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简述现代柴油机采用的先进技术 摘要:柴油机发展到今日,无论从材质、加工方式、进气形式、限制、排放都发生了巨大的改变柴油机已经向小型化、自动化方向发展,逐步摆脱了高噪声、冒黑烟等的弊端 关键词:蠕墨铸铁 半固态铸造 多气门 电控燃油喷射 挤压螺纹 排放 柴油机自诞生至今已历经一百零一年,不但没有被淘汰反而日渐兴盛这与柴油机的经济性、动力性及技术的不断进步密不行分本文将简述几种柴油机制造的各个环节采纳的先进技术 1、零件的材质 灰铸铁是制造柴油机的传统材质,对于成本有严格要求的柴油机,仍在运用虽然灰铁能满意肯定的运用要求,但随着升功率的不断提高和轻量化的要求,灰铁已逐步被其他材质所替代替代的材质主要为蠕墨铸铁、铝合金 蠕墨铸铁,因铸铁中的石墨呈蠕虫状而得名,兼具球墨铸铁的高强度和灰铸铁的铸造特性在对于升功率要求高的商用柴油机上,蠕墨铸铁已经得到广泛的应用部分乘用车用柴油机,出于成本考虑,在缸体不运用铝合金时,为降低发动机的质量,保证缸体有足够的强度,蠕墨铸铁也被广泛的运用 对于轻量化要求较高,但是成本没有严格要求的乘用车用柴油机,铝合金就被广泛的应用铝合金成分一般为铝硅合金、铝镁合金。

通过优化结构、采纳半固态铸造等措施,其强度在不断提高,全铝合金发动机甚至应用在对升功率有极高要求的赛车领域 另外,塑料等其他非金属材质也已广泛的应用除了外附件运用非金属材料为,轴瓦、活塞环的表面处理上也起先运用树脂、聚四氟乙烯等材质用来降低摩擦 2、零件的铸造 浇铸是制造缸体、缸盖、曲轴箱等发动机主要零部件的传统方式但是浇铸成型的零件的密度和强度较低随着柴油机升功率的不断攀升,浇铸日渐不能满意高强度、轻质的零件制造要求,而半固态铸造因能大幅提高铸件的性能而成为广泛关注的铸造方式 20世纪73年头,美国麻省理工学院Flemings与Spencer等人发觉了金属凝固过程中的特别力学行为,并据强力搅拌半凝固金属所呈现的流变学性质,胜利用搅拌方法制备出了半固态金属并进行了铸造成形,称之为流变铸造 半固态成形技术虽然对金属的合金成分有肯定的要求,而且对冶炼的限制要求也高,但是半固态成型技术具有大幅提高零件的尺寸精度、缩短凝固时间,所以非常有利于提高生产效率,并且通过半固态成型的零件的强度已接近锻造因此半固态成型有望成为今后广泛应用的技术 另外,电渣重融技术已成熟电渣重融技术能将材质中的硫、磷等有害杂质的含量降低到极低的水平,并且能限制晶粒的长大、晶粒的方向,因此用电渣重融生产的材质的强度接近甚至超过锻造。

如采纳电渣重融技术生产曲轴等轴类零件,将有效的降低生产成本虽然该技术广泛的应用在军品领域,但信任今后该技术会被广泛的应用 3、挤压内螺纹 螺栓连接对柴油机的牢靠性至关重要传统的内螺纹通过切削成形,成形过程中会产生毛刺,而螺纹副在工作一段时间后因螺纹被挤压产生塑性变形,造成螺栓扭矩降低甚至造成螺栓松动而挤压螺纹是塑性变形,在加工时就形成了高强度的螺纹副,所以大大降低了螺栓扭矩减小的风险不过挤压螺纹仅适合塑性变形大的材质,例如铝合金、不锈钢等对于运用铸铁材质的零件,还需通过优扮装配的过程限制来保证连接的牢靠性 4、涡轮增压 为提高柴油机的升功率,涡轮增压技术已广泛应用涡轮增压器的能量来源于柴油机排出的废气柴油机的废气能量占燃料燃烧热能的20%左右,而涡轮增压器的效率能达到73%～90%,因此采纳涡轮增压技术是,柴油机的热效率能提高15%以上 但是涡轮增压技术也有缺点,如不行变截面的涡轮增压器的高效工作区域较窄,采纳涡轮增压器时柴油机的动力响应会延迟,当柴油机低负荷工作时,涡轮增压器基本不起作用甚至会增加排气阻力,发动机热负荷、机械负荷增加等 为解决这些问题,可变截面涡轮的涡轮增压器、双增压器技术等应运而生。

增大散热面积解决了热负荷问题,提高机体、曲轴、轴瓦的强度,提高螺栓连接的轴向力则解决了机械负荷增加的问题 5、多气门技术 提高功率,就要提高进气量提高进气压力、降低进气温度、增大进气截面是有效提高进气量的手段 为提高燃油与空气的混合,柴油机进气必需有涡流但气流旋转必定有能量损失,就不利于提高充量系数所以两气门柴油机无法解决这一冲突 假如采纳两个气门或3气门进气,那么只须要一个气门形成涡流,其他进气门则不须产生进气涡流,因此采纳多气门进气就能有效的调高充量系数 另外,采纳多气门技术可以使喷油器布置到气缸的中心,因此燃油喷射时能形成更加匀称的混合气,可以进一步优化燃烧 6、先进的轴向力限制 螺栓副连接是特别重要并广泛运用的连接方式螺栓副连接的关键是要限制轴向力的分布最早的轴向力分布限制是通过限制螺栓扭矩实现的,并且沿用至今但是,我们须要的不是螺栓扭矩的一样性,而是螺栓轴向力的一样性因为存在粗糙度、润滑条件等因素的影响,扭矩法已日渐不能够满意高的产品一样性要求为提高螺栓轴向力的一样性,发展了扭矩—转角法,并进一步发展了屈服点法来限制螺栓的轴向力 通过扭矩—转角法或屈服点法限制的螺栓轴向力,不仅提高了轴向力的一样性,更重要的是提高了材料的利用率,为进一步降低结构质量供应了技术支持。

除了采纳先进的拧紧方式,螺栓的布置也很重要为降低变形,螺栓甚至可以贯穿缸盖、缸体、曲轴箱 7、电控燃油喷油技术 电控然后喷射技术是通过各种传感器采集进气流量、进气压力、燃油温度、水温、曲轴位置、喷油压力等参数通过微电脑来对喷油量、喷油规律、喷油时刻进行限制的技术 当今电控燃油喷射技术主要包括电控高压共轨、电控泵喷嘴、电控单体泵,尤其以高压共轨技术最先进 电控燃油喷射技术能使发动机始终工作在最优空燃比状态,并实现多次喷射优化喷油曲线、保证缸供油量的一样性所以,电控燃油技术能降低排放、燃油耗、噪声和振动 为降低排放,提高升功率,燃油喷射压力也从最初的1200ba提高到2500ba甚至更高特殊是用压电晶体替代电磁阀后,喷油器的反应时间提高了一倍,真正实现了喷油曲线的自由限制甚至最新一代的压电晶体喷油器能对燃油进行二次加压,使喷油压力能提高到3000ba 8、尾气处理 随着排放指标日渐提高,颗粒捕获器、废气再循环、选择性氧化催化技术已广泛应用 目前为止,柴油机在各个工况下都会产生颗粒为防止颗粒排进大气,就须要对颗粒进行捕获一般的颗粒捕获器为多孔堇青石,在堇青石内加加热棒和喷油装置,在排气被压增大到肯定值后将颗粒燃烧掉,以使颗粒捕获器可以循环运用。

为降低NOx的排放,一般通过采纳废气再循环和选择性氧化催化来实现 废气再循环是就将燃烧后的废气在冷却后重新进入气缸参加燃烧因废气中的CO2的比热高,因此会降低最高燃烧温度,从而抑制NOx的产生 选择性氧化催化是通过在化学反应,运用NH3在催化与高温条件下与NOx反应,产生N2和H2O,从而实现降低NOx排放的目的 一般颗粒捕获器与废气再循环或选择性氧化催化协作运用,随着排放指标的不断提高,不解除这三种技术同时运用的可能 9、结语 当今先进的柴油机是一种集冶金、材料、加工、自动限制、传感器、化工为一体的高科技产品随着技术的进步和柴油机牢靠性要求的不断提高,新技术、新材料将会层出不穷 参考文献 [1] 装有起动-停车系统的发动机及其轴瓦.国外内燃机,2022年第2期 Adam [2] 300MPa共轨喷油系统.国外内燃机,2022年第2期 Shinohara [3] Audi公司新一代3.0LV6涡轮增压直喷式柴油机.国外内燃机,2022年第4期 Bauder [4] 陆家祥.柴油机涡轮增压技术. 第7页 共7页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页。