哪些因素影响了现代柴油发动机？现代柴油发动机应该怎样改善？
文|唐文采飞扬
编辑|唐文采飞扬
在最近十年间，包括电动车、混合动力车和太阳能汽车在内的替代燃料汽车的发展迅速，但一些关键问题，如有限的能量储存和高成本仍然限制了它们的广泛应用。
与此同时，许多新兴技术正在开发和应用于现代汽车发动机，以进一步提高能源利用效率和减少排放，因此，预计内燃机将继续在21世纪成为汽车的主要动力装置。
现代柴油机
压缩点火（CI）发动机是由鲁道夫·迪塞尔于1895年发明的，并已成为重型和轻型汽车的主要动力系统。
与其火花点火（SI）对应发动机相比，柴油发动机由于具有更高的压缩比和燃料贫燃操作，而在热效率上具有明显优势。
此外，发动机燃烧、排放控制和燃料输入方面的逐步创新已经导致了先进而高效、清洁的现代柴油发动机。
在四冲程循环发动机中，气体交换过程涉及进气和排气，用于清除燃烧过的废气并为下一个循环提供燃料，为了最大限度地增加进气空气量并保持缸内质量，新的技术被开发并应用。
涡轮增压作为一种通过由排气气流涡轮驱动的压缩机增加进气空气的方法，在现代柴油发动机中被广泛采用。
进气口处的增压空气可以增加空气质量流量，从而允许相应增加燃料流量并增强功率输出。
为了适应不同增压压力下广泛的发动机工作点，设计了可通过使用铰接喷嘴叶片调节排气气流的可变几何涡轮增压器（VGT）。
巴斯大学提出的“超级增压”技术据报道通过极大增加进气空气压力可实现燃料消耗的35%减少。
此外，Chadwell和Walls提出了一种新型涡轮增压器，SuperTurbo，它与连续变速器（CVT）耦合，在低转速时能够充当增压器。
此外，变量气门正时（VVT）机制，即改变气门升程事件的正时，已经越来越多地应用于柴油发动机。
面对日益严格的排放法规和高燃油经济性要求，柴油发动机需要精确控制空气充入量的质量流率和压力。
VVT可以大大改善高转速与低转速之间、全负荷与部分负荷之间的气门正时折中，此外，通过采用低温燃烧（LTC）与VVT技术，实现了显著的排放减少。
EGR在柴油发动机中被广泛使用以减少NOx排放，通过将一定比例的废气引入进气歧管，进气空气中的一些O2被CO2或O2替代，从而降低火焰温度并显著减少NOx。
然而，EGR的应用会导致颗粒物排放增加、特定制动燃油消耗增加以及润滑油和发动机耐久性的降低。
因此，为解决这个问题进行了许多努力，Akihama使用化学计量条件下的高EGR率同时减少颗粒物和NOx排放，提出了双回路EGR系统。
一部分排气气体作为高压EGR的补充物流回到涡轮增压器的上游，低压EGR的添加在空气路径上提供了很高的灵活性，并改善了燃油经济性和排放。
燃烧过程
在压缩冲程结束时，通过液体燃料的喷射和雾化蒸发后的自发点火来引发燃烧过程，在典型的柴油燃烧中，点火由喷射时机决定。
预混合燃烧在局部燃料-空气混合物中发生，具有较高的当量比，在一个称为点火延迟的短时间后，扩散燃烧随后在喷雾周边发生，目前正在研究新兴技术来提高热效率并减少排放。
共轨系统具有高压燃油管，供应单个电磁阀，它能够精确控制喷射压力、燃油喷射量和喷射时机，并在一个循环内实现多次喷射。
在Wolfgang的研究综述中，实验证明通过改变燃油喷射压力并实现预喷射可以改善排放。
一般来说，更高的喷射压力会导致更小的喷雾液滴和更短的喷射时间，从而改善燃油雾化并提供更高的利用效率。
预喷射会增加燃烧室内混合物的温度和压力，从而缩短主喷射的点火延迟并减少燃料在预混合相中燃烧的比例。
同时，据报道，后喷射（主喷射事件后喷入少量燃料）能够在循环末期提供高温，并促进炭黑的氧化。
此外，许多研究人员还研究了不同的燃烧策略，例如均质压缩点火（HCCI）、预混合压缩点火（PCCI）和反应控制压缩点火（RCCI）。
HCCI的特点在于空气和燃料的混合物在燃烧室内多个位置被压缩并自燃，尽管通过大量EGR和贫燃空燃比可以显著减少NOx和颗粒物的排放，但HCCI发动机有两个主要缺点。
首先，由于自燃受到许多因素的影响，而且没有直接的控制燃烧开始的方法可用，因此燃烧相位控制具有困难。
此外，在贫燃混合物和高EGR率条件下，由于缸内温度较低，HCCI发动机会产生高HC和CO排放。
在PCCI燃烧中，燃料在压缩冲程早期喷入，形成一个长时间的混合期，然后通过第二次喷油点火，使用少量燃料。
HCCI和PCCI燃烧的条件与HCCI类似，PCCI主要通过降低燃烧温度来减少排放，因此，PCCI的操作范围也受到高THC和CO排放的限制。
此外，威斯康星大学提出了一种新的双燃料发动机燃烧技术，即RCCI，在实验中，利用汽油和柴油可以实现极高的热效率和接近零的NOx和颗粒物排放水平。
然而，由于燃料策略复杂，RCCI在应用于实际车辆，特别是在瞬态工况下，还有很长的路要走。
排放控制
现代柴油发动机面临的最大挑战之一在于对排放物的控制，由于柴油发动机在大多数工况下采用了贫燃烧模式，废气中含有大量的O2。
因此，与汽油发动机不同，不能在柴油发动机中使用三元催化剂（TWC），三元催化剂是一种成熟且有效的方法，依靠化学计量的混合物进行氧化和还原反应。
已经开发了各种排放控制策略，可以分为缸内和排气后处理两个方面的技术。
对于缸内技术而言，代表性的方法是EGR和优化控制策略下的多次喷射，包括喷射时机和喷射量的优化。
EGR的应用已在讨论气体交换过程的主要思想在于降低燃烧温度和减少进气氧浓度，这是影响NOx生成的两个因素。
许多研究人员采用了各种方法来实现低NOx和烟尘排放的操作区域。
为了满足日益严格的排放法规，已经开发了许多排放后处理技术来进一步减少排放，对于现代柴油发动机，尾气排放的主要问题是NOx和颗粒物。
在大多数条件下，NOx和颗粒物之间存在权衡，这两种排放物是后处理技术的主要目标，最常见的NOx后处理技术是选择性催化还原（SCR）。
SCR技术使用从车载尿素的快速水解中产生的氨（NH3）作为还原剂来减少NOx。为了实现高NOx转化效率，该系统需要超过300摄氏度的排气温度，并对不同排气条件进行优化氢的添加。
在颗粒物排放控制方面，柴油颗粒物过滤器（DPF）和氧化催化器（DOC）是代表性的方法，DPF在减少颗粒物方面非常有效（高达95-98%），包括质量和数量。
当排气气体流经由有序方形通道组成的蜂窝状结构装置时，烟灰颗粒被捕集，同时，DOC广泛用于通过将CO、HC和有机分数（SOF）氧化为无害的产物来控制柴油颗粒物排放。
替代燃料
替代燃料作为可持续能源供应，正越来越受到关注，鉴于环境考虑和传统化石燃料价格上涨，欧盟已经制定了到2020年在交通部门的可再生能源消费的最低目标为10%。
对于柴油发动机而言，大多数受欢迎的替代燃料是由天然脂肪原料制成的，如藻类、植物油和动物脂肪，被称为生物柴油。
由于不同原料制成的生物柴油具有不同的燃料特性，已经进行了大量实验来测试使用生物柴油或其混合燃料的发动机的性能、排放和耐久性。
先前的测试显示，在全负荷和部分负荷下，发动机功率损失在3%到10%之间，主要是由于生物柴油的总发热值较低。
此外，许多关于生物柴油燃油经济性的实验研究表明，燃油消耗率略微增加，增加率接近于发热值的降低。
对于排放行为，大多数结果表明，生物柴油燃料的氮氧化物（NOx）排放略有增加，常见的解释是由于更高的体积模量和粘度引起的喷射提前和增加的喷射压力。
与此同时，大多数研究报告了显著降低的颗粒物排放，对此进行了调查和总结：生物柴油燃料的含氧量有助于将碳转化为CO或CO2而不是炭黑。
被认为是炭黑前体的芳香烃不含在生物柴油燃料中，由于较高的十六烷值或提前喷射引起的燃烧提前，促进了炭黑的氧化，在燃烧过程中有较长的高温阶段。
生物柴油燃料较低的最终沸点导致了更好的汽化。
柴油机瞬态运行
随着技术和成熟的发动机校准方法的发展，发动机稳态运行已经得到广泛研究和校准。
然而，汽车发动机的大部分运行模式是瞬态操作，而在瞬态期间的排放物，如冷启动、加速和减速，是污染的主要来源。
这个问题近年来引起了发动机研究人员和设计师的关注，需要对瞬态工况下发动机行为进行详细的测量和分析，以改善发动机校准。
在瞬态工况下，涡轮增压柴油发动机的性能和排放物明显较稳态条件下差，由于难以优化进气、喷射和燃烧系统的瞬态响应，会产生更高的颗粒物和碳氢化合物排放。
瞬态运行中的系统延迟
涡轮增压柴油发动机在瞬态操作中最显著的问题是空气供应延迟和发动机功率增加。
最初，Watson进行了基础研究，他在快速加速到满负荷、满速条件下比较了一个自然吸气发动机和一个相同排量的涡轮增压发动机。
研究发现，燃油供给反应迅速，但涡轮增压发动机的增压压力上升缓慢，两种发动机的气流发展接近，因此导致瞬态扭矩不足。
Catania进行的详细测量也证明燃油喷射系统能够在几个循环内即时适应新的稳态位置。
系统延迟在瞬态操作中的原因已经被许多研究人员进行了调查，并可分为三个方面：机械、热力和流体动力现象。
摩擦损失和涡轮增压器的惯性是主要的机械因素，而热贡献主要指的是热传递到气缸壁和排气歧管表面。
尽管关于改善机械和热力方面的研究报道较少，但许多研究人员声称，由于流体惯性和废气再循环效应造成的延迟是主要的，可以减少延迟。
首先，有报道称采用可变几何涡轮增压器(VGT)大大改善了发动机的瞬态响应，通过迅速关闭叶片，加速压气机，弥补了旋转惯性的影响。
此外，开发了最佳的EGR闭环控制，并在瞬态条件下证明了其降低NOx排放和相当的颗粒物排放水平的有效性。
结语：
此外，通过高压共轨系统和多次喷射等技术，可以实现对喷射压力、喷油量和喷油时机的精确控制，从而进一步改善燃油雾化和混合气的质量，减少排放物的生成。
为了进一步降低排放物，需要采取瞬态操作的控制策略，在缸内技术方面，采用EGR和多次喷射等方法可以降低燃烧温度和进气氧浓度，从而减少NOx的生成。
最后，对于瞬态操作而言，发动机动力响应延迟是一个重要问题，这种延迟主要由机械、热力和流体动力现象所引起。
而在减少延迟方面，可采取一些措施，如采用可变几何涡轮增压器（VGT）和优化EGR闭环控制。
总的来说，了解瞬态操作和排放控制对于提高柴油发动机的性能和减少污染排放至关重要，这需要综合运用多种技术手段，以实现更高效、更清洁的发动机运行。
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