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阅读 6106 次 历史版本 0个 创建者:冰菊物语 (2013/6/20 17:15:04)  最新编辑:冰菊物语 (2013/6/20 17:15:04)
柴油機
拼音:Cháiyóu Jī (Caiyou Ji)
同义词条:柴油发动机,狄塞尔发动机
  柴油發動機是燃燒柴油來穫取能量釋放的發動機。它是由德國發明家魯道夫·狄塞爾(RudolfDiesel)於1892年發明的,爲了紀念這位發明家,柴油就是用他的姓Diesel來表示,而柴油發動機也稱爲狄塞爾發動機。
 

簡介

 
柴油機
               柴油機
  柴油發動機的優點是功率大、經濟性能好。柴油發動機的工作過程與汽油發動機有許多相同的地方,每個工作循環也經歷進氣、壓縮、做功、排氣四個行程。但由於柴油機用的燃料是柴油,其粘度比汽油大,不易蒸發,而其自燃溫度卻較汽油低,因此可燃混合氣的形成及點火方式都與汽油機不同。不同之處主要是,柴油發動機氣缸中的混合氣是壓燃的,而不是點燃的。柴油發動機工作時進入氣缸的是空氣,氣缸中的空氣壓縮到終點時,溫度可達500-700℃,壓力可達40—50個大氣壓。活塞接近上止點時,供油系統的噴油嘴以極高的壓力在極短的時間内向氣缸燃燒室噴射燃油,柴油形成細微的油粒,與高壓高溫的空氣混合,可燃混合氣自行燃燒,猛烈膨脹,產生爆發力,推動活塞下行做功,此時的溫度可達1900-2000℃,壓力可達60-100個大氣壓,產生的功率很大,所以柴油發動機廣泛的應用於大型柴油設備上。
 

發明者


  柴油用英文表示爲Diesel,這是爲了紀念柴油發動機的發明者――魯道夫·狄塞爾(RudolfDiesel)。

  狄塞爾生於1858年,德國人,畢業於慕尼黑工業大學。1879年,狄塞爾大學畢業,當上了一名冷藏專業工程師。在工作中狄塞爾深感當時的蒸氣機效率極低,萌發了設計新型發動機的念頭。在積蓄了一些資金後,狄塞爾辭去了制冷工程師的職務,自己開辦了一家發動機實驗室。

  針對蒸汽機效率低的弱點,狄塞爾專注於開發高效率的内燃機。19世紀末,石油產品在歐洲極爲罕見,於是狄塞爾決定選用植物油來解決機器的燃料問題(他用於實驗的是花生油)。因爲植物油點火性能不佳,無法套用奧托内燃機的結構。狄塞爾決定另起鑪竈,提高内燃機的壓縮比,利用壓縮產生的高溫高壓點燃油料。後來,這種壓燃式發動機循環便被稱爲狄塞爾循環。

  像所有偉大的發明家一樣,狄塞爾的前進道路上困難重重。實驗證明,植物油燃燒不穩定,成本也太高,難以承擔狄塞爾的“重任”。好在當時石油制品在歐洲逐漸普及,狄塞爾選擇了本來用於取暖的重餾分燃油---柴油作爲機器的燃料。壓燃式發動機的結構強度始終是個難題。一次實驗中,汽缸上的零件象炮彈碎片一樣四處飛散,差點兒造成人員傷亡。實驗不顺利,狄塞爾的資金也漸漸耗盡。他不得不回到制冷機工廠謀生。但狄塞爾沒有向困難屈服,他利用業餘時間繼續實驗,一步步完善自己的機器。

  1892年,狄塞爾終於研發出一台實用的柴油動力壓燃式發動機。這種發動機功率大,油耗低,可使用劣質燃油,顯示出輝煌的發展前景。狄塞爾隨即投入到柴油機生產的商業冒險中。不幸的是,作爲優秀的工程師,狄塞爾缺乏商業頭腦。他在經濟上漸漸陷入困境。1913年狄塞爾已處於破產的邊緣。這一年夏天,狄塞爾在乘坐英吉利海峽的渡輪時,突然失蹤,據認爲是投海自殺。但狄塞爾發明的柴油機,在汽車、船舶和整個工業領域得到越來越廣泛的發展。
 

發明過程


  如果用最簡單方式看待歷史,那麼組成歷史的僅僅包括年代、人名、故事三個要素。雖然時間跨度沖淡他的年代和故事,但他應該感到欣慰,因爲至少他的名字得以流傳。魯道夫·狄賽爾(Rudofl Diesel)一個永遠不會被忘卻的名字。

  命運多舛的發明家

  在科學史上,人們總是會對那種無心插柳卻一擧成功的故事津津樂道,比如倫琴射線、青黴素、宇宙微波背景輻射等等。當然能有上述的成就固然可敬,但還有一種同樣可敬的人:他們在有生之年不斷探索,但成就卻不被世人承認,直到多年之後他們的成就才發颺光大。柴油機的發明者魯道夫狄賽爾就是這樣的一個人。

  狄賽爾1858年出生在法國巴黎,他的父親是德國奧古斯堡的精制皮革制造商。成年之後,狄賽爾進入了德國的慕尼黑技術大學攻讀。就在他讀大學期間的1876年,德國人奧托研制成功了第一台4沖程煤氣發動機,這是法國技師羅夏内燃機理論第一次得到實際運用。這一成就鼓舞了當時從事機械動力研究的許多工程師,這其中既包括後來汽車的發明者卡爾·奔馳和戈特利普·戴姆勒,也包括對機器動力十分有興趣的年輕人狄賽爾。

  與致力於改造奧托發動機的奔馳戴姆勒不同,狄賽爾的想法更爲超前,他想完全舍去發動機中的點火系統,靠壓縮空氣發熱,噴入燃料後自燃做功,這種方式完全區别於吸入燃氣混合氣點燃做功的方式,後人稱狄賽爾的原理爲“壓縮式内燃機”原理。當然狄賽爾產生這樣的設想也並不是空穴來風,因爲當時並沒有發明分電器和高壓點火線圈,點火裝置非常簡陋和不穩定,狄賽爾想跳過這個技術障礙完全是可以理解的。不久,他在法國人約瑟夫·莫勒特(Joseph Mollet)發明的氣動打火機上找到了靈感,並堅持不懈的探索下去。

  狄賽爾沒有料到,他的想法實現起來遠遠比發明點火系統複雜的多,他所遇到的第一個就是燃料問題。常用的汽油非常活躍,也非常容易點燃,但汽油卻不能適應有很高的壓縮比的壓燃式發動機,一旦把汽油霧化噴入含有高溫、高壓空氣的燃燒室,就會發生猛烈的敲缸甚至爆炸。舍去汽油是必然的,狄賽爾創造性把他的目標指向了植物油。經過一系列試驗,對於植物油的嚐試也失敗了,但他是第一個把植物油料引入内燃機的人,因而近現代鼓吹“綠色燃料”者都把狄賽爾尊爲鼻祖。

  最終燃料選擇鎖定在了石油裂解產物中一直未被重視的柴油上。柴油相對於汽油來說性質非常穩定,比較難於點燃,同時柴油一旦點燃會冒出大量的黑煙,因而它又不能像煤油那樣用作照明。但柴油穩定的特性卻恰恰適合於壓燃式内燃機,在壓縮比非常高的情況下柴油也不會出現爆震,這正是狄賽爾所需要的。經過近20年的潛心研究,狄賽爾終於在1892年試制成了第一台壓燃式内燃機,也就是柴油機。

  這台柴油機用汽缸吸入純空氣,再用活塞強力壓縮,使空氣體積縮小到15倍左右,溫度上升到500-700度,然後用壓縮空氣把霧狀柴油噴入汽缸,與缸中高溫純空氣混合,由於汽缸這是已經有了較高的溫度,因而柴油噴入後自行燃燒做功。1892年2月27日,狄賽爾取得了此項技術的專利。

  柴油機的最大特點是省油,熱效率高,但狄賽爾最初試制的柴油機卻很不穩定,1894年,狄賽爾改進了柴油機並使其能運行1分鍾左右,盡管他的柴油機還並不穩定,但狄賽爾卻迫不及待的把它投入了商業生產,因爲他的競爭對手早在1886年就把汽油機安裝車輛上,而8年之後,汽油機汽車已經投入了商業運作。這位隻了解技術並不了解商業運作的發明家犯下了一生中最大的一次錯誤,他急於推向市場的20台柴油機由於技術不過關,紛紛遭到了退貨,這不但給了他巨大的經濟負擔,更重要是影響了柴油機在公眾的印象,在隨後的幾年里幾乎沒有廠家或個人樂意裝配柴油機。沒有了資金來源又負債累累,這就使得狄賽爾的晚年陷入了極端貧困。1913年10月29日,55歲的狄賽爾獨自一人呆站在横渡英吉利海峽的輪船甲板上,被巨浪卷入了大海(多數歷史學家認爲狄賽爾是跳海自盡的)。爲了紀念狄賽爾,人們把柴油發動機命名爲Diesel。

  東方不亮西方亮

  狄賽爾做夢都想看到自己的發明能大規模裝載在汽車上,但他致死都沒有看到這一天。客觀的講,狄賽爾的柴油機確實存在着不少缺陷,其中最大的問題就是重量。由於柴油機汽缸壓力比汽油機高很多,因而柴油機的缸體要比汽油機粗壯許多,同時早期的柴油機爲壓縮空氣使用的空氣壓縮機質量也非常巨大,這就使得柴油機整體上十分笨重,極不適應當時骨架還很嬌小的汽車。但柴油機擁有汽油機不可比擬的扭矩優勢,在功率相同時柴油機又擁有很大燃油經濟性優勢,這就讓人們並沒有放棄它。

  1924年,美國的康明斯公司正式采用了泵噴油器,這一發明有效地降低了柴油機的質量,同年在柏林汽車展覽上MAN公司展示了一台裝備柴油機的卡車,這是第一台裝有柴油機的汽車。不久以後,博世公司開始正式生產標准泵噴油器,正是由於柱塞泵的普及,爲柴油機安裝在汽車上提供了基礎。1936年,奔馳公司生產出了第一台柴油機轎車260D,這時距狄賽爾去世已經23年。

  盡管30年代已經有轎車安裝了柴油機,但真正爲柴油機提供發揮舞台的還是重型機械和裝甲車輛。二戰中,美國的舒爾曼坦克和德國虎式坦克都使用汽油機,虎式坦克以其強大的火力和厚重的裝甲占得了上風,美軍隻能拿數量來扯平。但在蘇聯戰場,蘇軍的T-34坦克的火力和裝甲雖也不及虎式坦克,但T-34使用柴油發動機,他在中彈後不易起火,這樣就大大提高了戰場生存能力。戰後,各國汲取了戰爭中的教訓,都爲自己的坦克換裝了柴油發動機。

  20世紀50年代以後,兩大陣營在坦克功率方面進行了不斷的軍備競賽,這無形中大大加速了柴油機技術的發展。人們知道噴油壓力直接影響着柴油機的功率和扭矩,因而世界各大柴油機制造公司都在拼命提高柴油機的噴油壓力,在這個時期,康明斯公司研制成功完全不同於柱塞泵的PT噴油系統,從而大規模的提高了噴油壓力。

  得償夙願

  如果說柴油機在重型機械上得到應用是狄賽爾的無心插柳,那麼電控技術使柴油機回到了轎車領域才真正讓狄賽爾得償夙願。

  如果想把柴油機引入轎車領域,那麼必須解決柴油的排放和振動問題。實際上,柴油機排氣中CO和HC比汽油機少得多,NOx排放量與汽油機相近,隻是排氣微粒較多,這與柴油機燃燒機理有關。柴油機是一種非均質燃燒,混合氣形成時間很短,而且混合氣形成與燃燒過程交錯在一起。經過研究發現:柴油機噴油規律,噴入燃料的霧化質量,氣缸内氣體的流動以及燃燒室形狀等均直接影響燃燒過程的進展以及有害排放物的生成。

  除了靠提高噴油壓力和柴油霧化效果來改善排放,使用預噴射也是行之有效的方法。預噴射就是在主噴射之前的某一時刻精確的噴入約爲1-2毫升的預噴油量,從而使燃燒室被加熱,縮短了隨後進行的主噴射的着火延遲期。於是溫度與壓力上升減緩,降低了燃燒噪聲水平和NOx。70年代以後,博世公司把電控汽油機噴射技術引用回柴油機,從而讓柴油機的發展和使用進入了一個新紀元。

  最先出現的電控噴油泵技術,而後又發展出了電控泵噴嘴技術和高壓共軌噴射技術,後兩種技術是現在最主要的柴油機電控噴射技術。其中,電控泵噴嘴技術的噴油壓力非常高,可以達到2050bar,並且泵和噴嘴裝在一起,所以隻需要很短的高壓油引導部分,泵噴嘴系統也可以實現很小的預噴量,其噴油特性是三角形的,並采用了分段式預噴射,這很符合發動機的要求(大眾公司的TDI發動機就是使用這種技術)。但電控泵噴嘴技術的噴油壓力受發動機轉速影響,使用蓄壓系統的高壓共軌技術可以解決這個問題,但它的噴油壓力低於泵噴嘴系統,能達到1600bar,有些公司看中了它對任意缸數的發動機噴油壓力調節很寬泛的特點,對其大加采用(最早使用高壓共軌的轎車是阿爾法羅密歐156和奔馳C級别車)。

  話說到這里,柴油機話題快告一段落了,但柴油機的故事肯定還沒有講完,因爲人們越來越發現柴油機的無窮魅力:高扭矩、高壽命、低油耗、低排放,柴油機成爲解決汽車能源問題最現實和最可靠的手段。狄賽爾肯定沒有想到當年他那個沒人問津的醜小鴨,但可以讓狄賽爾感到欣慰的是,每當打開這些車的發動機蓋,都會看見一個名字--Diesel。
 

發展曆程

 
柴油機
                柴油機
  1976年,德國大眾首先在高爾夫轎車上采用柴油發動機;

  1989年,德國大眾高爾夫柴油車穫得“低排放車”的稱號。同年大眾從Fiat的研發機構穫得部分技術,制造出第一台帶有增壓、直噴技術的5缸發動機R5 TDI,這台發動機被放在奧迪100車型上試用。

  1990年,德國大眾正式推出增壓、直噴系列柴油機TDI,從此德國大眾在柴油動力技術的開發和應用上一直走在世界的前沿;

  1993年,開發出4缸渦輪增壓直噴柴油發動機(TDI);

  1995年,開發出自然吸氣式直噴(SDI)柴油發動機;

  1995年,開發出變截面渦輪增壓器VGT;

  1998年,開發出泵噴嘴(Pumpe Düse)技術;

  1999年,開發出百公里油耗3升的路波轎車柴油動力。而一升級柴油動力轎車的出世創造了百公里油耗0.99升的記錄,成爲世界上最省油的轎車。發動機采用鋁制自然吸氣式單缸柴油機,采用了先進的高壓直接噴射技術,排量爲0.3升;

  2002年,一汽-大眾率先將捷達SDI轎車投放中國市場;

  2004年,一汽-大眾引入TDI技術。
 

發展前景


  柴油發動機應用廣泛,處在所屬產業鏈的相對核心的位置。在過去十多年的發展中,柴油發動機生產業形成了一系列的配套企業,很多的柴油發動機企業更多充當了總承裝配者的角色,而柴油發動機的一些關鍵的零部件:曲柄連杆、活塞、氣缸套、凸輪已交由專業公司生產。專業化分工使得柴油發動機廠商能更加集中自身的優勢,專注於柴油發動機的設計的和制造。

  柴油發動機主要用於最終配套產品,比如大功率高速柴油機主要配套重型汽車、大型客車、工程機械、船舶、發電機組等。因此,柴油機行業的發展在很大程度上取決於相關終端產品市場情況。

  在農用柴油機領域,發展中國家的市場增長將彌補發達國家的市場滑落,全球人口的快速增長,以及老舊設備的更新換代都對農業機械有較大需求,全球農用柴油機市場將呈現高速增長。在航空發動機領域,發動機產業是航空工業的核心細分子行業,未來發展前景非常廣闊。綜合以上對各領域的分析,我們認爲,全球柴油發動機將保持8%的速度穩步向前發展。
 

產量

  從2012年12月份的柴油機產量來看:玉柴、全柴、中國一汽、雲内動力、濰柴、江鈴控股、濰柴動力颺柴、東風汽車、北汽福田、山東華源萊動名列柴油機生產企業前十位,產量分别爲56866台、35267台、34322台、30623台、23419台、18082台、16120台、14441台、11557台、10455台,分别占柴油機總產量份額爲18.62%、11.55%、11.24%、10.03%、7.67%、5.92%、5.28%、4.73%、3.78%、3.42%。上述十家企業共生產柴油機251152台,占柴油機生產總量的82.22%。

  從2012年全年的柴油機產量來看:玉柴、全柴、中國一汽、濰柴、雲内動力、江鈴控股、東風汽車、濰柴動力颺柴、山東華源萊動、朝柴分别位居柴油機累計產量的前十位,產量分别爲577348台、430464台、392083台、243614台、243095台、204912台、163296台、157625台、141468台、138389台,分别占柴油機累計總產量份額爲17.39%、12.96%、11.81%、7.34%、7.32%、6.17%、4.92%、4.75%、4.26%、4.17%。上述十家企業共生產2692294台,占柴油機累計生產總量的81.07%。2012年全年,柴油機生產前十家企業柴油機累計產量與上年累計比較,增長的企業仍然爲四家。產量累計處於增長趨勢的企業情況:全柴增幅增長最大,爲13.10%;雲内動力產量增幅增至13.09%;濰柴動力颺柴累計增幅爲12.50%;江鈴控股累計增幅爲4.87%。產量累計處於下降趨勢的六家企業情況:濰柴降幅爲34.12%;東風汽車降幅爲26.66%;朝柴降幅爲23.57%;山東華源萊動降幅爲15.45%;中國一汽降幅爲7.95%;玉柴降幅爲5.67%。
 

銷量

  從2012年12月份的柴油機銷量來看:玉柴、全柴、中國一汽、濰柴、雲内動力、江鈴控股、濰柴動力颺柴、東風汽車、北汽福田、朝柴分别位居柴油機銷量的前十位,銷量分别爲53148台、35184台、34801台、29111台、29054台、18033台、16632台、14601台、11008台、10024台,分别占柴油機總銷量份額爲17.36%、11.49%、11.37%、9.51%、9.49%、5.89%、5.43%、4.77%、3.60%、3.27%。上述十家企業共銷售柴油機251596台,占柴油機總銷量的82.18%。

  從2012年全年的柴油機銷量來看:玉柴、全柴、中國一汽、濰柴、雲内動力、江鈴控股、東風汽車、濰柴動力颺柴、山東華源萊動、朝柴分别位居柴油機累計銷量的前十位,銷量分别爲643415台、428503台、392444台、259742台、236348台、205509台、162231台、153622台、141828台、141219台,分别占柴油機累計總銷量份額爲18.95%、12.62%、11.56%、7.65%、6.96%、6.05%、4.78%、4.52%、4.18%、4.16%。上述十家企業共銷售柴油機2764861台,占柴油機累計銷售總量的81.43%。2012年全年,柴油機銷售前十家企業柴油機累計銷量與上年累計比較,同樣有四家企業增長和六家企業下降。銷量累計處於增長趨勢的四家企業情況:全柴增幅最大,爲13.54%;濰柴動力颺柴累計增幅爲8.46%;江鈴控股增長幅度爲5.23%;雲内動力增幅擴大爲3.47%。銷量累計處於下降趨勢的企業情況:東風汽車降幅爲28.00%;濰柴下降27.87%;朝柴降幅爲25.01%;山東華源萊動降幅爲17.35%;中國一汽降幅爲14.12%;玉柴降幅爲10.95%。
 

分類

按用途可分爲

  工程機械配套柴油發動機

  農用機械配套柴油發動機

  井下設備配套柴油發動機

  車輛配套柴油發動機

  叉車配套柴油發動機

  壓縮機配套柴油發動機

  發電機組,焊機,泵配套柴油發動機

  船機配套柴油發動機
 

按排量缸分

  單缸柴油機和多缸柴油機缸
 

按工作循環分

  二沖程柴油機和四沖程柴油機;
 

特點


  傳統柴油發動機的特點:熱效率和經濟性較好,柴油機采用壓縮空氣的辦法來提高空氣溫度,使空氣溫度超過柴油的自燃點,這時再噴入柴油、柴油噴霧和空氣混合的同時自己點火燃燒。因此,柴油發動機無需點火系統。同時,柴油機的供油系統也相對簡單,因此柴油發動機的可靠性要比汽油發動機的好。由於不受爆燃的限制以及柴油自燃的需要,柴油機壓縮比很高。熱效率和經濟性都要好於汽油機,同時在相同功率的情況下,柴油機的扭矩大,最大功率時的轉速低,適合於載貨汽車的使用。

  但柴油機由於工作壓力大,要求各有關零件具有較高的結構強度和剛度,所以柴油機比較笨重,體積較大;柴油機的噴油泵與噴嘴制造精度要求高,所以成本較高;另外,柴油機工作粗暴,振動噪聲大;柴油不易蒸發,冬季冷車時起動困難。

  由於上述特點,以前柴油發動機一般用於大、中型載重貨車上。小型高速柴油發動機的新發展:排放已經達到歐洲III號的標准。傳統上,柴油發動機由於比較笨重,升功率指標不如汽油機(轉速較低),噪聲、振動較高,炭煙與顆粒(PM)排放比較嚴重,所以一直以來很少受到轎車的青睞。特别是小型高速柴油發動機的新發展,一批先進的技術,例如電控直噴、共軌、渦輪增壓、中冷等技術得以在小型柴油發動機上應用,使原來柴油發動機存在的缺點得到了較好的解決,而柴油機在節能與CO2排放方面的優勢,則是包括汽油機在内的所有熱力發動機無法取代的,成爲“綠色發動機”。
 

優點


  柴油發動機的優點是功率大、經濟性能好。柴油發動機的工作過程與汽油發動機有許多相同的地方,每個工作循環也經歷進氣、壓縮、做功、排氣四個行程。但由於柴油機用的燃料是柴油,其粘度比汽油大,不易蒸發,而其自燃溫度卻較汽油低,因此可燃混合氣的形成及點火方式都與汽油機不同。不同之處主要是,柴油發動機氣缸中的混合氣是壓燃的,而不是點燃的。柴油發動機工作時進入氣缸的是空氣,氣缸中的空氣壓縮到終點時,溫度可達500-700℃,壓力可達40—50個大氣壓。活塞接近上止點時,發動機上的高壓泵以高壓向氣缸中噴射柴油,柴油形成細微的油粒,與高壓高溫的空氣混合,柴油混合氣自行燃燒,猛烈膨脹,產生爆發力,推動活塞下行做功,此時的溫度可達1900-2000℃,壓力可達60-100個大氣壓,產生的功率很大,所以柴油發動機廣泛的應用於大型柴油汽車上。

區别

 
柴油機
                柴油機
  汽油發動機一般將汽油噴入進氣管同空氣混合成爲可燃混合氣再進入汽缸,經火花塞點火燃燒膨脹做功。人們通常稱它爲點燃式發動機。而柴油機一般是通過噴油泵和噴油咀將柴油直接噴入發動機氣缸,和在氣缸内經壓縮後的空氣均勻混合,在高溫、高壓下自燃,推動活塞做功。人們把這種發動機通常稱之爲壓燃式發動機。

  汽油機汽車具有轉速高(轎車用汽油機轉速可高達5000—6000轉/分,貨車用汽油機達4000轉/分左右)質量輕、工作時噪聲小、起動容易、制造和維修費用低等特點,故在轎車和中、小型貨車及軍用越野車上得到廣泛應用。其不足之處是燃油消耗較高,因而燃油經濟性較差。柴油機汽車因壓縮比高,燃油消耗平均比汽油機汽車低30%左右,所以燃油經濟性較好。7升柴油轎車比1.6升汽油轎車每百公里可節約2升油。一般貨車大都采用柴油機。柴油機的弱點是轉速較汽油機低(一般最高轉速在2500—3000轉/分左右)、質量大、制造和維修費用高(因爲噴油泵和噴油器加工精度要求高)。它的應用範圍正在向中、輕型貨車擴展。國外柴油轎車也有很快的發展,其最高轉速可達5000轉/分。

  柴油與汽油區别

  通常,柴油發動機與汽油發動機相比熱效率高出30%,因而從節約能源、降低燃料成本角度上講,柴油發動機轎車的推廣使用具有重大意義。柴油發動機與汽油發動機相比具有功率大,壽命長,動力性能好的特點,它排放產生的溫室效應比汽油低45%,一氧化碳與碳氫排放也低,在整車的使用壽命期氮氧化合物排放略大於汽油機。柴油機的不足之處是有害顆粒物排放大,柴油發動機采用渦輪增壓、中冷、直噴、尾氣催化轉換和顆粒捕集器等先進技術,柴油發動機汽車的排放已達到歐III、歐IV排放標准。在歐洲,柴油轎車比較普及,隨着環保與節能可持續發展的嚴格要求,今後汽車,特别是柴油小轎車將是一個發展趨勢。目前我國一汽大眾已經開發出捷達、寶來柴油轎車,並已在國内部分城市上市。

  汽車在一定的使用條件下,以最小的燃料消耗量完成單位運輸工作的能力稱爲汽車的燃料經濟性。汽車燃料經濟性是汽車的主要使用性能之一。通常,燃料的消耗費用占到汽車運行費用的37%左右。影響汽車燃料經濟性的主要因素有:從汽車本身講,首先要提高發動機的熱效率、進氣效率和降低摩擦損失。其次要減少車身重量,減少空氣阻力,減少車輪的滾動阻力。第三,提高傳動效率,合理疋配變速比。從使用方面講,不同等級的路面跑起來耗油不同。交通擁擠、堵塞嚴重的狀況與暢通行駛的耗油完全不同。風、雨、氣候變化對汽車的耗油量都有影響。駕駛者的技術對耗油水平也有很重要的作用。影響汽車燃料油經濟性的因素十分多,其中最主要的還是汽車發動機本身。

  美國與柴油機

  柴油發動機不僅在CO2的排放上已經遠遠領先汽油發動機,而且在不久的將來燃料中的含硫量也將少於汽油發動機。一直以來,汽車尾氣都被認爲是引發溫室效應的重要原因之一。而美國和中國則被認爲是CO2排放量最大的兩個國家。

  據調查,2004年歐洲汽車市場上有將近一半新車使用的都是新型的綠色柴油機。而在美國路上行駛的汽車中,卻隻有1%使用的是柴油發動機。原因很簡單,美國消費者擁有世界上最低的汽油價格。但是現在美國本土市場的汽油價格接近於歷史同期的最高水平,這就使得美國消費者不得不轉而去關注那些能爲他們省錢的經濟型轎車。

  兩年前,在美國的汽車市場上隻有兩款車使用的是柴油發動機。而今天隨着汽油價格的不斷上漲,已經有13款柴油車出現在美國的汽車市場,而到了2006年又將有6款新車上市。屆時使用柴油發動機的汽車種類將達到近20種。

  布什總統關於柴油發動機文件的簽署爲今後柴油車指明了前進的方向。美國的政策制定者和消費者已經發現柴油車是一個不錯的選擇。對於中國來說柴油車同樣是一個不錯的選擇。在市場機制條件下,使用柴油發動機的汽車將會擁有更廣闊的前景。

  歐洲與柴油機

  歐洲是柴油發動機技術發源地,由於柴油的眾多特點,從20世紀90年代中開始,歐洲各大汽車公司大力發展柴油發動機技術,並陸續向消費者推廣,超過三分之二的轎車都使用柴油發動機。奔馳、大眾、寶馬、雷諾、沃爾沃等歐洲名牌車都有采用柴油發動機的車型。

  德國大眾:TDI柴油技術,最早由意大利菲亞特研發,後被大眾穫得並發展。是目前世界上最好的柴油發動機。

  寶馬:D技術,具有功率高,扭矩大的特點,並使用了雙渦輪可變截面增壓技術。

  奔馳:CDI技術

  標志雪鐵龍:HDI技術,和德國大眾同源同種,也來自與意大利菲亞特。

  雷諾:DCI技術,2006年前曾因增壓渦輪易壞而被質疑其可靠性,隨後雷諾對其進行了改進。

  菲亞特:JTD技術

  歐寶:TDCI技術,相對於大眾的TDI技術
 

機構組建


  柴油機的主要機構組件一般包括:機體、曲柄連杆機構、配氣機構、燃油系統、潤滑系統、冷卻系統、電器系統。

  1、機體:是柴油機的骨架,由它來支撑和安裝其它部件,包括:缸體、缸套、缸蓋、缸墊、油底殼、飛輪殼、正時齒輪殼、前後腳。

  2、曲柄連杆機構:是柴油機的主要運動件,它可以把燃料燃燒產生的能量,通過活塞,活塞銷,連杆,曲軸、飛輪轉變成機械能傳出去。包括曲軸、連杆、活塞、活塞鞘、活塞鞘卡簧、活塞鞘襯套、活塞環、主軸瓦、連杆瓦、止推軸承、曲軸前後油封、飛輪、減震器等。

  3、配氣機構:是定時把進、排氣門開啟和關閉。包括正時齒輪、凸輪軸、挺座、頂杆、搖臂、氣門、氣門彈簧、氣門座圈、氣門導管、氣門鎖塊、進排氣管、空氣濾清器、消音器、增壓器等。

  4、燃油供給系:是按柴油機的需要,定時、定量的把柴油供給燃燒室燃燒。包括柴油箱、輸油管、柴油濾清器、噴油泵、噴油器等。

  5、潤滑系:是把潤滑油供給各運動摩擦副,包括機油泵、機油濾清器、調壓閥、管路、儀表、機油冷卻器等。

  6、冷卻系:是把柴油機工作時產生的熱量散發給大氣。包括水箱、水泵、風扇、水管、節溫器、水濾器、風扇皮帶、水溫表等。

  7、電器:是啟動、照明、監測、操作的輔助設備。包括發電機、啟動馬達、電瓶、繼電器、開關、線路等。
 

曲軸連杆機構


  工作條件:柴油機工作時,内部曲柄連杆機構直接與高溫高壓氣體接觸,曲軸的鏇轉速度又很高,活塞往複運動的線速度相當大,同時與可燃混合氣和燃燒廢氣接觸,曲柄連杆機構還受到化學腐蝕作用,並且潤滑困難。可見,曲柄連杆機構的工作條件相當惡劣,它要承受高溫、高壓、高速和化學腐蝕作用。

  組成:曲柄連杆機構的主要零件可以分爲三組,機體組、活塞連杆組和曲軸飛輪組。

  功用:曲柄連杆機構是柴油機實現工作循環,完成能量轉換的傳動機構,用來傳遞力和改變運動方式。工作中,曲柄連杆機構在作功行程中把活塞的往複運動轉變成曲軸的鏇轉運動,對外輸出動力,而在其他三個行程中,即進氣、壓縮、排氣行程中又把曲軸的鏇轉運動轉變成活塞的往複直線運動。總的來說曲柄連杆機構是發動機借以產生並傳遞動力的機構。通過它把燃料燃燒後發出的熱能轉變爲機械能。
 

傳感器


  美國德爾福宣布開發出了可更准確檢測出機油狀態的柴油發動機機油傳感器。該傳感器通過檢測機油的狀態來確定機油更換時間,比根據行駛周期進行推算,可大幅度延長更換機油和過濾器的時間間隔。新傳感器除測定原來的粘度和介電率外,還測定煤煙含量和燃料對機油的稀釋度,從而能更准確地檢測出機油狀態。將於2009年開始面向卡車廠商量產。

  由於柴油發動機引擎控制使用多個後噴射的情況增多,經由活塞環摻入機油而稀釋機油的燃料量不斷增加,這樣很容易降低機油的潤滑性和粘度。另外,煤煙通過EGR(排氣再循環)混入機油的量增加,導致添加劑效果降低、機油粘度升高。由於隻測定粘度,容易受這兩個相反因素的影響,難以准確掌握機油的惡化程度。

  燃料對機油的稀釋度,可通過改進過的粘度測定系統根據對流時間進行測定。另一方面,煤煙的含有量可通過檢測出的介電率變化進行推算。該傳感器可測定機油溫度和機油量,設想安裝於機油箱底殼或引擎體上,外形設計爲小尺寸。

  該傳感器除可用於商用卡車柴油發動機外,還可用於大型SUV和皮卡車等輕型車柴油發動機以及工業用柴油發動機等。
 

工作原理

 
柴油機
                柴油機
  柴油發動機的工作過程其實跟汽油發動機一樣的,每個工作循環也經歷進氣、壓縮、作功、排氣四個行程。

  柴油機在進氣行程中吸入的是純空氣。在壓縮行程接近終了時,柴油經噴油泵將油壓提高到10MPa以上,通過噴油器噴入氣缸,在很短時間内與壓縮後的高溫空氣混合,形成可燃混合氣。由於柴油機壓縮比高(一般爲16-22),所以壓縮終了時氣缸内空氣壓力可達3.5-4.5MPa,同時溫度高達750-1000K(而汽油機在此時的混合氣壓力會爲0.6-1.2MPa,溫度達600-700K),大大超過柴油的自燃溫度。因此柴油在噴入氣缸後,在很短時間内與空氣混合後便立即自行發火燃燒。氣缸内的氣壓急速上升到6-9MPa,溫度也升到2000-2500K。在高壓氣體推動下,活塞向下運動並帶動曲軸鏇轉而作功,廢氣同樣經排氣管排入大氣中。

  普通柴油機的是由發動機凸輪軸驅動,借助於高壓油泵將柴油輸送到各缸燃油室。這種供油方式要隨發動機轉速的變化而變化,做不到各種轉速下的最佳供油量。

  共軌噴射式供油系統由高壓油泵、公共供油管、噴油器、電控單元(ECU)和一些管道壓力傳感器組成,系統中的每一個噴油器通過各自的高壓油管與公共供油管相連,公共供油管對噴油器起到液力蓄壓作用。工作時,高壓油泵以高壓將燃油輸送到公共供油管,高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成閉環工作,對公共供油管内的油壓實現精確控制,徹底改變了供油壓力隨發動機轉速變化的現象。其主要特點有以下三個方面:

  1.噴油正時與燃油計量完全分開,噴油壓力和噴油過程由ECU適時控制。

  2.可依據發動機工作狀況去調整各缸噴油壓力,噴油始點、持續時間,從而追求噴油的最佳控制點。

  3.能實現很高的噴油壓力,並能實現柴油的預噴射。

  相比起汽油機,柴油機具有燃油消耗率低(平均比汽油機低30%),而且柴油價格較低,所以燃油經濟性較好;同時柴油機的轉速一般比汽油機來得低,扭距要比汽油機大,但其質量大、工作時噪音大,制造和維護費用高,同時排放也比汽油機差。但隨着現代技術的發展,柴油機的這些缺點正逐漸的被克服。

負荷特性


  柴油機的負荷通常是指柴油機阻力矩的大小。由於平均有效壓力與扭矩成正比,所以常用平均有效壓力來表示負荷。柴油機的工況是由轉速和負荷共同決定的。所謂負荷特性是指柴油機轉速不變時,其他主要性能參數(燃油消耗率ge、耗油量Gf和排氣溫度tr等)隨負荷而變化的關係。這時由於轉速是常數,所以有效功率可以用來作度量負荷。在發動機調試過程中,經常用負荷特性作爲其性能比較的標准。

  另外,負荷特性給出了在等速條件下,發動機的負荷與燃油消耗率的關係,因此,對負荷可以在很大範圍内改變,而轉速基本維持不變的固定式發動機(如發電機組用發動機)具有特殊的意義。如果從發動機上測出一系列不同轉速下的負荷特性曲線,則可選擇出固定式或運輸式發動機的最經濟工況。

  柴油機在運轉中,充氣量變化不大,主要是通過改變每循環供油量來改變混合氣的濃度(即過量空氣系數),從而調節柴油機的負荷(稱爲質調節〉。換句話說,柴油機主要是通過改變噴油泵調節杆的位置,用增加或減少供油量的方法來改變負荷。圖是柴油機按負荷特性運轉時一些參數隨負荷變化的一般規律。柴油機增加負荷就意味着增加每循環供油量,所以耗油量Gf隨負荷的增加而增加,而過量空氣系數a隨負荷的增加而減小;供油量

  多,放熱也多,使排氣溫度tr隨負荷的增加而升高。

  在空負荷時,Ne=0,Pi=Pm,這時m= 0,所以ge爲無窮大。

  隨着負荷的增加,m迅速上升,而ge反而下降。當負荷增加到A點時,ge達到最小值。再繼續增加負荷,由於過量空氣系數a減小,混合氣形成和燃燒惡化,ge反而升高。

  排氣煙度隨負荷的增加曲'增加,但在低負荷時增加緩慢,且低負荷時煙度很小,肉眼看不出,通常被認爲是排氣無煙。在離負荷時,煙度迅速增加.當接近最大功率時,由於a減小,混合氣形成和燃燒惡化,燃燒不完全,排氣煙度急劇增加(圖中B點),此時燃油消耗率ge也迅速升髙。

  活塞和汽缸蓋等機件的熱負荷也迅速増大。如果再繼續增加供油量,則柴油機排氣大量冒黑煙,功率反而下降,因此柴油機存在一個冒煙極限。爲了保證柴油機安全可靠地運行,不允許柴油機在冒煙極限下工作。
 

新技術


  笨重、噪音大、噴黑煙,令許多人對柴油機的直觀印象不佳,經過多年的研究和新技術應用,現代柴油機的現狀已與往日不可同喻。現代柴油機一般采用電控噴射、共軌、渦輪增壓中冷等技術,在重量、噪音、煙度方面已取得重大突破,達到了汽油機的水平。

  在電控噴射方面柴油機與汽油機的主要差别是,汽油機的電控噴射系統隻是控制空燃比(汽油與空氣的比例),而柴油機的電控噴射系統則是通過控制噴油時間來調節負荷的大小。

  柴油機電控噴射系統由傳感器、ECU(控制單元)和執行機構三部分組成。其任務是對噴油系統進行電子控制,實現對噴油量以及噴油定時隨運行工況的實時控制。采用轉速、溫度、壓力等傳感器,將實時檢測的參數同步輸入計算機,與ECU巳儲存的參數值進行比較,經過處理計算按照最佳值對執行機構進行控制,驅動噴油系統,使柴油機運作狀態達到最佳。

  爲了使負荷調節更加精確,產生了共軌技術。柴油機的渦輪增壓器已作過介紹。至於增壓中冷技術就是當渦輪增壓器將新鮮空氣壓縮經中段冷卻器冷卻,然後經進氣歧管、進氣門流至汽缸燃燒室。有效的中冷技術可使增壓溫度下降到50℃以下,有助於減少廢氣的排放和提高燃油經濟性。
 

共軌技術


  在汽車柴油機中,高速運轉使柴油噴射過程的時間隻有千分之幾秒,實驗證明,在噴射過程中高壓油管各處的壓力是隨時間和位置的不同而變化的。由於柴油的可壓縮性和高壓油管中柴油的壓力波動,使實際的噴油狀態與噴油泵所規定的柱塞供油規律有較大的差異。油管内的壓力波動有時還會在主噴射之後,使高壓油管内的壓力再次上升,達到令噴油器的針閥開啟的壓力,將已經關閉的針閥又重新打開產生二次噴油現象,由於二次噴油不可能完全燃燒,於是增加了煙度和碳氫化合物(HC)的排放量,油耗增加。此外,每次噴射循環後高壓油管内的殘壓都會發生變化,隨之引起不穩定的噴射,尤其在低轉速區域容易產生上述現象,嚴重時不僅噴油不均勻,而且會發生間歇性不噴射現象。爲了解決柴油機這個燃油壓力變化的缺陷,現代柴油機采用了一種稱爲“共軌”的技術。

  共軌技術是指高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環系統中,將噴射壓力的產生和噴射過程彼此完全分開的一種供油方式,由高壓油泵把高壓燃油輸送到公共供油管,通過對公共供油管内的油壓實現精確控制,使高壓油管壓力大小與發動機的轉速無關,可以大幅度減小柴油機供油壓力隨發動機轉速的變化,因此也就減少了傳統柴油機的缺陷。ECU控制噴油器的噴油量,噴油量大小取決於燃油軌(公共供油管)壓力和電磁閥開啟時間的長短。
 

使用指南


  根據國標(GB252—87),輕柴油規格按凝點分爲10、0、-10、-20、-35和-50六個牌號,分别表示凝點不高於10℃、0℃、-10℃、-20℃、-35℃和-50℃;牌號越高,凝點越低。

  柴油是應用於壓燃式發動機(即柴油發動機)的專用燃料。柴油的外觀爲水白色、淺黄色或棕褐色的液體。柴油又分爲輕柴油與重柴油二種。輕柴油是用於1000r/min以上的高速柴油機中的燃料,重柴油是用於1000r/min以下的中低速柴油機中的燃料。一般加油站所銷售的柴油均爲輕柴油。輕柴油產品目前執行的標准爲GB 252-2000 《輕柴油》標准,該標准中柴油的牌號分爲10號、5號、0號、-10號、-20號、-35號、-50號,柴油的牌號劃分依據是柴油的凝固點。

  冷濾點是衡量輕柴油低溫性能的重要指標,能夠反映柴油低溫實際使用性能,最接近柴油的實際最低使用溫度。用戶在選用柴油牌號時,應同時兼顧當地氣溫和柴油牌號對應的冷濾點。5號輕柴油的冷濾點爲8℃,0號輕柴油的冷濾點爲4℃,-10號輕柴油的冷濾點爲-5℃,-20號輕柴油的冷濾點爲-14℃。
 

牌號選用


  根據GB 252-2000標准要求,選用輕柴油牌號應遵照以下原則:

  1.10號輕柴油適用於有預熱設備的柴油機;

  2.5號輕柴油適用於風險率爲10%的最低氣溫在8℃以上的地區使用;

  3.0號輕柴油適用於風險率爲10%的最低氣溫在4℃以上的地區使用;

  4.-10號輕柴油適用於風險率爲10%的最低氣溫在-5℃以上的地區使用;

  5.-20號輕柴油適用於風險率爲10%的最低氣溫在-14℃以上的地區使用;

  6.-35號輕柴油適用於風險率爲10%的最低氣溫在-29℃以上的地區使用;

  7.-50號輕柴油適用於風險率爲10%的最低氣溫在-44℃以上的地區使用;
 

保養方法


  要延長柴油機的使用壽命,在使用過程中,就要加強空氣濾清器、潤滑油濾清器和燃油濾清器這三種濾清器的保養,充分發揮它們的作用。

  空氣濾清器在安裝時不可漏裝、反裝或錯裝各密封墊圈及橡膠連接管,並保證各按嵌處的嚴密性。使用的紙質集塵杯空氣濾清器,每工作50-100小時,要清除塵土1次,可用軟毛刷將表面塵土刷掉,若工作時間超過500小時或已損壞,就應及時更換。使用油浴式空氣濾清器,每工作100-200小時,應用清潔的柴油清洗濾芯,並更換其中的潤滑油,若濾芯已破碎,就需立即更換,並注意在使用中,按規定添加潤滑油。

  潤滑油濾清器在柴油機使用中如不及時保養,濾芯堵塞、潤滑油壓力增加,安全閥打開,潤滑油直接流入主油道,會加劇潤滑表面的磨損,影響柴油機的使用壽命。因此,潤滑油濾清器每工作180-200小時,就要清洗1次,發現破損,應立即更換,以防止雜質進入潤滑表面。柴油機換季使用,還應清洗曲軸箱和各潤滑表面,方法是用潤滑油、煤油和柴油混合後作洗滌油,可在潤滑油放出後加入洗滌油清洗,然後,柴油機低速運轉3-5分鍾,再放盡洗滌油,加入新潤滑油。

  燃油供給系統中的各種燃油濾清器,每工作100-200小時,就應清除雜物1次或更換一次,並對油箱和各輸油管道進行全面清洗。特别是針對電控共軌系統,由於高壓精確噴射,燃油系統的偶件精度高,配合間隙小,對燃油濾清器的過濾效率和水分離效率都提出了更高的要求。一級油水分離器,一級柴油精濾器,水分離效率要求大於95%,顆粒過濾效率3-5微米過濾效率大於98.6%。如博世(BOSCH),濾不凡(Luber Finder),弗列加(Fleetguard),曼胡(Mann-Hummel),帕克(Parker),等,國内有達菲特(DIFITE)等。在日常保養時,應特别仔細,發現異常,或行駛里程和時間達到發動機規定,需及時更換。在季節過渡換油時,應對整個燃油供給系統的各零部件進行清洗。使用的柴油,應符合季節要求,並需經48小時的沉澱淨化處理。
 

冒黑煙處理


  使用柴油機作爲發動系統的設備在運作的過程中都會冒出一縷縷的黑煙,不僅造成操作人員的周圍環境烏煙瘴氣,而且對環境的危害尤其的嚴重,所以解決柴油機冒黑煙的難題不僅是操作人員心煩的事情也是業内人士所頭疼的問題。下面就讓專業人士給你講解一些相關知識吧。

  首先可以肯定的是柴油機冒黑煙主要原因還是由於燃料轉化率不完全造成的,除了設備自身結構設計的原因之外,還有可能是操作人員有些沒有注意到的細節所造成的。主要的解決方法有以下幾種:

  一、柴油機的郵箱是沒有密封的,長期的與空氣進行接觸,造成空氣中的一些懸浮雜質以及塵埃等落入空氣濾清器中造成進氣口被堵塞,造成内部燃燒提供空氣不足,而造成燃燒不完全,所以建議在較爲惡劣的環境中應該應該勤清潔,而空氣較爲良好的環境中可以隔一段時間進行清潔,並定期的更換空氣濾清器。

  二、也可能是燃料質量不好,造成油箱内部的油管通路等堵塞,造成供油不充分,最佳的解決方法是更換電磁閥。燃料質量不好的話也可能會造成燃油濾清器損壞,内部的油變質造成冒黑煙的情況,嚴重時還可能會損壞燃油系統,如果發現燃油濾清器不達標了一定要及時的進行更換。

  三、燃油系統的油管由於油質不良而造成一些雜質附着在管路表面,所以要定期的清洗油管,加兩次柴油添加劑可有效的改善冒黑煙的情況。
 

注意事項

 
柴油機
                 柴油機
  是技術水平不足造成的,而不是柴油機本質的問題,是可以通過技術的進步加以解決的。

  首先,各種動力都有其發展的應有位置和時序。不着手研究開發氣體燃料汽車、混合動力汽車、電動汽車以及燃料電池汽車等新技術是要落後的,但是片面強調其短期大量推廣的可能性,甚至與常規動力的正常發展相對立也是不對的。其次,應該一分爲二地評價氣體燃料發動機。氣體燃料發動機固然能夠較好地滿足當前的排放要求,對能源利用結構的調整有着重要的意義,但天然氣發動機排放的總碳氫量(主要是甲烷)要高於柴油,在滿足歐Ⅳ排放標准方面也z會遇到很多困難。第三,排放和節能同等重要,二者應當綜合考慮,節能不僅是節約石油資源,而且是重要的環保問題。以當前國際上關注的排放問題是全球性的溫室效應問題爲例子,柴油機油耗低,二氧化碳排放遠低於汽油機,可減少45%以上的溫室氣體排放。

  1.關鍵零部件技術:如油泵油嘴和增壓中冷技術。

  2.燃油品質:優質低硫的柴油是柴油機滿足日益嚴格的排放法規的前提。

  3.電控技術:柴油機電控技術對於發動機綜合性能的優化和提高至關重要。

  4.排放後處理關鍵技術:如廢氣再循環(EG R)技術、微粒捕集技術以及N O x催化轉化技術。

  5.整機開發及疋配技術:如柴油機燃油、進氣及燃燒系統的疋配與優化技術,重型車用及轎車用柴油機技術。

  6.柴油機的制造、工藝及材質等技術。

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