增压中冷技术
动物食物链-告别信
2023年3月19日发(作者：惩罚措施)提高柴油机热效率的新技术
杨雄;冉小丰;翟克仁;阳婷
【摘要】综合概括了现代柴油机提高热效率所采用的新技术,包括直接喷射、多气
门、可变气门定时、增压中冷、可变截面涡轮增压、相继增压、电控高压共轨燃油
喷射、预混合气均质压燃等技术,分析了各种相关新技术对于柴油机热效率的影响
及其未来发展动向.
【期刊名称】《长江大学学报（自然版）理工卷》
【年(卷),期】2010(007)003
【总页数】5页(P117-121)
【关键词】柴油机;热效率;新技术
【作者】杨雄;冉小丰;翟克仁;阳婷
【作者单位】长江大学机械工程学院,湖北,荆州,434023;长江大学机械工程学院,湖
北,荆州,434023;长江大学机械工程学院,湖北,荆州,434023;长江大学机械工程学院,
湖北,荆州,434023
【正文语种】中文
【中图分类】TK421
随着人们环保意识的加强和全球石油能源临近枯竭，降低柴油机的排放和提高其经
济性成为十分紧迫的要求。近年来，不管是在路上交通工具、还是航海、航空工具
方面，为了改善燃油消耗和降低排放，世界各国都在进行着提高内燃机效率的研究。
大、中、小型柴油机作为内燃机的一个种类，普遍应用于国民生产和交通的各个领
域。为了提高柴油机的效率尤其是热效率，在柴油机的设计和改进中采用了很多新
技术。柴油机热效率是指转变为有效功的热量与加入气缸总热量的比值。近年来，
对提高热效率的研究主要集中在优化燃油喷射、燃烧和增压过程中，出现了一系列
的先进技术和工艺。其中，已经被广泛应用或者即将被应用的新技术主要归结为高
功率密度技术和智能化技术。其中高功率密度技术包括直接喷射、多气门、增压中
冷等，而智能化技术包括可变截面涡轮增压、相继增压、电控高压共轨燃油喷射、
可变气门定时、预混合气均质压燃等。为此，笔者对提高柴油机热效率的相关新技
术加以阐述。
高功率密度技术包括高增压、高压燃油喷射、燃烧优化等技术，其中能够提高柴油
机热效率的典型技术有直接喷射技术、多气门技术和增压总冷技术。
1.1直接喷射技术
柴油机燃烧系统分为间接喷射式和直接喷射式两种类型。间接喷射式燃烧系统具有
较低的氮氧化物排放和燃烧噪声，但由于散热面积和通道节流损失大，所以热效率
相对较低；直接喷射式燃烧系统则将燃油直接喷进燃烧室，因而燃烧效率高，但该
系统要求发动机吸入较多的空气，其热效率比间接喷射式燃烧系统高12%～
15%[1]，所以采用直喷式燃烧系统比分隔式系统可节油5%～10%。直喷式柴油
机在提高燃油经济性和降低油耗方面具有较大优势。目前，除了轿车少量使用直喷
式柴油机外，其他用途的柴油机几乎全部直喷化。
对于直喷柴油机的研究如今主要集中在燃烧室的形状上，传统的有浅抗形、ω形、
球形、U形等，现代直喷式燃烧室有上海内燃机研究所开发的花瓣式燃烧室等
[2](见图1)。目前最新形式的直喷式燃烧室为RGB燃烧室[2](见图2)，在莱动
4035B等柴油机上已有应用，AVL、里卡多等著名内燃机公司对此均有研究和成
果报告，普遍认为RGB形燃烧室具有良好的匹配性能和综合指标。
1.2多气门技术
采用多气门结构不仅可以提高体积效率进而增加进气量，而且便于调节进气涡流，
实现进气涡流的电子控制[3]。多气门结构能在不同的负荷和转速下得到不同的涡
流比，因而使气缸内的空气运动在整个转速和负荷范围内适应相应的喷油规律的要
求，即在高负荷和高转速时，得到较低的涡流比以减少氮氧化物排放；而在低负荷
和低转速时，可以提高涡流强度来补偿喷油质量的不足。常见的多气门有3气门、
4气门等结构[4]，如图3所示。
目前，单缸4气门技术在汽车发动机中应用较广，是一种成熟技术。为进一步提
高4气门的进排气效率，可采取如下方法：①进一步增加每一个气门的直径。但
该方法会导致燃烧室扁平化，降低燃烧效率；②增加气门数。因为气门数越多，单
位时间内进排气量也越大，进排气效率就越高，5气门发动机就是基于上述原因而
研制的，每缸3进2出，其燃烧压力较4气门发动机有很大的提升，具有良好的
动力性能，同时该发动机的油耗比4气门发动机降低10%左右。因此，5气门发
动机将是今后发动机研发的一个重要方向。
1.3增压中冷技术
由于增压中冷技术可以增加进气量，缩短着火提前期，使燃烧得到明显改善。因此，
增压中冷是提高升功率、降低燃烧噪声和改善排放的重要措施。增压中冷柴油机与
非增压柴油机相比，其功率可提高20%～50%，高增压柴油机的功率最大可提高
1倍，而且可以使柴油机在中低速下的扭矩高于汽油发动机，其体积功率与汽油发
动机机相近。美、日等国家的重型柴油机已全部采用增压中冷技术；中小排量柴油
机采用增压中冷技术的比例也逐年上升，目前已达到80%；轿车用直喷式柴油机
中采用增压中冷技术的也已达到44%[5]，这样提高了车辆的动力性和经济性。
电子、信息化技术与机械相结合，使柴油机进入了智能化时代。智能化技术是近期
柴油机研发中最热门技术之一，主要包括柴油机电控和电子管理两个方面。研究证
明，智能化技术能显著提高柴油机热效率，节省燃油。
2.1可变气门定时技术
可变气门定时技术是柴油发动机技术发展的一个重要里程碑。可变气门定时技术指
的是发动机气门升程和配气相位定时可以根据发动机工况作实时的调节，巧妙地实
现可变压缩比。在大负荷时，发动机容易发生自燃引起的爆震，通过推迟进气门关
闭的时间来达到降低有效压缩比的目的，从而避免爆震；在中小负荷时，可以通过
调整气门关闭时间达到提高有效压缩比的目的，从而使发动机在中小负荷时有优异
的热效率。DengJ等[6]研究发现，在不同转速和扭矩下，当EGR和VGT闭环控
制时，采用可变气门定时技术可产生3.28%的BSFC效益(制动燃料消耗比量)，并
分析其原因是由于可变气门柴油机在高速柴油机的效率和低速燃油经济性之间可进
行自动调节的缘故。
可变气门定时技术的工作原理基本可分成如下两种方式：①控制凸轮轴。使凸轮轴
在发动机运转时能整体相对曲轴转过一个角度，在结构上要采取双顶置凸轮轴的气
缸盖；②移动摇臂。通过凸轮从动件或者摇臂总成中具有特殊形状的相配零件来实
现该过程。在国外已有用电磁力或液压直接驱动气门的可变气门定时机构，即所谓
无凸轮气门机构，其控制自由度更大，能对气门正时的所有因素进行控制，在各种
工况下获取最佳气门正时。另外，该方式能关闭部分气缸的气门，实现可变排量。
无凸轮驱动可变配气相位机构可分为电磁驱动可变配气相位机构、电液驱动可变配
气相位机构、电气驱动可变配气相位机构[7]，如图4所示。
无凸轮轴可变配气相位机构由于去掉了凸轮，系统由ECU控制，其气门正时、开
启持续期、升程及运动速度可全柔性调节，到目前为止是最有潜力、自由度最大的
可变配气相位机构。
2.2可变截面涡轮增压技术
为了解决低转速时发生的涡轮迟滞，研究者在增压器的结构设计方面研发出可变截
面涡轮增压系统，如图5所示。
可变截面涡轮增压系统的基本工作原理是从低速到高速通过分段或连续改变涡轮截
面，从而提高发动机低工况时的过量空气系数。燃气通过涡轮喷嘴叶片时，根据柴
油机外界负荷的变化来改变喷嘴环叶片的角度，使进入涡轮叶片的气流参数发生变
化，从而使涡轮增压器与柴油机在各工况下有良好的匹配。如图6所示。
日本三菱公司[8]研制的UEC85LSⅡ型舰用柴油机监控系统，可对该机的可调喷嘴
涡轮增压器进行随机控制，即根据检测到的柴油机工况参数(转速、负荷、环境条
件)的变化情况发出控制指令，通过传动机构去控制可调喷嘴涡轮增压器的喷嘴面
积以实现增压系统与柴油机的最佳匹配。盖瑞特公司、KKK公司均研制了可变截
面涡轮增压器，可在增压柴油机全工况范围内进行调节[9]。美、日等国的研究者
在设计增压器时已大量采用可变截面涡轮增压系统。
2.3相继增压技术
利用可变截面涡轮增压器，可使低工况时涡轮流通截面减少，但涡轮流通截面变化
不能太大，否则涡轮效率会大幅度降低。为此，研究者研制了相继增压系统。
相继增压系统的基本工作原理是采用多个小型涡轮增压器，随着柴油机工况的提高，
按秩序地投入运行，改变了常规串联增压系统在低工况时由于排气能量减少而使涡
轮转速下降、增压压力不足，从而出现燃烧恶化、功率下降的现象。使用相继增压
系统后，在标定工况，柴油机的每台增压器都在高效区工作，燃油消耗率低；在部
分工况，减少投入使用的涡轮增压器数量，使得投入使用的增压器仍然在高效率区
附近工作，最大限度地增加了气缸的进气量，从而使柴油机在全工况下有较大的过
量空气系数和较低的燃油消耗率，改善了柴油机的动力性与经济性。
国外柴油机相继增压技术已经比较成熟，德国MTU公司[10]、法国SEMT.
Pielstick柴油机公司[11]等使用相继增压技术，获得了较好的动力性和燃油经济性
指标。国内一些大学或科研机构也对相继增压技术的应用进行了实验研究或者理论
分析。张哲等[12]采用两台不同尺寸涡轮增压器的三阶段相继增压系统的性能进行
了试验研究，结果表明其性能有较大的改善，尤其是在低速大负荷工况，燃油消耗
率最高降低约7.1%，碳烟排放最高降低达70.2%，涡前排温最高降低近12.6%。
2.4电控高压共轨燃油喷射技术
电控高压共轨燃油喷射技术包括高压、共轨和电控3个方面。高压指在由高压油
泵、公共供油管道和喷油器等部件组成的封闭系统里，喷射压力的产生和喷射过程
彼此完全分开，发动机在任何工况下都能获得较高的燃油喷射压力，一般能达到
1600bar以上；共轨指发动机的各喷油器燃油由公共供油管道提供，确保了各个
喷油器燃油压力一致，避免了喷油器各自供油产生的振动，使发动机运转更为平顺；
电控指通过ECU精确控制喷油器电磁阀开启时刻和持续时间，从而控制喷射提前
角和燃油喷射量，确保以最小的燃油消耗获得最理想的动力输出。
高压共轨系统由高压油泵、共轨腔及高压油管、喷油器、电控单元、各类传感器和
执行器组成，如图7所示。
采用电控高压共轨燃油喷射技术的突出优点是能够自由控制喷油量、喷油压力、喷
射正时、喷油速率和多次喷射(预喷射、主喷射和后喷射)。与同类燃油喷射汽油机
相比，装配有电控高压共轨燃油喷射系统的现代柴油机可降低25～30%的油耗，
减少至少20%的CO2排放量，是目前公认的最有前途的车用柴油机燃油供给系统
[13]。
高压共轨发动机中最关键的燃油喷射系统的技术几乎被德国BOSCH、日本电装、
美国DELPHI等少数几家国外公司所垄断[14]，其中最为先进的要数博世公司的电
控高压共轨技术，其代表着该领域的最高技术水平。2003年该公司开始批量生产
第3代电喷共轨喷射系统，是以高、精、尖的技术内涵为特征的技术飞跃。据资
料介绍，采用第3代共轨喷射系统的柴油机，其废气排放可降15%～20%，功率
可提高5%～7%，噪声可降低3%[15]。近年来，国内北京理工大学、长春汽车研
究所、天津大学和上海交通大学内燃机研究所等都对电控高压共轨燃油喷射系统的
部分结构进行了实验研究，取得了一定的成果[16]。
2.5预混合气均质压燃技术
预混合气均质压燃技术也称均质充量压缩燃烧技术，其综合了汽油机均质点燃和柴
油机压缩自燃的特点，是柴油机能像汽油机一样在进气及压缩行程形成均质混合气，
当压缩到上止点附近时均质混合气自燃着火，在缸内形成多点火核，从而有效地维
持着火燃烧的稳定性[13]。柴油机与汽油机与预混合气均质压燃技术发动机的燃烧
方式比较图如图8所示。这种燃烧方式能有效地解决传统柴油机存在的燃油经济
性差和尾气排放高的问题。与传统火花点火汽油机相比，采用该技术可使燃油消耗
率降低15%～20%，氮氧化物排放降低90%～99%，无碳烟的排放也得到降低
[17]。
20世纪90年代后期，由于预混合气均质压燃技术在内燃机节能和降低排放方面
具有巨大潜力，引起了内燃机界研究者的高度关注。经过长期的研究，目前已有少
量投入生产。如日本Nissan公司开发的MK(ModulatedKinetics)燃烧系统和丰
田公司的成片均质燃烧系统等[18]。研发预混合气均质压燃技术面临的主要问题包
括发动机冷启动困难、运行工况范围小、着火时刻和燃烧率控制难度大等方面。因
此，今后一段时期内的研究重点将主要集中在燃烧技术的控制方面，包括燃烧诊断、
燃烧模式切换和瞬态工况过渡等[19]。
由于其高扭矩、高寿命、低油耗、低排放的特点，柴油机被广泛使用在各种大中小
型设备及车、船上。电控直喷、高压共轨、涡轮增压、中冷、STC、HCCI等新技
术在柴油发动机上的应用，大大提高了现代柴油机的热效率。其在节能的同时也改
善了柴油机的排放状况，并克服了振动和噪音大等不足。目前柴油机研发已经进入
智能化时代，燃油系统、控制技术和整机技术是柴油机技术研究最受关注的3个
方面。相信在研究者的不断努力下，更多柴油机新技术将会被研发出来，从而达到
提高效率、节能减排的目的。
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