汽车柴油发动机结构图专题之发动机知识合集——柴油机

柴油机

摘要: 柴油发动机由鲁道夫·迪塞尔博士于 19世纪后期发明，是当今已知的所有类型的内燃机中最节能的动力装置。这种高效率带来了良好的燃油经济性和低温室气体排放。柴油特性包括耐用性、可靠性和燃料安全性是其他能源转换机器无法比拟的。柴油机的缺点包括噪音、NOx 和 PM 排放以及成本高。

• 什么是柴油发动机？
• 柴油机的种类
• 效率和温室气体排放
• 柴油机的特点

1.什么是柴油发动机？

大多数现代柴油发动机使用传统的气缸和活塞装置，该装置通过与其他内燃机（例如汽油发动机）常见​的连杆曲柄机构进行操作。考虑到这种基本机理，柴油机和汽油机的基本结构差别很小。

从概念上讲，柴油发动机通过将空气压缩到高压/高温，然后将少量燃料喷射到这种热压缩空气中来运行。高温导致少量高度雾化的喷射燃料蒸发。与燃烧室中的热周围空气混合，蒸发的燃料达到其自燃温度并燃烧以释放储存在该燃料中的能量。

柴油发动机的定义多年来一直在演变。 “真正的柴油机”的一个早期定义是具有以下特征：

1. 足以产生燃料自燃所需温度的压缩比。
2. 通过压缩空气喷射燃料。
3. 最大循环压力（在燃烧过程中达到）不会大大超过压缩压力，即没有明显的爆炸效果。

上述特征的第一点与现代柴油机一致，后两点则不然。在 1920 年代和 1930 年代期间，其他两个特征失去了意义。

固体燃料喷射在 1910 年左右开始出现，但直到 1920 年代末才开始迅速获得认可。有趣的是，迪塞尔本人选择鼓风喷射更多是出于必要而非选择。迪塞尔设想了一种固体喷射型燃料系统，而不是空气喷射系统。

柴油机非常严格地遵守恒压燃烧。然而，这只有在 1920 年代之前常见的大型相对低速柴油发动机中才有可能。在 1920 年代出现的小型高速发动机中，实际考虑意味着燃烧更接近于奥托循环中的恒定体积过程，而不是迪赛循环中的恒定压力。

2.柴油机的种类

2.1分类

内燃机的一种分类是基于发动机循环的类型——柴油发动机可以在 (1)二冲程循环或 (2)四冲程循环上运行。四冲程柴油发动机是迄今为止最常见的。虽然二冲程发动机在过去更受欢迎，但仍有一些应用继续使用。其中包括：缸径高达约 1 m 的低速船用发动机和一些中速柴油发动机（尤其是 EMD 生产的那些）。由于满足排放法规的挑战，底特律生产的高速二冲程柴油发动机不再适用于北美和欧洲等市场。然而，许多二冲程柴油发动机概念正在开发中，包括轻型飞机发动机和几种对置活塞发动机设计，例如 Achates Power、Ecomotors 和 Cox Powertrain 的设计。

另一个重要的发动机分类是基于燃烧室的类型。柴油发动机有两种基本的燃烧室配置：(1)直接 喷射设计和 (2)间接喷射 设计。由于其卓越的热效率和燃油经济性，直喷设计已用于大多数现代柴油发动机的所有应用。间接喷射虽然仍在一些（主要是非道路）柴油发动机中使用——主要具有一些历史意义。

2.2 间接喷射

在间接喷射 (IDI) 发动机中，燃料通过被喷射到与主燃烧连接的相对狭窄通道的预燃室。 IDI 发动机有时被称为分体燃烧室发动机。预热塞通常安装在预燃室中以帮助冷启动，此时燃油喷雾与预热塞的炽热尖端接触并在有限的体积内开始燃烧。气态产物流过连接分隔室两部分的喉部，并继续其氧化过程进入主燃烧室。预燃室中的燃烧强烈，产生的气体和部分燃烧的副产品通过喉部区域在主燃室中产生大量湍流。这种湍流归因于主燃烧室中的空气与剩余的未燃烧燃料以及来自预燃烧室的热副产品混合。在压缩冲程期间，当空气以相反方向从主腔室通过喉部并进入预燃烧室时，也会发生类似的作用。流入预燃室的空气的动能产生湍流，这归功于混合燃料和空气以进行适当燃烧。出于这个原因，IDI 应用中的喷射压力不必太高，因为混合更多地取决于空气的动能

图 1 显示了三种不同的预燃室设计。它们代表了喉部区域的各种形状、长度和宽度，但它们都有一些共同的特征。它们都带有电热塞辅助冷启动，并且它们都有一个连接两个腔室的喉管，这对发动机效率有不利的作用。在压缩冲程期间进入预燃室容积的空气流动总是受到喉部的阻碍，这增加了泵送损失，从而降低了这一概念的整体效率。所有预燃室发动机设计的另一个共同特征是暴露于发动机冷却剂的表面积相对较高，从而导致冷却损失增加。

图 1 三种 IDI 燃烧室设计

预燃式柴油发动机还有其他几个缺点，例如热效率较低、离开喉部时火焰冲击活塞顶，在某些设计中，来自喉部的热气体可能会撞击阀门，导致某些关键部件过热和快速劣化，缩短机油寿命。

另一方面，预燃式发动机具有较低的噪声特性，这与较低的压力上升率以及最大燃烧压力和温度直接相关。所有这些特性使它们非常适合以驾驶舒适性为重中之重的乘用车应用。

曾几何时，IDI 发动机主导了许多细分市场。它们使用相对便宜的低压燃料喷射装置产生相对较低的颗粒排放的能力使得它们在昂贵的高压燃料喷射设备难以证明自身合理的时候具有相当大的吸引力。然而，在大多数应用中，IDI 发动机已被 DI 发动机取代，现代 IDI 柴油发动机仅限于以低成本为主要考虑因素且排放限制足够高以允许使用 IDI 燃烧系统的应用。例如，在北美和欧洲，IDI 柴油发动机继续用于一些额定功率低于 75 马力的非道路发动机。

在乘用车市场，IDI 发动机的燃油经济性通常比其汽油竞争对手高 15-20%，尤其是在火花点火式发动机通常节流较大的城市驾驶条件下。1980 年代中期，IDI 在乘用车市场上对 DI 发动机的主导地位受到挑战，当时福特于 1984 年向欧洲市场推出了第一台生产的轻型高速 DI 柴油发动机 (HSDI)；2.5L 自然吸气 福可约克在 4000 rpm 时产生 52 kW 的功率，最初用于福特。1990 年代燃油喷射系统的发展以及对燃油经济性的重视使得直喷 (DI) 设计以牺牲 IDI 发动机为代价占领这一市场领域成为可能。

现代乘用车柴油发动机现在都有DI燃烧系统。新型 HSDI 发动机的燃油效率比其 IDI 前辈发动机还要高，平均油耗比 IDI 发动机低 10% 到 15%。与汽油发动机相比，在某些情况下，燃油经济性优势可能接近 30% 至 40%。用于生产用于乘用车应用的新型 DI 发动机的新发动机设计和材料已经证明，HSDI 发动机可以在可接受的噪音、振动和声振粗糙度 (NVH) 特性下运行

2.3直接喷射

DI 柴油燃烧系统中的燃料直接喷射到主燃烧室——不使用单独的预燃室。在 DI 柴油发动机中，燃烧室通常在活塞顶部呈碗状，如图 2 所示。空气和燃料能量都有助于混合气的制备，从而提高燃烧效率。因此，在精心设计燃烧系统并将其与燃油喷雾特性相匹配以优化发动机性能，同时最大限度地减少有害废气排放方面付出了巨大的努力。由于该燃烧系统中的混合物制备更多地依赖于燃料喷雾的动能，喷射压力和喷射器喷嘴孔的几何形状（孔直径和长度）在 DI 中比 IDI 发动机更重要。

图 2。开室DI燃烧系统

没有带有喉部限制的分隔室导致 DI 系统中的泵送损失减少。此外，在没有预燃室的情况下，与 IDI 系统相比，暴露于冷却剂的表面积大大减少，从而降低了冷却剂的热损失。这些特性使 DI 发动机的燃油经济性比 IDI 发动机高 10% 到 15%。由于这个原因，大多数现代柴油发动机装置现在完全是开室直喷发动机。

3.效率和温室气体排放

柴油发动机是非常高效的动力。重型柴油卡车发动机的制动效率 (BTE) 约为 45%，而轻型乘用车发动机的 BTE 约为 40%。使柴油发动机实现其高性能和卓越燃油经济性的重要因素包括无节流阀运行和利用高压缩比的能力。与许多其他类型的热机相比，柴油机具有减少 CO 2排放的潜力。

图 3 展示了德国联邦环境署在对 99 辆汽油和 36 辆柴油动力车辆获得的NEDC驾驶循环中的尾气 CO 2排放量。从该研究中得出的结论是，柴油发动机在 CO 2排放方面平均比汽油发动机具有 19% 的优势。该研究中涉及的柴油发动机大多是间接喷射发动机，其燃油效率比直接喷射发动机低约 10% 至 15%。基于这一观察，推测运输相关的 CO 2减少了 25%可以通过鼓励采用直喷柴油发动机来实现排放。欧洲环境署 2013 年发布的数据（图 4）表明，在 NEDC 周期内运行的车辆确实如此。然而，柴油机在其他驱动循环上运行时提供的优势较小，例如在美国 FTP上。

图 3。大约1991年汽油和柴油乘用车的 CO 2排放量

NEDC测试周期

图 4。大约 2013 年汽油和柴油乘用车的 CO 2排放量

NEDC 测试周期

重要的是要认识到类似柴油的 BTE 水平和 CO 2排放也可以在使用多种效率技术的火花点火 (SI) 发动机中实现。SI 汽油 BMEP（或扭矩密度）通常被认为不如柴油。从历史上看，SI 发动机概念的效率一直受到相对较低的压缩比、低 BMEP 以及需要节流进气气流以控制发动机输出的限制。然而，使用先进的燃烧概念与车辆高效率技术相结合，许多这些限制因素已被克服——提高动力传动系统效率、改进变速箱、减轻车辆重量、降低空气动力阻力和降低滚动阻力。

此外，带有汽油或柴油发动机的混合动力系统可以提供额外的 CO 2减排量。例如，在某些驾驶条件下，以汽油为燃料的混合动力车产生的 CO 2排放量甚至比性能最好的非混合动力柴油车还要低。

火花点火发动机的效率。SI 汽油发动机历史上较低的压缩比直接影响其热效率。然而，直接燃油喷射、进气歧管增压和可变气门正时和升程等技术的广泛采用，使汽油发动机能够利用高达 14:1 的压缩比和高达 17 的压缩比带来的效率优势。

在传统的 SI 发动机中，节流进气是用于控制功率的主要手段。由此产生的“节流损失”会对发动机的整体效率产生不利影响，尤其是在发动机低负载时。可变进气门升程是一种可用于控制进气气流同时减少节流损失的方法。高水平的 EGR 也可用于减少泵送损失。

三元催化剂的发明和发展为SI发动机提供了相对简单、成本低廉的排气后处理系统，使SI汽油发动机能够实现极低的排放。然而，三元催化剂要求发动机以化学计量的空燃比运行，从效率的角度来看，这通常不是最理想的。

一些原始设备制造商正在开发使用先进燃烧概念的汽油发动机。许多这些计划的一个目标是使用汽油燃料实现类似柴油的发动机效率，同时避免需要采用昂贵的柴油发动机后处理系统。在许多情况下，通过使用各种手段来实现更高的效率，包括使用“类似柴油”的压缩比、消除进气节流损失、接近理想奥托循环的恒定体积概念的快速燃烧和减少热量损失。自 2000 年代后期以来，包括通用汽车、戴姆勒、马自达、德尔福和现代在内的多家发动机制造商正在开发多种先进的内燃机方法。

2014年量产SI汽油机的最大效率约为38.5%。在接下来的十年中，不仅有可能看到这一比例高达 45%，而且在 BTE 相对较高的情况下，汽油发动机的速度/负载图区域也会更大。

在本田的一个例子中，45% 制动热效率汽油发动机的一些特性包括：17 的几何压缩比，12.4 有效压缩比的进气门延迟关闭，1.5 的冲程/缸径比和 35% EGR 率。需要高湍流强度、高能量点火系统和优化的燃烧室设计来实现高 EGR 率。低压回路 EGR 系统确保了足够的废气流量用于涡轮增压。增压系统需要并联多级涡轮增压器来实现所需的增压气流范围。该发动机设计用于 91 辛烷值燃料。

4.柴油机的特点

4.1标准排放

几十年来，发动机设计人员一直面临着控制柴油发动机 NOx 和颗粒物排放的艰巨挑战。自 1970 年代中期以来，火花点火发动机已经能够使用相对便宜的后处理系统，通过化学计量空气燃料充注来控制 NOx、CO 和未燃烧碳氢化合物 (HC) 的排放。此外，空气/燃料充注的相对均匀的预混特性意味着产生很少的颗粒物质。柴油发动机不存在这样简单的解决方案。柴油燃烧的整体稀薄特性使得 NOx 控制非常困难且相对昂贵，而非常不均匀的空气/燃料混合物容易产生颗粒排放。

表 1 用美国 EPA 认证数据说明了这一点。为了满足1991车型的现行排放标准，柴油发动机不需要后处理系统。HC 和 CO 排放量都远低于规定的限值，并且是汽油发动机排放量的一小部分。即使是柴油发动机的 NOx 排放量也比相应的汽油排放量低近 1.0 g/bhp-hr。虽然当时许多汽油发动机无需后处理就可以达到规定的限制，但有些发动机使用三元催化剂进行认证。三元催化剂的排放优势显而易见。

早在 2013 车型年之前，排放限制已经迫使道路柴油发动机采用后处理系统来控制许多应用的微粒排放（柴油微粒过滤器，DPF）和 NOx（尿素选择性催化还原，SCR）。在许多情况下，这些后处理系统可以额外减少 HC 和 CO。除了 2013 年汽油发动机的二氧化碳排放量高​​于柴油发动机外，现代汽油发动机和柴油发动机的排放量几乎没有区别。

表 1 美国 EPA 重型瞬态 FTP 循环期间道路重型柴油和汽油发动机的排放
测试条件	排放量，g/bhp-hr
	HC	CO	NOx	PM
1991 年款
柴油，发动机输出	0.15	1.5	3.4	0.07
汽油，发动机输出	0.81	30	4.3	-
汽油三元催化剂	0.07	2.3	0.04	-
2013 年款 b
带 SCR 和 DPF 的柴油	0.01	0.29	0.20	-
汽油三元催化剂	0.09	4.2	0.13	-
a结果是 15 台汽油发动机、9 台柴油发动机和 3 台配备三元催化剂的重型汽油发动机的数学平均值。所有发动机的容量约为 7.0 L。 b结果是 4 台汽油发动机 L) 和 5 台柴油发动机 L) 的数学平均值。

有趣的是，用于计算表 1 中平均值的三元催化剂的汽油发动机的排放量在过去 20 年中并未减少。

4.2耐用性

发动机的耐用性主要与材料和部件的选择有关，而不是与发动机的运行周期有关。许多重型柴油发动机旨在提供比轻型汽油发动机长约 3-5 倍的使用寿命。在重型应用中，柴油发动机在需要进行全面检修之前能够持续运行一百万英里（160 万公里）并不罕见。在低速船用柴油发动机中，一些主要部件的保养间隔可以超过 100 000 小时。

4.3可靠性

传统上，柴油发动机比汽油发动机具有更高的可靠性。老式汽油发动机中的火花点火系统是不可靠的重要来源。然而，随着排放控制系统的引入，迫使柴油发动机设计采用带有许多传感器和废气再循环系统的复杂控制系统，柴油发动机的可靠性受到了影响。JD Power 重型卡车发动机/变速箱研究结果表明，大约 1/4 的重型卡车发动机车主在采用 EGR 以满足 EPA 2004 排放限制之前报告了与许多发动机相关的问题。到 2011 年，这个数字几乎是1/2 。 毫无疑问，制造商将努力提高这些低排放发动机的可靠性。

有趣的是，轻型火花点火 (SI) 发动机的可靠性得到了显着改善，因为需要确保车辆在整个生命周期内的低排放以及具有挑战性的车载诊断 (OBD) 系统。使用寿命长的火花塞、坚固的高压点火系统部件、长寿命的排气系统和坚固的燃油系统部件等特性对于在车辆的整个生命周期内保持低排放，同时确保车主不会因过度频繁的车辆维修而负担沉重。

4.4燃料处理和储存

柴油的闪点比汽油高，便于安全处理和储存。柴油燃料的挥发性也比汽油低，通常不需要第 1 阶段或第 2 阶段蒸气回收系统来控制燃料处理过程中蒸气的释放。许多司法管辖区要求在汽油储存点（例如，在码头、散装厂、加油站和货油罐）中使用第一阶段蒸气回收系统，以防止汽油蒸气释放到大气中。一些司法管辖区还要求第 2 阶段蒸汽回收系统在加油期间从车辆油箱中收集汽油蒸汽。

4.5压缩率

由于柴油发动机通常不考虑爆震，因此它们可以在更高的压缩比下运行。更高的压缩比通常转化为更高的热效率。与汽油发动机相比，这一事实是柴油发动机效率更高的几个重要因素之一。

应该注意的是，对于有效压缩比、有效膨胀比和几何压缩比都近似相等的发动机设计，效率的最佳压缩比约为 15:1。较高的压缩比往往会增加摩擦损失，并且可能对发动机效率有害。虽然一些柴油发动机使用高于最佳效率的压缩比，但通常这样做是为了确保足够的缸内温度，以确保可靠的冷启动和低白烟排放。现代发动机可以使用多种技术来促进冷启动，而柴油发动机的趋势是降低压缩比以达到最佳效率值。

SI 汽油发动机传统上使用远低于最佳效率的压缩比来避免爆震。然而，诸如 GDI 和可变气门正时等技术使 SI 发动机能够使用比过去更高的压缩比。SI 发动机的趋势是向效率的最佳值增加压缩比。

马自达的 SKYACTIV 发动机系列是一个有趣的例子，它说明了柴油和汽油发动机压缩比的收敛。该发动机系列的汽油和柴油版本均设计为使用 14:1 的压缩比。

4.6摩擦损失

内燃机的摩擦损失与包括发动机转速在内的几个因素有关；在较低的发动机转速下损失较低。柴油发动机通常在升高的进气歧管压力下运行（例如，通过涡轮增压）并且不像预混合充气汽油的SI发动机那样容易发生爆震或提前点火。因此，柴油发动机在低发动机转速下可以产生比自然吸气 SI 发动机更大的扭矩。由于功率输出与其扭矩和速度的乘积成正比，因此当比较产生相同额定功率的柴油发动机和汽油发动机时，柴油发动机通常会在相当低的发动机速度下运行并产生更低的摩擦损失。

然而，汽油发动机已被涡轮增压直接喷射设计所吸引，这种设计产生的低速扭矩比其自然吸气式前辈高得多。这使得这些较新的 SI 发动机能够在较低的发动机转速（降速）下运行，以利用较低的摩擦损失。

4.7泵送损失

柴油发动机的功率输出是通过改变燃料速率来控制的，而不是像传统汽油发动机那样通过节流进气来控制。由于不采用节流，因此不会干扰进入发动机的进气，从而保持良好的发动机充气和容积效率以及减少的泵送损失。换言之，发动机为引入足够的空气以进行有效燃烧所做的功被最小化。这是柴油发动机相对于 SI 发动机具有相对高效率的另一个重要因素。

然而，与压缩比一样，SI 发动机设计人员采用了多种技术，将柴油发动机传统上享有的一些优势转化为汽油发动机。一些通常用于减少 SI 发动机泵送损失的技术包括：进气门提前或延迟关闭、可变气门驱动、冷却 EGR 和气缸停用。

4.8噪音

主要由于燃烧过程的性质，柴油发动机传统上被认为是嘈杂的。然而，发动机和车辆设计人员能够显着降低现代柴油车辆的噪音水平，并使柴油和汽油之间的差异几乎难以察觉。用于降噪的一些工具包括现代燃油喷射系统，它们能够提供多次喷射和喷射率整形、发动机缸体结构加固和发动机舱消音材料。

4.9比输出

虽然传统上认为柴油发动机具有低比输出，但自 1990 年代初以来，这种情况发生了很大变化，图 5，现代增压柴油发动机的比输出很容易超过自然吸气式 SI 典型的 50-60 kW/L引擎。随着体积比功率密度 (kW/L) 的增加，重量比功率密度 (kW/kg) 也随之增加。由于低速扭矩水平的提高，现代轻型柴油发动机已经发展到与 SI 发动机相比，它们可以在加速性能方面提供显着优势。现代柴油发动机也适用于赛车应用，以与使用 SI 发动机的车队竞争甚至获胜。例子包括用于勒芒的奥迪 R10 和马自达的 SKYACTIV-D GRAND-AM GX 类车。

图 5。乘用车柴油机比输出的演变

为了充分利用柴油发动机中较高的低速扭矩，通常需要比传统 SI 发动机更坚固、更昂贵的变速器。然而，随着在 SI 发动机中出现发动机降速的趋势，SI 发动机越来越多地与更复杂且具有更多传动比的更昂贵的变速器耦合。此外，SI 发动机与混合动力传动系统结合使用，混合动力传动系统需要一个或多个电机和相关部件，这些部件比任何连接到柴油发动机的变速器都要昂贵得多。

5.成本

尽管自 1980 年代以来柴油发动机经历了许多设计变化和演变，但高昂的发动机成本仍然是一个重要问题。这种高成本的主要原因是高压燃油喷射系统和昂贵的后处理系统。在现代柴油发动机中，后处理通常包括一个微粒过滤器和一个带有尿素剂量的 SCR 催化剂系统——一个比典型汽油发动机复杂得多的排放系统。

然而，与汽油发动机相比，柴油发动机同时满足 CO 2限值的成本可能更低——为满足严格的温室气体排放限值，汽油发动机需要增加昂贵的技术，例如涡轮增压和混合动力。

6.排气温度

最后，随着对燃烧后排放控制装置的新重视，柴油发动机的低排气温度特性被视为喜忧参半。它们通过最小化的排气热损失表现出良好的效率，但它们也对排气后处理提出了挑战，后者通常需要更高的温度才能有效运行。