大型商用车用柴油机降低油耗的技术

大型商用车用柴油发动机减少油耗的技术原作：福岛吉也尾头卓概要近年来，随着地球温暖化问题的日趋严峻化，减少汽车油耗的技术已成为一个重要的课题。这里重要从循环理论的角度出发，阐述了关于热效率高，广泛应用于商用汽车的柴油发动机，减少油耗的基本技术。并且介绍了大型商用车用柴油发动机减少油耗的几种实验结果及其对气体排放的影响。1前言目前，世界上有6亿多台汽车广泛应用于人们的经济活动和平常生活中，但就日本国内，汽车保有量也由1980年的4000万台左右增长到1990年的6000万台，日益进一步到人们的社会生活之中。另一方面，由于经济的高速增长，全球性的环境问题也日益严重，其中以由温室效应所引起的地球温暖化问题最为严重。在日本，交通运送部门占CO2总排放量的20%左右，因而减少汽车CO2的排放（即减少油耗）成为一个重要的课题。作为汽车的动力，柴油发动机比汽油发动机热效率高，对减少CO2的排放比较有效，并且耐用性，通用性好，因而广泛应用于商用汽车（见图１）。在这种背景下，人们采用各种既符合环境规定，由又满足市场需求的改善措施，以达成同时减少油耗（CO2排放）和气体排放的目的。图２反映了各年度柴油发动机满负荷最低燃耗率的变化趋势，从中可以看出其最低油耗率是在逐年改善的。要减少车辆整体的燃油消耗，改善发动机但记得燃油耗率以及减少功率消耗（转动阻力、空气阻力、传动系的耗损等）都是不可缺少的。本高重要谈一谈发动机单机减少油耗的技术。2减少油耗的基本技术所谓的减少油耗就是提高由燃料的化学能转化为机械能，到作为正味仕事输出位置的各阶段的效率，并尽量减少附带的无用能量的消耗。减少柴油发动机油耗的手段基本上可以分４种来考虑：提高理论效率提高指示效提高机械效率各种最优化（实用性减少油耗的手段）图３列举了具体的减少油耗的手段，但在气体排放法规日趋严格的情况下，关键是如何使减少油耗与气体排放互相平衡。2.1提高理论效率理论效率就是使燃料在气缸内燃烧，将其化学能转换为燃烧气体的压力时的效率，通常的车用柴油发动机，这个理论循环就是图4所示的双燃循环(Sabathecycle)。虽然增大压缩比就可以提高理论热效率，但也带来机械损耗的增长以及最大缸内压力（pmax）的增长，因而需要提高各部的刚性，增长强度等。提高理论热效率的另一个方法就是提高燃烧气体的比热比，以尽也许的接近空气的比热比。而增压化就是其典型的手段。不管哪一种情况，都必须涉及燃烧在内从总体上实现最优化。提高指示效率燃烧气体的压力在由活塞承受之后转换为机械能,但事实上在这个过程中却随着着各种损耗这时气体燃料所做的功与燃料能量的比就是指示效率。下面来谈一谈相对于理论周期，实际周期中的各种损耗。压缩、点火、燃烧过程中的损失有因点火时间而产生的损失，以及由于燃烧时间的延迟而产生的损失，要减少这些损失，就必须设定喷射时间，使预混合燃烧期间热发生率的峰值接近上限。为了在达成上限后，在尽短的时间内完毕燃烧，只要缩短扩散燃烧时间，缩短后燃烧即可。采用4气门结构、高喷射率化、优化喷射时间等等都是其典型的手段，这些同时也是解决气体排放问题的手段。膨胀行程中的损失有因汽缸壁的冷却而产生的热损失，要减少这种热损失，最有效的办法是发动机各部采用隔热措施，但是从发动机各部的改造限度、规模、可靠性等，以及减少油耗的效果来均衡考虑，在实用方面难度较大。并且假如过度增长隔热率，就会由于气缸壁表面温度的上升，而导致燃料与空气的混合局限性，以及吸入的空气量减少，反而会出现燃油消耗恶化的情况。因此需要选择最佳的隔热状态。发动机进气时的泵气损失是由于排气行程和进气行程的压力差而产生的。要减少这种损失，通过改善进、排气系统，，减少进、排气阻力，或者提高增压机的效率等都是有效的方法。而采用4气门机构减少泵气损失，则是通过使排气阀打开排气时的气缸压力比2气门机构下降更为迅速，缩短临界状态的时间，来提高排出气体的流出特性高压缩比可调压缩比可调气门配气正时(增大膨胀比)增大压缩比高压缩比可调压缩比可调气门配气正时(增大膨胀比)增大压缩比提高理论效率提高理论效率增压化高增压化，二级增压根据负荷控制增压增压化高增压化，二级增压根据负荷控制增压提高中冷器效率进气惯性增压气门配气正时、气门升程的最优化增大比热比增大比热比高喷射压力化高喷射压力化高喷射率化加大喷嘴喷口面积改善喷射断流缩短喷射时间缩短喷射时间燃烧搅动(促进混合)燃烧搅动(促进混合)喷射时间控制运用废气再循环(EGR)优化喷射时间减少无用容积搅拌燃烧气体喷射压缩比等的最优化提高燃烧效率优化燃烧时间提高燃烧效率优化燃烧时间改善增压机减少进、排气阻力改善增压机减少进、排气阻力改善增压方式减少油耗提高增压效率提高增压效率优化喷射量控制减少负荷变动量优化排气量、气缸数优化最高转速电控系统减少空转断油控制最优化减少辅机传动损失减少摩擦损失减少机械损失提高机械效率搅拌燃烧多气门化减少时间损失增压化废气涡轮复合使用热电子元件回收排气热减少排气损失高增压化、二级增压缩小冷却面积隔热材料、结构、冷却系统的小型化防止过度冷却采用电动风扇增大空气量减少总冷却损失采用隔热结构控制冷却水温改善进、排气系统多气门化排气二级凸轮减少局部负荷增压压力减少冷却损失减少泵气损失提高指示效率

减少排气损失涉及如何回收排气能量，而增压化自然是最典型的手段。优化喷射量控制减少负荷变动量优化排气量、气缸数优化最高转速电控系统减少空转断油控制最优化减少辅机传动损失减少摩擦损失减少机械损失提高机械效率搅拌燃烧多气门化减少时间损失增压化废气涡轮复合使用热电子元件回收排气热减少排气损失高增压化、二级增压缩小冷却面积隔热材料、结构、冷却系统的小型化防止过度冷却采用电动风扇增大空气量减少总冷却损失采用隔热结构控制冷却水温改善进、排气系统多气门化排气二级凸轮减少局部负荷增压压力减少冷却损失减少泵气损失提高指示效率并且此后要进一步提高热效率，废气涡轮复合等排气能量回收系统的实用化是非常关键的提高机械效率从输出轴输出的有效功与燃烧气体的实际压力功的比就是机械效率。提高机械效率即减少损失，入图5所示，有减少摩擦损失和和减少辅机损失两种。虽然损失的功率随发动机的转速增大而增大，但在转速一定的情况下，功率损失在整个负荷范围内基本上是一定的。因此减少机械损失对减少实际的车辆行驶燃油消耗有很大的影响。要减少摩擦损失，减少往复运动部分以及轴类的滑动阻力，各运动部分的轻量化，减少润滑油的粘度等都是重要的措施。但都与耐久性和可靠性有密切的关系，因而很难做到大幅度的改善，需要努力进行扎实的改善。此外，通过选定、设定车辆的传动系，减少最高转速，来更多的使用摩擦损失低、有效热效率好的转速区，也是减少实际的行驶燃油消耗的极为有效的手段。各种最优化要减少车辆行驶的燃油消耗，选定负荷车辆使用目的的排气量，如2.3所述最高转速的最优化等都是基本的重要事项。此外，发动机各部的电控化能淋漓尽致的发挥各要素的效果，既能减少油耗，同时又能保持与其他性能的平衡，从这个意义上来讲可以说是通用性的手段。从减少因用户的驾乘而导致的功率损耗（无用的加速操作）的观点来看，根据加速油门来优化喷射量控制等，则是减少负荷变动的实用性减少油耗的手段。图5减少机械损失的重要因素往复运动机构气门机构减少摩擦损失轴类系统齿轮系统润滑系统减少机械损失喷射泵冷却扇减少传动损失水泵油泵起动机其他减少油耗的实例尽管气体排放法规正在逐年强化但通过燃烧室的直喷化以及压化、以至高增压化、电控化等手段，柴油发动机的油耗率的到了切切实实的改善。对于因适应各年度气体排放法规而导致的油耗恶化，则通过提高输油率、提高喷射压力、采用多喷口喷嘴等，对喷射系统的改良，燃烧室形状和压缩比的优化，以及改善吸排气系统，增长吸入的空气量等改善燃烧的措施来填补，从而向减少油耗的方向发展。其中以高输油率化、高喷射压力化的进展尤为显著，公布发表了很多实验结果。这里就涡轮柴油发动机使用共轨式电子控制燃料喷射装置的十一实验结果来谈一谈。图6反映了在NOx相同的情况下，喷射压力（=共轨内压力）对油耗、烟度的影响，以及在喷射压力一定的情况下，涡流比对这些性能的影响。不同的转速，在燃耗和烟度两个方面都存在一个最佳值，而采用共轨式电控燃料喷射装置，就可以单独获得这些最佳值。此外，涡流比对NOx的影响也很大，塔得最优化对其性能的改善也有很大的奉献。针对平成6年（1994年）气体排放法规（短期法规），大型柴油发动机气体排放（NOx）的对策重要以延迟喷射时间为主，但在减少NOx的效果、发动机不发火余裕度等方面，从技术上已到了极限。要适应长期法规（1999或2023年法规），就必须采用涉及废气再循环（EGR）、引燃喷射等相结合的对策，在这种情况下，如何减少油耗成为最大的课题。下面以涡轮柴油发动机的实验结果为例，谈一谈低NOx时废气再循环对减少油耗的效果，及对废气再循环率等各性能的影响。图7则以喷射时间为参量，对有、无废气再循环的情况下，13工况气体排放实验中的燃耗、PM（有害微粒）进行了比较。从中可以看出，通过废气再循环率、喷射时间的最佳组合，减少NOx排放时的油耗恶化大大减轻了。图8是过剩空气系数不同的两种转速条件下，改变废气再循环率对油耗及排放气体的影响。1300rpm时，随着废气再循环率的增大，NOx