農(nóng)用柴油發(fā)動機(jī)節(jié)油降耗技術(shù)的研究

陳延龍

摘要：柴油機(jī)節(jié)能技術(shù)的核心是提高柴油機(jī)的燃燒效率，即組織好柴油機(jī)的進(jìn)排氣過程、噴油過程、燃燒過程、減少各種損失。目前，已投入使用的柴油機(jī)節(jié)能技術(shù)，主要有可變進(jìn)氣技術(shù)、中冷渦輪增壓技術(shù)、柴油機(jī)負(fù)壓節(jié)油技術(shù)、金屬清洗劑技術(shù)、檢測與調(diào)整技術(shù)、凈化柴油技術(shù)、凈化進(jìn)氣技術(shù)、改善燃燒結(jié)構(gòu)、減少附件損失等。

關(guān)鍵詞：柴油發(fā)動機(jī)；節(jié)油降耗

中圖分類號：U4641文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.02.005

0引言

農(nóng)機(jī)產(chǎn)品技術(shù)水平與油耗密切相關(guān)，通過加強(qiáng)節(jié)能型農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)，應(yīng)用先進(jìn)的節(jié)油技術(shù)，可以有效地降低農(nóng)機(jī)油耗。據(jù)對內(nèi)燃機(jī)電子控制技術(shù)的研究，將發(fā)動機(jī)功率提高10%～20%，油耗率可降低5%～10%；在柴油機(jī)中，采用陶瓷等隔熱結(jié)構(gòu)，一般可使發(fā)動機(jī)功率提高10%，單位油耗行程數(shù)增加30%；采用直噴式燃燒室，一般分隔式的油耗比直噴式高出8%～10%。所以，在農(nóng)機(jī)制造中要積極開發(fā)和利用節(jié)能技術(shù)。

要重點加強(qiáng)農(nóng)用柴油機(jī)和農(nóng)用電動機(jī)的節(jié)能技術(shù)升級，積極推廣磁化節(jié)油器、燃油添加劑、清洗劑等農(nóng)業(yè)機(jī)械節(jié)能新產(chǎn)品，優(yōu)化動力機(jī)械和作業(yè)機(jī)械的合理配套，拖拉機(jī)作業(yè)機(jī)組要廣泛地采用計算機(jī)技術(shù)，實現(xiàn)作業(yè)過程的自動監(jiān)視和自動控制，開發(fā)應(yīng)用自動記錄作業(yè)數(shù)量和作業(yè)質(zhì)量、自動報告機(jī)器故障等技術(shù)，均可以有效降低油耗，提高燃油利用率。下面主要介紹幾種可有效提高農(nóng)用柴油發(fā)動機(jī)節(jié)油降耗的實用技術(shù)。

1可變進(jìn)氣技術(shù)

可變進(jìn)氣技術(shù)是利用可變進(jìn)氣管長度技術(shù)，或可變進(jìn)氣渦流技術(shù)，或可變進(jìn)氣相位技術(shù)，來優(yōu)化柴油機(jī)的進(jìn)排氣時刻，優(yōu)化殘余廢氣量，提高進(jìn)氣充量，合理組織進(jìn)氣渦流，提高進(jìn)氣紊流強(qiáng)度，使得發(fā)動機(jī)在高中低轉(zhuǎn)速區(qū)的工況下扭矩、功率、容積效率和進(jìn)氣都達(dá)到較好的效果。

1.1可變進(jìn)氣管長度技術(shù)

在進(jìn)氣管內(nèi)部安裝1～3個活門，關(guān)閉或打開相應(yīng)的活門，從而改變進(jìn)氣管的長度，以使在發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速情況下，適應(yīng)進(jìn)氣系統(tǒng)的壓縮波波長的變化，使進(jìn)氣氣流得到加強(qiáng)，氣缸體積效率得以增加，從而獲得令人滿意的最大轉(zhuǎn)矩，又能獲得較高的最大功率，從而達(dá)到節(jié)油目的。

可變進(jìn)氣管長度技術(shù)在結(jié)構(gòu)上只需適當(dāng)?shù)丶娱L柴油機(jī)的進(jìn)氣管，并在空氣濾清器內(nèi)加裝與氣缸容積相等的一個圓筒。在額定功率或超負(fù)荷情況下工作時有較好的節(jié)油效果，功率也明顯提高，但在輕負(fù)荷下工作時節(jié)油效果不明顯。

采用這種技術(shù)可使柴油機(jī)功率提高10%～20%，燃油消耗率下降3%～8%，同時改善排氣煙色。

1.2可變進(jìn)氣渦流技術(shù)

可變進(jìn)氣渦流技術(shù)是指在進(jìn)氣道上安裝一個渦流控制閥，通過調(diào)節(jié)閥的開度就可改變渦流比?？勺儨u流進(jìn)氣系統(tǒng)可在發(fā)動機(jī)運行工況范圍內(nèi)大幅度調(diào)節(jié)渦流比，同時，又能確保流量系數(shù)下降很少，從而有效地實現(xiàn)最佳渦流比的調(diào)節(jié)和控制，顯著改善燃燒過程。

1.3可變進(jìn)氣相位技術(shù)

可變進(jìn)氣相位技術(shù)是指采用中低速用和高速用兩組不同的氣門驅(qū)動凸輪，并可通過電子控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)進(jìn)行自動轉(zhuǎn)換，從而改變進(jìn)氣相位。通過改變進(jìn)氣相位，柴油機(jī)可以根據(jù)不同運轉(zhuǎn)工況自動改變進(jìn)氣門的開啟時間和提升程度，即改變進(jìn)氣量和排氣量，從而達(dá)到增大功率、降低油耗及減少污染的目的。

2渦輪增壓技術(shù)和增壓中冷技術(shù)

2.1渦輪增壓技術(shù)

渦輪增壓技術(shù)是發(fā)動機(jī)上常見的技術(shù)之一，它的原理其實非常簡單，渦輪增壓器就相當(dāng)于一個由發(fā)動機(jī)排出的廢氣所驅(qū)動的空氣泵。在發(fā)動機(jī)的整個燃燒過程中，大約會有1/3的能量進(jìn)入了冷卻系統(tǒng)，1/3的能量用來推動曲軸做功，而最后1/3則隨廢氣排出。除提高了柴油機(jī)燃料利用效率，增壓后同時加大了進(jìn)氣壓力，增大了進(jìn)氣總量，提高了燃料和空氣的混合效果，改善了燃燒質(zhì)量。

2.2增壓中冷技術(shù)

發(fā)動機(jī)渦輪增壓器的出口溫度會隨著壓力增大而升高，溫度提高反過來會限制空氣密度的提高，要進(jìn)一步提高空氣密度就要同時降低增壓空氣的溫度。在相同的空燃比條件下，增壓空氣溫度每下降10 ℃，柴油機(jī)功率能提高3%～5%，還能降低排放中的氮氧化合物（NO）濃度。

柴油機(jī)中冷技術(shù)的類型分兩種：一種是利用柴油機(jī)的循環(huán)冷卻水對中冷器進(jìn)行冷卻；另一種是利用外界空氣冷卻。當(dāng)利用冷卻水冷卻時，需要添置一個獨立循環(huán)水的輔助系統(tǒng)，才能達(dá)到較好的冷卻效果，這種方式成本較高，而且機(jī)構(gòu)復(fù)雜。因此，除了一些特殊環(huán)境或結(jié)構(gòu)條件限制情況下會選擇采用水冷中冷器外，柴油機(jī)大都采用空氣冷卻式中冷器。

空氣冷卻式中冷器利用管道將壓縮空氣通到一個散熱器中，利用風(fēng)扇提供的冷卻空氣強(qiáng)行冷卻?？諝饫鋮s式中冷器可以安裝在發(fā)動機(jī)水箱的前面、旁邊或者另外安裝在一個獨立的位置上，采用的波形鋁制散熱片可將增壓空氣的溫度冷卻到50 ～60 ℃。這樣進(jìn)一步提高了充入氣缸的空氣密度，可以有更多的燃料進(jìn)入氣缸進(jìn)行充分燃燒，達(dá)到提高平均有效壓力，提升功率，改善經(jīng)濟(jì)性和降低污染的目的。

采用廢氣渦輪增壓一般可降低燃油消耗3%～10%，一般高速柴油機(jī)采用增壓可提高功率30%，采用中冷技術(shù)可進(jìn)一步提高50%～60%。目前，農(nóng)用柴油機(jī)一般均采用該項技術(shù)來達(dá)到國Ⅱ排放要求。

2.3高壓共軌技術(shù)

高壓共軌技術(shù)是所有氣缸的噴嘴都連接著一根公共的油管（簡稱油軌），油軌里始終有恒定的壓力，高壓噴油泵將燃油送入油軌，然后才由油軌送入噴油器。噴油器的開啟都由電磁閥內(nèi)的燃油壓差來控制，電控單元ECU根據(jù)負(fù)荷轉(zhuǎn)速等信號確定應(yīng)有的噴射壓力和噴油時刻，在恰當(dāng)?shù)臅r刻發(fā)出脈沖信號，使噴油器恰當(dāng)開啟。

其特點是可以自由控制噴油量和壓力，自由控制噴油速率和噴油正時，以實現(xiàn)對不同工況可確定所需的最佳噴射壓力，從而優(yōu)化柴油機(jī)綜合性能。柔性控制噴油速率變化，實現(xiàn)理想噴油規(guī)律，容易實現(xiàn)預(yù)噴射和多次噴射，使柴油霧化得非常細(xì)，燃燒完全又不明顯提高燃燒溫度，既可降低柴油機(jī)NO的排放，又能保證優(yōu)良的動力性和經(jīng)濟(jì)性。

2.4多點和中央直接噴射系統(tǒng)（E-CDIS）引擎

多點和中央孔燃油噴射系統(tǒng)具有節(jié)氣門體燃油噴射所有電子機(jī)械優(yōu)點（即只有一個機(jī)械噴油嘴，相對于混合氣控制電磁閥、針閥主噴口或空氣電腦閥），同時，還有進(jìn)氣通道明顯縮短的優(yōu)點，也就是說從節(jié)氣門體噴油嘴或反饋式化油器主噴口到進(jìn)氣門的距離在該系統(tǒng)中完全沒有了，因此，該系統(tǒng)對燃油的控制更精確，氧傳感器波形更漂亮。

多點燃油噴射和中央孔燃油噴射系統(tǒng)，對系統(tǒng)的燃油控制命令作出的反應(yīng)是最快（如改變噴油嘴脈沖寬度）。正常的多點燃油噴射和中央孔燃油噴射系統(tǒng)濃/稀切換頻率約為5 Hz。中央孔噴射系統(tǒng)使用一個位于中央的電子噴油嘴，通過塑料管將燃油供應(yīng)給位于每個進(jìn)氣門。由于燃燒室構(gòu)造簡單且表面積小，熱損失和油耗率低；燃燒室表面積的容積率小，冷卻損失小。

為了滿足歐Ⅲ以上的排放法規(guī)，國內(nèi)各柴油機(jī)廠在積極開發(fā)采用電控系統(tǒng)的柴油機(jī)。個別的機(jī)型例外，如濰柴的電控EGR系統(tǒng)。目前，柴油機(jī)電控系統(tǒng)主要為國外的大公司所掌握，主要是：德國博世（Bosch ）、美國德爾福（Delphi）、日本電裝（Denso ）。

國內(nèi)在電控系統(tǒng)研究方面，開展得比較好的單位主要是：成都威特（清華大學(xué)開發(fā)），無錫油泵油嘴研究所，衡陽亞新科（衡陽油泵廠），遼寧新風(fēng)，其開發(fā)的電控系統(tǒng)已批量裝機(jī)使用。但均裝在車用柴油機(jī)上，農(nóng)用柴油機(jī)因為目前排放采用的是2010年10月開始執(zhí)行的非道路用柴油機(jī)國II標(biāo)準(zhǔn)，因此還沒有采用電控技術(shù)。

2.5柴油添加劑技術(shù)

柴油添加劑以改善燃油品質(zhì)為起點，目的是做到柴油與柴油機(jī)的合理匹配，使柴油機(jī)能發(fā)揮更大效率，實現(xiàn)節(jié)油和降低排放。但是，國內(nèi)目前幾乎沒有自行研制的效果較理想的添加劑產(chǎn)品，國內(nèi)柴油添加劑的研究和開發(fā)尚處于待提高的初級階段，尤其是對各類型添加劑的作用機(jī)理，還沒有作出更深層次的研究。

2.6檢測與調(diào)整技術(shù)

對柴油機(jī)進(jìn)行適時檢測和調(diào)整，保證柴油機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。對發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)、供油提前角進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，保持正常的冷卻水溫，會對發(fā)動機(jī)節(jié)油降耗有著十分重要的作用，使發(fā)動機(jī)在標(biāo)定工況下耗油基本達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用各種技術(shù)狀態(tài)診斷儀器，如電子功率油耗儀等，能夠正確使用即可對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、功率和油耗進(jìn)行檢測調(diào)修，從而保證發(fā)動機(jī)正常技術(shù)狀態(tài)，實現(xiàn)節(jié)油降耗。

2.7減少附件損失

冷卻系統(tǒng)中，風(fēng)扇的功率消耗是非常大的，所以如何減少風(fēng)扇的功率損失，是提高機(jī)械效率的關(guān)鍵。目前，六缸91.94 kW （125馬力）拖拉機(jī)的窄風(fēng)扇市場驗證已經(jīng)取得了很好的效果，在車用產(chǎn)品中使用的電子風(fēng)扇可大大減少風(fēng)扇的功率消耗。水泵流量及機(jī)油泵流量對發(fā)動機(jī)油耗是有一定的影響的，但相比較而言，機(jī)油泵流量對發(fā)動機(jī)油耗的影響較水泵流量的影響大，所以，有些企業(yè)在嘗試通過適當(dāng)?shù)脑黾铀昧髁慷鴾p少機(jī)油泵流量，達(dá)到提高機(jī)械效率的目的，進(jìn)而實現(xiàn)燃油消耗降低。

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