將890系列柴油機集成到動力裝置中。

“狼”式裝甲車的機載信息控制系統(tǒng)（BIUS）記錄車輛基本裝置與組件的參數，從而對其實施控制與診斷功能。發(fā)動機由15個參數控制，包括壓力、溫度、轉速、燃油供給、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等。傳動與輪箍由溫度和壓力控制。液壓與懸掛調整系統(tǒng)采用24位控制。BIUS的故障與車輛的機動性無關。

近年來，智能化電控和管理技術在民用柴油機領域也得到長足發(fā)展，應用范圍涉及供油和增壓控制以及故障診斷。2010年德國BMW公司通過采用200MPa高壓共軌燃油噴射和壓電晶體噴油器、二級可調“動力渦輪”增壓系統(tǒng)和綜合電子控制系統(tǒng)等技術，3.0L6缸柴油機平均有效壓力達到2.0MPa，標定功率轉速達到4500r／min，升功率達到75kW／L，并滿足歐V排放標準。

5 高效、高壓比可調增壓技術

通過渦輪增壓和中冷可以提高進氣密度，能有效地提高發(fā)動機的結構緊湊性和功率密度。高效渦輪增壓中冷技術主要包括壓氣機和渦輪均可調的增壓器、順序增壓（STC）、單級壓比4～5的高壓比渦輪增壓器、鈦鋁合金渦輪、改善瞬態(tài)加速性的加氣技術、單渦輪雙壓氣機技術等。

采用高效可調增壓可以改善加速性，拓寬工作特性范圍；采用二級順序增壓或單渦輪雙壓氣機技術，可以進一步提高增壓壓比，適應多種工況要求，同時還可以減少質量和體積。

5.1 可調葉片式渦輪增壓器

針對傳統(tǒng)的渦輪增壓器在發(fā)動機低轉速時有增壓滯后和動力不足的缺點，大眾2.0TDI柴油機采用了可調葉片式渦輪增壓器，在任何轉速下均可產生所需要的進氣壓力，性能比傳統(tǒng)的渦輪增壓器大大提高，改善了發(fā)動機的適應性，發(fā)動機轉速較低時也可以保證大功率的輸出，實現了最大功率104kW／4 000r·min－1，最大扭矩320Nm／（1 750～2 500r／min）的性能指標，低速扭矩特性大為改善。由于發(fā)動機進氣壓力始終處于最佳狀態(tài)，從而在整個轉速范圍內提高了燃燒效率，節(jié)約了燃油并改善了排放。

5.2 用于高速直噴柴油機的一種新的機械增壓概念

Modena和Reggio E大學采用傳統(tǒng)的渦輪增壓器與羅茲容積式壓氣機結合，通過電動離合器使壓氣機在發(fā)動機高速和部分負荷穩(wěn)態(tài)工況時與發(fā)動機脫開，在瞬態(tài)加速和低速工況時嚙合。采用這種增壓方案，可以使2.5L排量的基準發(fā)動機（4缸高速直噴渦輪增壓柴油機）實現小型化，在不損害最大制動功率（110kW）和瞬態(tài)響應的同時，柴油機的排量減小到1.8L，最大制動扭矩大于300Nm／2 000r·min－1；采用羅茲壓氣機的小型化柴油機，部分負荷燃油消耗大幅度改善，排放有效降低。

5.3 BMW公司二級可變雙渦輪增壓系統(tǒng)

BMW740D柴油機采用了可變雙渦輪增壓系統(tǒng)，一個設計巧妙的系統(tǒng)可將兩個增壓器先后啟動，這樣既提供了效率又加強了增壓器的反應能力，同時還放棄了原增壓器中的可調渦輪葉片；這兩個增壓器是嚴格按照分級理論進行工作的，發(fā)動機轉速在1 500r／min以下時，較小的增壓器反應較快且主動負責供氣；當轉速在1 500～2 500r／min范圍內時，兩個增壓器均開始工作，此時，大增壓器起到的是預增壓作用；當轉速超過2 500 r／min時，大增壓器開始全負荷工作，提供的壓力達0.18MPa（此前進氣壓力為0.15MPa）。增壓系統(tǒng)設有兩個閥門和幾根管路來調控進入增壓器的氣流和空氣量，廢氣和新鮮空氣按照指令分配給兩個增壓器。

5.4 單渦雙壓

德國MTU公司883－Ka524柴油機和890系列柴油機均采用單渦雙壓渦輪增壓器，增壓壓比為4.5，可顯著提高發(fā)動機的輸出功率，提高柴油機的低速扭矩和改善燃油經濟性。特別是部分負荷時，可將更多的增壓空氣壓入燃燒室。MT883Ka－524柴油機在保持MT883Ka－501柴油機本體尺寸不變的情況下，通過采用單渦輪雙壓氣機使單位排量功率從40.3kW／L增加到73.7kW／L。

目前，單渦雙壓渦輪增壓器在民用柴油機領域也得到推廣應用，美國福特汽車公司最新開發(fā)的6.7L柴油機為了滿足功率要求，并仍然適合在V型夾角中安裝，采用了單渦雙壓渦輪增壓器（如圖2所示），具有更高的增壓壓力和喘振裕度，在滿足內側排氣支管體結構布置要求的同時，滿足了測功機認證和底盤認證雙重排放認證的要求。

圖2 6.7L柴油機雙壓氣機渦輪增壓器

6 結構可靠性技術

包括滿足承受18MPa以上最高燃燒壓力的發(fā)動機本體結構技術、活塞平均速度達到15m／s的活塞曲柄連桿機構技術、高壓比條件下潤滑承載技術、高壓比的PVD軸瓦技術、聲輻射解析技術等。據德國KS Gleitlager公司統(tǒng)計，目前高性能卡車柴油機的氣缸燃燒壓力已經高達18～22MPa，柴油機的單位排量功率達到30～50kW／L；矯車柴油機的單位排量功率達到60～70kW／L，連桿軸承的負荷將增加37%，曲軸軸承蓋的負荷將增加33%。

提高排量利用率和進氣密度，一方面提高了功率密度，但另一方面也增加了機械負荷和熱負荷。因此，必須對機體、氣缸蓋、活塞、曲軸、軸瓦等關鍵零部件的可靠性進行優(yōu)化設計。同時，各零部件的減重優(yōu)化也是實現高功率密度的途徑之一。

為滿足高緊湊性、HPD柴油機的可靠性要求，需對可承受18MPa以上燃燒壓力的發(fā)動機本體結構技術、活塞平均速度達到15m／s的活塞曲柄連桿機構技術、高載荷PVD軸瓦技術等進行深入的研究。

7 高溫冷卻技術

高溫冷卻技術是減小輔助系統(tǒng)質量和體積，使柴油機實現高效運行的有效措施。涉及的技術主要包括高溫潤滑油技術、高低溫雙循環(huán)冷卻系統(tǒng)、熱管散熱技術等。

德國MTU公司的MT890系列柴油機采用高低溫雙循環(huán)冷卻系統(tǒng)，高溫回路為核心發(fā)動機提供冷卻，即用于冷卻氣缸套、氣缸蓋等零部件以及一級增壓中冷器；低溫回路用于冷卻啟動機－發(fā)電機功率電子器件、二級增壓中冷器以及發(fā)動機機油。MT890系列柴油機的高溫冷卻系統(tǒng)冷卻液溫度高達130℃，并采用智能控制的高低溫雙循環(huán)冷卻系統(tǒng)，減小了冷卻系統(tǒng)的質量和體積，改善了冷卻效果。

8 飛輪／發(fā)電機／啟動機集成技術

將啟動機、發(fā)電機和飛輪集成在一起可以減少動力裝置零部件的數量，優(yōu)化結構布置，增加動力艙布置的柔性，提高可靠性。飛輪／發(fā)電機／啟動機集成技術是實現電傳動的關鍵技術，有助于進一步減少體積和質量，使車輛運行更為平穩(wěn)，并實現無級變速傳動。電傳動能使發(fā)動機和車輛的速度彼此不相關，發(fā)動機可以以其最高效率工作。因此，HPD柴油機可以通過燃油消耗特性圖和電子管理系統(tǒng)獲得最好的燃油經濟性。

MT890系列柴油機動力裝置有純電傳動和機電傳動（EMT）兩種方案，裝備了其與德國ESW公司聯合開發(fā)的20～550kW飛輪啟動－發(fā)電機（FSG），可以用于24V車載電源的功率電子器件的電源和純柴－電車輛的動力電源。通過采用電離合器，任何柴油機機械傳動動力系統(tǒng)都可以升級為全混合動力。目前采用FSG的4R890和5R890已分別用于德國GEFAS4×4車輛和美國FCS的MGV的動力。

德國ESW公司針對裝甲車輛和重型汽車對混合電傳動的需求，開發(fā)了水冷超級無刷磁電機，功率20～40 kW，集成整流器、皮帶驅動DC 20V，符合 MIL STD 461E和MIL STD 1275標準。這種先進技術已用于M113、DURO／YAK、EAGLE、FUCHS等裝甲車輛。

9 結束語

提高柴油機功率密度和實現小型化在國外受到極大重視，西方工業(yè)發(fā)達國家政府和工業(yè)部門都非常重視相關關鍵技術的研究工作，并制訂了功率密度和有效效率的發(fā)展目標。

HPD柴油機是柴油機技術發(fā)展史上的一個重要的里程碑，為大幅度提高未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)的機動性、可部署性、生存能力和應用電磁炮、電熱、電裝甲、激光武器等新概念武器鋪平了道路。對于我國來說，積極探索和研究HPD柴油機技術具有至關重要的現實意義和長遠的戰(zhàn)略意義。

［1］Zhang J Y，Xing WD.The Developing Trend of Diesel Charging Technology［C］.SAE Paper 2008－01－1693，2008.

［2］Zhang JY.Development of High Efficiency Turbocharger with 3.5Pressure Ratio［C］.SAE Paper 2008－01－1699，2008.

［3］Qi M X，Ma C C，Yang C.Numerical Optimization on a Turbocharger Compressor［C］.SAE Paper 2008－01－1697，2008.

［4］Zhang Z，Deng K Y.Experimental Study on the Three－phase Sequential Turbocharging System with Two Unequal Size Turbochargers［C］.SAE Paper 2008－01－1698，2008.

［5］Manish Kulkami，Taehyun Shim，Yi Zhang.Shift dynamics and control of dual－clutch transmissions［J］.Mechanism and Machine Theory，2007.

［6］Sam Akehurst and Mitchell Piddock.A Multiple Factor Simulation and Emulation Approach to Investigate Advanced Air Handling Systems for Future Diesel Engines［J］.SAE Paper 2008－01－0297.

［7］Maria Thirouard，Sylvain Mendez，Pierre Pacaud，et al.Potential to Improve Specific Power Using Very High Injection Pressure In HSDI Diesel Engines［J］.SAE Paper 2009－01－1524.

［8］Rainer Augustin.Lead－Free Bronze－and Brass Connecting Rod and Piston Pin Bushings for High－End Engine Applications［J］.SAE Paper 2009－－01－1460.

［9］Dirk Adolph，Reza Rezaei and Stefan Pischinger.Gas Exchange Optimization and the Impact on Emission Reduction for HSDI Diesel Engines［J］.SAE Paper 2009－01－0653.

［10］Anthony Briot，Francisco Carranza and Patrick Girot.Minimizing Filter Volume by Design Optimization［J］.SAE Paper 2007－01－0657.

［11］D.T.Hountalas，C.O.Katsanos and V.T.Lamaris.Recovering Energy from the Diesel Engine Exhaust Using Mechanical and Electrical Turbocompounding ［J］.SAE Paper 2007－01－1563.

［12］Spencer C.Sorenson.Compact and Accurate Turbocharger Modelling for Engine Control［J］.SAE Paper 2005－01－1942.

［13］Guillaume Morin，Eric Nicouleau－Bourles，Franck Simon and Olivier Prince.Reliable Diesel Engine Design Based on a New Numerical Method［J］.SAE Paper 2005－01－1762.

［14］Sylvain Saulnier and Stéphane Guilain.Computational Study of Diesel Engine Downsizing Using Two－Stage Turbocharging［J］.SAE Paper 2004－01－0929.

［15］David L.Boggs and Richard C.Belaire.A Small Displacement DI Diesel Engine Concept for High Fuel Economy Vehicles［J］.SAE Paper 972680.

［16］Hermann－Josef Ecker and Markus Schwaderlapp.Downsizing of Diesel Engines：3－Cylinder／4－Cylinder［J］.SAE Paper 2000－01－0990.

［17］G.Cantore，E.Mattarelli and S.Fontanesi.A New Concept of Supercharging Applied to High Speed DI Diesel Engines［J］.SAE Paper 2001－01－2485.

［18］Kai Kuhlbach.Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer für Downsizing－Konzepte［J］.MTZ2009（4）：286－293.

［19］Mattes，W.；nefischer，P.；Praschak，n.；Steinparzer，F.：new two－stage turbocharged 4－cylinder diesel engine from BMW.16th Aachen colloquium on car and Engine Technology，2007.

［20］Hall，W.；Mattes，W.；nefischer，P.；Steinmayr，T.：The new BMW series－six－cylinder diesel engine.17th aachen colloquium on car and Engine Technology，2008.

［21］Dworschak，J.；neuheuser，W.；rechberger，E.；Stastny，J.：The new BMW six－cylinder diesel engine.In MTZ 70（2009）nr.1.

［22］nefischer，P.；hall，W.；honeder，J.；Steinmayr，T.；Langen，P.：The first diesel car engine with two－stage turbocharging and variable－nozzle turbine geometry.18th Aachen colloquium on car and Engine Technology，2009.

［23］Langen，P.；nehse，W.：BMW Efficient Dynamics －A look into the future.30th International Engine Symposium，Vienna 2009.

［24］Wloka J.，Pflaum S.，Wachtmeister G..Potential and Challenges of a 3000Bar Common－Rail Injection System Considering Engine Behaviour and Emission Level［J］.SAE Paper 2010－01－1131.