国内外柴油发动机技术的现状及发展

时间:2015-06-08 23:49  点击:
国内外柴油发动机技术的现状及发展
1882年德国人狄赛尔(Rudolf Diesel)提出了柴油发动机工作原理,1896年制成了第一台四冲程柴油发动机。一百多年来,柴油发动机技术得以全面的发展,应用领域起来越广泛。大量研究成果表明,柴油发动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发动机,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;柴油发动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发动机为动力。 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发动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发动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发动机的普及与发展。 
一、国外柴油发动机技术的现状与发展 
现代的调整高性能柴油发动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, 而且轿车采用柴油发动机的比例也相当大。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发动机作为动力配置。 经过多年的研究、大量新技术的应用,柴油发动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。 下面是国外柴油发动机应用的一些先进技术: 
(一)共轨与四气门技术 
国外柴油发动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3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。 
(二)高压喷射和电控喷射技术 
高压喷射和电控喷射技术是目前国外降低柴油发动机排放的重要措施之一, 高压喷射和电控喷射技术的有效采用,可使燃油充分雾化,各缸的燃油和空气混合达到最佳, 从而降低排放,提高整机(车)性能。 
(三)增压中冷技术 
采用涡轮增压增加柴油发动机的空气量,提高燃烧的过量空气因数是降低大负荷工况排气烟度、 PM 排放量以及燃油消耗的有效措施。有效的空--空中冷系统,可使增压空气温度下降到50℃以下, 工作循环温度的下降有助于NOX的低排放和PM的下降,故目前重型车用柴油发动机都普遍是增压中冷型, 不仅有助于低排放而且燃油经济性良好。此外,涡轮前排气旁通阀的应用,不仅能降低PM和CO排放, 还可以改善涡轮增压柴油发动机的瞬态性能和低速扭矩。 
(四)排气再循环(EGR)技术的应用 
EGR 是目前发达国家先进内燃机中普遍采用的技术,其工作原理是将少量废气引入气缸内, 这种不可再燃烧的 CO2 及水蒸汽废气的热容量较大,能使燃烧过程的着火延迟期增加,燃烧速率变慢, 缸内最高燃烧温度下降,破坏 NOX 的生成条件。EGR技术可使机动车NOX排放明显降低, 但对重型车用柴油发动机而言,目前倾向于使用中冷EGR技术,因为其不仅能明显降低NOX, 还能保持其他污染物的低水平。 
(五)后处理技术 
柴油发动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。 
(六)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。 
(七)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发动机(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), 在大型柴油发动机上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。 
(八)降低机油消耗 
柴油发动机排放的颗粒物中,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发动机(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。为了降低柴油发动机的机油消耗, 活塞环的优化设计和制造及缸套间的科学配置非常重要。 
 
二、我国柴油发动机产业的现状与发展 
我国柴油发动机产业自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,我国柴油发动机总体技术水平已经达到国外80年代末90年代初水平, 一些国外柴油发动机近几年开始采用的排放控制技术在少数国产柴油发动机上也有应用。最新开发投产的柴油发动机产品的排放水平已经达到欧1排放限值要求,一些甚至可以达到欧2排放限值要求。但我国柴油发动机产业的整体发展仍然面临着许多问题。 
(一)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,我国中型柴油发动机市场已呈现供大于求,轻型柴油发动机市场也趋向饱和,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。 
(二)柴油发动机行业投入不足,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,我国柴油发动机技术基础薄弱,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发动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。 
(三)我国柴油发动机技术的落后、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。 
(四)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,对柴油发动机技术的发展以及各种新技术、 改善柴油发动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;做好车用柴油发动机发展的全面规划,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,从而提高柴油发动机的产品质量;加大对柴油发动机的科技投入,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发动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。我国柴油发动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,为各类柴油发动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。
由于一季度低速汽车产销量继续下滑,其配套产品单缸柴油发动机也被拖了后腿。据中国内燃机协会单缸柴油发动机分会提供的数字,2006年l~3月全国单缸柴油发动机行业大面积步入“熊市”。按行业主要的18家企业统计,销售量合计175.5438万台,比2005年一季度的185.6775万台下降了5.8个百分点。其中,下降的有常柴、常发、江动、亚美柯、四方、常丰等13家企业,上升的有时风、常工、四达、常通、如柴5家企业。 
    单缸柴油发动机除小部分作为动力机械单独使用外,多数为配套使用,且配套的范围非常广泛,而其中又以配套低速汽车中的三轮汽车为主。通常情况下,此部分配套能占到单缸柴油发动机销售总量的30%~40%。 
    专家指出,农用车已进入汽车领域,需求量呈下降趋势。目前我国生产的单缸机大多技术水平比较低,型号也比较少,尽管经过技术革新、产品升级等努力,但总的来看技术和质量都还比较落后,普通存在着重量大、耗油高、可靠性差,排放难以达到日益严格的法规标准等问题。因此,面对市场现状,单缸柴油发动机必须开发新一代的产品,逐步取代目前的产品,这是单缸柴油发动机生产企业生存和发展的必由之路。
国产柴油发动机五大优势 
专家认为,国内柴油发动机行业有五大优势: 
1、市场容量和需求优势。国内柴油发动机生产企业已经在多年的市场实践中改变了经营理念,赢得了众多用户。用户能够为国产柴油发动机提供有效的市场需求。 
2、 网络优势。总成生产厂家强调服务优势和网络优势。部分柴油发动机厂为满足卡车、客车用户的需求,在全国各地建立了中心配件库,并设立了配件专卖店。 
3、文化优势。服务的概念不是简单的维修,也不是人们所熟悉的售前、售后服务,而是与用户沟通,这就需要文化背景。国内柴油发动机行业有这方面的独特优势。 
4、本土化优势。虽然我国柴油发动机行业在加工基础应用方面与国外有差距,但有本土化优势,能满足国内市场的需求。 
5、性价比优势。国产柴油发动机虽然不具备技术优势,但必须清醒地认识到与国外的差距还很大。他认为,中国柴油发动机行业只要扬己之长,就能坦然面对国际市场的竞争。 
单缸机:一个不应被轻视与怀疑的产业
中国农机产品的第一块“中国名牌”颁给了单缸柴油发动机。这不是一个偶然。 
  在评选出的五大名牌产品中,时风名列其中,成为惟一的非“江苏势力”,这也不是一个偶然。 
  如果说,把中国名牌颁给单缸机与其悠久的历史有关的话,那么,时风问鼎则与其在行业中无可争议的地位不无关系。 
  在单缸柴油发动机这个让人爱恨交织的行业里,时风之所以能与强大的“江苏势力”相抗衡,并很快占据上风,成就霸业,凭借的是强大的终端产品平台和分布全国的营销体系及其强大的制造能力。 
  时风进入这个领域的时间,相对单缸机的历史来说,是那样的短暂,以至于它还不足以抚慰那些长期奋斗在这个行业的企业所遭受的种种创痛。也许,我们不必去对历史做出另外一种假设,但当时风率先推出达到欧Ⅱ排放标准的单缸机的时候,我们多少有些明白了那些看似注定了的命运或许是可以改变的。 
  每年600余万台的需求量,是一个多么诱人的数字,然而相对于1000万余台的产能来说,这个诱人的数字的闪闪亮光就变得跟萤火虫一般若隐若现了。当技术不再成为门槛儿的时候,当个体、私营企业如雨后春笋般地涌现出来的时候,单缸机终于变成了食之无味、弃之可惜的鸡肋。 
  技术开发的停滞与残酷的市场拼杀缠绕在一起,单缸机行业宿命般地走到了今天这个十字路口,即使那些最资深的人士也认为单缸机已经不值一提,它成了落后与低技术含量的代名词。 
  可是,没有人能够忽略这样一个事实,单缸机在以后很长一段历史时期不可能被多缸机所替代,因为中国的农民的购买力还远未达到那样的承受能力。我们知道,即使最便宜的多缸机也要比单缸机贵上两倍以上。如果放眼世界,大概还有30亿的人口处在中国农民这样一个消费档次。 
  单缸机最让人痛心疾首的是它的排放、噪音等指标与绿色环保概念格格不入。尽管技术派人士认为单缸机的技术改造潜力有限,属于淘汰产品,但时风等企业在这个方面的努力证明,单缸机的排放指标达到欧Ⅰ或者欧Ⅱ标准是完全可以实现的,问题只在于达到这个标准的产品成本大概要提高20%以上。 
  在多缸机领域,实行强制性排放标准对提高我国内燃机制造水平已经起到了积极的促进作用,由此看来,对单缸机实施强制性排放标准已经势在必行。原准备在2005年开始实行的欧Ⅰ排放标准已经推迟到2006年,如果这个标准能够如期、严格地执行,中国这个单缸机制造和消费大国也许会与世界水平走得更近一些。 
  经济规律从来都不会按照悲观主义和怀疑论者的逻辑去运行,单缸机的历史使命还远未完成。对于单缸机生产企业而言,顺应和遵循经济规律,主动、积极地行动起来,才是真正明智的选择。 
  “中国名牌是一种荣誉,更是一种责任。”时风集团总经理刘成强这句话说得好。如果这五个中国名牌能够齐心协力地致力于单缸柴油发动机的技术升级,那必将对中国单缸机产业产生深刻的影响。 
我国农业机械产品市场 未来三方面发展方向 
一、变型农机潜力大。 
受地域环境的影响,不少用户除了要求农机产品基本满足“三农”需求外,同时出现了特殊的要求。如挖穴植树机、管道牵引机、挖沙装载机等变型农机深受农民喜爱。 
二、功率两级分化。 
随着农机结构调整的步伐加快,一方面,当前农民普遍希望农机功率增大,以满足经营性的需要。其中最突出的是国内小四轮正向中 马力轮拖发展,中马力轮拖正向大马力轮拖过渡。另一方面,随着田园经济的发展,一些小型的专用农机产品正越来越受到用户的欢迎, 如“迷你”型喷灌、耕作设备已成为农民进行精细化田间管理的首选产品。增加产品的“智能性”。 
农机生产企业在研制开发产品时应在农机智能化上下功夫,充分考虑机手的劳动强度,为用户提供优越的驾驶条件。通过优化设计驾驶室、驾驶座、方向动力控制、空调装置以减轻机手的劳动强度,加大操作的舒适性。 同时应加大控制系统的科技含量,使机手通过仪表装置随时了解农机的工作状态,使农机产品发挥最大的效能。 
三、打好售后“服务牌”。 
农机生产企业首先要完善质量保证体系,推行产、供、销网络化管理工作。其次要严把售后服务关,积极为用户着想,认真落实农机 “三包”制度和企业承诺,让农民买得放心,用得安心。
国内柴油发动机厂商:不进则退
从20世纪70年代至今,我们的生活似乎刚好经历了一个循环,许多当年的事物重新在今天流行开来:喇叭裤、迪斯科,还有柴油发动机。作为一种主要的汽车动力,柴油发动机的历史可以追溯到汽车工业发展初期。早在1893年,鲁道夫·狄塞尔就发明了世界上第一台菜油机。然而在大多数人的印象中,柴油发动机有很大的噪声、难闻的气味和浓重的黑烟。20世纪70年代,随着世界石油危机的结束和汽油价格的回落,轿车生产商普遍开始采用汽油机。然而,一些欧洲轿车厂商仍在继续发展柴油发动机技术。经过多年的不懈努力,清洁、安静、动力强劲的柴油轿车又重新回到了我们的生活中。 
当然,这里所说的并不是20世纪70年代的柴油发动机,而是现代的绿色柴油发动机。根据大众汽车公司的报告,与同等的汽油机相比,绿色柴油发动机的CO2排放量可减少45%,燃油经济性高35%-60%。 
目前,柴油车在欧洲市场占据了40%的市场份额。在北美,人们也开始认识到柴油动力的诸多优点。在世界石油价格不断攀升的今天,美国政府开始实施的鼓励机动车辆使用低油耗经济性政策。美国能源和经济委员会的主要成员丁葛尔参议员保证在全美推行鼓励购买和使用燃油经济型车辆的措施。美国权威的汽车调查机构J.D.Power公司在最近的一个统计中发现美国在接受调查的汽车用户中有三分之一的人打算和会考虑购买清洁的柴油轿车。 
为了协调柴油发动机与环保之间的矛盾,许多西方国家颁布了柴油汽车排放标准。对于柴油发动机厂商来说,这些标准是强制性的。在不同地区,针对不同的排放标准和时间表,生产商采用了不同的排放控制技术。 
目前 2005 2007 2008 2010 
日本 JP 2005 
美国 EPA 2007 
欧洲 欧III 欧IV 欧V 
由于日本、欧洲和美国的排放标准采用了不同的测试循环,因此不同标准之间很难进行准确比较。从数字上看,对重型车发动机来说,日本JP2005标准与欧V标准非常接近,但是欧V标准要到2008年才开始实施,因此,从2005年起到开始实施美国美国EPA2007标准期间,日本将有全世界最严格的排放法规。总体来看,世界各国的排放法规都日趋严格。柴油发动机生产商必须密切关注柴油发动机技术的最新发展。 
与国外的发展水平相比,中国与世界的差距越来越大。许多人指责国内柴油发动机厂商对于新技术的发展漠不关心。然而国内柴油发动机厂商也有自己的苦衷。国家新的排放法规一直没有出台,企业不敢贸然采取新的举动。近年来,这种状况开始有所好转。2001年4月16日,国家环保总局和国家质量监督检验检疫总局联合发布了车用压燃式发动机排气污染物的排放限制及测试方法,对新的排放标准限制及时间表公布如下: 
阶段 实施日期 CO HC NOx PM≤85kw* >85kw* 
1(相当于欧I标准) 2000年9月1日 4.5 1.1 8.0 0.61 0.36 
2(相当于欧II标准) 2003年9月1日 4.0 1.1 7.0 0.15 0.15 
3(相当于欧III标准) 2008年(预计) 
4(相当于欧IV标准) 2010年(预计) 
发动机功率 
目前,第1阶段标准已开始实施,人们的目光都转向了国内柴油发动机厂商。 
当前,国内柴油发动机厂商的技术和设备大多处于欧I水平。从上表可以看到,从今年9月1日起,国产柴油发动机必须达到第2阶段标准(相当于欧II标准),到2008或2009年,国家将可能开始实施第3阶段标准(相当于欧III标准)。在国内一些大城市,如北京、上海,这些标准的实施时间还要早。即使少数国内领先的柴油发动机厂商认为他们的产品能够达到第2阶段标准,但对第3阶段也都不太乐观。因为这个标准要比第2阶段严格得多,而技术上也复杂得多。 
“随着排放标准日益严格,柴油发动机排放控制采用了许多最新的技术。在欧洲各国,从欧I标准到欧III标准总共经历了8年的时间。其中从欧I标准过渡到欧II标准用了4年,从欧II标准过渡到欧III标准又用了4年。在欧洲,汽车生产商需要有充分的准备时间,以便能够更好地适应新的技术;燃油供应商需要改善基础设施,以确保生产清洁的燃油;车辆使用者也需要接受培训,以便正确地驾驶和维护保养汽车。 
在北京举行的欧III排放标准与燃油质量论坛上,许多专家认为,如果中国采用与欧洲同样的排放标准,国内生产厂商可以充分借鉴欧洲同行的经验,直接采用现实可行的柴油发动机技术,大大缩短技术开发进程。对于不同的排放标准,柴油汽车也采用了不同的排放控制技术和设备: 
排放标准 采用的排放控制技术和设备 
欧I 发动机改进,废气再循环系统 
欧II 氧化催化转化器,发动机改进,废气再循环系统 
欧III 氧化催化转化器,发动机改进,带有冷却装置的废气再循环系统,优化的燃烧室涡流形成 
欧IV 后喷射,节流,提高喷油压力,压电式喷油阀,氮氧化物吸附催化转化器 
世界各国的排放法规都日趋严格,对国内柴油发动机厂商来说所剩时间已经不多。中国厂商需要在很短的时间内提升自己的技术水平,而参与广泛的国际合作和技术交流是对中国柴油发动机制造商来说一个非常现实和可行的选择。