国内外柴油机现状及发展要点.docx

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国内外柴油机现状及发展要点

郑州交通职业学院

毕业论文

论文题目：

国内外柴油机现状及发展

所属系别汽车运用工程系

专业班级07级汽运3班

姓　　名李坤

学　　号***************

指导教师魏丽

撰写日期2010年5月

摘要

通过对大量的调查分析，了解了国内外柴油机的现状及发展情况。

首先，详细介绍了第一台柴油机的发明及使用到柴油机的技术发展成熟和广泛适用于各个领域的这一过程。

随后详细介绍了现在国内柴油机的现状和国内柴油机的发展所面临的一些问题。

柴油机作为目前被产业化应用的各种动力机械中热效率最高、能量利用率最好、最节能的机型，被广泛应用于船舶动力、发电、灌溉、车辆动力等广阔的领域，尤其在车用动力方面的优势最为明显，全球车用动力“柴油化”趋势业已形成，由于柴油机具备高扭矩、高寿命、低油耗、低排放等特点，柴油机成为解决汽车及工程机械能源问题最现实和最可靠的手段，随着计算机技术、传感器技术及信息技术的迅速发展，使电子产品的可靠性、成本、体积等各方面都能满足柴油机进行电子控制的要求，并且电子控制燃油喷射很容易实现，目前，经济全球化、以及节能环保等可持续发展问题是世界各国共同面临的形势，具体反映在汽车动力发展的局部问题上，对车用柴油机的选择也是必然趋势之一。

关键词：

柴油机，现状，发展，节能，电控技术，高压共轨技术

Abstract

Alargenumberofresearchresultsshowthatthedieselengineiscurrentlyavarietyofindustrialapplicationsofpowermachineryinthehighestthermalefficiency,energyutilizationofthebestandmostenergy-efficientmodels,arewidelyusedinmarinepower,powergeneration,irrigation,powerandothervehiclesintheareaofbroad,particularlyinthemotorpoweradvantagesaremostobviousdrivingforcefortheglobalcar"diesel"andthetrendhasbeenformed,asthedieselenginewithhightorque,high-life,lowfuelconsumptionandlowemissionscharacteristicsofdieselenginesasasolutiontomotorvehiclesandconstructionmachineryenergythemostrealisticandmostreliablemeans,ascomputertechnology,sensortechnologyandtherapiddevelopmentofinformationtechnology.

Sothatthereliabilityofelectronicproducts,cost,sizeandotherdieselenginestomeettherequirementsforelectroniccontrolandelectronicallycontrolledfuelinjectioniseasytoachieve,atpresent,economicglobalizationandsustainabledevelopmentofenergysavingandenvironmentalprotection,etc.Theproblemiscommonaroundtheworldsituationfacedbythespecificdrivingforcefordevelopmentisreflectedinthelocalautoissue,onthechoiceofautomotivedieselengineisalsooneoftheinevitabletrendof.

KeyWords：

Dieselengines,thestatusquo,development,energysaving,electroniccontroltechnology,high-pressurecommon-railtechnology

致谢..........................................................................................................................................................12

1引言

柴油机的大功率，低排放，良好的电子控制等显著优点将使柴油发动机在新的时代有长足的发展。

现在全球各大厂商正致力于新型绿色环保柴油机的研发，在NO和颗粒物的排放方面将得到近一步改善。

而起关键是在燃油的精确配置和废气的后置处理，更多的电子新科技将运用到新一带柴油机上[1]。

2国内外柴油机技术的现状

大量研究成果表明，柴油机是目前被产业化应用的各种动力机械中热效率最高、能量利用率最好、最节能的机型。

装备了最先进技术的柴油机，升功率可达到30～50kWh/L，扭矩储备系数可达到0.35以上，最低燃油耗可达到198g/kWh，标定功率油耗可达到204g/kWh；柴油机被广泛应用于船舶动力、发电、灌溉、车辆动力等广阔的领域，尤其在车用动力方面的优势最为明显，全球车用动力"柴油化"趋势业已形成。

在美国、日本以及欧洲100%的重型汽车使用柴油机为动力。

在欧洲，90%的商用车及33%的轿车为柴油车。

在美国，90%的商用车为柴油车。

在日本，38%的商用车为柴油车，9.2%的轿车为柴油车。

据专家预测，在今后20年，甚至更长的时间内柴油机将成为世界车用动力的主流。

世界汽车工业发达国家政府对柴油机发展也给予了高度重视，从税收、燃料供应等方面采取措施促进柴油机的普及与发展[2]。

2.1国外柴油机技术的现状

现代的调整高性能柴油机由于热效率比汽油机高、污染物排放比汽油机少，作为汽车动力应用日益广泛。

西欧国家不但载货汽车和客车使用柴油发动机，而且轿车采用柴油机的比例也相当大。

最近，美国联邦政府能源部和以美国三大汽车公司为代表的美国汽车研究所理事会正在开发新一代经济型轿车同样将柴油机作为动力配置。

经过多年的研究、大量新技术的应用，柴油机最大的问题烟度和噪声取得重大突破，达到了汽油机的水平[3]。

下面是国外柴油机应用的一些先进技术

2.1.1共轨与四气门技术

国外柴油机目前一般采用共轨新技术、四气门技术和涡轮增压中冷技术相结合，使发动机在性能和排放限值方面取得较好的成效，能满足欧ІІІ排放限值法规的要求。

　　四气门结构（二进气二排气）不仅可以提高充气效率，更由于喷油嘴可以居中布置，使多孔油束均匀分布，可为燃油和空气的良好混合创造条件；同时，可以在四气门缸盖上将进气道设计成两个独立的具有为同形状的结构，以实现可变涡流。

这些因素的协调配合，可大大提高混合气的形成质量（品质），有效降低碳烟颗粒、HC和NOX排放并提高热效率。

2.1.2降低机油消耗

柴油机排放的颗粒物中，有相当一部分来自馏分较重的机油的燃烧。

为了满足日益严格的柴油机（车）排放限值标准的要求，必须把来自机油的燃烧降至最低限度，即在保证发动机正常运转的前提下，最大限度地减少机油的消耗。

为了降低柴油机的机油消耗，活塞环的优化设计和制造及缸套间的科学配置非常重要。

2.1.3乳化柴油的应用

柴油加水掺合乳化剂，使其形成较为稳定的含水乳化柴油，这类改进型燃料的使用可明显降低柴油机（车）的排放，尤其是NOX和PM。

目前美国报道这方面进展较多，我国也在这方面进行研究，且已取得可喜进展。

加水20%乳化柴油（70天不分层），在大型柴油机上100%负载工况下，功率不减，节油明显，动力输出比柴油上升4.3%，且烟度和NOX排放下降明显。

然而，尽管这项技术对低排放有好处，但其潜在的问题如水结冰、水对发动机的腐蚀等问题尚待解决。

2.1.4后处理技术

柴油机后处理的目标是进一步改善PM和NOX的排放。

目前主要采用加装氧化型催化转化器和研究开发NOX催化转化器以及具有良好再生能力的微粒捕集器。

2.1.5柴油

柴油的生产和贮存条件，是保证柴油发动机（车）正常运转延长使用寿命和保持低排放的重要保证。

例如瑞典的一级柴油使用中可减少CO排放达54%，HC和NOX排放达10%，PM排放减少14%～47%。

发达国家已普遍使用燃料清净剂，既能节省燃料，又能清除积碳、降低排放。

2.2国内柴油机技术的现状

我国柴油机产业自20世纪80年代以来有了较快的发展，随着一批先进机型和技术的引进，我国柴油机总体技术水平已经达到国外80年代末90年代初水平，一些国外柴油机近几年开始采用的排放控制技术在少数国产柴油机上也有应用。

最新开发

投产的柴油机产品的排放水平已经达到欧І排放限值要求，一些甚至可以达到欧ІІ排放限值要求[4]。

2.2.1柴油机车的市场

我国重型柴油车的产量在逐年增加，中型、轻型车柴油化步伐也在加快，但在微型汽车、轿车领域，柴油车所占比例仍为零。

而另一方面，我国中型柴油机市场已呈现供大于求，轻型柴油机市场也趋向饱和，但骨干企业正在生产的多数产品从技术角度已应是淘汰产品，发展潜力不大[5]。

如图2-1所示

图2-1汽油机与柴油机的对比

2.2.2我国柴油机的技术

柴油机行业投入不足，严重制约了生产工艺水平、规模发展和自主开发能力的提高。

现在，我国柴油机技术基础薄弱，整体技术水平落后于国际先进水平10至20年，也落后于国内车用汽油机的发展，还不具备完整的全新柴油机产品和关键零部件开发能力。

许多国外已经普遍采用的技术在我国仍处于研究阶段，有些甚至仍是空白。

我国柴油机技术的落后、产品质量差以及车辆使用中维修保养措施不力，导致低性能、高排放柴油车在使用中对城市环境和大气质量造成不良影响，使社会产生"厌柴"心理。

柴油品质差、柴油标准的制修订严重滞后于汽车工业发展的需要，对柴油机技术的发展以及各种新技术、改善柴油机排放措施的应用造成障碍。

有关专家近日指出，应逐步减少行政干预，加强宏观调控。

不同类型的车辆均应以满足法规作为统一标准，鼓励和支持技术先进柴油车的使用；做好车用柴油机发展的全面规划，有步骤、有计划地解决技术水平落后、产品不全、"缺重少轿"等问题，从而提高柴油机的产品质量；加大对柴油机的科技投入，开展重点科技项目的攻关工作；尽快建立和完善排放及能源法规；尽快实施燃油税，汽油和柴油的燃油税应同时实施，对高品质的燃油实行税收优惠政策；采取切实可行的措施以提高车用柴油的品质，并尽快制定车用柴油标准。

科技部、中国内燃机、中国汽车工程学会、大众汽车公司以及国内柴油机生产企业等国内外知名汽车专家们呼吁：

应当用一分为二的观点来看待各种车用动力的发展，以完善的法规、科学的政策引导车辆的使用，以是否满足标准限值作为衡量一个产品能否在市场销售的唯一标准，有效发挥各种车用动力形式在不同运输环境中的作用。

我国柴油机技术的攻关重点应放在电控技术、排放后处理技术、整机开发和匹配技术等关键技术研究和材料开发上；提高柴油品质，为各类柴油机新技术的应用奠定基础；把高速公路使用8吨以上柴油载货车作为我国柴油车发展的重点，并为发展柴油轿车做好前期准备[6]。

2.2.3我国柴油机的污染

我国柴油机技术的落后、产品质量差以及车辆使用中维修保养措施不力，导致低

性能、高排放柴油车在使用中对城市环境和大气质量造成不良影响，使社会产生"厌柴"心理。

有关专家近日指出，应逐步减少行政干预，加强宏观调控。

不同类型的车辆均应以满足法规作为统一标准，鼓励和支持技术先进柴油车的使用；做好车用柴油机发展的全面规划，有步骤、有计划地解决技术水平落后、产品不全、“缺重少轿”等问题，从而提高柴油机的产品质量；加大对柴油机的科技投入，开展重点科技项目的攻关工作；尽快建立和完善排放及能源法规；尽快实施燃油税，汽油和柴油的燃油税应同时实施，对高品质的燃油实行税收优惠政策；采取切实可行的措施以提高车用柴油的品质，并尽快制定车用柴油标准[7]。

3柴油机技术的发展趋势

由于柴油机具备高扭矩、高寿命、低油耗、低排放等特点，柴油机成为解决汽车及工程机械能源问题最现实和最可靠的手段。

因此柴油机的使用范围越来越广，数量越来越多。

同时对柴油机的动力性能、经济性能、控制废气排放和噪声污染的要求也越来越高。

依靠传统的机械控制喷油系统已无法满足上述要求，也难以实现喷油量、喷油压力和喷射正时完全按最佳工况运转的要求。

近年来，随着计算机技术、传感器技术及信息技术的迅速发展，使电子产品的可靠性、成本、体积等各方面都能满足柴油机进行电子控制的要求，并且电子控制燃油喷射很容易实现。

实际上，柴油机排气中CO和HC比汽油机少得多，NOX排放量与汽油机相近，只是排气微粒较多，这与柴油机燃烧机理有关。

柴油机是一种非均质燃烧，可燃混合气形成时间很短，而且可燃混合气形成与燃烧过程交错在一起。

通过分析柴油机喷油规律得到：

喷入燃料的雾化质量、汽缸内气体的流动以及燃烧室形状等均直接影响燃烧过程的进展以及有害排放物的生成。

提高喷油压力和柴油雾化效果、使用预喷射、分段喷射等可以有效的改善排放。

经过多年的研究和新技术应用，柴油机的现状已与以往大不相同。

现代先进的柴油机一般采用电控喷射、高压共轨、涡轮增压中冷等技术，在重量、噪音、烟度等方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平。

随着国际上日益严格的排放控制标准（如欧洲Ⅳ、Ⅴ标准）的颁布与实施，无论是汽油机还是柴油机都面临着严峻的挑战，解决的办法之一是采用电子控制燃油喷射的技术。

现在，柴油机电子控制技术在发达国家的应用率已达到60%以上[8]。

3.1推动产品和技术发展的因素

主要是巿场需求和政策法规，这方面中国目前正处于良好的环境、具备较好的条件。

中国未来20年经济持续稳定增长，汽车产业将成为实现工业化和现代化的主要载体之一。

目前从发达地区开始正在步入居民汽车消费时代，今后轿车和商用车及其配套发动机都具有广阔的潜在巿场；有关汽车及发动机的政策法规逐步出台，并将在实施中完善。

例如2003年9月1日中国实施欧II排放法规，欧III和欧IV法规的实施时间也已明朗；GB/T19147-2003《车用柴油》标准已正式颁布、适应欧III法规的《车用柴油》标准将于2004年颁布，这是中国改善车用柴油质量的转折性标志；燃油税亦已准备就绪并将在适当时机公布实施；利用国内外两种资源、开拓国内外两个巿场。

在改革开放和加入WTO的形势下，一方面国外车用柴油机及其关键零部件企业和产品将继续进入中国，一方面更有效地开展各种国际合作和技术交流。

这有利于中国车用柴油机行业进一步利用国内外两种资源、开拓国内外两个巿场；车用柴油机是可持续发展的选择之一。

目前，经济全球化、以及节能环保等可持续发展问题是世界各国共同面临的形势，具体反映在汽车动力发展的局部问题上，对车用柴油机的选择也是必然趋势之一[9]。

3.2柴油机的跳跃发展及产品发展重点

20世纪90年代后半期，柴油发动机发生了一次重大的技术变化，即有柴油发动机心脏之称的燃油喷射系统从机械式转向电子控制式。

这个变化极大地改善了柴油发动机的技术性能。

由于柴油的物理化学特性，柴油发动机必须配备较复杂的喷射系统。

自从1892年狄塞尔发明第一台柴油发动机以后的100年间，柴油机的燃油喷射系统都是机械式的，而油泵油嘴就是这个系统中的两个主要关键部件。

它们对柴油燃烧的效率、排放水平以及动力性能等关键指标有着决定性的影响。

在一定范围内，油泵油嘴成为了柴油机喷油系统的代称，被称为“汽车心脏的心脏”，这一习惯甚至延续到电喷时代。

由于在技术上复杂、加工难度大，而且相对独立于发动机的其他部分，油泵油嘴设备往往由一些专业企业生产，逐渐形成了一个相对独立的分支行业。

直到十几年前，柴油机性能仍然不能令人满意，巨大噪音、滚滚黑烟，柴油机车一直被当作工业文明的反面典型。

正是因为噪音高、震动大、排放污染严重等缺陷，所以柴油发动机长期以来很少受到轿车的青睐，尽管它具有更好的动力性能。

最近10年间，一次重大技术变化大幅度改变了柴油发动机的性能。

技术变化的第一个动力来自政府管制下的市场需求变化。

随着环保意识高涨，1982年至1998年间，美国政府对汽车柴油机氮氧化物和颗粒的允许排放值降低了三次；欧洲的排放法规也从1993开始执行的欧I标准迅速提高到欧II和欧III标准，目前乘用车已经开始执行欧IV标准，而商用车在2006年1月也将开始执行欧IV标准。

各国法规对都对柴油机的发展形成了越来越大的压力，迫使企业寻求技术解决之道。

技术变化的第二个动力来自新技术供给的变化。

进入80年代之后，电子技术和精密加工技术的长足进步，特别是电磁控制手段的加入，新的电控喷射系统得以彻底替代传统机械式喷油系统。

一般认为，经过改进的机械控制喷射系统最多可以满足欧I、欧II排放标准，但如果要达到欧III甚至更为严格的排放标准就须采用电控喷油系统。

随着控制手段更加精确，柴油机的震动、噪音被大大减小，舒适性大大提高，进而使柴油机经济性好、动力大等优点充分凸现。

面对市场需求的压力和重要的技术突破，国际上有关的大公司都对开发新一代燃油喷射系统进行了大量投入。

上世纪80年代末到90年代，德国博世（Bosch）、日本杰克赛尔（Zexel）、美国Stanadyne等公司分别推出了基于不同设计理念的电控柴油喷射系统。

1987年前后，由菲亚特首先提出的电控高压共轨系统后来逐步成为一个主流的方向。

从1993年前后，博世从菲亚特手中买断专利，开始了共轨系统的研发。

电控共轨系统是解决柴油机排放问题和进一步改善性能的关键。

中国高速公路网的形成将使公路运输产生根本转变，重型车巿场需求将稳定增长，15吨以上重型车巿场将成为竞争的重点，应重点发展排量12L以上、功率260~360kW、达到欧II和欧III排放标准的高可靠性重型车用柴油机；为适应城巿交通和假日旅游的发展，应开发低排放客车用柴油机；轻型车巿场及轻型柴油车的比例将进一步扩大，四轮农用车和轻型车也将逐步并轨，应及早开发新一代轻型车用柴油机；随着燃油税出台和“车用柴油”标准的实施进展，经济型柴油轿车将获得发展，应加强轿车用柴油机的开发力度[10]。

3.2.1电控柴油喷射系统分类

最先出现的是电控喷油泵技术，而后又发展了电控泵喷嘴技术和高压共轨喷射技术，后两种技术是现在最主要的柴油机电控喷射技术。

其中，电控泵喷嘴技术的喷油压力非常高，可以达到200MPa，并且泵和喷嘴装在一起，所以只需要很短的高压油引导部分，泵喷嘴系统也可以实现很小的预喷量，其喷油特性是三角形的，并采用了分段式预喷射，这是很符合柴油机的要求（大众公司的TDI发动机就是使用这种技术）。

但电控泵喷嘴技术的喷油压力受柴油机转速影响，使用蓄压系统的高压共轨技术可以解决这个问题。

它的喷油压力低于泵喷嘴系统，能达到160MPa。

有些公司看中了它对任意缸数的发动机喷油压力调节很宽泛的特点，逐步扩大其使用范围（最早使用高压共轨的轿车是阿尔法罗密欧156和奔驰C级别车）。

3.2.2柴油机电子控制技术的发展

由于柴油机具备高扭矩、高寿命、低油耗、低排放等特点，柴油机成为解决汽车及工程机械能源问题最现实和最可靠的手段。

因此柴油机的使用范围越来越广，数量越来越多。

同时对柴油机的动力性能、经济性能、控制废气排放和噪声污染的要求也越来越高。

依靠传统的机械控制喷油系统已无法满足上述要求，也难以实现喷油量、喷油压力和喷射正时完全按最佳工况运转的要求。

近年来，随着计算机技术、传感器技术及信息技术的迅速发展，使电子产品的可靠性、成本、体积等各方面都能满足柴油机进行电子控制的要求，并且电子控制燃油喷射很容易实现。

实际上，柴油机排气

中CO和HC比汽油机少得多，NOX排放量与汽油机相近，只是排气微粒较多，这与柴油机燃烧机理有关。

柴油机是一种非均质燃烧，可燃混合气形成时间很短，而且可燃混合气形成与燃烧过程交错在一起。

通过分析柴油机喷油规律得到：

喷入燃料的雾化质量、汽缸内气体的流动以及燃烧室形状等均直接影响燃烧过程的进展以及有害排放物的生成。

提高喷油压力和柴油雾化效果、使用预喷射、分段喷射等可以有的改善排放。

经过多年的研究和新技术应用，柴油机的现状已与以往大不相同。

现代先进的柴油机一般采用电控喷射、高压共轨、涡轮增压中冷等技术，在重量、噪音、烟度等方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平。

随着国际上日益严格的排放控制标准（如欧洲Ⅳ、Ⅴ标准）的颁布与实施，无论是汽油机还是柴油机都面临着严峻的挑战，解决办法之一是采用电子控制燃油喷射的技术。

现在，柴油机电子控制技术在发达国家的应用率已达到60%以上[11]。

3.2.3高的喷射压力

喷射压力是喷射系统最重要的特征参数之一。

随着柴油机的不放物限制的日益严格,柴油机燃料喷射系统正向适当提高喷油速率及喷射压力的方向发展。

但是,随着喷射压力的提高,会导致二次喷射、穴蚀、喷油泵凸轮疲劳损坏等弊病。

喷射压力已成为表征喷射系统选择或设计合理性的一个重要标志断强化、找能及废气排。

为满足排放法规的要求，柴油喷射压力从10MPa提高到200MPa。

如此高的喷射压力可明显改善柴油和空气的混合质量，缩短着火延迟期，使燃烧更迅速、更彻底，并且控制燃烧温度，从而降低废气排放。

3.2.4独立的喷射压力控制

传统柴油机的供油系统的喷射压力与柴油机的转速负荷有关。

这种特性对于低转速、部分负荷条件下的燃油经济性和排放不利。

若供油系统具有不依赖转速和负荷的喷射压力控制能力，就可选择最合适的喷射压力使喷射持续期、着火延迟期最佳，使柴油机在各种工况下的废气排放最低而经济性最优[12]。

3.2.5改善柴油机燃油经济性

用户对柴油机的燃油消耗率非常关注。

高喷射压力、独立的喷射压力控制、小喷孔、高平均喷油压力等措施都能降低燃油消耗率，从而提高了柴油机的燃油使用经济性。

3.2.6独立的燃油喷射正时控制

喷射正时直接影响到柴油机活塞上止点前喷入汽缸的油量，决定着汽缸的峰值爆发压力和最高温度。

高的汽缸压力和温度可以改善燃油使用经济性，但导致NOX增加。

而不依赖于转速和负荷的喷射正时控制能力，是在燃油消耗率和排放之间实现最佳平衡的关键措施。

3.2.7可变的预喷射控制能力

预喷射可以降低颗粒排放，又不增加NOX排放，还可改善柴油机冷启动性能、降低冷态工况下白烟的排放，降低噪声，改善低速扭矩。

但是预喷射量、预喷射与主喷射之间的时间间隔在不同工况下的要求是不一样的。

因此具有可变的预喷射控制能力对柴油机的性能和排放十分有利。

3.2.8最小油量的控制能力

供油系统具有高喷射压力的能力与柴油机怠速所需要的小油量控制能力发生矛盾。

当供油系统具有预喷射能力后将会使控制小油量的能力进一步降低。

由于工程机械用柴油机的工况很复杂，怠速工况经常出现，而电喷柴油机容易实现最小油量控制。

3.2.9降低驱动扭矩冲击载荷

燃油喷射系统在很高的压力下工作，既增加了驱动系统所需要的平均扭矩，也加大了冲击载荷。

燃油喷射系统对驱动系统平稳加载和卸载的能力，是一种衡量喷射系统的标准。

而电喷柴油机技术中的高压共轨技术则大大降低了驱动扭矩冲击载荷