柴油机的简述

柴油机的简述作者：阮晨辉指导老师：李国平宁波大学机械力学与工程学院摘要：柴油机作为汽车主要动力源,其动力性、燃油经济性和排放性能越来越受到关注。在国际社会汽车柴油化大背景下,我国发展柴油车势不可挡。面临日益严格的排放标准,柴油机燃油喷射技术不断发展,其中高压共轨技术脱颖而出。高压共轨技术在今后相当一段时间内是我国车用柴油机主要发展方向。关键词：柴油，高压喷射，共轨技术柴油发动机（简称柴油机）是指依靠燃烧柴油来获取能量释放的发动机。它由德国发明家鲁道夫·狄塞尔（RudolfDiesel）于1892年发明，为了纪念这位发明家，柴油便以他的姓Diesel来表示，因而柴油发动机也称为狄塞尔发动机（Dieselengine）。柴油发动机的优点是扭矩大、经济性能好。其工作过程与汽油发动机有许多相同的地方，但由于柴油机用的燃料是柴油，它的粘度比汽油大，不容易蒸发，而其自燃温度却比汽油低，因此，可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。不同之处主要有，柴油发动机的气缸中的混合气是压燃的，而非点燃的。柴油发动机工作时，进入气缸的是空气，气缸中的空气压缩到终点的时候，温度可以达到500-700℃，压力可以达到40—50个大气压。活塞接近上止点时，供油系统的喷油嘴以极高的压力在极短的时间内向气缸燃烧室喷射燃油，柴油形成细微的油粒，与高压高温的空气混合，可燃混合气自行燃烧，猛烈膨胀产生爆发力，推动活塞下行做功，此时温度可达1900-2000℃，压力可达60-100个大气压，产生的扭矩很大，所以柴油发动机广泛的应用于大型柴油设备上。传统柴油发动机的特点是热效率和经济性较好，柴油机采用压缩空气的办法来提高空气温度，使空气温度超过柴油的自燃点，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统。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，冬季气温低，车起动困难。由于上述特点，柴油发动机一般用于大、中型载重货车上。传统上，柴油发动机由于比较笨重，升功率指标不如汽油机(转速较低)，噪声、振动较高，炭烟与颗粒(PM)排放比较严重，所以一直以来很少受到轿车的青睐。特别是小型高速柴油发动机的新发展，一批先进的技术，例如电控直喷、共轨、涡轮增压、中冷等技术得以在小型柴油发动机上应用，使原来柴油发动机存在的缺点得到了较好的解决，而柴油机在节能与CO2排放方面的优势，则是包括汽油机在内的所有热力发动机无法取代的，成为“绿色发动机”。笨重、噪音大、喷黑烟，令许多人对柴油机的直观印象不佳，但经过多年的研究和新技术应用，现代柴油机的现状已与往日不可同喻。现代柴油机一般采用电控喷射、共轨、涡轮增压中冷等技术，在重量、噪音、烟度方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平。柴油机电控喷射系统由传感器、ECU（控制单元）和执行机构三部分组成。其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、温度、压力等传感器，将实时检测的参数同步输入计算机，与ECU已储存的参数值进行比较，经过处理计算按照最佳值对执行机构进行控制，驱动喷油系统，使柴油机运作状态达到最佳。在汽车柴油机中，高速运转使柴油喷射过程的时间只有千分之几秒，实验证明，在喷射过程中高压油管各处的压力是随时间和位置的不同而变化的。由于柴油的可压缩性和高压油管中柴油的压力波动，使实际的喷油状态与喷油泵所规定的柱塞供油规律有较大的差异。油管内的压力波动有时还会在主喷射之后，使高压油管内的压力再次上升，达到令喷油器的针阀开启的压力，将已经关闭的针阀又重新打开产生二次喷油现象，由于二次喷油不可能完全燃烧，于是增加了烟度和碳氢化合物（HC）的排放量，油耗增加。此外，每次喷射循环后高压油管内的残压都会发生变化，随之引起不稳定的喷射，尤其在低转速区域容易产生上述现象，严重时不仅喷油不均匀，而且会发生间歇性不喷射现象。为了解决柴油机这个燃油压力变化的缺陷，现代柴油机采用了一种称为“共轨”的技术。共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式，由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对公共供油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无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，因此也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。柴油发动机的工作过程其实跟汽油发动机一样的，每个工作循环也经历进气、压缩、做功、排气四个冲程。柴油机在进气行程中吸入的是纯空气。在压缩行程接近终了时，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。由于柴油机压缩比高（一般为16-22），所以压缩终了时气缸内空气压力可达3.5-4.5MPa，同时温度高达750-1000K（而汽油机在此时的混合气压力会为0.6-1.2MPa，温度达600-700K），大大超过柴油的自燃温度。因此柴油在喷入气缸后，在很短时间内与空气混合后便立即自行发火燃烧。气缸内的气压急速上升到6-9MPa，温度也升到2000-2500K。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转而作功，废气同样经排气管排入大气中。普通柴油机的供油系统是由发动机凸轮轴驱动，借助于高压油泵将柴油输送到各缸燃油室。这种供油方式要随发动机转速的变化而变化，做不到各种转速下的最佳供油量。共轨喷射式供油系统由高压油泵、公共供油管、喷油器、电控单元（ECU）和一些管道压力传感器组成，系统中的每一个喷油器通过各自的高压油管与公共供油管相连，公共供油管对喷油器起到液力蓄压作用。工作时，高压油泵以高压将燃油输送到公共供油管，高压油泵、压力传感器和ECU组成闭环工作，对公共供油管内的油压实现精确控制，彻底改变了供油压力随发动机转速变化的现象。尽管受到我国加工制造水平、燃油品质等不利因素的制约,现阶段推广和发展高压共轨技术存在一定的难度;但随着国家相关政策的出台,高压共轨技术在今后相当一段时间内是我国车用柴油机主要发展方向。