详解小型柴油机技术

柴油发动机技术详解

柴油机特点鲜明：低油耗，高扭矩是它的优势。功率低，噪音大是它的缺点。一路发展至今，柴油机和汽油机以其自身优势各自独当一面。然而在国内，很多人对于柴油机并不了解。今天，我们走近柴油发动机，一起了解它的前世今生。

柴油机概况：

首先，我们来回顾一下柴油发动机的简单概况。柴油和汽油都是石油的提取物，而且都用于车用内燃机，但是它们之间却有着巨大的特性差异。汽油是一种非常易燃的油品，一个小小的火星就可以将一大桶汽油引燃。

而柴油则不行，甚至用明火去点，在没有引火物的情况下，柴油自身并不会被引燃。这就是二者发火性之间的差异。也是基于柴油的这种发火特性，使得柴油在抗爆性方面比汽油有着很大的优势。

如果注意过柴油发动机和汽油发动机压缩比的人应该有印象，通常柴油发动机的压缩比要比汽油发动机的高一倍以上，就是得益于柴油的抗爆性好。高压缩比的好处显而易见，它可以让燃烧更为充分。

汽油发动机的进步其中有一项就是压缩比的逐步提高，这也使得汽油的抗爆性越来越高，98号汽油的高昂价格已经说明高抗爆性汽油的成本之高。

即便如此，普通燃烧方式的汽油发动机有11以上的压缩比就很不错了，而柴油发动机的这个数字常常能够超过20。这无疑有利于充分燃烧，柴油发动机普遍比汽油发动机更省油的主要原因也在于此。

柴油的燃烧速度比汽油慢得多，这使得柴油混合气点燃的速度要慢于汽油混合气，常规的柴油发动机响应慢，也是因为柴油的这个特性导致的。

另外柴油的挥发性也要比汽油慢，因此它不能像汽油发动机那样通过进气负压来吸进混合气，而是需要通过高压油泵来将雾化的柴油压人汽缸内，才能与空气充分混合。

所有以上这些柴油与汽油的特性差异，导致柴油发动机的整体设计与汽油发动机完全不一样，它们的性能特点也有着很大的区别。

传统柴油机：

传统的柴油发动机扭矩很大，可靠性也非常高，但功率小、响应差、低温点火困难、污染严重等等，而且其震动噪音大，因此常常只能被一些载货汽车采用，少数硬派越野车也会采用这种柴油发动机，但对于注重舒适的轿车或者公路SUV而言，在过去是很少有柴油发动机版本的。

传统柴油机给人这种印象是因为技术特性决定的。如前面所说，柴油的挥发性差，不能通过进气负压被动吸人汽缸，因此柴油发动机必须靠油泵将燃油泵入汽缸内。

所有的柴油发动机都采用高压缩比设计，因此对于油泵的能量要求也很高。在民用车柴油发动机以前，几乎所有的柴油发动机都是采用机械泵喷射的，它分为总泵和分泵两部分，目的也是为了获得足够的泵油压力。

这种活塞往复式的机械泵是靠凸轮来驱动的，凸轮的能量则源自曲轴。每个汽缸会有一个喷油器，每个喷油器又必须匹配一个油泵，这使得整台发动机的油泵数量很多。

这种机械油泵不仅供油压力有限，而且它们都是纯机械式的，在往复运动以及与凸轮发生作用的时候，会产生巨大的噪音，这是传统柴油发动机噪音大的原因之一。

柴油发动机是靠压燃式的，也就是在压缩行程的末端，被压缩的空气产生高温高压以后，油泵将柴油以雾状喷人汽缸内自燃。这种“点火”方式如果发生在汽油发动机上，就相当于爆震。

事实上，柴油发动机的爆震是不可避免的，它需要靠这种方式来实现混合物的点燃。柴油发动机之所以震动和噪音明显大于汽油发动机，主要就是基于这个原因。

对于爆震本身任何内燃机都是不希望看到的。对于柴油发动机而言，它的点火依靠爆震，但作为设计师而言则希望这个爆震控制在能够点火的临界点即可。多余的爆震自然会增加震动和噪音，乃至影响工作效率。

传统柴油机纯机械式的泵油方式，很难做到精准控制，这使得爆震也难以精准控制，所以这类发动机的震动和噪音都异常强烈。

很好理解，难以精准控制的喷油量，使得空燃比实现精准控制也变得不可能，因此传统柴油发动机很难做到精确燃烧，排放加剧以及燃烧效率下降也就很自然了。

从上面的介绍可以看出，传统柴油发动机的特点：热效率和经济性较好，柴油机采用压缩空气的办法提高空气温度，使空气温度超过柴油的自燃燃点，这时再喷入柴油、柴油喷雾和空气混合的同时自己点火燃烧。

因此，柴油发动机无需点火系。同时，柴油机的供油系统也相对简单，因此柴油发动机的可靠性要比汽油发动机的好。

由于不受爆燃的限制以及柴油自燃的需要，柴油机压缩比很高。热效率和经济性都要好于汽油机，同时在相同功率的情况下，柴油机的扭矩大，最大功率时的转速低，适合于载货汽车的使用。

但柴油机由于工作压力大，要求各有关零件具有较高的结构强度和刚度，所以柴油机比较笨重，体积较大；柴油机的喷油泵与喷嘴制造精度要求高，所以成本较高；另外，柴油机工作粗暴，振动噪声大；柴油不易蒸发，冬季冷车时起动困难。

 

传统柴油机高扭矩，高耐用性背后的问题很多，在精密的电控技术没有出现之前，无法做到对发动机运转过程的精准控制，造成功率小，污染严重等问题。大量机械油泵，为应付柴油特性而设计的坚固缸体，让传统柴油发动机震动大噪音大，同时成本较高。另外也正是由于柴油自身发火性弱，让柴油发动机在低温状态下不易点火。

柴油发动机的发展

柴油机高扭矩，节能，耐用性高的优势，是包括汽油机在内的所有热力发动机都无法取代的。但是自身缺陷也极为明显。因此，要想使柴油发动机普遍应用于现代的乘用车辆，包括轿车、SUV、越野车等，就必须解决很多问题，于是一些新技术随之出现。

1．关键零部件技术：如油泵油嘴和增压中冷技术。

2．燃油品质：优质低硫的柴油是柴油机满足日益严格的排放法规的前提。

3．电控技术：柴油机电控技术对于发动机综合性能的优化和提高至关重要。

4．排放后处理关键技术：如废气再循环（EGR）技术、微粒捕集技术以及NOx催化转化技术。

5．整机开发及匹配技术：如柴油机燃油、进气及燃烧系统的匹配与优化技术，重型车用及轿车用柴油机技术。

6．柴油机的制造、工艺及材质等技术。

随着科学技术的发展，尤其是电控技术的出现，所有关于柴油发动机的难题相继被攻克，各大汽车公司都拥有了成熟的乘用车柴油发动机。比如大众公司的TDI发动机，奔驰公司的BLUETEC发动机，丰田的D4D发动机，等等。

柴油发动机的核心技术——高压共轨技术

“CRDI”是英文CommonRailDirectInjection的缩写，意为高压共轨柴油直喷技术。

目前世界上主要有三大公司在研发和生产柴油机高压共轨系统，日本电装、德国博世和美国福特。共轨系统将燃油压力产生和燃油喷射分离开来，如果把单体泵柴油喷射技术比做柴油技术的革命的话，那共轨就可以称作反叛了，因为它背离了传统的柴油系统而近似于顺序汽油喷射系统。共轨系统开辟了降低柴油发动机排放和噪音的新途径。

简单来说，高压共轨直喷技术是靠一台电子泵带动整个发动机的供油，简化了结构；供油压力不再随发动机转数而变化，实现了对喷油的精确控制；同时相比机械泵，大幅度降低了噪音；由于供油系统能产生更大的压力，实现了缸内直喷加强了经济性和动力性。

如大众的TDI（直喷式涡轮增压柴油发动机）技术为德国博世公司研发的。福特的TDCi（TurboDieselCommon-railInjection）技术是美国福特研发的。丰田的D4D（DirectInjection4StrokeDieselEngine）技术源于日本电装。

共轨系统由高压泵、喷油管、高压蓄压器（共轨）、喷油器、电控单元和传感器及执行器组成。

共轨式喷油系统主要的贡献就是将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开，通过对共轨管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速基本无关。

这一柴油发动机技术的创新最大限度地降低了柴油发动机车型的振动和噪声，同时将油耗进一步降低，使排放更加清洁。

但共轨技术的喷油压力低于泵喷嘴系统，一般只能达到160MPa左右。由于喷油压力调节宽泛，采用共轨技术的柴油车能更好地适应各种工况，起步也不会困难。

博世公司首家于1997年开始批量生产共轨燃油喷射系统的乘用车，当时博世和奔驰联合推出共轨技术柴油奔驰C级别车，而在当时阿尔法罗密欧156也是最早使用高压共轨的乘用车之一。柴油共轨系统已开发了3代。以博世的共轨技术为例：

第一代共轨高压泵总是保持在最高压力，导致燃油的浪费和很高的燃油温度。第一代共轨系统为商用车设计的，最高喷射压力为140MPa，乘用车喷射压力为135MPa。

第二代共轨系统可根据潍柴发动机需求而改变输出压力，并具有预喷射和后喷射功能。带有控制油量的油泵，喷射压力能达到160MPa。即使在压力较低的情况下，该系统也可以根据实际状况提供适量的喷油压力。

不仅有助于降低燃油消耗，而且还可以降低燃油温度，从而省去燃油冷却装置。预喷射降低了发动机噪声：在主喷射之前百万分之一秒内少量的燃油被喷进了汽缸压燃，预热燃烧室。预热后的汽缸使主喷射后的压燃更加容易，缸内的压力和温度不再是突然地增加，有利于降低燃烧噪音。

在膨胀过程中进行后喷射，产生二次燃烧，将缸内温度增加200～250℃，降低了排气中的碳氢化合物。博世公司的第二代共轨系统产品已经在沃尔沃的S60、V70D5及宝马的230d等乘用车上试用。

第三代共轨系统带有压电直列式喷油器。2003年，第三代共轨系统面世，压电式（piezo）共轨系统的压电执行器代替了电磁阀，于是得到了更加精确的喷射控制。省去了回油管，在结构上更简单。压力从20～200MPa弹性调节。

最小喷射量可控制在0.5mm3，减小了烟度和NOX的排放。最高喷射压力达到180MPa。此套采用新研发的压电直列式喷油器的系统使带预喷和后喷的喷油率曲线范围更为自由。

与其它喷射系统相比，共轨系统把压力产生与实际燃油喷射过程分离。“轨”被作为高压蓄压器，其内部燃油压力始终保持与发动机具体工况相适应的最佳压力。共轨系统可被轻易地安装到各类不同的潍柴发动机中。

除此之外，共轨系统还提供了更广阔的扩展功能和在燃烧过程设计上更多大的自由度，它可以使柴油发动机以更低的排放、更好的燃油经济性和低噪声运行。电控共轨系统，是国内专家一致认为目前水平最高、将来会占统治地位的一种电控系统。

其喷油器的特殊设计，可实行灵活的多次喷射，且喷射压力可在不同转速和负荷条件下任意调节，给发动机带来的好处是极为理想的指标。由于这些因素，电控共轨技术已普遍为新一代乘用车柴油发动机采用。