小缸径多缸增压柴油机发展综述

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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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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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/t1k.html