车辆与动力工程学院毕业设计说明书
第一章 前 言
活塞式内燃机自19世纪60年代问世以来，经过不断改进和发展，已是比较完善的机械。它热效率高、功率和转速范围宽、配套方便、机动性好，所以获得了广泛的应用。全世界各种类型的汽车、拖拉机、农业机械、工程机械、小型移动电站和战车等都以内燃机为动力。海上商船、内河船舶和常规舰艇，以及某些小型飞机也都由内燃机来推进。世界上内燃机的保有量在动力机械中居首位，它在人类活动中占有非常重要的地位。
§1.1 柴油机技术概述及发展趋势
§1.1.1 概述
1882年德国人狄赛尔（Rudolf Diesel）提出了柴油机工作原理，1896年制成了第一台四冲程柴油机。一百多年来，柴油机技术得以全面的发展，应用领域越来越广泛。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30～50kW/l，扭矩储备系数可达到0.35以上，最低燃油耗可达到198g/kW·h，标定功率油耗可达到204g/kW·h；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。
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§1.1.2 柴油机技术的发展趋势
现代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的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[4]。
现在，科技的发展日新月异，柴油机新技术的开发和应用所需要的时间也越来越短，下面是一些柴油机方面的新技术。 一、电控喷射和高压共轨喷射
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巳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。
为了使负荷调节更加精确，产生了共轨技术。共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统。所有气缸的喷嘴都连接着一根公共的油管（简称油轨），油轨里始终有恒定的压力，高压喷油泵将燃油送入油轨，然后才由油轨送入喷油器。喷油器的开启都由电磁阀内的燃油压差来控制，电控单元ECU根据负荷转速等信号确定应有的喷射压力和喷油时刻，在恰当的时刻发出脉冲信号，使喷油器恰当开启。其特点是可以自由控制喷油量和压力、自由控制喷油速率和喷油正时。该系统的另一优点是通过对喷油器的电磁阀进行必要的设计和控制后，能实现预喷射和主喷射组成的二次喷射，对降低燃烧时的噪声和NOx排放很有利。 二、增压中冷技术
增压可使柴油机在排量不变，重量增加不大的情况下达到增加输出功率的目的。与相同功率的非增压柴油机相比，增压柴油机不仅体积小，重量轻，功率大，而且还降低了单位功率的成本。因此，
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增压技术不仅广泛应用在柴油机上，而且还推广到汽油机，是改善内燃发动机的重要技术手段。但是空气压力的提高就是空气密度的提高，空气密度的提高必然会使空气温度也同时增高。发动机涡轮增压器的出风口温度也会随着压力增大而升高，温度提高反过来会限制空气密度的提高，要进一步提高空气密度就要降低增压空气的温度。据实验显示，在相同的空燃比条件下，增压空气温度每下降10摄氏度，柴油机功率能提高3%－5%，还能降低排放中的氮氧化合物（NOx），大大改善发动机的低速性能。因此，也就产生了中间冷却技术。柴油机中间冷却技术的类型分两种，一种是利用柴油机的循环冷却水对中冷器进行冷却，另一种是利用散热器冷却，也就是用外界空气冷却。当利用冷却水冷却时，需要添置一个独立循环水的辅助系统才能达到较好的冷却效果，这种方式成本较高而且机构复杂。因此，汽车柴油机大都采用空气冷却式中冷器。
空气冷却式中冷器利用管道将压缩空气通到一个散热器中，利用风扇提供的冷却空气强行冷却。空气冷却式中冷器可以安装在发动机水箱的前面、旁边或者另外安装在一个独立的位置上，它的波形铝制散热片和管道与发动机水箱结构相似，热传导效率高，可将增压空气的温度冷却到50至60摄氏度。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机的瞬态性能和低速扭矩。 三、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。 四、后处理技术
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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。
今后，内燃机的发展将着重于改进燃烧过程，提高机械效率，减少散热损失，降低燃料消耗率；开发和利用非石油制品燃料、扩大燃料资源；减少排气中有害成分，降低噪声和振动，减轻对环境的污染；采用高增压技术，进一步强化内燃机，提高单机功率；研制复合式发动机、绝热式涡轮复合式发动机等；采用微处理机控制内燃机，使之在最佳工况下运转；加强结构强度的研究，以提高工作可靠性和寿命，不断创制新型内燃机。
§1.2 我国柴油机技术的发展
我国柴油机产业起步相对较晚，但是自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Ⅲ排放限值要求，一些甚至可以达到欧Ⅳ排放限值要求。但我国柴油机产业的整体发展仍然面临着许多问题，与国外柴油机相比还有一定的差距。
我国柴油机产业的整体发展面临着许多问题：（1）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；（2）柴油品质差、柴油标准的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及各种新技术、改善柴油机排放措施的应用造成障碍；（3）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机在使用中对城市环境和大气质量造成不良的影响。
随着环保法规的日益严格，光靠增压中冷技术已不能满足日益严格的环保要求，这就需要更新的柴油机电控喷射技术来支持。现在国内的柴油机电控喷射系统正处在开发阶段。比如上海内燃机研究所、无锡油泵油嘴研究所等正在积极研究之中。无锡油泵油嘴研
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究所已把部分成果应用到双燃料机上实现了天然气和液化石油气的电控化，目前正进行匹配试验。
根据目前我国发动机的状况，提高我国柴油机技术水平急需解决下列的关键技术：
1、 关键零部件技术：如油泵油嘴和增压中冷。
2、 燃油品质：优质低硫的柴油是柴油机满足日益严格的排放
法规的前提。
3、 电控技术：柴油机电控技术对于发动机综合性能的优化和
提高至关重要。
4、 排放后处理关键技术： 如废气再循环技术（EGR），微粒
捕集技术以及NOx催化转化技术。
5、 整机开发及匹配技术： 如柴油机燃油、进气及燃烧系统
的匹配与优化技术，重型车用及轿车用柴油机技术。 6、 柴油机的制造、工艺及材质等技术。
随着中国机械工业的发展，特别是制造工艺水平的提高，相信中国的内燃机工业也会有一个很大的提高。
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