小缸径多缸增压柴油机发展综述
李大恺 周南 王宗跃
( 1. 山东光大拍卖有限公司 ,山东 济南 250012; 2. 济南重汽发动机厂,山东 济南 250002;3. 中国轻骑集团公司, 山东 济南 250101)
摘要: 本文分析了我国小缸径多缸增压柴油机的现状和发展动向，存在的问题与差距，改进提高的措施。涡轮增压和增压中冷是以较小的气缸排量和紧凑的结构尺寸获得较高功率的主要手段，同时具有降低燃油耗和改善排放等特点，随着柴油机化的加速和轿车、轻型车及农用机动车的不断发展为，小缸径多缸增压柴油机的发展提供了广阔的前景。
关键词：柴油机；小缸径；多缸；增压；中冷；发展动态
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1 小缸径多缸增压柴油机现状
柴油机以其经济性好、排放低和扭矩大等特点,在车用动力领域发展较快。我国目前车用柴油机生产较有规模的企业有27家，基本机型数31个。有关专家认为, 目前生产的车用柴油机，引进的产品只相当于国际上世纪 80～90年代初期水平,自主开发的产品相当于国际上世纪70～80年代中期水平,排放指标接近欧Ⅰ标准,少数达到欧Ⅱ标准。从发展来看，引进的性能先进的机型将进一步增加,而性能落后的机型会逐步淘汰。
我国 1～3t 级轻型车发展很快，在汽车总产量中所占的比例已达40%，但轻型车目前只有38.5%柴油机化，而且主要集中在载重量2t以上的货车和少量大型豪华中巴( 6600、6700)车上。当轻型车中载货车60%柴油机化、客车10%柴油机化时 ,再加上农用机动车这一巨大市场，则“十五”期间每年需要小缸径多缸车用柴油机 35～60万台，其中增压和增压中冷机型所占的比重将越来越大。
我国小缸径多缸增压柴油机在90年代得到较快发展, 研发了37个品种的增压机型, 但批量生产的只是其中一部分。3缸以上、缸径小于100mm的多缸机年产量已达38万台,主要用于农用运输车、轻型车、面包车、轮式拖拉机、中小型工程机械、小型船舶主辅机等。但目前缸径小于100mm的增压柴油机的产量 仅占总产量的6.5%,其中产量最大的是依维柯发动机。相比之下,主要用于中、轻型载重汽车、大客车、面包车及工程机械的缸径100～115mm 左右的柴油机目前年产量达38万台,其中增压机型产量占其产量的9.5%；缸径 120～140mm的柴油机增压机型占总产量的24%左右，其中产量最大的是 WD615 系列柴油机。据统计，目前我国中小功率增压柴油机产量占3缸以上柴油机总产量的 10.5%。
轻型机动车和农用运输车近年来大批量采用375、475、380、480、385、485、 490等机型的柴油机,转速一般在2600～3400r min ,多为自然吸气方式 ,结构较为紧凑 ,升功率为15.8～20.8kW L ,比重量为3.4～6.4kg kW。但随着发展，其动力性、转速、排放等难以适应新一代轻型机动车和农用车的发展需要,必须进行改造和更新换代、相比之下,国外轻型车配用的柴油发动机一般转速较高,比重量较低,升功率较大。尤其整车比功率较大,这是提高车速和可靠性的一个重要因
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素 。
山东省增压和增压中冷技术近些年有了较大的发展 ,不仅大缸径柴油机和内燃机车柴油机采用增压技术，中、小功率柴油机，尤其车用柴油机采用增压和增压中冷技术已较广泛。增压度一般在30%～200%之间。潍坊柴油机厂生产的WD615 系列发动机的增压和增压中冷机型广泛为重型汽车和多种工程机械配套 。在较小缸径(80～105mm) 车用发动机上也逐步推广应用，山东莱动研制了几种增压机型，山东黑豹公司与山东省内燃机研究所合作还在全国率先开发了缸径80mm 左右的六缸直喷增压型柴油机( 680QBKZ)，山东省增压器和中冷器的产量、质量和品种也在不断提高 。
全球柴油机市场保持增长的势头。在发动机总产量中柴油机的占有率已由 1995年的17%增加到去年的19%, 预计到2003年将达到 21%。在西欧,增长的趋势最为显著。在这个有着全世界最严格的排放法规和较高燃油价格的地区, 过去十年中 ,柴油机轿车的产量由不足 200万辆发展到400多万辆 ,新增10%的市场份额,很多国家的新增柴油机轿车占了总量的三成以上。根据欧洲汽车制造商协会承诺的排放水平, 到2008年,不同重量汽车的二氧化碳平均排放值将降至140 克 公里的水平。在欧洲，自实施限制排放法规以来, 氮氧化物和颗粒物的排放均减少了85%。表1为欧共体排放法规趋势 。
日本和欧洲1t级车和2～3t级车机型，增压和增压中冷都占一半以上。随着废气排放、烟度、噪声等方面要求越来越严格,国外公司采取的对策和新技术有：采用缩口型直喷燃烧室；采用小型P 系列喷油器；采用新型带陶瓷镶块的涡流室；采用两级供油速率的分段凸轮；双弹簧喷油器；采用主轴承盖联体的梯形框架两体式气缸体；四缸机普遍采用高平衡性的八平衡重曲轴及平衡轴；一些机型采用了电控的EGR技术和电控分配泵等。
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表1 欧共体排放法规趋势
2 增压中冷系统
涡轮增压和增压中冷能以较小的气缸排量和紧凑的结构尺寸获得较高功率 。由于废气涡轮增压回收了部分能量，又相对减小了机械损失和散热损失,提高了发动机的机械效率和热效率，使发动机涡轮增压后燃油消耗率可降低5～ 10%。在高原地区采用涡轮增压可恢复发动机输出功率。采用涡轮增压加中冷是小缸径多缸柴油机发展的必然趋势 ,因为不仅能提高发动机性能、改善燃油经济性，还是满足日益严格的排放法规所必需的有效技术措施。南京依维柯已于 1997 年开始生产采用了直喷增压和直喷增压中冷技术的2.5升索菲姆发动机。我国涡轮增压器产业经过40多年的发展,包括国外投资企业在内的年生产能力已达 100万台,预计2005年全国增压器需求总量为250万台,2010年为300万台，发展前景看好。
随着增压压力的提高,压气机出口的空气温度随之升高，在一定程度上限制了空气密度的提高。要进一步增加空气密度,只有降低增压空气的温度,这时就要采取中间冷却措施。中冷器位于涡轮增压器压气机的下游。在换热过程中它带走了由于空气压缩和摩擦所产生的热量。中冷器的冷却作用增加了燃烧室里的空气
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密度，也降低了燃烧室的温度。
涡轮增压器和中冷器要经过精确匹配，以满足发动机性能和排放要求。这往往要对涡轮增压器供气量的特别精确的控制。旁通阀使发动机能以最大增压响应性来产生最高增压压力，而在发动机高转速或高负荷时，消除进气管里空气压力过大(过增压)的可能性。可变几何或可变截面涡轮增压器可改变柴油机的扭矩特性、响应性和排放特性。特别精确的控制则需采用电子控制的涡轮增压器。将滤清器、增压器、中冷器及进排气管道作为一个整体系统进行研究开发已取得重要进展，以尽量减少各种流动损失，使总效率最高。
试验表明,在给定的增压压力下，增压空气温度每下降10℃，它的密度就增大 3%,当空气和燃油消耗率都保持不变时，柴油机的功率就能提高3%。不仅如此, 发动机效率也随增压空气温度下降而上升，每下降 10℃，效率提高约0. 5%。因此，在同样的空燃比下，增压空气温度每下降10℃，功率实际上可提高约3. 5%。进气中冷不但可提高发动机的功率，而且还可降低发动机在相同额定功率下的热负荷和排气温度以及最大爆发压力，还是作为降低发动机排气中 NO x 的一种重要措施。
中冷器实际上是一种热交换器，发动机中冷器一般应用水对空、空对空两种冷却形式。水对空中冷器有利用发动机循环水和独立的循环水系统两种。前者结构简单，可根据空间和实际条件直接装在发动机上，但发动机水温大约在80～90℃左右，所以空气的冷却程度有限。后一种由于可利用温度较低的冷却水，增压空气的冷却效果较好，但需要设置单独的冷却水系统，一般只用于固定式的柴油机或船用发动机。空对空中冷可用于难以得到温度较低的冷却水的场合，它通常是用管子将空气通到单独安装在前面的散热器，利用装在柴油机上的风扇转动供给的冷却空气进行冷却，增压空气的温度可冷却到 50～60℃。但由于空气的传热系数比水低得多，所以体积要比水对空中冷器大些。一般将空对空中冷器直接布置在发动机冷却水箱的前面，但应靠近增压器。随着增压技术的进一步发展， 中间冷却系统技术水平也在不断改进提高。
中冷器的结构型式很多，但最常用的是板翅式和管式两种。板翅式中冷器的紧凑性较好，在相同容积条件下散热面积大，但其阻力损失要比管式中冷器大些。车用发动机由于对部件外形尺寸要求严格，所以一般采用板翅式中冷器。板翅式中冷器的翅片可以制成各种不同的型式，在相同压降条件下，锯齿形翅片的传热
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