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境遇与车辆70年繁荣回头———柴油机的拓荒

来源:乐天堂国际日期:2020/05/07 浏览:

  回顾了全球与日本的卡车、公共汽车及轿车用柴油机的技术开发历史,对支撑柴油机发展的各项重要技术,如核心技术、计测技术、数值分析技术等进行了评价。在柴油机上百年的技术发展历程中,通过采用高压共轨喷油等一系列新技术、新装备,并与柴油颗粒捕集器、稀氮氧化物(NOx) 捕集器、选择性催化还原系统等后处理装置相结合,改善了柴油机噪声大、排放高的情况,成为了更清洁、油耗更低、动力更强劲的车用动力装置。

  论述了全球与日本的卡车、公共汽车及轿车用柴油机的技术开发历史,介绍了支撑柴油机技术开发的核心技术、计测技术、数值分析技术,并阐述近几年,日本快速发展的企业、学校联合研究院等情况。

  1892 年,Rudolf Diesel 发明了柴油机,并在绝热环境下,压缩到20 MPa 的气缸中,于上止点后吹入粉煤,进而膨胀到大气压的“热机的工作原理与式样”申请了德国专利。1893 年,MAN 公司制成缸径150 mm、行程400 mm 的单缸发动机的样机,1897 年将缸径扩大为250 mm,制成了2 号样机,在转速172 r /min 时,输出功率为14.7 kW,燃油消耗率为336 g /kW,实现了25.2%热效率( 在1/2 负载时热效率为22.6%) ,但因故障率较高,会导致整机停止运转,经过MAN 公司几次改进后,于1923 年开发出功率29.4 kW,转速为900r /min 的直接喷射(DI) 式车用发动机,并于1924 年配装到了载重质量为4 t 的卡车上。1924 年,Benz 公司首次将预燃烧室间接喷射(IDI) 式,最大功率为36.75kW,最大转速为1 000 r /min 的柴油机配装到卡车上并上市销售。Daimler 公司也将功率为29.4 kW,最大转速为1 000 r /min 的空气喷射式发动机配装于公共汽车上。Bosch 公司从1922 年开发了能够精确地喷射微量燃油的喷油泵与喷油嘴。为了适应行业发展,进行柴油机排放控制,各发动机制造商为柴油机广泛配装于商用车作出了贡献。

  1935 年,日本将由三菱重工业公司( 以下称三菱重工) 开发的IDI 式功率51. 45 kW 的柴油发动机配装到公共汽车上,并移交至铁道部。1931 年,三菱飞机公司研究、试制出直喷式发动机。东京瓦斯电气公司( 现在的日野汽车公司) 、东京汽车工业公司( 现在的五十铃汽车公司) ,以及开发了双循环发动机的日本柴油机公司( 现在的UD 卡车公司) 等许多企业相继完成了柴油机的研发。1939 年成立的Chizar 机器公司( 现在的Bosch 公司) 成功推动了燃油喷射泵的技术引进。第二次世界大战后,柴油机的生产数量增加,开始配装到小型卡车上,柴油机获得了快速发展。

  1964 年,东京举办奥林匹克运动会,1970 年举办万国博览会,日本的经济随之持续发展。随着名神高速公路和东名高速公路开通,对于商用车数量和动力性能的需求都大幅提高。随着经济的快速发展,物流与汽车的普及化,导致城市的大气污染状况日益严重,1974 年日本出台了针对柴油车的排放法规。不仅如此,2 次石油危机后,全球各国对于环保节能的呼声高涨,各汽车公司同时推进针对大气污染的防治对策以及降低燃油耗的相关研发工作,这也决定了柴油机由间接喷射式向直接喷射式的发展之路。

  利用直喷化,以实现燃油的高压喷射(约70 MPa) 。为了避免卡车、公共汽车发生爆燃现象,必须降低各气缸燃油喷射量的偏差(波动) ,并提高燃油喷射的响应性,因此对燃油喷射泵及调速器进行优化。同时,采用了2 次喷射燃油的双弹簧喷油嘴,可以有效降低噪声。考虑到成本,小型卡车以采用过流室式间接喷射发动机为市场主流。图2 示出了卡车、公共汽车用柴油机的比功率、最大热效率及其对应技术的演变过程。

  在直喷化之后,为继续增大功率,推进增压技术,增强发动机本体结构,开发了带有可降低排放及改善燃油耗的空气冷却式中冷器的增压发动机。1981 年,主流的12 L 的大型卡车用发动机上安装惯性增压器,以满足小型化、高增压、高制动平均有效压力的需求。同时,排量为8.8 L,功率206 kW,转速为2 300 r /min的带中冷器的低燃油耗增压发动机上市了。之后,卡车、公共汽车用带中冷器的增压柴油机成为主流,日本的增压技术开始快速发展。

  同一时期,由于排放法规的收紧以及要求发动机具备多种功能,开发了电子计时器及电子调速器,并投放到市场,配装TICS的柴油机卡车也上市了。利用电子控制,应对低温起动及高寒地区补偿增压等方式控制发动机,提高进、排气效率,同时采用四气门技术在中心布置喷油嘴以达到改善燃烧的目的,开展了兼顾降低排放与燃油耗的技术研发。这些技术对于降低PM 中的可溶有机物(SOF) 成分,以及面向配装DPF 车型的低灰分润滑油的开发作出了贡献。也对以下挑战性技术进行了研究开发,包括以降低排放为目标的燃用甲醇的发动机、水喷射系统、以改善燃油经济性为目标的绝热发动机,以及配装可变气门并采用米勒循环的涡轮组合式发动机等,不过这些技术均尚未达到上市销售水平。

  1994 年,排放法规由浓度法规限值替换为质量限值,强调NOx排放限值,也引进了PM 限值法规。日本电装公司(现为Denso) 开发了可以设定柴油定时与喷油压力的CRS、VGT、EGR 装置及氧化催化器。当燃油中含硫量为0.05%时,将EGR 与氧化催化器技术作为技术支撑。另外,为降低PM,开发了捕集并除去PM 的DPF,也研究了反洗式、电加热器式及燃烧器式等再生方式。不过,考虑到可靠性,这些技术要投放市场尚需时日。

  1999 年,日本开始抵制柴油车,在低涡流与冷却的EGR 中组合高压喷油,试图兼顾降低排放与低燃油耗的MIQCS投放市场了,但柴油机必须安装排气后处理装置。部分连续再生式DPF及NOx的吸附还原催化器技术的应用成为可能。还原NOx的尿素选择性催化还原(SCR) 系统也开始配装在卡车、公共汽车上。为了满足2009 年排放法规,组合DPF,采用硫含量较低的燃油,可大幅降低排放。

  追求同时降低NOx、PM 的均质充量压燃(HCCI)是在PCI 方式基础上进行研究开发的。在柴油机低负荷工况下,部分机型实现了这种燃烧方式。2016 年的排放法规限值是NOx为0.4 g /(kW·h),PM 为0.01g /(kW·h),应用了WHTC,也引进了循环外法。

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