小缸径多缸增压柴油机发展综述(2)

2019-03-10 17:52

系数比光直翅片一般高 30%左右。板翅式中冷器大多用铜或铝合金制造,铝由于有良好的物理机械性能和耐蚀性,价格便宜,在中冷器上也得到较广泛的应用。原山东工业大学引进的俄罗斯冷轧肋片管生产热交换器技术相比管片式,热交换效率提高的幅度很大,结构紧凑,可靠耐久,该项技术已用于中冷器和其它热交换器的产品生产。

3 问题与差距

尽管我国车用发动机工业取得了很大发展,但无论是企业的综合实力、技术开发能力、配套技术水平,还是产品的生产成本及持续发展能力等方面,与国外著名企业和产品相比都有很大的差距。我国小缸径多缸增压柴油机更是如此。产品技术落后,动力性能、经济性能与国外先进水平都有很大差距,强化程度低,平均有效压力和升功率一般低10~20%,外形尺寸偏大,比重量一般大10~30%, 烟度比国外同类机型高1.5~2BSU,CO、HC和NO x等有害气体排放量高出20~ 30%,PM和噪声差别更大。比功率偏小,同等吨位的车所配用发动机的功率比国外低10~30%。可靠性、耐久性则差距更大,国外机动车一般首次故障里程已超过5万km,第一次大修里程已超过20万km。

从技术角度分析,制约我国车用小缸径多缸增压柴油机发展的原因,一是开发技术落后,虽然大型企业集团的技术开发部门已配备了一定数量的高档硬件和大型应用软件,但主要用于进行局部环节的工作,离实现从概念设计到结构分析及产品试制的全套一体化计算机辅助产品开发还有相当的距离,而许多中小型企业的计算机辅助开发设计水平仅仅停留在计算机绘图阶段,有关专家认为目前总体上还不具备车用发动机的开发能力。二是试验手段落后,目前我国试验技术与装备水平是制约产品开发能力和提高产品质量的重要因素,一些大型企业的技术部门还缺乏不少必要的试验设备,如高水平的转鼓、多点多自由度的振动模拟试验台、高性能的发动机试验台及适应美欧排放标准的检测仪器和设备等,多数企业只具备常规性能试验能力;三是零部件、材质和工艺装备的差距,在采用的高速度强力磨削工艺、高强度薄壁铸造技术、精密锻造和精密冲压、新材料和优质材料、大量应用压铸件,采用高速精加工,在线自动测量、自动调整技术、自动分组测量、密封部位自动检查、高度自动化的试验、检测设备等方面有较大差距。

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增压器和中冷器的生产企业规模偏小,研究与开发能力差,与国外先进水平差距较大。

我国包括增压机型在内的小缸径多缸柴油机在内的发动机相比工业化国家 ,不仅品种少,而且现有的机型从功率、油耗、排放等方面难以满足发展的需要,严重地制约了我国轻型机动车和农用车的更新换代和发展。表2为国内外轻型机动车几项指标对比。“十五”期间是我国轻型机动车和农用车用中小缸径多缸柴油机产量迅速发展、技术水平迅速提高的时期,排放要达到新的水平,必须十分重视增压和中冷技术的开发应用。

表2 国内外轻型机动车几项指标对比

4 措施与发展前景

李斯特研究所(AVL)认为柴油机未来的几项技术发展强调通过涡轮增压,利用排气能量;提高涡轮增压效率,特别是改进后弯曲叶轮压缩机,使柴油机效率和比功率提高;中冷增压技术的发展,可使涡轮增压柴油机得到更高的功率输出。涡轮增压技术发展的目标仍是可提高柴油机效率的可变涡轮形状、两级涡轮增压和中冷增压。面临排放的挑战,燃料喷射系统是关键性的,特别是电子控制。柴油机油耗低,二氧化碳排放远低于汽油机,可减少45%以上的温室气体排放。开发全电控车用柴油机产品。利用微电子技术的成果对内燃机燃油、进气、排气、冷却等系统进行控制,并对环境、工况和故障等作出反应,实施全自动的管理。也是车用柴油机达到排放法规必要的技术措施。

为了获得小缸径多缸增压柴油机良好的经济性和动力性,自上世纪80年代以来,我国先后引进了包括小缸径多缸增压柴油机在内的多种国外发动机,在某种程度上缩小了我国与国外的差距。上世纪90 年代轿车、轻型车发动机产品技术和制造技术的引进、生产和消化吸收也为我国车用发动机产品的自主开发创造

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了有利条件。

清华大学发动机控制科研组针对IVECO的发动机进行了可变喷嘴涡轮增压器电子控制系统的研制和柴油机柔性动力系统的的研制。解决增压器与柴油机的匹配问题和提高增压柴油机的瞬态响应上,可变截面涡轮增压器表现出了强大的优势。整个控制系统包括电子控制单元硬件、控制算法和软件、计算机监控系统与标定系统三部分。车用柴油发动机柔性控制系统通过对柴油机油量的控制,实现了柴油机以多种模式输出动力,使柴油机可以随运行环境和驾驶员需要调整动力输出特性,以满足对汽车排放性、经济性、动力性、适应性、多种用途动力输出要求,已通过国家验收。

在493ZQ柴油机上匹配大容积进气管、渐扩式排气管的方法,以及在气波增压器与发动机之间寻找理想的转速比,对气波增压柴油机的性能及排气净化进行的试验研究,获得了实用的匹配规律。试验结果证明,与原涡轮增压样机相比,采用变速比的气波增压样机具有非常优良的排放性能和瞬态响应性能,同时还具有良好的动力性、经济性,加速时不冒黑烟,彻底克服了涡轮增压柴油机瞬态响应滞后、低速供气量小的弱点。采用新型转子的CX-102型气波增压器有效地降低了噪声。

绅宝公司开发出一种可变压缩比(SVC)机械增压发动机,可使一台1.6L的发动机输出像3.0L发动机一样的功率,而且仍然保持着小型发动机燃料经济性高和排放低的优点。在绅宝9-5轿车上安装这168kW的初期SVC机型所做的试验表明,这种机型在功率、扭矩和机动性方面都有很大的潜能,并且发出一种跑车用户所欣赏的音质。城市和公路的综合油耗为8.3L 100km。该机CO、HC和NOx的排放可以符合现在和未来的法规要求。大部分的机械增压器噪声可以被封闭在发动机的进气歧管中。

专家认为提高车用柴油机技术有以下几个关键。增压和增压中冷技术,包括增压器电控;关键零部件技术,如油泵油嘴和增压中冷技术;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;采用多气门技术等结构;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;排放后处理关键技术,如废气再循环(EGR)技术、微粒捕集技术以及NOx催化转化技术;整机开发及匹配技术,如柴油机燃油、进气及燃烧系统的区配与优化技术;柴油机的制造、工艺及材质等技术。同时,要提高车用柴油机排放标准和控制、检测

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排放的技术手段。车用发动机的产品要走多品种系列化生产的发展道路,在制造方面采用高水平的柔性生产系统等先进技术。推动车用发动机采用先进技术最重要的因素是环保要求和排放法规。

内燃机行业“十五”规划总量目标:根据市场分析及国民经济发展趋势,预测“十五”期间内燃机行业在产值产量方面年增长率在6~7%。内燃机商品量达到2.4亿kW,工业总产值1000亿元,其中内燃机配附件产值达到240亿元,出口创汇达到3.5~4亿美元,其中小缸径多缸柴油机及其增压和增压中冷机型将是发展的亮点。

小缸径多缸柴油机受到了轻型汽车、四轮农用运输车和中小功率轮式拖拉机市场需求的拉动,2005年市场需求量100~120万台左右,有大发展的空间。随着我国新的排放法规的推行以及城乡运输和农机化的发展与出口的需要,加速开发新一代节能、低排放、高可靠性、配套适应性好的小缸径多缸增压柴油机已是大势所趋。

5 小结

(1)小缸径多缸增压柴油机发展迅速,但目前缸径小于100mm的增压和增压中冷机型的产量占的比例还很小。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,小缸径多缸增压柴油机有着良好的发展前景。

(2)我国小缸径多缸机在增压方面有较大的差距,尤其排放和可靠性指标差距较大,必须采取有力的措施加以提高。

(3)为了适应新的排放法规和国内外市场发展的要求,开发适应新一代轻型机动车和农用车发展的低排放、动力强劲的小缸径多缸增压柴油机已刻不容缓。

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参考文献

[1] 陆家祥.柴油机涡轮增压技术.机械工业出版社,1999.9. [2] 范明强,赵春强.国内外轻型车柴油机的现状和发展,2001. [3] 陆家祥.车用柴油机增压.机械工业出版社,1993.12.

[4] 周裕干,王序歧,李大壮.农用机动车及其柴油发动机的发展与WTO.《山东内燃机》,2002 年第4期.

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