日本的柴油機技術(shù).docx

日本的柴油機技術(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運轉(zhuǎn)成功，20世紀(jì)20年代柴油機在歐洲開始普及，而日本車用柴油機正式使用是在20世紀(jì)30年代。其后日本車用柴油機的發(fā)展史在山岡的著作中作了詳細(xì)敘述。柴油機經(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)代車用柴油機加以敘述。2 從商品看日本柴油機的特點2.1 非增壓柴油機為使柴油機功率大，燃油經(jīng)濟性好，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)動機手冊中摘錄的車用柴油機機種數(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)進行了比較。在這10年間，非增壓柴油機機種數(shù)減少了約40%，而增壓柴油機機種數(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)濟性，而同一發(fā)動機與多種車型配套的機種數(shù)則減少了。圖2a為2002年日本商用車發(fā)動機最大扭矩時的平均有效壓力(BMEP)與排量的關(guān)系，顯示了非增壓發(fā)動機與增壓發(fā)動機的差別。當(dāng)然，非增壓發(fā)動機的平均有效壓力限于IMPa以下，但增壓發(fā)動機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)動機數(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)動機是增壓發(fā)動機，其平均有效壓力水平很高。圖2 最大扭矩時的平均有效壓力對于提高發(fā)動機功率和提高燃油經(jīng)濟性，采用增壓是有效的，而日本非增壓發(fā)動機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)動機的全負(fù)荷功率特性比較。一臺是排量約3L的增壓發(fā)動機，另一臺是排量為5L的非增壓發(fā)動機。小排量發(fā)動機提高轉(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)動機能保持高的扭矩。綜上所述，即使是商用車，特別是在城市內(nèi)低速運行頻率高的車輛，也需重視起動、加速時的運轉(zhuǎn)特性，這也是大排量非增壓發(fā)動機受歡迎的原因。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，因為非增壓發(fā)動機過量空氣系數(shù)()低，難以降低煙度，所以存在迅速發(fā)展增壓發(fā)動機的可能性。在這種情況下，確保對運轉(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)動機真正能夠付諸實用。之后，一直在使用依靠機械式燃油泵和面對燃燒室定壓開啟噴油嘴噴油的機構(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)，依靠電子閥進行噴射控制，對柴油機而官，這是革命性的變化。特別是在歐洲，轎車用柴油機正在迅速增加，而其中60%以上是裝有共軌式噴油裝置的發(fā)動機。在為提高功率而采用渦輪增壓的同時，共軌式噴油裝置正在成為歐洲柴油轎車迅速增加的原動力。另外，世界上商用車用柴油機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遲后。圖4表示在從發(fā)動機手冊摘錄的直噴式柴油機所有機種中，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)能實現(xiàn)高壓噴射，就可以降低煙度，結(jié)果使低速時增加扭矩成為可能。作為實例，有報告“稱，在增壓發(fā)動機上有效利用共軌噴射裝置的特性，以求提高柴油機低速扭矩，使之適應(yīng)日本城市的交通。另外，歐洲商用車發(fā)動機主要用于高速公路行駛，追求高功率和低油耗，故應(yīng)選擇在額定點能產(chǎn)生高壓噴射的泵噴嘴等技術(shù)。2.3 發(fā)動機噪聲柴油機是壓縮著火，因而柴油機與汽油機相比，在噪聲及振動方面肯定是不利的，這也成為研究開發(fā)的起因。在全球，柴油機振動噪聲研究開發(fā)取得了豐碩成果。尤其對怠速時的發(fā)動機噪聲或車外噪聲進行了廣泛研究，這可以說是日本柴油機研究的特點，反映了在日本城市中使用時頻繁起動、停車的交通環(huán)境。圖5是記錄每2轉(zhuǎn)為一個循環(huán)的柴油車怠速車外噪聲的實例。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，弄清了柴油機噪聲的特征。高頻波形是每到爆發(fā)上止點間斷發(fā)生的很大的聲音，因而對人的耳朵危害很大。在上止點附近，幾乎同時發(fā)生噴油和燃燒、進排氣門開啟與關(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)動機噪聲的效果，降低了噴油時噴油系統(tǒng)零件所產(chǎn)生的機械噪聲。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械振動造成的噪聲。另外，儲存持續(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構(gòu)進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)動機與安裝共軌式噴油裝置的改進型發(fā)動機的怠速噪聲不同聲源比率的比較實例。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)動機也有必要加快采用共軌式噴油裝置的進程。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，因為NO，(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年實施短期法規(guī)時，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。這是因為要對付大城市的光化學(xué)煙霧，實施了重點降低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，因此采用EGR有點滯后的感覺?？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，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)動機冷卻水的熱交換器，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。在增壓柴油機上設(shè)置EGR，大多采用在排氣管的渦輪進口和進氣管的壓氣機出口之間接人EGR閥的方式，適當(dāng)?shù)膲翰钜子诳刂艵GR氣體的流量，也可避免壓氣機和中冷器的污染與腐蝕。在部分大型車用柴油機中，特別是在渦輪增壓器效率良好的高負(fù)荷區(qū)，雖然壓氣機出口的發(fā)動機進氣壓力比從渦輪進口的發(fā)動機排氣壓力高，也開發(fā)了多種實行EGR的方法。圖8作為一個實例，表示在EGR回路中設(shè)置止回閥。即使進氣壓力平均值很高，特別是在排氣壓力比有脈沖的進氣壓力高的瞬間，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。圖8 應(yīng)用止回閥的EGR系統(tǒng)t6l在歐美的商用車發(fā)動機中，2000年以后增加了EGR的應(yīng)用，而日本發(fā)動機正在積累先行進入市場的經(jīng)驗。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會帶來氧氣不足，導(dǎo)致排氣煙度惡化。在柴油機的排放法規(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構(gòu)-新ACE等進行了許多研究。證實了大幅度降低NOx和大致零煙度水平的燃燒形態(tài)，在這個領(lǐng)域，日本的研究開發(fā)處于世界領(lǐng)先水平。圖9表示在上止點附近噴油時預(yù)混合燃燒的實例。即使是十六烷值為57的普通燃油，通過采用大量EGR，也不會有HC、CO和燃油經(jīng)濟性的惡化，而NOx和煙度則得到大幅度的降低。圖9 在上止點附近噴油的預(yù)混合燃燒這種燃燒方式存在的問題是發(fā)動機可運轉(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力，究竟哪一種最合適，提出了若干個從燃料效率和C02排放觀點研究的、所謂“Well-to-Wheel Analysis”的研究報告。將多種燃料、發(fā)動機與燃料電池以及復(fù)合動力裝置等組合起來，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)燃機中最好的柴油復(fù)合動力則稍差，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行的動力是柴油機。通常人們認(rèn)為，柴油機是速度慢、使用麻煩、對環(huán)境污染大的發(fā)動機，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，提高柴油機的層次。柴油機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