現代柴油機技術及其進展
產業發展
作者：程達 趙平文
摘要：柴油機是一種具有優良屬性的原動機，為現代工業中所廣泛采用。在科技水平不斷提高的背景下，人們對柴油機係統提出了更為苛刻的要求，促進了柴油機技術的進一步發展。文章通過柴油機的發展史引出其發展曆程中裏程碑性的新技術，並基於目前人們對科技及自然環境的認識，展望柴油機技術的發展趨勢。
關鍵詞：柴油機；渦輪增壓；聯合動力；共軌噴油
中圖分類號：U464 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）20-0016-02
柴油機具有可靠性、安全性高，壽命長，經濟性好等優點，因而作為原動機被廣泛應用於運輸、電力等領域。隨著當今世界能源和環境問題的加劇，人們對柴油機在能源節約和廢氣排放等方麵要求更高。柴油機在未來的發展主要以減少排放，降低能耗為宗旨。
1 現代柴油機技術
1.1 燃燒噴射技術
Diesel設計的原型機采用了燃油直接噴射技術，但是必須用壓縮空氣將燃油吹入氣缸，20世紀後逐步發展了液體燃料噴射技術，使燃油充分地霧化，提高燃燒
效率。
隨著科技發展，在柴油機噴油燃燒優化方麵，借助於先進的試驗技術和計算機模擬分析技術，模擬三維流動與燃燒模型的燃燒過程，進一步改進燃燒室形狀及結構參數。近年還發展了均質充量壓縮點火燃燒，預混合稀薄燃燒，低溫預混合燃燒等相關缸內燃燒技術。
提高氣缸燃燒高效率和柴油機經濟性的關鍵在於噴射過程是否良好。20世紀末期出現的電控高壓共軌噴射技術實現了缸內氣體運動、燃油噴射和燃燒室結構的最佳匹配，其具備超高的噴射壓力，並能實現噴射壓力、噴油定時、噴油量和噴油規律靈活可控，代表著燃油噴射技術的最前沿和發展趨勢。
最新研發的共軌係統噴油壓力已高達200MPa以上，並能精確靈活地控製噴油規律，能有效改善燃燒過程，有害氣體排放可降低20%，功率提高5%～7%，燃油消耗降低3%～5%，噪聲降低3～7dB。目前，高壓共軌噴射技術的研究主要集中在：快速響應、高精度、高可靠性的電磁閥技術；進一步優化電控噴油器；全工況下電控共軌噴油參數的優化研究；新的缸內燃燒技術。
1.2 渦輪增壓技術
增壓技術是利用葉輪式壓氣機將進氣壓力提高，增加進氣量，從而提高柴油機的功率密度。采用增壓技術後，發動機功率一般可提高20%～50%，高增壓的發動機幾乎增加100%以上。
傳統的增壓器很難配合柴油機高低負荷的變化，催生了各種新的增壓係統設計理念的發展，主要有：
（1）相繼增壓（STC）。采用多個小流量增壓器，伴隨著柴油機工況的變化依次投入運行。從而改善柴油機的經濟性及排放性能。它能避免在低工況時廢氣能量不足而引起的增壓器喘振、柴油機功率下降等問題。
（2）可變截麵渦輪增壓。可變截麵渦輪增壓是根據柴油機外界負荷的變化來改變增壓渦輪噴嘴環葉片的角度，使流入渦輪葉片的氣流參數改變，進而調節增壓壓力，使柴油機與增壓器在各工況下匹配良好。
（3）廢氣旁通增壓係統。廢氣旁通增壓係統中，增壓器的匹配點在柴油機低負荷時，通過打開廢氣旁通閥釋放多餘廢氣。這就改善了低轉速時柴油機的熱效率、瞬態響應以及排放性能。高負荷時，通過廢氣旁通閥調節柴油機的進氣壓力，以降低高負荷區增壓壓力，從而解決了爆壓、熱負荷和機械負荷過高等問題。
渦輪增壓技術的發展方向是更低汙染物的排放和更高的整機工況性能，因此，需要進步提高增壓壓力，並使整機更為緊湊，質量輕、效率高、壽命長、可靠性更高，從而達到在全工況範圍內柴油機與增壓係統的
匹配。
2 柴油機發展的新技術
2.1 機外排放控製技術
機外排放控製技術主要有機前處理、機內淨化和機外淨化三種手段。機前處理主要通過改進柴油品質。機內淨化是通過改進燃燒室結構、噴油係統、廢氣再循環、增壓中冷和潤滑係統等，但目前機內淨化技術的發展幾乎到了極限，未來發展空間有限，機外淨化技術成為減少柴油機廢氣排放的主要方向。機外淨化技術原理主要有4種：汙染物捕集技術、氧化催化技術、選擇性催化還原技術以及等低溫離子體反應技術。